徐中節(jié),尤裕榮,逯婉若,吳寶元
(西安航天動力研究所,陜西西安710100)
沖壓發(fā)動機(jī)工作性能的好壞,在很大程度上取決于它的控制系統(tǒng)的品質(zhì)[1,2]。沖壓發(fā)動機(jī)數(shù)字式控制系統(tǒng)的研制必須經(jīng)過性能優(yōu)良的半實(shí)物仿真試驗(yàn)臺的驗(yàn)證考核。另外,對于數(shù)字式控制系統(tǒng)中批量生產(chǎn)的調(diào)節(jié)器和控制器,由于機(jī)械加工及元器件性能不可避免的存在散差,每臺產(chǎn)品的性能均有差別,調(diào)節(jié)器和控制器的聯(lián)合調(diào)試也需用半實(shí)物仿真平臺來檢驗(yàn)。
半實(shí)物仿真又稱硬件在回路仿真,它是將系統(tǒng)的部分實(shí)物接入控制回路的試驗(yàn)[3~6]。其主要作用有:
(1)研究控制系統(tǒng)中各組合件接口特性和工作匹配性;
(2)研究燃油調(diào)節(jié)器的動、靜態(tài)特性;
(3)研究發(fā)動機(jī)控制規(guī)律和控制算法,實(shí)現(xiàn)控制器的快速原型設(shè)計(jì);
(4)檢測產(chǎn)品控制器的硬件、控制時序及軟件性能等;
因此,控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真聯(lián)合試驗(yàn)是極其重要的一個環(huán)節(jié)。
沖壓發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)電子控制器、燃油調(diào)節(jié)器、沖壓發(fā)動機(jī)和彈體數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)換裝置A/D板和D/A板以及其他電氣接口設(shè)備等組成,如圖1所示。
仿真計(jì)算機(jī)通過A/D卡接收角位移傳感器RVDT的油量信號,運(yùn)行彈體和發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型,得出發(fā)動機(jī)入口狀態(tài)參數(shù),通過D/A給控制系統(tǒng)輸出控制指令??刂破鹘邮瞻l(fā)動機(jī)入口狀態(tài)參數(shù),按預(yù)定的控制規(guī)律計(jì)算得到理論燃油流量,與反饋的RVDT信號進(jìn)行比較,通過設(shè)定的控制算法和脈寬調(diào)制電路變?yōu)槊}寬調(diào)制信號,該信號經(jīng)功率放大后驅(qū)動PWM電磁閥。另外,控制器接受仿真計(jì)算機(jī)的啟動、關(guān)機(jī)和其它指令信號等,實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)過程的控制。
1.2.1 彈體數(shù)學(xué)模型
由于沖壓發(fā)動機(jī)推力作用是改變導(dǎo)彈的飛行條件,而飛行條件的改變反過來對沖壓發(fā)動機(jī)的狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生影響。因此,需要建立彈體的數(shù)學(xué)模型,再將沖壓發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型與彈體數(shù)學(xué)模型一體化運(yùn)行。假設(shè)導(dǎo)彈運(yùn)動時其縱向?qū)ΨQ平面始終與地面坐標(biāo)系的鉛垂面相重合,且導(dǎo)彈的質(zhì)心在縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)運(yùn)動,得到彈體的運(yùn)動方程
式中,m為導(dǎo)彈質(zhì)量;v為飛行速度;F為發(fā)動機(jī)推力;α為攻角;CX為阻力系數(shù);Cy為升力系數(shù);A為彈體橫截面積;θ為航跡傾角。
1.2.2 沖壓發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型
沖壓發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型是建立在給定飛行馬赫數(shù)和飛行高度下,按各部件特性計(jì)算得到的發(fā)動機(jī)推力、比沖、加熱比等性能參數(shù)。為了研究發(fā)動機(jī)控制規(guī)律和滿足半實(shí)物仿真試驗(yàn)要求,需要建立簡化的沖壓發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型。
在建立沖壓發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型時作如下假設(shè):
(1)認(rèn)為氣流為無粘性、一元定常流,進(jìn)氣道、噴管中為絕熱過程。
(2)氣體狀態(tài)采用理想氣體狀態(tài)方程描述,并按定比熱計(jì)算,空氣比熱比k=1.4,燃?xì)獗葻岜萲b=1.33。
(3)發(fā)動機(jī)內(nèi)外通道無熱交換,即燃燒前的氣流總溫等于來流總溫,燃燒后到噴管出口總溫相同。
根據(jù)以上所作簡化與假設(shè),通過對主要特征截面參數(shù)計(jì)算,從而得到?jīng)_壓發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型。
1.2.3 模型仿真計(jì)算機(jī)
模型仿真計(jì)算機(jī)為運(yùn)行沖壓發(fā)動機(jī)和彈體數(shù)學(xué)模型的微型計(jì)算機(jī),仿真計(jì)算機(jī)主要完成以下任務(wù):
(1)負(fù)責(zé)沖壓發(fā)動機(jī)和彈體數(shù)學(xué)模型的實(shí)時運(yùn)行,并控制整個半實(shí)物仿真試驗(yàn)的進(jìn)行,負(fù)責(zé)仿真試驗(yàn)的開始和停止。
(2)模擬發(fā)動機(jī)入口狀態(tài)參數(shù),通過D/A輸出卡將來流氣體溫度、壓力信號等輸出給綜合控制器用于發(fā)動機(jī)控制規(guī)律的計(jì)算。
(3)通過A/D采集卡采集電子控制器發(fā)出的油門位置信號。
(4)通過I/O口發(fā)出系統(tǒng)的啟動和停止信號。
