基于切換器的航空動力裝置加減速控制方法

徐燾++王巖++張偉

摘 要：航空動力裝置的發(fā)動機(jī)模型是開展航空物理實(shí)驗(yàn)、發(fā)動機(jī)研究、速度管理、數(shù)字化運(yùn)行的關(guān)鍵。利用渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)行數(shù)字化模擬，判斷動力裝置的速度化性質(zhì)。參考相關(guān)文獻(xiàn)展開對航天動力裝置速度控制的研究。通過對切換器的動力轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)出基于加速度控制、穩(wěn)態(tài)控制的相關(guān)設(shè)計(jì)，對加速器的運(yùn)行過程實(shí)施保護(hù)。該試驗(yàn)結(jié)果表明，對于航天動力裝置加減速控制具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)操作性。

關(guān)鍵詞：動力裝置；加速器；保護(hù)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

航天動力裝置在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求之下對于其性能的要求也在不斷提高。其中動力裝置的加減速控制需要越來越精確，燃油控制也要更加重視。燃油控制在動力控制中屬于最根本的地位。燃油穩(wěn)態(tài)控制是對于動力的運(yùn)行和操作都呈現(xiàn)穩(wěn)定的態(tài)勢，但是對于加速裝置和動力裝置是過渡態(tài)勢，這里要求過渡的平穩(wěn)性和爆發(fā)力，對速度要求比較高。加速減速的控制是航天動力研究的關(guān)鍵領(lǐng)域，是過渡區(qū)的關(guān)鍵部分，也是研究的重點(diǎn)。由于電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對于航天動力的控制也逐漸變成電子控制，這減輕了工作人員的壓力，減輕了操作復(fù)雜性。PID控制是用在燃油控制上面的一個控制方法，可以有力地提升控制的精確性。

一、渦軸機(jī)發(fā)展歷史

世界上第一臺渦軸機(jī)是由一個美國人在20世紀(jì)中期發(fā)明創(chuàng)造的。在渦軸機(jī)被發(fā)明之后便不斷得到改進(jìn)和創(chuàng)新，渦軸機(jī)具有以下幾個特點(diǎn)，身輕、體小、易操作、動力大。這些特點(diǎn)在渦軸機(jī)實(shí)際運(yùn)用時發(fā)揮了很大的作用。漸漸地渦軸機(jī)被運(yùn)用到航天領(lǐng)域，飛機(jī)會用到它。隨著渦軸機(jī)不斷地改進(jìn)，渦軸機(jī)被運(yùn)用到各個領(lǐng)域，在動力裝置面前樹立了一道豐碑。很多船舶和軍工交通工具也運(yùn)用到了發(fā)動機(jī)，因此對于渦軸機(jī)的研究也漸漸步上更深一層領(lǐng)域。一些資本主義國家首先進(jìn)行了發(fā)動機(jī)研究，對渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，促進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)行更新?lián)Q代。美國的VAATE計(jì)劃便是其中典范，其針對渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)行了深入地研究。渦軸發(fā)動機(jī)的綜合性能指標(biāo)不斷提高和優(yōu)化，為新型號的研制提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，有力地支持了產(chǎn)品的不斷升級換代，牢牢地占據(jù)了世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的領(lǐng)先地位。時至今日，發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)展到了第四代發(fā)展階段。20世紀(jì)中期為第一代；60年代進(jìn)行再發(fā)展；80年代進(jìn)行創(chuàng)新改革；90年代是第四代的發(fā)展。

1.我國渦軸發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國的渦軸發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷史并不長，僅有短短30年的歷史。因此對于渦軸發(fā)電機(jī)的研究并沒有像歐美發(fā)達(dá)國家一樣深入，我國的渦軸發(fā)動機(jī)的技術(shù)水平比較低，理論研究和實(shí)際應(yīng)用銜接不夠精準(zhǔn)，對于發(fā)動機(jī)研究沒有一套比較詳細(xì)的計(jì)劃方案。因此在渦軸發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展上我們落后別人一大截，為了追趕科技發(fā)展的腳步必須進(jìn)行改革創(chuàng)新，進(jìn)行深入性研究階段。目前的市場多依靠國外的渦軸發(fā)動機(jī)，進(jìn)行引進(jìn)。但是引進(jìn)的發(fā)動機(jī)水平普遍性不高。所以對于渦軸發(fā)動機(jī)的研究迫在眉睫。

二、渦軸發(fā)動機(jī)的狀態(tài)控制

渦軸發(fā)動機(jī)的狀態(tài)控制又有3個方面，一個是穩(wěn)態(tài)控制還有限制保護(hù)控制以及過渡態(tài)控制。穩(wěn)態(tài)控制是其中的一個基礎(chǔ)控制。穩(wěn)態(tài)控制中會運(yùn)用到加減速控制回路。這是一個對于航天動力裝置的控制，是我們一致的重點(diǎn)研究對象。PID控制回路就是其中一個重要研究對象。

