渦軸發動機燃油信號故障對策

趙 飛 ，藍 天 ，開文杰

（1.中國航發控制系統研究所，江蘇無錫 214063；2.陸軍裝備部駐上海地區航空軍事代表室，上海 200235）

0 引言

發動機數控系統的可靠性和安全性直接關系到發動機安全，數控系統故障診斷及處理對策是提高發動機可靠性及安全性的重要方法之一。故障診斷指系統對發動機異常情況的檢測與分析，處理對策則是系統對于異常情況采取的相應彌補措施，從而提高系統容錯能力，以保證系統安全運行，最終確保發動機安全[1-3]。通過實施數控系統的故障對策避免發動機空中停車，實現其穩定控制，能夠提高發動機數控系統的可靠性和安全性。

國內外學者對故障診斷進行了深入研究[4-6]。李本威等[7]通過監測發動機部件的性能參數實現對發動機健康狀態的監視，從而實現故障診斷；姜潔等[8-9]基于極端學習機算法建立離線/在線優勢相結合的發動機逆模型，能夠準確診斷出傳感器/執行機構的故障，且有較強的實時性與適應能力；何保成等[10]建立傳感器仿真模型，在航空發動機數控系統的故障分析中提供故障定位措施，同時可用于分析傳感器的一般故障機理；朱子杰[11]基于卡爾曼濾波器、魯棒濾波器以及神經網絡開展全飛行包線內的發動機部件故障預測與診斷，實現傳感器故障的在線檢測、隔離及重構；張高錢[12]采用改進的支持向量機建立傳感器故障診斷系統，實現故障診斷與預測，且具有通用性，可用于不同類型的發動機；蔣平國等[13]基于執行機構回路模型，實現快速且準確的執行機構位置傳感器故障診斷，并在某型發動機全權限數字電子控制系統中進行了工程應用。在故障處理對策上，也有學者開展了相關研究。針對存在故障的渦扇發動機建立T-S 模糊系統，設計反饋容錯控制器，能在系統發生故障時抑制故障輸入的影響[11]，但缺乏工程應用實踐；設計被動/主動容錯控制系統，改進故障后系統切換時的過渡方式，減少了切換時系統的波動量[12]；在故障發生后改變控制算法，采用不完全微分補償的方式對執行機構位置傳感器故障進行容錯控制，并通過了半物理模擬試驗驗證[13]，但可能會引起系統振蕩。

本文針對某型渦軸發動機在燃油計量活門位置信號失效后采取的主動控制發動機停車的保守策略，提出一種對燃油計量活門控制回路優化的方法，在仿真模型、半物理試驗器、發動機整機上進行試驗驗證，并對驗證結果進行了對比分析。

1 執行機構控制回路組成及原理

目前，在航空發動機控制系統中，執行機構大部分采用小閉環控制回路（相對于發動機轉速等大閉環控制回路而言），以提高系統穩定性和動態品質[13]。某型渦軸發動機燃油流量小閉環控制回路結構如圖1所示。

圖1 燃油計量活門控制結構

數字電子控制器根據給定條件按一定的控制律和控制算法計算出燃油流量后，先根據燃油供油裝置的供油特性得到燃油計量活門的位置給定值，與燃油計量活門位置反饋信號比較后通過校正算法產生輸出信號，由電液伺服閥來控制燃油計量活門的位置，最終使燃油計量活門達到給定位置，從而保證經燃油計量活門計量后進入發動機燃燒室的燃油流量等于控制需要的燃油流量。

系統通過設計合格的參數來保證燃油小閉環控制回路的動態響應足夠快，在正常情況下，燃油計量活門位置反饋值可迅速跟隨燃油計量活門位置給定值。若用于測量燃油計量活門位置的線位移傳感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）失效，使得實際的燃油計量活門位置不可知，無法形成閉環回路，不能有效地控制燃油供給，會嚴重影響系統的控制穩定性和發動機安全。因此，在燃油計量活門位置信號故障后，設計合理的處理對策來保證發動機運行安全就十分重要[14-16]。

2 現有故障對策分析

目前，某型渦軸發動機燃油計量活門位置信號失效的故障模式與處理對策見表1。表中序號1為位置信號單通道故障，單通道故障不影響發動機正常工作；序號2 為雙線圈雙通道故障，其處理對策為控制發動機停車。

表1 燃油計量活門失效故障模式與處理對策

從表中可見，在燃油計量活門位置信號雙線圈失效時，數控系統直接控制發動機停車。這種處理對策雖然可保證發動機安全停車，但引起的后果對直升機是十分嚴重甚至是致命的。

實際上，當燃油計量活門位置信號雙線圈失效后，燃油執行機構并未發生故障，從發動機控制角度出發，只需要設計出一種合適的控制方法以及選取1套恰當的控制參數，計算出合適的控制電流來控制燃油執行機構，即可控制發動機處于某一穩定的狀態，確保發動機安全。

3 燃油伺服回路校正改進

3.1 伺服回路校正設計

在燃油計量活門位置信號故障導致小閉環回路不可用后，從圖1中可見，電液伺服閥前端缺少1個能抵消執行機構特性的控制算法。根據伺服回路校正的原理可在“LDem→L”的前向通路中串聯校正，通過串聯1 個能抵消執行結構特性的校正器，使得校正后的“LDem→L”前向通路增益為“1”，從而實現發動機穩定控制。由經典控制理論[17]可知，燃油執行機構可等效為1階積分環節改進具體結構如圖2所示。

