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航空发动机测控技术

【试验工程师·公益学习营】第七期第2讲

前言:无论新兴经济的大潮如何汹涌起落,高端制造业作为工业体系基石的战略地位不仅不会改变,而且在我国科技创新转型升级的历史进程中,其重要性将日益凸显,大国崛起离不开国之重器的腾飞。自从1903年莱特兄弟制造出人类第一台飞机,在过去的100多年间,飞机和航空发动机迅猛发展,彻底改变了人类的生活方式和战斗方式,被视为人类尖端科技的杰出代表。大国重器来之不易,航空发动机行业的工程师们不断开拓、不畏困难、顽强拼搏,勇敢的攀登行业的珠穆朗玛峰,使得我们国家成为世界上少数能够独立研制航空发动机的大国。

【试验工程师·公益学习营】第七期第2讲(总第32讲),于2020年8月14日如期举行,本期讲师是瑞风协同子公司株洲航飞翔技术部经理,具有近十年航空发动机数字电子控制器研发经验,曾参与多型航空发动机电子控制器的研制,在电子控制器的硬件设计、系统软件开发、应用软件开发、发动机试验、数据采集与分析方面具备工程经验,主要研究方向为电子控制器系统设计、控制算法开发、航空发动机建模和故障诊断。

本期课程主要内容包括:航空发动机测控技术概述、航空发动机测量技术、航空发动机控制技术和航空发动机测控的试验与验证。

 

一、航空发动机测控技术概述

航空发动机控制系统是指使航空发动机按照给定的指令或根据飞行员操作,完成工作过程的一组设备。航空发动机控制系统的发展历程大致可以分为4个阶段:初级阶段、成长阶段、电子阶段、综合阶段。相应的发动机控制技术由20世纪40年代简单的液压机械控制,到后来的液压机械+电子控制,发展到现在的全权限数字电子控制,并向着智能分布式控制方向发展。

 

 

1、液压机械控制

原理:根据经典控制理论,由液压驱动原理,通过凸轮、杠杆、弹簧、活门等机械元件组合实现的。

特点:系统结构简单,可靠性较高,控制精度低。

 

 

2、液压机械+电子控制

原理:以液压机械控制技术为主,采用电子控制装置来监视和限制发动机极限状态的一种混合控制技术。

特点:可靠性高,精度较高,结构简单。

 

 

3、全权限数字电子控制

原理:电子控制装置从发动机起动到停车整个过程中按飞行员指令实现发动机全部功能的控制计算。

特点:提升发动机性能,降低燃油消耗量,减轻驾驶员的负担,降低成本,改善维护性。

 

 

4、智能分布式控制

原理:将控制系统进行模块设计与安装,利用人工智能进行发动机控制,能够实时诊断并进行发动机健康管理。

特点:提高系统适应能力,提升系统综合性能,减轻控制系统重量,降低维护费用。

 

 

二、航空发动机测量技术

用于航空发动机控制的信号一般包括:转速、温度、压力、扭矩、角度和位移信号。其中,转速信号通常采用磁电式转速传感器进行测量;温度信号一般采用热电阻或热电偶进行测量;压力信号一般采用电阻应变式压力传感器进行测量;扭矩信号一般使用转速/扭矩一体式传感器进行测量;角度/位移信号通常使用RVDT/LVDT传感器进行测量。

传感器特性与信号处理包括:磁电式转速传感器、热电阻温度传感器、热电偶温度传感器、电阻应变式压力传感器和转速/扭矩传感器。

1、磁电式转速传感器

Ø 传感器由永久磁铁、铁磁芯和线圈组成

Ø 音轮安装于被测转轴

Ø 磁阻变化引起磁通量变化

Ø 变化的磁场产生电场

Ø 具有结构简单、可靠性高等特点

 

 

2、热电阻温度传感器

Ø 结构简单

Ø 测量精度高

Ø 性能可靠稳定

Ø 机械强度高

 

3、热电偶温度传感器

Ø 结构简单

Ø 性能稳定

Ø 测温范围宽

Ø 热响应速度快

 

 

4、电阻应变式压力传感器

Ø 具有较高的强度和抗冲击稳定性

Ø 具有优良的静态特性、动态特性

Ø 适于测量高频脉动压力

Ø 适于高温下的动态压力测量

 

5、转速/扭矩传感器

Ø 测量精度高,信号检出、处理均用数字技术

Ø 抗干扰能力强,无需调零即可工作

Ø 可靠性高、信噪比高,工作寿命长

Ø 无需额外增加传感器和调理电路

 

 

三、航空发动机控制技术

航空发动机控制系统的控制功能主要包括:起动过程控制、稳态控制、加减速控制、限制保护控制、故障诊断与容错控制。航空发动机控制系统的控制内容主要包括:主燃油流量控制、加力燃油流量控制、风扇进口可调叶片角度控制、压气机进口可调叶片角度控制、尾喷管喉道截面面积控制和矢量喷管控制。

根据不同目的和任务研究航空发动机时,需要建立不同形式的发动机数学模型。发动机数学模型的形式很多,一般可以分为:线性的或非线性的、定常的或非定常的、确定的或随机的、连续的或离散的、实时的或非实时的、具有集中参数的或具有分布参数的。从研究航空发动机的特性出发,数学模型分为:稳态、小偏离动态和大偏离动态。

航空发动机数学模型的建立主要有:试验测定法和解析法两种方法。

航空发动机建模要求为:足够的保真度、尽量简化和物理意义明显。

 

 

航空发动机控制律设计方法分为:经典控制方法和现代控制方法。经典控制方法包括:起动控制、稳态点控制、加减速控制、限制保护控制和主燃油流量控制综合;现代控制方法包括:鲁棒控制、自适应控制、智能控制和性能寻优控制。

 

四、航空发动机测控的试验与验证

航空发动机全权限数字电子控制系统是很多复杂硬件和软件的综合体。为了对系统的测控功能进行详细验证,需要开展一系列的试验。主要包括硬件在回路仿真试验、半物理模拟试验和发动机试验。

1、硬件在回路仿真试验

特点:

Ø 试验成本低

Ø 测试覆盖全

Ø 试验风险低

仿真内容:

Ø 伺服回路仿真

Ø 地面标准状态仿真

Ø 飞行包线内仿真

Ø 故障模拟仿真

 

 

2、半物理模拟仿真试验

Ø 控制器硬件接口电路功能验证

Ø 控制系统闭环控制回路功能验证

Ø 故障诊断和健康管理策略验证

Ø 控制系统与飞机系统接口功能验证

 

3、发动机试验

Ø 发动机地面台试车

Ø 发动机高空台试车

Ø 发动机飞行试验

  

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