魚(yú)雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制仿真

馬 良, 楊赪石, 張孝毅, 路 駿,3, 陳 剛, 韓勇軍

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魚(yú)雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制仿真

馬 良1,2, 楊赪石1,2, 張孝毅1, 路 駿1,3, 陳 剛1, 韓勇軍1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710077; 3. 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院, 陜西西安, 710072)

為實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷的大范圍變速能力, 針對(duì)熱動(dòng)力魚(yú)雷某型號(hào)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的非線性和大范圍換速和變深中參數(shù)變化大的問(wèn)題, 通過(guò)對(duì)變?nèi)剂媳谩⑷紵液桶l(fā)動(dòng)機(jī)建模, 仿真獲得了系統(tǒng)的非線性特性和動(dòng)態(tài)特性以及不同工況下的系統(tǒng)參數(shù), 制定了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略, 采用變參數(shù)PID控制算法, 完成了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制仿真。仿真結(jié)果表明, 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制性能良好。

熱動(dòng)力魚(yú)雷; 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī); 轉(zhuǎn)速; 閉環(huán)控制; 變參數(shù)PID

0 引言

伴隨科技發(fā)展, 熱動(dòng)力魚(yú)雷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制研究經(jīng)歷了由單速制、雙速制向多速制和無(wú)級(jí)變速發(fā)展的過(guò)程, 其控制方式也由開(kāi)環(huán)控制發(fā)展為閉環(huán)控制?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)由于最大輸出功率較小, 限制了魚(yú)雷的航速, 已不能滿足魚(yú)雷高航速的要求。而渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有功率大、耗氣量低、焓降大等優(yōu)點(diǎn)[1], 輸出功率變化范圍大, 能大幅提高魚(yú)雷的航速, 可以實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷大范圍的換速或變深[2]。但渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)非線性的對(duì)象, 對(duì)工況變動(dòng)特別是海水背壓的變化很敏感, 深度特性差, 控制調(diào)節(jié)比較復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷的大范圍變速能力, 需對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制進(jìn)行研究。

在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制方面, 主要針對(duì)基于電控變量燃料泵的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制開(kāi)展了大量研究工作, 提出了熱動(dòng)力無(wú)級(jí)變速的實(shí)現(xiàn)方式, 并對(duì)其特性進(jìn)行了仿真分析[3-5]。目前國(guó)內(nèi)也完成了相關(guān)試驗(yàn), 對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能和工作特性進(jìn)行了初步驗(yàn)證和考核, 但針對(duì)的均為功率較低、變化范圍較小的動(dòng)力系統(tǒng)。

文中通過(guò)對(duì)熱動(dòng)力魚(yú)雷某大功率渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)建模與分析, 制定了相應(yīng)的控制策略和控制算法, 建立了控制系統(tǒng)仿真模型, 旨在通過(guò)控制參數(shù)的自動(dòng)整定, 實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下的自動(dòng)控制, 從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速能力, 并通過(guò)仿真分析, 驗(yàn)證了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的可行性, 為下一步的試驗(yàn)研究提供理論支撐。

1 熱動(dòng)力系統(tǒng)組成

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的主要組成分為燃料艙、比例控制器、啟動(dòng)切換閥、變量燃料泵、燃燒室、發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)器、轉(zhuǎn)速控制器及其他輔機(jī)等部分[6]。對(duì)于文中研究而言, 動(dòng)力系統(tǒng)主要組成可以簡(jiǎn)化如圖1所示。

變量燃料泵: 實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料的增壓和流量調(diào)節(jié)。

燃燒室: 將燃料充分燃燒, 產(chǎn)生推動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作的燃?xì)狻?/p>

發(fā)動(dòng)機(jī): 發(fā)動(dòng)機(jī)為單級(jí)沖動(dòng)式渦輪機(jī), 實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉄崮艿絼?dòng)能的轉(zhuǎn)變, 燃?xì)鈩?dòng)能到渦輪機(jī)軸機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

推進(jìn)器或負(fù)載: 采用泵噴射推進(jìn)器, 提供魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)所需的推力。

轉(zhuǎn)速控制器: 實(shí)現(xiàn)對(duì)變量燃料泵的有效、可靠控制, 保證動(dòng)力系統(tǒng)在各工況下轉(zhuǎn)速基本保持恒定。

