渦軸發動機多發配置方法硬件在回路仿真驗證

陳昊洋，陳名楊

(1.中國航發動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

對于一架配置了多臺發動機的直升機，其功率可能來自一臺或者所有的發動機，多臺發動機共同工作的優點在于失效—安全工作模式，這就要求控制器能有效的管理各發動機的功率[1-2]。考慮到平均承擔負載的問題，多臺發動機為各參數都相同的同型號發動機。理想情況下，當所有發動機都處于正常工作狀態時，由于沒有發動機蛻化或者損傷，各發動機平均承擔旋翼負載，當負載遇到干擾或者處于過渡工作狀態時，所有發動機能在同一時間快速產生相應的變化[3-4]。但是由于發動機蛻化或者發動機故障等問題，當一臺或者多臺發動機不能正常工作時，若不能及時地對各發動機承擔的負載進行重新分配，會導致問題發動機以及傳動機構的損傷，長時間的工作狀態差異甚至會嚴重影響發動機壽命[5-7]。為使每臺發動機分擔均等需求功率，需要設計合理的扭矩匹配控制方法保證在發動機穩態過程中各發動機之間的扭矩差異不大[8-12]。一旦某臺發動機發生性能退化，各發動機選擇相應的匹配變量作為轉速配平模式，通過扭矩匹配控制方法保證各發動機之間狀態差異較小[13-15]。因此對于配置多發的直升機，為了增長發動機的服役時間，需要設計對多發進行匹配的控制方法。

目前國內航空工業針對渦軸發動機多發匹配控制的研究較少[16-17]，已有的研究方法主要是基于串級PID的雙回路控制方案，該方案將外回路直接改為功率控制回路，需要搭配能計算旋翼在不同轉速下的需求功率的機載模型，工程實現較為困難。孫桂芝[18]運用模糊控制理論完成了雙發動機的功率匹配但不能適用于多發匹配。張振海[19]用一種復雜算法代替傳統控制規律以實現雙發匹配但缺少工程實踐的驗證。

硬件在回路仿真平臺是一種將真實的數字電子控制器引入渦軸發動機閉環仿真中的實時仿真系統，其優點是仿真回路中具有真實的控制系統部件，這能夠很大程度地提高模型仿真的置信度、彌補全數字仿真的不足。在渦軸發動機控制系統的開發過程中，硬件在回路仿真技術的引進，大硬件在回路仿真平臺大提高了開發效率、縮短了研發周期，同時能夠降低研發成本和風險，是渦軸發動機控制系統從理論設計到實際應用過程中不可缺少的的關鍵環節。

本文提出雙邊扭矩匹配方案，在單邊扭矩匹配方案基礎上進行改進，通過相鄰三臺發動機之間的扭矩差調節發動機輸出扭矩，更加適用于多發匹配，并在硬件在回路仿真平臺上進行了仿真驗證，證明了所提出方案工程實踐的可行性。

1 扭矩匹配方案

傳統的單邊扭矩匹配方案具有結構緊湊、計算簡便等優點，但是在實際應用過程中會有匹配速度慢、匹配時超調量大的缺點。為了改進這種匹配方案，在上述方案的基礎上，提出了適用于多發狀態下多發匹配的另一種匹配方案，雙邊扭矩匹配方案。

多臺發動機為同批生產的、裝配在同一架直升機上的同型號發動機，當某臺發動機的輸出扭矩發生變化時，各發動機承擔的負載會產生差異，為消除這種輸出扭矩的不平衡狀態，裝配的每一臺發動機都會根據產生的負載差異調整其燃油量。以雙發為例，當1#發動機扭矩小于2#發動機扭矩時，1#發動機的燃油流量將增加，2#發動機的燃油流量將減少，從而完成扭矩匹配過程。

雙邊匹配方案相比于單邊匹配方案，增益值取決于相鄰三臺發動機的匹配量差值，實際匹配時各發動機匹配量相互逼近，理論上雙邊匹配的匹配時間應優于單邊匹配。

2 硬件在回路仿真平臺

硬件在回路仿真平臺主要由監控工作臺、仿真器和數字電子控制器三部分組成，硬件在回路仿真平臺工作流程如圖1所示。

首先在硬件在回路仿真平臺中利用發動機數學模型對真實發動機的全狀態進行模擬，模擬生成發動機各個截面的壓力、溫度和轉速等信號，這些信號通過信號調理裝置生成與真實發動機上傳感器信號等效的電氣信號，并通過接口適配及電纜傳遞給數字電子控制器；接下來控制器利用控制系統算法計算出電液伺服閥、電磁閥等控制信號；最后，控制信號通過接口適配后，利用PXI工控機進行采集，執行機構模型將采集的控制信號轉換成流量、導葉和噴口等發動機實際控制信號對發動機的工作狀態進行控制。這樣即可對發動機的全包線工作狀態及控制系統的控制功能、性能進行模擬驗證。

