航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)操控測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

朱鵬程,李亞南

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是大多數(shù)小型飛行器的心臟,由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件惡劣,因而發(fā)動(dòng)機(jī)的操控性能直接影響著飛行器的綜合性能[1].發(fā)動(dòng)機(jī)操控性能優(yōu)劣的判斷主要是由操控測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成的,因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)操控測(cè)試技術(shù)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)發(fā)展程度高低的一個(gè)重要標(biāo)志.目前，我國(guó)擁有的發(fā)動(dòng)機(jī)操控試驗(yàn)平臺(tái)絕大多數(shù)都是傳統(tǒng)意義上的發(fā)動(dòng)機(jī)操控測(cè)試平臺(tái),需要手工調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的各種工況、目測(cè)讀數(shù)，手寫(xiě)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)操控測(cè)試過(guò)程狀態(tài),這些測(cè)試方式已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的基本要求[1].針對(duì)傳統(tǒng)操控測(cè)試系統(tǒng)所存在的缺陷,文中依靠虛擬儀器技術(shù)、先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及交流伺服電機(jī)和矢量控制算法為某特種飛行器研究所設(shè)計(jì)了一套基于PXI總線的航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)輔助操控測(cè)試系統(tǒng).

1 總體方案

根據(jù)系統(tǒng)的初步研究，確定系統(tǒng)總體方案如圖1所示,主要由操作臺(tái)、工控機(jī)、顯示器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)組成.

圖1 操控測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Block diagram of the test system

根據(jù)測(cè)試需求和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)操縱控制系統(tǒng)的交流伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的精確控制,同時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精確采集發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)并通過(guò)PXI總線技術(shù)傳送給工控機(jī).文中采用Lab VIEW[2]編寫(xiě)上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷,并實(shí)時(shí)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和曲線,最終將實(shí)時(shí)參數(shù)以及曲線打印出來(lái)供測(cè)試人員研究分析.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)操控測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由兩大部分組成：①發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊(包括信號(hào)調(diào)理模塊),該模塊主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集處理;②操縱控制模塊,該模塊主要完成對(duì)節(jié)氣門(mén)、阻風(fēng)門(mén)和螺旋槳變節(jié)距機(jī)構(gòu)的精確控制.

操縱控制模塊由Advantech公司的PCI系列多軸運(yùn)動(dòng)控制卡及交流伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).數(shù)據(jù)采集模塊采用NI公司的PXI總線產(chǎn)品搭建,操控測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 硬件系統(tǒng)Fig.2 Hardware of the test system

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

操控測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊在硬件設(shè)備選用時(shí)充分考慮了以后系統(tǒng)的升級(jí)、擴(kuò)展,因此選擇了具有可擴(kuò)充的接口,為后期升級(jí)留下余地.同時(shí)也選用模塊化的設(shè)備,為系統(tǒng)的維護(hù)、更新零部件、升級(jí)等提供便利.數(shù)據(jù)采集模塊硬件主要由被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、PXI總線儀器模塊和Advantech工控機(jī)組成,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)滑油壓力、滑油溫度、氣缸頭溫度等近40種信號(hào)的采集.

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

對(duì)于變化緩慢的模擬信號(hào),低通濾波和信號(hào)隔離是主要的處理手段.經(jīng)過(guò)低通濾波后的模擬信號(hào)再經(jīng)過(guò)隔離裝置送入數(shù)據(jù)采集卡,這樣可以大大減弱夾雜在信號(hào)中的噪聲和干擾,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精確采集,文中采用二階無(wú)限增益反饋低通濾波器[3](圖3).

圖3 二階無(wú)限增益反饋低通濾波器Fig.3 Low-pass filter of two order infinite gain feedback

利用節(jié)點(diǎn)A和N列寫(xiě)KCL方程,同時(shí)考慮到運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益AVO→∞,可以導(dǎo)出其傳遞函數(shù)為：

(1)

進(jìn)行歸一化處理,可以寫(xiě)成標(biāo)準(zhǔn)形式,有

(2)

式中:AO,a1,b1為參數(shù)，AO=-R2/R1;a1=(R2R3+

R2R1+R1R3)C2/R1;b1=C1C2R2R3.

