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燃油控制装置仿真研究
  频道：机床  发布时间：2008-05-27

收稿日期: 2007-04-13

 

作者简介: 马静,女, 1972年生,在读博士研究生,副教授。主要研究方向为航空发动机燃油调节器建模、仿真及优化,先进控制理论与应用。

电话: 13152037871, E-mai:l rabbym@j nwpu·edu·cn。

 

马静,章仁华,缑林峰

(西北工业大学动力与能源学院,西安710072 )

 

摘要:以某发动机燃油控制装置为研究对象,利用流量连续方程和力平衡方程进行小偏差线性化的方法建立系统数学模型;结合静态参数计算,在SIMULINK环境下直接通过所建立的计算数学模型进行动态特性仿真。结果表明:此方法所建立的数学模型物理意义明确,仿真得到的稳态精度及动态响应特性均较好,只是为克服线性化带来的误差,软参数需要多次调整。

 

关键词: 燃油控制装置;数学建模;动态仿真

 

中图分类号: TV233　　文献标识码: A　　文章编号: 1001-3881 (2008) 2-154-3

 

      Research on Simulation for FuelController

 

MA Jing, ZHANG Renhua, GOU Linfeng

(College ofEnergy and Power, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi an 710072, China)

 

Abstract:An X-aeroengine-fuel-controllerwas researched, by using the flux continuum equation and power balance equation,themathematicalmodelwas built. Themeasure of linear little variablewas adopted to establish the arithmeticmodelof its components and system combinedwith the calculation of static parameters, the dynamic characteristic simulated by utilizing the builtmathematicalmodel and based on SIMULINK. The results of simulation show that the builtmathematicalmodel has clearly physicalmeaning, and the steady precision and the dynamic response of themodel are both good. Butsoftparameters need to be adjustedmany times in order

to compensate the error from linearization.

 

Keywords:Fuel-controller; Mathematicalmode;l Dynamic simulation

 

0　前言

 

随着电子计算机的不断进步和完善,利用计算机作为研究工具,进行实际物理系统的动态特性分析,研究实际系统的各种工作状态,确定最佳控制方案,选择理想系统参数,这种研究方法逐渐成熟,被称为计算机分析法。这种方法可以进一步提高分析结果的可靠性,并降低工程造价、缩短研究周期。作为一种用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包, MATLAB/SIMULINK是一种用来实现计算机仿真的软件工具,具有开放性,可以用来模拟动态系统。发动机的燃油控制装置既为发动机提供燃料,同时根据各种情况控制油量大小。本文接触到的燃油控制装置是电子机械液压混合式,这里的研究重点是机械液压部分的建模、仿真过程。

 

1　 燃油控制装置原理

    该燃油控制装置是某型号发动机供油调节系统的执行部件,接受电子控制器的指令,进行燃油调节,控制方框简图如图1所示。燃油由增压油箱提供,计量活门的位移改变油门开度,位移量由脉宽调制数字快速电磁阀MKT接收电子控制器信号来决定。等压差敏感活门感受油门前

后压差的变化,然后控制等压差执行活门运动使油门前后压差保持恒定,使计量活门出口燃油流量和油门开度成线性关系。油门位置由角位移传感器给出反馈信号,油门的移动速度由孔板节流嘴(调速用),q值调整活门和快速阀MKT控制,计量活门的加速移动由加速电磁活门实现,通过控制切换电磁活门的动作来控制切换活门的运动,从而实现高低空供油的需要。

 

    为了建模方便,将燃油控制装置分成4个部分:

    等压差机构、计量活门部分、切换部分。图1中Ut、U2、U3为控制信号,其中Ut为主控制信号,它控制计量活门节流窗口面积; U2仅是在发动机的初始供油曲线或转级时间要求时加入,达到给定流量时断开;当调节器流量小于2·0kg/s时,U3接通。

 

2         燃油控制装置数学模型的建立

由流量连续方程和力平衡方程,及其各组成部件的运动规律,建立该机构的数学模型。

 

2·1等压差机构数学模型

等压差机构的功能是由等压差敏感活门组合件感受计量活门两端的压差,然后给出控制信号;等压差执行活门组合件根据等压差敏感活门组合件给出的控制信号来调节等压差执行活门的开度,以保持计量活门前后压差为一定值,使计量活门出口流量只和计量活门位移成线性关系。孔板节流嘴减小高压油的油压脉动,起阻尼作用。小孔节流嘴起阻尼作用。

 

等压差机构的数学模型如下:

n1Xg(s)+n2pn(s)-n2pL(s)=QL(s)(1)

ph(s)AL-pL(s)(AL-m2)-m2pn(s)

