基于模型參數(shù)辨識(shí)的某型燃油數(shù)控系統(tǒng)綜合檢驗(yàn)方法

胡惠芳 李洋 王軒 崔一博

摘要：燃油數(shù)控系統(tǒng)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC（全權(quán)限數(shù)字電子控制）系統(tǒng)的核心之一，其工作性能變化直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性。本文針對(duì)燃油數(shù)控系統(tǒng)修理檢驗(yàn)中通常只檢查固定流量點(diǎn)流量而忽略燃油數(shù)控系統(tǒng)整體性能偏移和動(dòng)態(tài)性能變化的問題，提出一種基于模型參數(shù)辨識(shí)的某型燃油數(shù)控系統(tǒng)綜合檢驗(yàn)方法。該方法通過模型參數(shù)辨識(shí)，可獲得燃油數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，通過對(duì)比相關(guān)參數(shù)變化，可綜合檢驗(yàn)判斷燃油數(shù)控系統(tǒng)的性能變化和修理恢復(fù)情況。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；燃油數(shù)控系統(tǒng)；模型參數(shù)辨識(shí)；綜合檢驗(yàn)方法

Keywords： aero-engine；fuel numerical control system；model parameter identification；comprehensive inspection method

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的動(dòng)力提供裝置，其工作過程復(fù)雜，在整個(gè)飛行包線內(nèi)的工作特性變化很大，需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)期工作，工作環(huán)境十分惡劣。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠可靠穩(wěn)定地提供推力，需要對(duì)多變量、多執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)。

燃油流量作為關(guān)鍵被控變量，在發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)中通過燃油數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。燃油數(shù)控系統(tǒng)包括電子控制器、力矩馬達(dá)（或高速開關(guān)閥）、燃油泵調(diào)節(jié)器、線位移傳感器等組件。如圖1所示，某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油數(shù)控系統(tǒng)中有三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)燃油計(jì)量活門進(jìn)行調(diào)節(jié)：一是自動(dòng)模式下通過力矩馬達(dá)控制活門帶動(dòng)計(jì)量活門搖臂旋轉(zhuǎn)，改變計(jì)量活門油窗橫向開口長(zhǎng)度；二是手動(dòng)模式下通過三維凸輪控制搖臂帶動(dòng)計(jì)量活門搖臂旋轉(zhuǎn)，改變計(jì)量活門油窗橫向開口長(zhǎng)度；三是在發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)時(shí)，由超轉(zhuǎn)伺服閥帶動(dòng)計(jì)量活門搖臂旋轉(zhuǎn)，關(guān)小計(jì)量活門油窗橫向開口長(zhǎng)度，減小燃油流量。計(jì)量活門油窗除橫向開口長(zhǎng)度可調(diào)外，通過P3壓力膜盒的壓縮與舒張可調(diào)節(jié)計(jì)量活門油窗的縱向開口高度。

燃油數(shù)控系統(tǒng)工作過程中，計(jì)量活門前后的壓差由一個(gè)壓差活門進(jìn)行調(diào)節(jié)，使計(jì)量活門油窗前后的壓差保持恒定，進(jìn)而保證燃油體積流量?jī)H與計(jì)量活門油窗開口面積成正比，從而簡(jiǎn)化燃油流量的控制算法與邏輯。

燃油數(shù)控系統(tǒng)在修理完成后，需根據(jù)履歷本要求對(duì)其性能恢復(fù)情況進(jìn)行檢驗(yàn)。目前常見的檢查方法是檢查燃油數(shù)控系統(tǒng)在多個(gè)固定流量點(diǎn)的流量是否符合履歷本規(guī)定的范圍要求。該檢驗(yàn)方法存在流量整體偏上限或下限的情況，無法準(zhǔn)確評(píng)估燃油數(shù)控系統(tǒng)整體性能偏移和動(dòng)態(tài)性能變化情況。針對(duì)此問題，本文提出一種基于模型參數(shù)辨識(shí)的綜合檢驗(yàn)方法，通過辨識(shí)燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，綜合檢驗(yàn)燃油數(shù)控系統(tǒng)性能變化和修理恢復(fù)情況。

1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)辨識(shí)及檢驗(yàn)

式（12）中的4個(gè)數(shù)值綜合反映了燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)燃油流量受力矩馬達(dá)控制電流i和壓氣機(jī)后壓力的調(diào)節(jié)和影響程度，可作為燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能檢查和修理檢驗(yàn)的綜合指標(biāo)依據(jù)。

2 動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)及檢驗(yàn)

基于燃油數(shù)控系統(tǒng)性能試驗(yàn)器，在自動(dòng)模式下設(shè)置轉(zhuǎn)速和燃油泵調(diào)節(jié)器進(jìn)口油壓，壓氣機(jī)后壓力=0.6MPa，進(jìn)行力矩馬達(dá)控制電流階躍試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線如圖2和圖3所示。

另外，為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確性，需將相同輸入條件下的模型輸出與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在相同力矩馬達(dá)控制電流的輸入下，傳遞函數(shù)的模型輸出與試驗(yàn)采集到的燃油體積流量對(duì)比如圖5和圖6所示?？梢钥吹?，無論是32mA到96mA的控制電流階躍試驗(yàn)還是96mA到32mA的控制電流階躍試驗(yàn)，傳遞函數(shù)模型的輸出均能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)Matlab的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，模型輸出與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合率達(dá)到95%。

通過系統(tǒng)辨識(shí)得到的燃油數(shù)控系統(tǒng)傳遞函數(shù)中包含一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)，通過對(duì)比慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)、二階振蕩環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)、二階振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比等參數(shù)的變化，可綜合檢驗(yàn)燃油數(shù)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能衰退和修理恢復(fù)情況。

3 總結(jié)與應(yīng)用

本文針對(duì)燃油數(shù)控系統(tǒng)修理檢驗(yàn)中的一般性問題，提出一種基于模型參數(shù)辨識(shí)的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油數(shù)控系統(tǒng)綜合檢驗(yàn)方法，通過試驗(yàn)辨識(shí)燃油數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，綜合檢驗(yàn)燃油數(shù)控系統(tǒng)性能變化和維修恢復(fù)情況。通過該方法得到的燃油數(shù)控系統(tǒng)傳遞函數(shù)也可作為燃油數(shù)控系統(tǒng)仿真模型，有效支撐燃油數(shù)控系統(tǒng)小閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)。本方法中采用的最小二乘估計(jì)和系統(tǒng)辨識(shí)易于通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，能有效支撐燃油數(shù)控系統(tǒng)修理中的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化升級(jí)工作。本方法也可為其他航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)維修檢驗(yàn)提供借鑒。