根據(jù)公式1，2可得

(3)

R2的值為實(shí)數(shù),必須滿足

(4)

本次測(cè)試對(duì)象為L(zhǎng)ycoming TIO-540-A2C發(fā)動(dòng)機(jī),其輸出信號(hào)中有一些信號(hào)具有較高的電壓或者電流幅值,如轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓幅值可達(dá)110 V,必須利用電壓衰減器進(jìn)行信號(hào)衰減后才能進(jìn)行后繼處理,否則會(huì)造成采集設(shè)備的損壞.

2.3 操縱控制模塊

一般來(lái)說(shuō),從安全角度考慮發(fā)動(dòng)機(jī)控制監(jiān)測(cè)室與發(fā)動(dòng)機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)處于隔斷狀態(tài),因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行噪聲很大程度上會(huì)影響測(cè)試人員的測(cè)試效率和效果,同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)意外情況.

本系統(tǒng)的操控系統(tǒng)框圖如圖4所示,推動(dòng)操控手柄,操控手柄就會(huì)輸出相應(yīng)的模擬電壓量并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送給工控機(jī),在控制軟件Lab VIEW的作用下根據(jù)給定的電壓量以及各傳感器反饋的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),工控機(jī)會(huì)給出精確地控制角度量值輸出到伺服運(yùn)動(dòng)控制卡中,這樣就實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)節(jié)氣門(mén)以及螺旋槳變節(jié)距機(jī)構(gòu)的精確控制.

圖4 操控系統(tǒng)Fig.4 Block diagram of the control system

3 軟件系統(tǒng)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)操控模塊

該模塊的主要功能是利用LabVIEW編寫(xiě)的數(shù)據(jù)采集程序、控制算法和運(yùn)動(dòng)控制卡的驅(qū)動(dòng)等相互配合,最終生成交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng).由于發(fā)動(dòng)機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)電綜合體,其運(yùn)動(dòng)工況具有非線性和時(shí)變性.為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及故障判定,本系統(tǒng)的操控模塊控制算法是利用基于多傳感器融合控制算法,即是充分利用本發(fā)動(dòng)機(jī)操控測(cè)試系統(tǒng)的多種傳感器信息資源,將本系統(tǒng)近二十種不同類(lèi)型的傳感器在時(shí)間和空間上的互補(bǔ)性按照特定的算法進(jìn)行綜合[4],增加了發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)和變節(jié)距機(jī)構(gòu)控制精確性和可靠性的同時(shí)也能對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及故障做出判定.

3.2 矢量控制算法

本系統(tǒng)的操控模塊選用的是交流伺服系統(tǒng),其具有價(jià)格低廉控制精度高而且可選等優(yōu)點(diǎn),如圖5所示為本文選用的永磁式同步交流伺服電機(jī)(PMSM)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,圖中已經(jīng)假定了電流的正方向[5].

如圖q軸超前d軸90°電角度(順著ωr方向),而永磁體基波磁場(chǎng)的方向即為d軸.轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)的空間坐標(biāo)以q軸與固定軸線間的電角度θr來(lái)決定.通過(guò)推導(dǎo),q，d的軸電壓方程可以寫(xiě)為

(5)

式中：p為微分因子；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；uq為q軸承電壓；ud為d軸電壓；Lq，Ld為q，d軸電感；iq，id為q，d軸電流；Lmd為d軸勵(lì)磁電感；if為計(jì)算到定子一側(cè)的等效勵(lì)磁電流.

as-A相繞組軸線；bs-B相繞組軸線；cs-C相繞組軸線；io，F(xiàn)f-空間矢量；AX-A相線圈；BX-B相線圈；CX-C相線圈

同理可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩方程為：

(6)

式中：Tem為電磁轉(zhuǎn)矩;ψf為永磁體基波磁鏈;pn為極對(duì)數(shù);β為電流空間向量is在d,q坐標(biāo)中的空間相位角.

上述方程構(gòu)成了PMSM的基本數(shù)學(xué)模型,由于三相永磁同步伺服電機(jī)含有電角速度ωr以及電流id或iq的乘積項(xiàng),因此,它是一個(gè)典型的非線性模型.可以將上述方程寫(xiě)成狀態(tài)方程形式,如下所示.

pid=(ud-Rsid+ωrLdid)/Ld

piq=(uq-Rsiq-ωrLdid-ωrLmdis)/Lq

pωr=(pnTem-pnTl-Bωr)/J

(7)

式中：B為粘滯摩擦系數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)量.