文中主要研究變量燃料泵輸出流量對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響, 通過(guò)控制流量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 熱動(dòng)力系統(tǒng)建模

2.1 變量燃料泵模型

變量燃料泵為一種斜盤旋轉(zhuǎn)式軸向柱塞泵, 通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu), 改變配流角來(lái)控制泵的排量。變量燃料泵在改變排量時(shí), 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成配流角的轉(zhuǎn)速, 改變配流角的大小。

變量燃料泵的流量為

變量燃料泵的配流角由電機(jī)控制, 電機(jī)轉(zhuǎn)速與配流角轉(zhuǎn)速存在比例關(guān)系, 故配流角大小通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速積分得到; 電機(jī)可以看作1階慣性環(huán)節(jié)[5], 慣性很小, 分析時(shí)可以作比例環(huán)節(jié)處理。因此, 泵配流角對(duì)執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的傳遞函數(shù)表示為

2.2 燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)模型

燃燒室壓力

渦輪機(jī)的燃?xì)庀牧?/p>

渦輪機(jī)最大可用等熵焓降

渦輪機(jī)輸出的有效功率

其中

渦輪機(jī)主軸系動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)建立的變量燃料泵模型、燃燒室和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型, 建立發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)控制信號(hào)的仿真模型, 如圖2所示。

2.3 模型驗(yàn)證

2.3.1 變量泵模型驗(yàn)證

由于泵出口壓力的變化及其結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響, 泵實(shí)際排量與配流角的關(guān)系與理論關(guān)系存在一定的差異, 需要對(duì)排量與配流角的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。圖3是試驗(yàn)和仿真得到的泵排量與配流角大小的關(guān)系。

由圖3可知, 模型與試驗(yàn)得到的排量與配流角關(guān)系相差較大。理論模型中未考慮出口壓力、配流角等因素對(duì)容積效率的影響, 且配流盤機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了排量與配流角并非呈嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合, 重新獲得泵排量與配流角的關(guān)系, 對(duì)變量燃料泵模型中泵排量與配流角的關(guān)系進(jìn)行修正。

2.3.2 燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)模型驗(yàn)證

燃燒室與發(fā)動(dòng)機(jī)模型相對(duì)較復(fù)雜, 涉及燃燒、熱功轉(zhuǎn)換等多個(gè)環(huán)節(jié), 是動(dòng)力系統(tǒng)最關(guān)鍵的組件, 其模型準(zhǔn)確與否直接影響到整個(gè)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確度, 因此必須對(duì)其模型進(jìn)行驗(yàn)證。文中所研究的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率試驗(yàn)工作仍在進(jìn)行中, 沒(méi)有相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此處選用另一渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

采用功率試驗(yàn)變速過(guò)程的數(shù)據(jù)曲線與模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。將試驗(yàn)的泵體積流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量數(shù)據(jù)作為模型的輸入, 得到燃燒室壓力和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果, 對(duì)比結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知, 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致, 驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。其中, 燃燒室壓力試驗(yàn)曲線表示的是燃燒室的頭壓, 仿真曲線表示的是燃燒室的壓力, 兩者差表示燃燒室噴嘴的壓降, 與實(shí)際情況接近。

2.4 模型分析

燃燒室: 根據(jù)式(3)和式(4), 得到燃燒室壓力的傳遞函數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī): 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型相對(duì)較為復(fù)雜, 不容易直接對(duì)其進(jìn)行分析。文中采用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行特性分析[8], 在不同工況條件下, 選擇慣性環(huán)節(jié)模型方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí), 擬合度達(dá)到了95%以上。結(jié)果表明, 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒室壓力的響應(yīng)為慣性環(huán)節(jié)[9], 慣性環(huán)節(jié)參數(shù)通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)獲得, 時(shí)間參數(shù)為。

以上分析可知, 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒室壓力的響應(yīng)可以看作慣性環(huán)節(jié);>>, 燃燒室壓力對(duì)泵供流量的響應(yīng)速度快, 遠(yuǎn)高于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒室壓力的響應(yīng)速度, 可近似看作比例環(huán)節(jié)。故渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)泵供流量的響應(yīng)可以認(rèn)為是慣性環(huán)節(jié), 其傳遞函數(shù)