基于對渦軸發(fā)動機(jī)的研究，設(shè)計(jì)人員明確研究目標(biāo)，對于相關(guān)控制器做了說明。其中對于加減速控制是研究重難點(diǎn)。對于加減速運(yùn)動進(jìn)行有效地控制要采用PID控制和傳統(tǒng)的控制方法相結(jié)合。利用非線性控制理論去進(jìn)行加減速控制。PID控制是一種在BP神經(jīng)網(wǎng)上的控制。這種控制取得了良好的成效。在發(fā)動機(jī)操控過程中通過加減速進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。在確保控制器的安全前提下進(jìn)行相關(guān)性操作。通過限制燃油量來進(jìn)行一種安全狀態(tài)保護(hù)就是限制保護(hù)控制（如圖1所示）。限制保護(hù)控制器會對發(fā)動機(jī)的性能做出測評，可以有效地保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的安全，防止出現(xiàn)不必要的損失。

加減速控制是我軸發(fā)動機(jī)速度控制中的重要一環(huán)。它能夠保證發(fā)動機(jī)的功率狀態(tài)穩(wěn)定，對于功率轉(zhuǎn)換有很大的平衡穩(wěn)定、快速性。加減速運(yùn)動中，發(fā)動機(jī)承受的壓力會比較大，為了保證發(fā)動機(jī)的狀態(tài)穩(wěn)定，要通過多個外部控制進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)整。因此對于渦軸發(fā)動機(jī)的加減速過程的回路設(shè)計(jì)是非常重要的。可以通過對PID控制的掌握，還要選擇合適的變量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)航天動力裝置的加減速有效切換。航空動力裝置加減速控制起始并終止于穩(wěn)態(tài)過程。穩(wěn)態(tài)控制回路是一個基礎(chǔ)性控制。可以通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和動力裝置壓縮系統(tǒng)增壓比EPR都能有效反映動力裝置的推力和功率，因此，穩(wěn)態(tài)控制回路通常可設(shè)計(jì)為以或EPR為被控變量的閉環(huán)PID控制回路（如圖2所示）。經(jīng)典控制理論中的PID控制器由于其易實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在航空動力控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

以差分方程表示的計(jì)算方法如下。

三、限制保護(hù)

可以使用組合型的控制器進(jìn)行動力裝置的保護(hù)。有些動力裝置會出現(xiàn)一些預(yù)期以外的事故，使動力裝置異常。而限制保護(hù)則是通過一些強(qiáng)制性的條件對動力裝置進(jìn)行約束，避免動力裝置被破壞。

四、相關(guān)保護(hù)措施

1.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

當(dāng)動力裝置出現(xiàn)超轉(zhuǎn)的現(xiàn)象時通常是由傳感器失效等狀況導(dǎo)致的。因此需要對動力裝置的轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制。限速有對高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限制和低壓轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的限制，也就是雙轉(zhuǎn)子動力限制。

2.防止壓力機(jī)出口超壓

動力裝置通常是有低壓出口的壓力限制，這個壓力限制通常是為了除冰或者是對換氣系統(tǒng)引換氣。對壓力機(jī)的出壓值進(jìn)行壓力最大值的限制。對航天動力裝置中的各種動力數(shù)據(jù)進(jìn)行比對限制。可以通過PID控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，確定限制壓力數(shù)值，對電流限幅。

五、減速實(shí)驗(yàn)

將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，一般是調(diào)整到最大轉(zhuǎn)速的90%，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再進(jìn)行轉(zhuǎn)速降低調(diào)整。可以通過對油門桿角度進(jìn)行調(diào)整。在前50個時間單位內(nèi)，燃油速度降低，轉(zhuǎn)速也降低。在第50個時間單位后，轉(zhuǎn)速平緩地下降，切換器已將控制權(quán)由減速控制器交給穩(wěn)態(tài)控制器，過渡過程平順。減速控制算法在時間、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性上達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

對航天動力裝置進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)勘測和對加減速進(jìn)行控制是航天動力研究的重難點(diǎn)。本文就航空動力裝置的加減速裝置進(jìn)行分析。渦軸機(jī)動力控制和穩(wěn)態(tài)控制回路是動力控制的重要基點(diǎn)。通過對相關(guān)文獻(xiàn)的參考對于航天動力裝置速度控制進(jìn)行研究，對于切換動力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行研究。通過相關(guān)的電子操作系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化管理。穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)是動力轉(zhuǎn)換中的一個重要環(huán)節(jié)，對穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

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