圖2 伺服回路校正原理

從圖中可見，校正器Gc(s)應滿足

則校正器的設計為

式中：K為增益系數。

由上述可知，除需引入1 個微分環節以抵消積分環節中的執行機構積分特性外，還需設計1 個比例環節以抵消執行機構的增益，使得“LDem→L”回路增益整定為“1”。同時，控制執行機構的平衡電流存在漂移，會給系統帶來一定的靜差，為此，需要引入弱積分環節此時燃油計量活門位置信號失效后的控制系統結構如圖3 所示，其中虛線內為伺服回路校正結構。

圖3 伺服回路校正控制結構

3.2 伺服回路校正參數設計

在設計伺服回路校正參數時，需預先獲得燃油執行機構的數學模型，本文采用掃頻試驗方法獲取燃油執行機構的頻域特性。目前應用普遍的掃頻方法是快速傅里葉分析，但該技術在實際工程應用中存在精度問題（噪聲影響嚴重），基于頻域響應的物理意義和傅里葉分析的基本定義出發，開發了基于單點積分的掃頻技術。并從燃油執行機構性能驗收（階躍響應、斜坡響應等）方面進行了技術驗證。結果表明，掃頻獲取的頻域特性數學模型逼近實際特性的程度較好，具有較高的精度，能夠滿足先進控制算法設計對精度的要求。

采用上述掃頻法，根據半物理試驗對燃油執行機構的辨識結果，可得出燃油計量活門執行機構的數學模型G(s)為

式中：B為等效慣性值。

由此可知校正的比例系數為

表2 伺服回路校正控制參數

4 驗證情況

4.1 數字仿真驗證

使用某型渦軸發動機的數學模型進行仿真驗證，分別在地面慢車狀態和空中慢車狀態下進行仿真試驗，通過設置開關斷開燃油計量活門采集信號的方式注入故障，仿真結果如圖4、5 所示。燃油計量活門故障仿真情況見表3。

表3 燃油計量活門故障仿真 %

圖4 地面慢車狀態故障仿真（Np響應）

圖5 空中慢車狀態故障仿真（Np響應）

從圖中可見，在地面慢車和空中慢車狀態下分別注入燃油計量活門位置信號故障，系統仿真結果Np轉速波動較小，滿足設計要求。

4.2 半物理驗證

在半物理試驗器上，分別在地面慢車、空中慢車、Ng轉速96%、緩慢移動總距桿、加速及減速狀態下，開展燃油計量活門位置信號雙通道雙線圈失效故障模擬試驗，試驗時借助信號斷連裝置，對真實的燃油計量活門傳感器采集信號進行斷線的方式注入故障。具體情況見表4，并如圖6～9所示。

表4 半物理試驗器注入故障后轉速波動 %

圖6 改進后油針位置失效穩態過程

圖7 改進后油針位置失效推桿、拉桿過程

圖8 改進后油針位置失效加速過程

圖9 改進后油針位置失效減速過程

試驗結果表明，在地面慢車、空中慢車、Ng轉速96%以及緩慢推拉桿狀態下注入故障，系統會存在一定程度的波動。從表4 中可見，在3 個穩定狀態下的轉速波動量較小，滿足設計要求；在加減速狀態下注入故障時，加速過程系統Np轉速超調5.58%，減速過程系統Np轉速超調7.07%，加減速狀態波動略超出5%的設計要求。在燃油計量活門位置信號失效的情況下，該伺服回路校正控制結構的設計可以在一定程度上保證發動機穩定工作。

在半物理試驗中發現，當注入故障時控制規律發生切換時，會導致發動機轉速大幅波動。經過分析，在故障發生前輸入到電液伺服閥的控制電流由“比例+積分”環節計算，在故障發生后采取原積分項電流不變，再加上伺服回路校正環節的計算電流，可保證故障發生時轉速波動在可接受的范圍內。

4.3 整機試驗

采用改進后的方法在某型渦軸發動機整機臺架地面慢車狀態點進行了燃油計量活門位置雙通道雙線圈失效故障模擬試驗，試驗時借助信號斷連裝置，對真實的燃油計量活門傳感器采集信號進行斷線的方式注入故障。具體情況見表5，并如圖10所示。試驗結果表明，在地面慢車狀態點注入故障時，系統會存在一定程度的轉速波動，但波動量滿足設計要求。

表5 整機地面慢車故障注入后轉速波動 %

圖10 改進后油針位置失效整機試驗過程

4.4 仿真結果與整機試驗結果分析

將數字仿真結果與整機試驗結果進行對比分析，見表6，并如圖11所示。

表6 數字仿真、整機試驗注入故障時轉速波動 %

圖11 數字仿真、整機試驗注入故障試驗對比

對比結果表明，在地面慢車狀態下注入燃油計量活門位置信號故障時，系統的Np轉速存在一定幅度的波動，但相差不大，證明了改進后故障對策有效，可繼續控制發動機并穩定在當前狀態。從圖11 中可見，在注入故障后，Np的波形變化呈相反的趨勢，這是由于控制對象的負載不同造成的：在數字仿真時，負載模型是基于直升機旋翼負載特性數據建立的，但在整機試驗時負載是由水力測功機（利用水對旋轉的葉輪形成摩擦力矩吸收）模擬的。

5 結束語

燃油計量活門位置信號對于發動機控制甚至安全影響至關重要。本文對某型渦軸發動機燃油計量活門位置信號失效的故障模式進行了分析，提出了串聯伺服回路校正的設計思路，針對該架構設計了控制參數，并進行了系統半物理試驗及整機驗證。驗證結果表明：新設計的串聯伺服回路校正方法在燃油計量活門位置信號失效后，可以繼續控制發動機并穩定在一定狀態。但整機臺架驗證不充分，仍需進行多狀態的試驗驗證以進一步優化控制參數。