式中,k為慣性環(huán)節(jié)增益。

魚(yú)雷在換速或變深等變工況下工作時(shí), 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作參數(shù)會(huì)發(fā)生大范圍變化, 進(jìn)而引起慣性環(huán)節(jié)參數(shù)的變化。為獲得慣性環(huán)節(jié)的參數(shù), 對(duì)燃燒室與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型進(jìn)行不同工況下的仿真, 再采用系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí), 得到了不同工況下慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)。仿真結(jié)果表明, 時(shí)間參數(shù)變化較小, 可以取定值且增益參數(shù)變化較大。

3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略

3.1 控制策略討論

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是通過(guò)控制伺服電機(jī), 改變?nèi)剂媳门淞鹘? 從而改變泵的排量, 進(jìn)而改變?nèi)剂媳玫妮敵隽髁恳钥刂茰u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂屏康倪x取具有以下幾種方案。

1) 燃料泵輸出流量作為控制量

泵輸出流量除以檢測(cè)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速后, 轉(zhuǎn)換成配流角信號(hào), 對(duì)配流角進(jìn)行閉環(huán)控制, 其工作流程如圖6所示。該方法存在的主要問(wèn)題: 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)泵供流量具有慣性, 給系統(tǒng)帶來(lái)一定的影響。對(duì)模型進(jìn)行仿真分析可知, 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)泵供流量不再是慣性環(huán)節(jié), 該方法加大了系統(tǒng)的復(fù)雜性, 加大了控制的難度。

2) 泵配流角作為控制量

對(duì)配流角進(jìn)行閉環(huán)控制, 其工作流程如圖7所示。該方法存在的主要問(wèn)題: 配流角閉環(huán)控制環(huán)節(jié)可以表示為慣性環(huán)節(jié), 且要求其慣性常數(shù)較小, 以滿足變速時(shí)配流角的快速響應(yīng), 而配流角執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的飽和特性對(duì)配流角閉環(huán)控制環(huán)節(jié)存在一定影響, 加大了該環(huán)節(jié)的非線性, 影響了整個(gè)控制系統(tǒng)局部的動(dòng)態(tài)特性。

3) 電機(jī)的控制電壓作為控制量

泵執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓直接作為控制量, 配流角由電壓積分獲得, 其工作流程如圖8所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速的飽和特性對(duì)控制系統(tǒng)雖然會(huì)產(chǎn)生影響, 但其不會(huì)影響控制系統(tǒng)局部的動(dòng)態(tài)特性, 從而在整個(gè)控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響較小。

綜上所述, 文中采用第3種方案, 即電機(jī)的控制電壓作為控制量。

通過(guò)模型的建立、分析和控制策略的選取, 最終得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的控制模型, 如圖9所示。

圖9中，in和out分別表示輸入和輸出渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速;表示轉(zhuǎn)速偏差;表示泵執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓; theta表示泵配流角;表示泵輸出流量;表示泵供流量與配流角的比值, 其隨系統(tǒng)工況變化而變化, 且與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比, 通過(guò)系統(tǒng)仿真可以獲得在不同工況下的取值。

3.2 控制策略分析

如圖7所示, 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為1階慣性環(huán)節(jié), 即

(12)

此時(shí)泵供流量的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(14)

故而, 初步得到控制律傳遞函數(shù)

下面對(duì)該傳遞函數(shù)的參數(shù)和存在的問(wèn)題進(jìn)行分析。

圖10為不同深度下, 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)的泵配流角的關(guān)系曲線, 其比值為與的乘積。

由圖10可知, 相同轉(zhuǎn)速下, 配流角隨著深度增大而增大; 相同深度下(除外), 配流角基本隨著轉(zhuǎn)速增大而增大;深度下, 相對(duì)轉(zhuǎn)速在60%左右時(shí)配流角最小, 且隨著轉(zhuǎn)速增大或減小, 配流角均增大。