(Mg+ms1)s2+B1s+ks1+m1=Xg(s)(2)

Q1(s)=QL(s)+Qw(s)+Qcb1(s)+Qcb2(s)+Qq2(s)=Q2(s)(3)

Q2(s)=n3Xx(s)+n4(pL(s)-pe(s))(4)

pn(s)An-pL(s)AnMxs2+B2s+ks2=Xx(s)(5)

AnsXx(s)+n1Xg(s)+(n2+n5)pn(s)=n2pL(s)+n5pd(s)(6)

A1sXg(s)=n6(pd(s)-ph(s))(7)

式中: B1为粘性阻尼系数, ms1为阀腔内的液体质量,n1、n3为阀口流量系数, n2、n4、n5、n6为流量压力系数, m1、m2、m3、m4为稳态液动力系数。

 

2·2　计量活门部分的数学模型

计量活门是此燃油调节器的主要部件之一。在活门衬套上开有放油窗口,活门前后压差由等压差敏感活门和等压差执行活门保持一定;因此通过活门的燃油流量与计量活门滑块的位移成线性关系。

 

当加速电磁活门不工作时:

Qx(s)=Qq1(s)+AtsXd(s)(8)

当加速电磁活门工作时:

Qx(s)+Qf(s)=Qq1(s)+AtsXd(s)(9)

Qm(w)=Qw(s)=n10(pd(s)-pL(s))+n9·Xd(s)(10)

pt(s)At-pd(s)Ad-pL(s)ALMds2+B3s+ks3=Xd(s)(11)

Qx(s)=n11(pd(s)-pt(s))(12)

Qq1(s)=n12(pt(s)-pq(s))(13)

Qq2(s)=n13(pq(s)-pL(s))+n14·

((U(s)-Uj(s)) /12)+q0(14)

Qf(s)=n16(pd(s)-pt(s))(15)

Uj(s)=-KjXd(s)(16)

Qq1=Qq2(17)

式中:At为计量活门左侧截面积, xd为活塞位移,ks3为调压弹簧刚度, n10、n11、n12、n13为流量压力系数, n9、n14为阀口流量系数, Qq1为流过q值调整活门的燃油流量, Qq2为快速电磁阀在一个周期内的平均燃油流量, Kk为快速电磁阀比例系数。

 

2·3　切换活门数学模型

切换电磁活门组合件是在接受电子控制器的控制指令信号后,打开喷嘴挡板,迅速增大切换活门左腔控制油压,使切换活门向右移动,以满足适时关闭通向第二喷嘴环的阀口,满足燃油切换的要求。

 

Qc(s)=n17(pd(s)-pm(s))(18)

当切换电磁活门通电、a2关闭时

Q2=Q01(19)

当切换电磁活门不通电、a2打开时

Q2(s)=Q01(s)+Q02(s)(20)

Q02(s)=n18Xt(s)+n19(pe(s)-pj(s))(21)

(pm(s)-pL(s))Ac

Mts2+B7s+ks5=Xt(s)(22)

Qcb1(s)=n21(pd(s)-pL(s))(23)

Qcb2(s)=n22(pm(s)-pj(s))(24)

Qc(s)=Qcb2(s)+AtsXt(s)(25)

式中: n17、n19为流量压力系数, n18、n21、n22为流量压力系数, Ac为切换活门截面积, ks5为切换活门弹簧弹性系数, xt为切换活门阀芯位移, Q01为流出第一喷嘴环的燃油流量, Q02为流出第二喷嘴环的燃油流量。

 

2·2　计量活门部分的数学模型

计量活门是此燃油调节器的主要部件之一。在活门衬套上开有放油窗口,活门前后压差由等压差敏感活门和等压差执行活门保持一定;因此通过活门的燃油流量与计量活门滑块的位移成线性关系。

 

当加速电磁活门不工作时:

Qx(s)=Qq1(s)+AtsXd(s)(8)

当加速电磁活门工作时:

Qx(s)+Qf(s)=Qq1(s)+AtsXd(s)(9)

Qm(w)=Qw(s)=n10(pd(s)-pL(s))+n9·Xd(s)(10)

pt(s)At-pd(s)Ad-pL(s)ALMds2+B3s+ks3=Xd(s)(11)

Qx(s)=n11(pd(s)-pt(s))(12)

Qq1(s)=n12(pt(s)-pq(s))(13)

Qq2(s)=n13(pq(s)-pL(s))+n14·

((U(s)-Uj(s)) /12)+q0(14)

Qf(s)=n16(pd(s)-pt(s))(15)

Uj(s)=-KjXd(s)(16)

Qq1=Qq2(17)

