大型高空臺進排氣控制半物理仿真系統設計

(1.中國航發四川燃氣渦輪研究院 高空模擬技術重點實驗室，四川 綿陽 621703; 2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

高空模擬試車臺是測試及評估航空發動機高空工作性能的大型地面設備，承擔著航空發動機從設計到定型中各類飛行環境條件下的試驗任務，其技術水平直接決定航空發動機的發展[1]。某高空臺為目前中國乃至亞洲最大規模高空模擬試車臺，其配套氣源能力得到大幅提升，同時設備規模更為龐大、管網布局更為復雜，因此在試驗功能拓展、試驗流程選擇、被試件兼容性等方面得到了極大提升。但系統管路及設備間干擾、耦合因素更為嚴重，給飛行模擬條件準確建立、合理流程設計、設備性能匹配等帶來極大的挑戰。

作為該高空模擬試車臺核心設備，進排氣控制系統通過調節發動機進口壓力、溫度以及試驗艙環境壓力來建立發動機在不同高度、馬赫數下的飛行條件，是實現發動機飛行條件準確模擬的關鍵系統。該系統自身結構龐大且復雜、非線性特性強、耦合因素眾多，在新設備調試、特性摸索和控制技術升級過程中帶來較大難度，尤其在特種條件模擬試驗科目中的難度和風險更加不可預估，具體表現如下：

① 部分關鍵設備特性未知。如輪盤式調節機構屬國內首次應用，其特性研究和建模工作困難極大。

② 先進控制技術開發及試驗方法摸索，必須反復進行供抽氣機組在線調試才能達到預定設計目標。該方法調試內容有限、耗費資源龐大，且在新型動力試驗方法摸索中會帶來不可控風險。

半物理仿真又稱硬件在環仿真或半實物仿真，是利用仿真模型替代一部分物理實物并與其他物理實物構成實時回路的一種系統實時仿真方法[2]。將半物理仿真技術應用于進排氣控制系統中具有以下優勢：

① 半物理仿真技術可為系統技術決策提供依據。通過仿真手段可直接指導新型高空臺控制系統設計、建設和調試，有效規避設計風險、提高設計效率。

② 半物理仿真技術可為先進控制技術和新型動力試驗方法提供高效的設計和驗證平臺。構建系統仿真平臺，在其基礎上摸索和開發通用控制技術和試驗技術，有效縮短研制周期，降低試驗風險，提高試驗效率。

為此，本文設計了進排氣控制系統半物理仿真試驗臺。該試驗臺采用仿真模型和實物部件相結合的結構形式，以機理分析、理論建模及系統辨識方法建立系統中關鍵設備數學模型，并結合實物設備，基于PLC平臺完成了系統設計和軟件開發。最后，將仿真與真實試驗結果進行比較，驗證了系統建立的真實可靠性。

1 半物理仿真系統總體設計方案

1.1 進排氣控制系統結構

進排氣控制系統結構龐大、設備眾多、氣路管網復雜。其進氣方式為多路進氣，可搭配任意兩路實現雙路氣體快速摻混以滿足發動機飛行任務沿預設剖面的連續模擬需求。同時配備了進氣、排氣輔助調節裝置、附面層抽除及高低溫起動裝置等，因此試驗能力得到有效提升。圖1給出了系統結構的部分示意圖。由于該系統為集液壓伺服系統(8套)、調節閥(42臺)、控制器(1套)、測量傳感器(80個)、管道容腔(若干)、發動機、氣源機組等眾多元件的大型復雜系統，因此采用半物理仿真手段去揭示其工作特性有著重要的工程應用意義。

圖1 進排氣控制系統結構簡圖

1.2 半物理仿真系統結構組成

設計進排氣半物理仿真系統需統籌規劃系統的實物部件和仿真模型。調節閥流量特性、管道容腔特性、供抽氣機組、被試發動機等使用數學模型進行模擬；控制器、上/下位機、調節閥、液壓伺服系統、網絡通信等為真實的物理設備。整個系統通過PLC統籌調度，完成模型的實時解算模型并通過控制器驅動執行機構實現高空模擬試驗的虛擬仿真，結構組成如圖2所示。