3 扭矩匹配方案硬件在回路仿真驗證

在硬件在回路仿真平臺上對扭矩匹配方案進行驗證。由于仿真平臺的限制，本次試驗首先選取雙發配置的綜合模型，在H=0 m，Vx=118 m/s的條件下進行硬件在回路仿真實驗。為了區分兩臺發動機的各變量，對其中第二臺發動機的壓氣機效率系數減小2%。在t=18 s時ENGB的壓氣機效率減小2%，兩臺發動機的扭矩輸出產生變化，在t=43 s時進行扭矩匹配控制，兩臺發動機的扭矩輸出通過匹配趨向一致，雙發配置下硬件在回路平臺仿真驗證如圖2所示。

圖1 硬件在回路仿真平臺工作流程圖

圖2 雙發配置下硬件在回路平臺仿真驗證

圖2中，ENGA 、ENGB分別表示A發動機和B發動機。由圖2(a)可以看出由于串級PID的控制，動力渦輪轉速能很快地穩定在100%狀態，說明控制器控制效果良好；由圖2(b)、2(c)和2(d)可以看出，在第18 s時，由于ENGB的壓氣機效率發生改變，其燃氣渦輪轉速、動力渦輪的輸出扭矩以及燃油量均發生了相應的變化，且變化趨勢一致。由于功率平衡器的作用，為了保持旋翼扭矩不變，ENGA的燃氣渦輪轉速、動力渦輪的輸出扭矩以及燃油量與ENGB變化趨勢相反。在第43 s時，由于雙發匹配控制的作用，兩臺發動機的動力渦輪的輸出扭矩開始趨向一致直至均等分擔旋翼負載，燃氣渦輪轉速以及燃油量也具備相同的變化趨勢。且雙發匹配控制前后，燃油消耗總量由0.438 kg/s減為0.422 kg/s，減少了3.65%。

在完成雙發狀態下渦軸發動機閉環仿真驗證的基礎上，對三發狀態下的扭矩匹配控制方法在HIL仿真平臺中進行仿真驗證。

在H=0 m，Vx=118 m/s的條件下進行硬件在回路仿真實驗。為了區分三臺發動機的各變量，對其中ENGA、ENGB兩臺發動機進行退化仿真。在t=18 s時，ENGA的壓氣機空氣流量增加5%，ENGB的壓氣機效率減小2%，然后三臺發動機的扭矩輸出產生變化，在t=43 s時進行扭矩匹配控制，三臺發動機的扭矩輸出通過匹配趨向一致，三發配置下硬件在回路平臺仿真驗證如圖3所示。

圖3 三發配置下硬件在回路平臺仿真驗證

從圖3(a)可以看到，從第18 s開始，由于EBGA和ENGB的相關系數有所改變，三臺發動機的輸出扭矩產生較大差異，此時為了保持提供給旋翼的總扭矩為定值，原本作為參考發動機的ENGC的扭矩也產生了變化；在第43 s時，加入了扭矩匹配控制，在較短時間內，三臺發動機的輸出扭矩即完成了匹配工作，該過程在圖3(b)的燃油流量圖中也體現出相同的變化趨勢。消耗的燃油流量總量從0.746 kg/s減為0.736 kg/s，減少了1.34%。

4 結語

本文分別采用單邊扭矩匹配方案和雙邊扭矩匹配方案對多臺發動機的輸出扭矩進行匹配，并進行了仿真驗證，得到了如下結論：

1)所提出的多發狀態下的渦軸發動機功率匹配方法實現過程中，動力渦輪相對轉速能夠穩定在100%，且燃氣渦輪相對轉速、動力渦輪輸出扭矩與燃油量均能夠根據發動機工作狀態變化情況作出相應的改變。

2)所提出的多發匹配方案能夠對相差較大的輸出扭矩在較短時間內完成扭矩的匹配工作，匹配時間不超過4 s，燃油流量消耗總量減少1%以上。