式中:At为计量活门左侧截面积, xd为活塞位移,ks3为调压弹簧刚度, n10、n11、n12、n13为流量压力系数, n9、n14为阀口流量系数, Qq1为流过q值调整活门的燃油流量, Qq2为快速电磁阀在一个周期内的平均燃油流量, Kk为快速电磁阀比例系数。

 

2·3　切换活门数学模型

切换电磁活门组合件是在接受电子控制器的控制指令信号后,打开喷嘴挡板,迅速增大切换活门左腔控制油压,使切换活门向右移动,以满足适时关闭通向第二喷嘴环的阀口,满足燃油切换的要求。

 

Qc(s)=n17(pd(s)-pm(s))(18)

当切换电磁活门通电、a2关闭时

Q2=Q01(19)

当切换电磁活门不通电、a2打开时

Q2(s)=Q01(s)+Q02(s)(20)

Q02(s)=n18Xt(s)+n19(pe(s)-pj(s))(21)

(pm(s)-pL(s))Ac

Mts2+B7s+ks5=Xt(s)(22)

Qcb1(s)=n21(pd(s)-pL(s))(23)

Qcb2(s)=n22(pm(s)-pj(s))(24)

Qc(s)=Qcb2(s)+AtsXt(s)(25)

式中: n17、n19为流量压力系数, n18、n21、n22为流量压力系数, Ac为切换活门截面积, ks5为切换活门弹簧弹性系数, xt为切换活门阀芯位移, Q01为流出第一喷嘴环的燃油流量, Q02为流出第二喷嘴环的燃油流量。

 

3         利用SIMULINK进行仿真

燃油控制装置仿真模型是在以上分析的数学模型基础上,根据燃油控制装置的工作特性,以各个主要部件的传递函数为单元进行仿真的。常用的方法是推导出各个部件的传递函数然后仿真,但是由于系统复杂所以由结构图化成传递函数的过程非常复杂,而且建模时对应的物理参数经过化简后失去了原有的意义,使得在此基础上进行的优化变得更加复杂。

在这里,我们利用SIMULINK框图的优点,直接针对各部件的数学模型得到部件的结构图。然后依据结构图在SIMULINK中直接得到部件的仿真图。

在SIMULINK环境下,由以上方法建立的各部分子系统的数学模型和仿真模型,根据模型中变量间的传递关系将各个子系统连接起来构成一个大系统,并进行封装,在封装过程中表明各模块和子系统的物理参数,这样就得到了整个燃油调节控制系统的仿真模型,如图5所示。仿真结果如图6—8所示,图6中纵坐标的负号表示阀芯运动方向与实际设定方向相反。

 

仿真结果分析:

(1)由可见,控制电压发生单位阶跃变化时,计量活门运动完全程时间不大于3·5s,计量活门阀芯最大移动14·5mm,满足设计要求。

(2)由图7可见,在流量q=2·3kg/s条件下,等压差值为1·9±0·3MPa,且当控制电压发生单位阶跃变化时,压差值变化不大于0·18MPa。系统设定高压油压不变,则压差变化主要是计量活门出口低压油压的变化,平衡点为pL=1·9MPa。

(3)由图8可见,当控制电压发生单位阶跃变化时,在流量变化过程中,程序控制接通切换电磁铁,切换活门移动8·6mm,关闭时间是不大于1s。

 

4　结论

(1)由仿真结果可以得到:根据元件的运动规律,在流量连续和力平衡的基础上建立的数学模型比较准确,物理意义明确,缺点是由于方程线性化过程中引进的误差,使得在仿真过程中软参数(流量系数、体积弹性模数、粘性摩擦系数等)需结合经验与其它参数多次修正,才能得到稳态精度及动态响应特性均较好的模型。

(2)得到的系统仿真模型和动、静态计算结果与实验结果相吻合,而且完全满足仿真要求。不仅可以作为控制系统调试时的参考工具,也可以作为对系统进行参数选择和优化以提高其性能的依据。

 

参考文献

【1】曾俊英·航空动力装置(元件部分) [M]·航空工业出版社, 1995·8·

【2】樊思齐,徐芸华·航空推进系统控制[M]·西北工业大学出版社, 1995·12·

【3】林国重,盛东初·液压传动与控制[M]·北京理工大学出版社, 1991·3·

【4】龚剑,朱亮·MATLAB入门与提高[M]·清华大学出版社, 2000·3·

【5】范影乐,杨胜天,李轶·MATLAB仿真应用详解[M].人民邮电出版社, 2001·7·

【6】王沫然·Simulink4建模及动态仿真[M]·北京:电子工业出版社, 2002·

 


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