2) 微分項(xiàng)系數(shù)的修正

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制模型中, 將泵供流量與配流角的關(guān)系用靜態(tài)的比值表示, 而實(shí)際泵供流量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系密切, 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)的快慢很大程度上影響了泵供流量對(duì)配流角這個(gè)過(guò)程的慣性, 實(shí)際配流角到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間可以通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)得到, 響應(yīng)時(shí)間>。

根據(jù)以上分析, 調(diào)整控制律傳遞函數(shù)中的相關(guān)參數(shù), 以期獲得控制性能更好的傳遞函數(shù)。

(17)

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

閉環(huán)控制系統(tǒng)為2階系統(tǒng), 系統(tǒng)穩(wěn)定。

極點(diǎn)為

零點(diǎn)為

(20)

系統(tǒng)輸入為轉(zhuǎn)速信號(hào), 可以看作階躍輸入。

此時(shí)配流角閉環(huán)傳遞函數(shù)為

同理, 配流角相對(duì)系統(tǒng)輸入穩(wěn)定。故而, 最終得到控制律傳遞函數(shù)

(22)

3.3 控制算法設(shè)計(jì)

由控制律傳遞函數(shù)的形式可知, 該傳遞函數(shù)可以由PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。由于系統(tǒng)參數(shù)隨著工況發(fā)生變化, 控制律傳遞函數(shù)的參數(shù)也將發(fā)生變化,故文中采用變參數(shù)PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制律傳遞函數(shù)[10]。

至此, 整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型搭建完畢, 如圖11所示。

圖11 控制系統(tǒng)的仿真模型

4 仿真結(jié)果與分析

對(duì)搭建的控制系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真, 圖12和圖13分別是某深度下?lián)Q速和某航速下變深的仿真結(jié)果曲線。

由圖12可知, 當(dāng)魚(yú)雷進(jìn)行換速時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)換速平穩(wěn), 且轉(zhuǎn)速不存在超調(diào), 換速時(shí)間滿足預(yù)設(shè)要求; 燃燒室壓力、配流角和泵供流量變化平穩(wěn), 不存在超調(diào); 控制信號(hào)良好。

由圖13可知, 當(dāng)魚(yú)雷進(jìn)行變深時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化, 轉(zhuǎn)速偏差不大于2%, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間短, 調(diào)節(jié)速度快; 燃燒室壓力、配流角和泵供流量變化平穩(wěn), 不存在超調(diào); 控制信號(hào)良好。

由換速和變深仿真結(jié)果可知, 選擇電機(jī)控制電壓作為控制量的策略, 采用PID控制算法, 可以實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷熱動(dòng)力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)熱動(dòng)力魚(yú)雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析, 獲得了熱動(dòng)力系統(tǒng)的非線性特性和動(dòng)態(tài)特性, 討論了不同控制策略的影響, 制定了以變量燃料泵配流角執(zhí)行電機(jī)的控制電壓作為控制量的控制策略, 采用變參數(shù)PID控制算法, 進(jìn)行了控制系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明, 在魚(yú)雷換速或變深條件下, 閉環(huán)控制算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制, 且控制性能良好, 為下一步的試驗(yàn)研究提供了參考。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Simulation on Closed-loop Control of Torpedo Turbine Rotary Velocity

MA Liang,YANG Cheng-shi,ZHANG Xiao-yi, LU Jun,CHEN Gang, HAN Yong-jun

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China; 3. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

To realize speed variation of a torpedo in a wide range, the nonlinearity and the remarkable variation of parameters due to the speed and depth variations in wide range are considered for a certain type of turbine engine system of thermal propulsion torpedo. The models of fuel-variable pump, combustion chamber and engine are established to obtain the nonlinear and dynamic characteristics of the system as well as the system parameters in different conditions. Further, a closed-loop control strategy of rotary velocity is drawn up, and the proportion-integral-derivative(PID) control algorithm with variable parameters is adopted to implement rotary velocity control simulation of the turbine engine. Simulation results indicate good performance of the closed-loop control of turbine engine rotary velocity.

thermal propulsion torpedo; turbine engine; rotary velocity; closed-loop control; proportion-integral-derivative(PID) control with variable parameter

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.007

TJ630.32；TP271.7

A

1673-1948(2016)06-0431-07

2016-09-23;

2016-10-19.

馬 良(1992-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)槟茉磩?dòng)力推進(jìn)技術(shù).