圖2 半物理仿真系統結構組成

1.3 半物理仿真系統工作原理

進排氣半物理仿真系統具備模型解算、數據采集、數據通信、人機交互、參數控制等功能，其工作原理如圖3所示。

圖3 半物理仿真系統工作原理

系統將設備數學模型植入仿真計算機，并與控制器、執行機構等實物設備一起構成半物理仿真試驗臺。仿真計算機和PLC間利用以太網(光纖、網線)及網絡交換機進行通信。操作員在上位機人機交互界面(HMI)輸入相應調節子系統的自動控制指令(溫度、壓力)，并通過數據網絡發送至PLC，PLC根據控制指令、仿真初值、發動機狀態、調節閥開度及邊界條件等對設備數學模型實時解算，得到各管道容腔仿真溫度、壓力以及流入、流出空氣質量流量，并根據控制規律給出調節閥控制指令。閥門控制指令通過I/O設備傳送至伺服閥，進而實現閥門位置調節以達到被控指令的自動控制。仿真系統不僅可以發送相應的被控制量指令，還可以接收來自于實物部件的實時反饋信息。仿真結果及設備運行參數等均可以在顯示器上實時動態顯示，以便直觀地了解仿真結果和系統運行狀態。

2 半物理仿真系統關鍵數學模型設計

半物理仿真系統以數學模型為基礎，模型精度直接決定了整個仿真試驗臺的置信度。由于系統模型規模龐大，且特性未知，因此采用機理分析、理論建模及系統辨識等一系列方法，深入研究被控對象特性和本質，以獲得較為精確的數學模型。此處對系統中幾個代表性的設備建模工作進行闡述。

2.1 調節閥流量特性模型

進排氣控制系統進氣調節閥(閥5～閥8)為輪盤式特種流量調節閥，為國內首次應用且無相關經驗可循，其結構設計巧妙且復雜，由4個閥瓣16個窗口組成，因此與常規調節閥相比在調節特性上差別較大。排氣調節閥為大口徑蝶閥(閥11)，是試驗艙壓力調節的唯一調節執行機構，具有非線性特性強、流量特性陡峭、控制難度大等特點。進氣和排氣閥門結構如圖4所示。

圖4 輪盤式調節閥及蝶閥結構

將空氣介質流經調節閥的流動狀態等效為可壓縮流體流經孔板節流裝置的情況，在假定絕熱過程條件下利用流體力學和工程熱力學等相關理論，計算流體介質流經調節閥的質量流量，構建輪盤式調節閥及大口徑蝶閥的理論特性模型，如式(1)所示。

Qm=

(1)

式中，u為流束收縮系數，等于流束收縮最小截面積與節流孔截面積之比；m為節流孔截面積與管道截面積之比；A0為節流孔面積。

令流量公式(1)的前兩項為φ，并稱之為流量系數。則得到簡化的流量公式如下：

(2)

依托大量試驗數據，對進氣和排氣調節閥的流量系數進行擬合計算，得到調節閥的實際流量特性，如圖5所示。

圖5 進氣調節閥和排氣調節閥流量特性曲面圖

2.2 容腔特性模型

根據熱力學定律，建立兩進一出容腔控制體氣體狀態方程、管路流量連續性方程、內部儲能方程和熱力學能變化方程，得出開口系兩股氣流流入摻混完全流出情況下的壓力、溫度變化模型，如圖6所示。

圖6 容腔特性模型

① 壓力變化模型。

(3)

② 溫度變化模型。

(h1W1+h2W2-h3W3)]

(4)

式中，W1～W3為第1路～第3路氣體質量流量；T1～T3為別第1路～第3路氣體溫度；P1～P3分別為第1路～第3路氣體壓力；h1～h3分別為第1路～第3路氣體焓值；R為氣體熱力學常數；CP為氣體定壓比熱容；V為穩壓箱體積。

圖7為某一容腔內壓力和溫度模型在冷熱兩股固定流量(均為40 kg/s)氣流階躍作用下，出口閥處于固定開度條件下的壓力和溫度仿真曲線。

圖7 容腔內壓力和溫度仿真曲線

3 半物理仿真平臺軟件設計

半物理仿真軟件系統是實現整個試驗臺有效運轉的關鍵部分，分為上位機軟件和下位機軟件系統。下位機為系統數據采集處理、模型搭建及解算、控制方法設計等功能的實現部分，采用GE公司的CIMPLICITY Machine Edition進行開發。上位機為人機交互操作界面，采用GE公司的CIMPLICITY HMI組態軟件編制，上位機軟件為整個系統的操作界面，直接為壓力、溫度的自動調節服務，同時配備了相應的數據穩/瞬態數據采集、記錄、處理以及參數實時顯示、工作狀態監視、報警等功能。