若實(shí)現(xiàn)對(duì)β角的控制就實(shí)現(xiàn)了角度控制,is在d，q軸上的分量id和iq決定了β角的大小.

對(duì)于本文選用的凸裝式轉(zhuǎn)子電機(jī),它的電磁轉(zhuǎn)矩為：

Tem=pnLmdifissinβ=pnLmdifiq

(8)

式中:is為調(diào)節(jié)電子電流

因?yàn)閕f是固定的無(wú)法調(diào)整,則電磁轉(zhuǎn)矩Tem就與iq成正比,兩者之間是線性關(guān)系.當(dāng)給定了Tem指令,那么if同時(shí)也就確定了.定子電流在d軸的分量id對(duì)永磁體具有增、消磁作用,因此它的數(shù)值需要根據(jù)運(yùn)行要求來(lái)確定[5].

(9)

但是僅僅上述的條件是不夠的,還需要知道θr(dq相對(duì)定子A相繞組軸線as的空間坐標(biāo)).一般來(lái)說(shuō),是在電機(jī)的輸出軸一側(cè)安裝編碼器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁極相對(duì)于as軸的位置.

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

利用Easy I/O for DAQ函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入模擬信號(hào)的采集[8],對(duì)于低頻信號(hào)顯示實(shí)時(shí)采集值并存儲(chǔ),高頻信號(hào)則在試車(chē)結(jié)束后通過(guò)合理手段有選擇地顯示用戶感興趣的點(diǎn).在LabVIEW中利用Database Connective Tool工具包[6]將從PXI總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照各種不同的分類(lèi)以報(bào)表的形式,并按照時(shí)間的順序存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL中,當(dāng)用戶需要校驗(yàn)所測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)可以將所采集到的數(shù)據(jù)分類(lèi)抽取出來(lái)并打印.為了實(shí)現(xiàn)操控測(cè)試系統(tǒng)對(duì)多種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試,本數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了分離式,即把用戶前端數(shù)據(jù)顯示和處理與數(shù)據(jù)采集進(jìn)行分離,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)變更而改變?nèi)藱C(jī)界面時(shí),不會(huì)影響大數(shù)據(jù)的流通.

4 試驗(yàn)

4.1 操控系統(tǒng)試驗(yàn)

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)操控系統(tǒng),要求具有較好的穩(wěn)定性及精度.文中利用幅值為300°、周期為4s的正弦位置信號(hào)對(duì)操控系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),檢測(cè)了試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)輸出值及超調(diào)量等重要指標(biāo).表1給出了一組試驗(yàn)數(shù)據(jù),與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的操控系統(tǒng)角度θ控制響應(yīng)曲線如圖6所示.

表1 角度控制測(cè)試參數(shù)Table 1 Test parameters of angle control

圖6 正弦響應(yīng)Fig.6 Sine response

4.2 操控性能試驗(yàn)

本次檢測(cè)對(duì)象Lycoming TIO-540-A2C其主要的性能參數(shù)[7],如表2所示.為了能夠準(zhǔn)確檢測(cè)該操控測(cè)試系統(tǒng)的性能,本次試驗(yàn)采用正常飛行工況下使用的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)作為被測(cè)對(duì)象,主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)位置與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,具體的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示.

表2 Lycoming TIO-540-A2C性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of Lycoming TIO-540-A2C

表3 操控性能測(cè)試參數(shù)Table 3 Test parameters of operation performance

5 結(jié)論

從操縱控制系統(tǒng)的正弦位置信號(hào)響應(yīng)圖可以看出：該操控系統(tǒng)具有無(wú)超調(diào)、響應(yīng)快的特點(diǎn),達(dá)到了預(yù)期效果.操控性能測(cè)試給定的節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)角最大值為60°,根據(jù)表3可看出該操控測(cè)試系統(tǒng)具有較高的采樣頻率和操控精度,滿足設(shè)計(jì)要求.該操控測(cè)試系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、自動(dòng)化程度高、可靠性和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn),具有很好的應(yīng)用前景.

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