基于模型参数辨识的某型燃油数控系统综合检验方法

来源:用户上传      作者:胡惠芳 李洋 王轩 崔一博

　　摘要：燃油数控系统作为航空发动机FADEC（全权限数字电子控制）系统的核心之一，其工作性能变化直接影响发动机的工作特性。本文针对燃油数控系统修理检验中通常只检查固定流量点流量而忽略燃油数控系统整体性能偏移和动态性能变化的问题，提出一种基于模型参数辨识的某型燃油数控系统综合检验方法。该方法通过模型参数辨识，可获得燃油数控系统的稳态和动态性能参数，通过对比相关参数变化，可综合检验判断燃油数控系统的性能变化和修理恢复情况。
　　关键词：航空发动机；燃油数控系统；模型参数辨识；综合检验方法
　　Keywords： aero-engine；fuel numerical control system；model parameter identification；comprehensive inspection method
　　0 引言
　　航空l动机是飞机的动力提供装置，其工作过程复杂，在整个飞行包线内的工作特性变化很大，需要在高温、高压、高转速下长期工作，工作环境十分恶劣。为了保证发动机能够可靠稳定地提供推力，需要对多变量、多执行机构进行协同调节。
　　燃油流量作为关键被控变量，在发动机FADEC系统中通过燃油数控系统实现调节。燃油数控系统包括电子控制器、力矩马达（或高速开关阀）、燃油泵调节器、线位移传感器等组件。如图1所示，某型发动机燃油数控系统中有三个执行机构对燃油计量活门进行调节：一是自动模式下通过力矩马达控制活门带动计量活门摇臂旋转，改变计量活门油窗横向开口长度；二是手动模式下通过三维凸轮控制摇臂带动计量活门摇臂旋转，改变计量活门油窗横向开口长度；三是在发动机超转时，由超转伺服阀带动计量活门摇臂旋转，关小计量活门油窗横向开口长度，减小燃油流量。计量活门油窗除横向开口长度可调外，通过P3压力膜盒的压缩与舒张可调节计量活门油窗的纵向开口高度。
　　燃油数控系统工作过程中，计量活门前后的压差由一个压差活门进行调节，使计量活门油窗前后的压差保持恒定，进而保证燃油体积流量仅与计量活门油窗开口面积成正比，从而简化燃油流量的控制算法与逻辑。
　　燃油数控系统在修理完成后，需根据履历本要求对其性能恢复情况进行检验。目前常见的检查方法是检查燃油数控系统在多个固定流量点的流量是否符合履历本规定的范围要求。该检验方法存在流量整体偏上限或下限的情况，无法准确评估燃油数控系统整体性能偏移和动态性能变化情况。针对此问题，本文提出一种基于模型参数辨识的综合检验方法，通过辨识燃油数控系统稳态和动态性能参数，综合检验燃油数控系统性能变化和修理恢复情况。
　　1 稳态参数辨识及检验
　　式（12）中的4个数值综合反映了燃油数控系统稳定工作时燃油流量受力矩马达控制电流i和压气机后压力的调节和影响程度，可作为燃油数控系统稳态性能检查和修理检验的综合指标依据。
　　2 动态参数辨识及检验
　　基于燃油数控系统性能试验器，在自动模式下设置转速和燃油泵调节器进口油压，压气机后压力=0.6MPa，进行力矩马达控制电流阶跃试验，试验曲线如图2和图3所示。
　　另外，为检验模型动态特性的准确性，需将相同输入条件下的模型输出与真实试验数据进行对比。在相同力矩马达控制电流的输入下，传递函数的模型输出与试验采集到的燃油体积流量对比如图5和图6所示。可以看到，无论是32mA到96mA的控制电流阶跃试验还是96mA到32mA的控制电流阶跃试验，传递函数模型的输出均能准确反映系统的动态特性。根据Matlab的统计结果，模型输出与实际试验数据的拟合率达到95%。
　　通过系统辨识得到的燃油数控系统传递函数中包含一个惯性环节和一个二阶振荡环节，通过对比惯性环节的时间常数、二阶振荡环节的时间常数、二阶振荡环节的阻尼比等参数的变化，可综合检验燃油数控系统动态性能衰退和修理恢复情况。
　　3 总结与应用
　　本文针对燃油数控系统修理检验中的一般性问题，提出一种基于模型参数辨识的某型航空发动机燃油数控系统综合检验方法，通过试验辨识燃油数控系统稳态和动态性能参数，综合检验燃油数控系统性能变化和维修恢复情况。通过该方法得到的燃油数控系统传递函数也可作为燃油数控系统仿真模型，有效支撑燃油数控系统小闭环控制算法设计。本方法中采用的最小二乘估计和系统辨识易于通过计算机编程实现，能有效支撑燃油数控系统修理中的自动化、数字化和智能化升级工作。本方法也可为其他航空发动机数控系统维修检验提供借鉴。

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