3.1 下位機軟件設計

半物理仿真下位機軟件首先根據仿真初始值、調節閥開度及流量特性模型、邊界值等計算得到各容腔流入、流出的空氣質量流量。再基于容腔特性模型計算出各容腔內的仿真壓力、溫度迭代值，最后把仿真壓力、溫度傳送給控制程序，經控制程序結算后驅動執行機構實現壓力、溫度的控制。其流程圖如圖8所示。

圖8 半物理仿真系統下位機程序流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機為人機交互界面，是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，可直接為壓力、溫度自動調節系統試驗過程自動化和參數獲取自動化服務，允許快速方便修改相應控制參數，安全有效地進行執行機構控制和壓力、溫度調節。通過上位機系統可完成仿真系統的過程控制、數據采集、記錄、處理、仿真狀態監視、報警和實時曲線顯示等功能。

3.3 調節子系統軟件實現

半物理仿真系統由多個調節子系統組成。圖9為一個調節子系統壓力(溫度)半物理仿真軟件實現(其它子系統類似)，包含控制模塊、模型模塊、實物模塊。控制模塊為實現被控量調節的核心部分，一系列控制思想和算法均在此實現。系統完成模型解算和信息流傳遞，并通過控制模塊驅動相應實物設備，實現被控量的調節。

3.4 仿真軟件執行流程

每個掃描周期，仿真軟件系統完成程序初始化，并接受上、下位機傳輸的仿真初始參數。程序執行相應時間邏輯指令，完成模型解算得出仿真溫度、壓力以及氣體質量流量。控制器接收上述信息執行相應控制算法得到調節閥位置指令，閥門位置指令通過I/O設備傳送至現場伺服閥，最終驅動調節閥完成系統控制。該程序具備隨時中斷退出循環邏輯功能，以便暫停觀察實時仿真效果。整個仿真軟件執行流程如圖10所示。

4 仿真模型驗證及控制技術應用

為驗證半物理仿真臺建立的可靠性和實用性，將仿真結果與真實試驗結果進行對比。圖11中給出了機組供氣調節子系統(簡稱PB1)半物理仿真曲線與實際發動機試驗曲線對比圖。由圖可知仿真結果與真實試驗結果變化趨勢一致，且仿真壓力穩態情況下模型精度優于1%，動態情況下模型精度優于5%，表明所建立的仿真系統是正確、有效的，能夠真實反映試車過程。

圖11 壓力仿真曲線與實際曲線對比結果

通過半物理仿真技術，一系列控制方法如高精度隨動跟蹤技術、進氣主動抗擾控制技術、變參數控制技術等在半物理仿真臺上進行了開發和有效驗證，大幅縮短控制方法的研制周期。同時，通過半物理仿真技術驗證某些新型動力試驗中控制系統能力和試驗流程的合理性。如首次開展大涵道比發動機高空模擬試驗前，通過仿真預先演練了該型發動機在大流量試驗點控制系統運行情況，仿真結果與真實試驗結果基本吻合，有效保證了試驗的順利進行。圖12為通過半物理仿真平臺完成了變參數控制技術開發效果圖，該技術有效提升了系統對非線性調節對象的適應能力，一定程度上改善了系統的動態調節品質。

5 結束語

本文介紹了大型高空模擬試車臺進排氣控制系統半物理仿真試驗臺的設計過程，并將仿真結果與真實試驗進行了比較，表明了系統有很好的實時性、精確性

圖12 變參數控制技術仿真效果圖

和穩定性，達到了預期設計目標。通過半物理仿真試驗臺在動用高空臺極少設備的情況下就能夠完成控制系統技術升級、試驗流程探索、新設備調試等一系列工作，可有效規避試驗風險、提高試驗效率、降低試驗成本，對高效推進發動機試驗進程具有顯著的技術經濟效益，因此在高空臺進排氣控制系統有著重要的實際工程應用價值。