一般實(shí)時仿真計(jì)算機(jī)包括并行仿真計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)實(shí)時仿真等。并行仿真計(jì)算機(jī)適用于高要求系統(tǒng)的仿真。通用計(jì)算機(jī)配上相應(yīng)的仿真軟件環(huán)境和I/O接口系統(tǒng)也具有較好的性能。本文的仿真系統(tǒng)采用通用計(jì)算機(jī)仿真,配置了一臺內(nèi)存為1G×2、CPU主頻為3.2GHz×2芯片的HP工作站作為仿真計(jì)算機(jī)。仿真計(jì)算機(jī)PCI插槽中的A/D卡、D/A卡采用NI公司高可靠性E系列采集卡PCI-6024E和PCI-6713。
1.3.1 電子控制器
電子控制器主要完成發(fā)動機(jī)控制規(guī)律和控制算法的運(yùn)算任務(wù),保證導(dǎo)彈按預(yù)定的彈道飛行??刂破饔布娐方Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要有控制模塊電路,電源模塊電路,輸出驅(qū)動模塊電路,輸入傳感器信號調(diào)理模塊電路,輸入開關(guān)量信號調(diào)理模塊電路,通訊接口模塊電路。
1.3.2 燃油調(diào)節(jié)器
燃油調(diào)節(jié)器根據(jù)綜合控制器指令信號來計(jì)量和分配燃油,主要由等壓差機(jī)構(gòu)、脈寬調(diào)制快速電磁閥、計(jì)量活門、加速電磁閥、角位移傳感器、噴嘴環(huán)轉(zhuǎn)換電磁閥等組成。在半實(shí)物仿真中調(diào)節(jié)器采用實(shí)物。
1.4.1 模型仿真的實(shí)現(xiàn)
在Matlab/Simulink中建立了導(dǎo)彈和發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型,把數(shù)學(xué)方程表達(dá)的輸入、輸出信號用實(shí)際的A/D、D/A及I/O板替換,然后對硬件目標(biāo)進(jìn)行描述,生成實(shí)時代碼,將實(shí)時代碼下載到本地仿真平臺上,最后運(yùn)行模型,進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)監(jiān)視并可以在線修改仿真模型的數(shù)學(xué)部分。
1.4.2 控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
軟件系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容,軟件實(shí)現(xiàn)總體要求的發(fā)動機(jī)起動和控制計(jì)劃設(shè)定的控制規(guī)律,同時對發(fā)動機(jī)在動態(tài)過程中實(shí)施防喘控制和其他邊界條件限制控制。本系統(tǒng)為一個實(shí)時快速調(diào)節(jié)系統(tǒng),系統(tǒng)對軟件在信號采集、數(shù)據(jù)傳輸、PID調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理上均要求快速、實(shí)時,具有較高的抗干擾能力。
(1)控制規(guī)律和控制算法設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)按給定的余氣系數(shù)控制供油,控制規(guī)律表達(dá)式如下:
式中,Pt2是進(jìn)氣道出口截面總壓;Tt2為出口截面總溫;Ma2為進(jìn)氣道出口馬赫數(shù);A2為出口面積;m2=0.04由氣體熱力學(xué)計(jì)算獲得;α為余氣系數(shù);L為當(dāng)量混合比。
控制系統(tǒng)以PID控制算法實(shí)現(xiàn)上述控制規(guī)律,PID算法如下:
式中,e(k)為理論燃油流量r(k)與實(shí)際值y(k)構(gòu)成的控制誤差;Kp為比例系數(shù);T為采樣周期;Ti為積分時間;Td為微分時間;為積分系數(shù);Kd=Kp×Td/T為微分系數(shù);u(k)為控制量。
(2)嵌入式軟件的編程實(shí)現(xiàn)
在CCS環(huán)境下開發(fā)了實(shí)時運(yùn)行的嵌入式C代碼,具有良好的可讀性和可維護(hù)性。
在基于半實(shí)物仿真技術(shù)搭建的試驗(yàn)平臺上,對控制系統(tǒng)的軟硬件特性、系統(tǒng)的匹配性、靜動態(tài)特性以及連續(xù)彈道的半實(shí)物仿真試驗(yàn)等進(jìn)行了研究。
對系統(tǒng)進(jìn)行了升降臺階的階躍試驗(yàn),由圖3可看出控制系統(tǒng)快速響應(yīng)性較好,在0.6s之內(nèi)系統(tǒng)上升到額定值的90%左右(0.7V/s)。此外,系統(tǒng)的輸入和輸出吻合較好,穩(wěn)態(tài)精度較高,重復(fù)性也較好。
由圖4看出,在連續(xù)彈道的半實(shí)物仿真試驗(yàn)中,實(shí)際輸出供油量與理論輸入供油量能很好地吻合,控制效果比較理想,滿足彈道的實(shí)時控制要求。發(fā)動機(jī)在給定的馬赫數(shù)處接力,而后逐漸進(jìn)入巡航狀態(tài),使巡航馬赫數(shù)穩(wěn)定在要求值,滿足預(yù)定的半實(shí)物仿真試驗(yàn)要求。控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)說明,本文設(shè)計(jì)的沖壓發(fā)動機(jī)數(shù)字式控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。
通過控制系統(tǒng)多輪的半實(shí)物仿真試驗(yàn)后,得到以下結(jié)論:
(1)基于半實(shí)物仿真技術(shù)搭建的試驗(yàn)平臺是沖壓發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的研制過程中重要的一環(huán),可穩(wěn)定地提供各種控制指令,能滿足控測要求。
(2)電子控制器和燃油調(diào)節(jié)器匹配性良好,設(shè)計(jì)的控制規(guī)律和控制算法表現(xiàn)出了良好的魯棒性與動態(tài)性能。
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