現(xiàn)代航空發(fā)動機液壓機械控制器的仿真研究

秦宇峰

（東方航空公司技術有限公司山西分公司航線車間，山西 太原 030092）

在現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的設計環(huán)節(jié)中，運用液壓仿真技術進行性能強化與改進，已經(jīng)日益發(fā)揮著巨大的作用，被世界各國的相關領域所重視和使用。通過現(xiàn)代航空發(fā)動機液壓機械控制器，可以有效完成許多比較繁瑣的控制任務，為人們深入進行航空設計提供更多的參考資料

1 航空發(fā)動機液壓機械控制器仿真技術的相關概況

近年來，我國的現(xiàn)代制造行業(yè)搭上了世界第4次工業(yè)革命的快車，制造的創(chuàng)新與變化讓全世界為之震驚。作為高新技術產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代航空產(chǎn)業(yè)中的核心產(chǎn)業(yè)，對中國航空技術的改革與發(fā)展起著舉足輕重的作用。當前，航空技術與智能化、仿真化的融合，是當前航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵所在，如何運用好智能化和仿真化技術，使航空發(fā)動機制造在信息化時代下取得跨越式發(fā)展，是促進航空發(fā)動機研究和開發(fā)制造的重中之重。其中的虛擬仿真技術通過提供一個強大的數(shù)字建模和仿真環(huán)境，借助計算機系統(tǒng)進行產(chǎn)品規(guī)劃、設計、制造、裝配、檢驗、保養(yǎng)、維修等各項模擬操作，不僅使相關的設計更加優(yōu)化和便捷，還能夠幫助企業(yè)在設計階段就能夠充分全面地了解產(chǎn)品的生產(chǎn)制造全過程，從而預測產(chǎn)品的基本性能及可能存在的缺陷，使產(chǎn)品設計與制造更加精準高效，減少產(chǎn)品試生產(chǎn)中所造成的資源浪費。例如，波音777飛機就是通過虛擬制造技術，從飛機的整體設計一直到不同環(huán)境下的模擬試飛，使開發(fā)周期大大縮短，設計方案的修改更加靈活、快捷，有效降低了飛機的設計成本。

機械液壓式控制器，是航空推進系統(tǒng)的傳統(tǒng)設備，其隨著航空推進系統(tǒng)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代，特別是隨著航空技術對控制功能需求的日益加大，機械液壓式控制器的設計和制造技術也在飛速演進。截至目前，機械液壓式控制器已經(jīng)演變成為一臺高控制精度的計算裝置，能夠進行相對較為繁瑣復雜的發(fā)動機控制規(guī)律運算和推演，從而有效地進行航空設備控制。與飛機的整機制造相比，航空發(fā)動機的性能和結構更加復雜、繁瑣，同時也具有更高的精度要求，因此具有更大的設計和控制難度。通過虛擬仿真技術，不僅可以顯示產(chǎn)品的外形和內(nèi)部構造，還可以模擬產(chǎn)品的使用過程和裝配、維修的情況，從而在動態(tài)中不斷發(fā)現(xiàn)發(fā)動機液壓機械控制器的工作實效，通過反復的評測來修改設計中的不當之處。借助于物理和化學理論，虛擬仿真技術還可以試驗不同條件下控制器的使用情況及承載能力，比如在高溫、低溫、高壓等相對惡劣的環(huán)境下，控制器能夠正常工作。如何在現(xiàn)實中進行這樣的試驗，勢必會造成大量生產(chǎn)原料的消耗，而且未必能夠準確掌握全部的數(shù)據(jù)資料。而借助虛擬仿真技術，可以進行全方位、反復的模擬試驗，從而最大限度地發(fā)揮材料的潛在能力，對產(chǎn)品進行最合理的設計。

2 航空發(fā)動機液壓機械控制器的仿真研究

2.1 液壓仿真平臺的建模

仿真系統(tǒng)，就是將客觀實際的系統(tǒng)，通過物理模型或者數(shù)學模型的形式進行建構，對模型進行試驗和研究，進而將獲取的研究試驗結果應用于實際系統(tǒng)中。仿真研究的基礎前提，首先就是必須找到最合適的仿真平臺，從而為接下來的建模奠定良好的基礎。目前市場上最為常用的液壓建模平臺主要有Matlab、ADAMS等，這類建模平臺相對較為簡單，主要是提供一個可以創(chuàng)建特定液壓仿真框架，具有大眾化的效果，但專業(yè)性不夠強。而HYPNEU以及EASY5等專業(yè)的液壓仿真平臺，則可以提供直接進行液壓仿真的專用仿真包，更加具有專業(yè)性、實用性。然而，由于后者的仿真包比較復雜，而且考慮到市場需求，主要適用于大型地行機械的液壓仿真使用，并不符合航空發(fā)動機液壓機械控制器這類的高精尖設備。因此，進行基礎的對照和比較后，Matlab可以進行機、電、液壓等不同子模塊的創(chuàng)建和編輯，同時還與其他仿真平臺有兼容的接口，具有十分強大的適應性，最為適合航空發(fā)動機液壓機械控制器的仿真建模。利用Matlab創(chuàng)建液壓仿真庫后，我們能夠借助平臺的窗口界面，進行可視化的系統(tǒng)仿真操作，比如運用Scope等圖形模塊，在對液壓機械控制器進行仿真虛擬的同時，就可以同步觀察到仿真的效果，然后再運用Matlab的存儲和編輯指令，對仿真結果進行儲存以及操作處理。

2.2 構建液壓元件模型庫

液壓元件模型庫，是建立發(fā)動機控制器模型的基礎素材庫，只有先建立并完善好齊全的元件模型庫，才能快速有效地進行控制器仿真模型的建設。特別是隨著現(xiàn)代科技產(chǎn)品的組成結構日趨復雜，功能日益多樣化，元件之間的耦合關系變得愈發(fā)緊密，建模對于產(chǎn)品仿真來說十分重要。以航空機電系統(tǒng)為例，在能量、控制、功能等多個層面上，綜合系統(tǒng)的燃油、液壓、電氣等系統(tǒng)之間的關系較實際相比更加密切，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作，從而保障能源的優(yōu)質(zhì)高效利用。如圖1所示，通過供配用電綜合網(wǎng)絡，飛機架構上機電系統(tǒng)的聯(lián)系更加緊密。因此，液壓機械控制器的仿真建模，必須要首先建立好一套完整的元件模型庫，并保證各元件模型之間能夠進行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)交互，從而形成多模型聯(lián)合仿真的效果。

圖1 飛機綜合機電系統(tǒng)

根據(jù)控制器的不同部件功能，元件模型庫可包括給定元件、比較元件、液壓放大元件、測量元件、反饋元件等裝置。如果根據(jù)具體元件類型進行區(qū)分，元件模型庫則主要由機械元件和液壓元件兩個部分共同組成。其中，機械元件的核心在于質(zhì)量模塊，是一個反映機械運動動態(tài)特性的二階模型，有位置限制、摩擦系數(shù)、質(zhì)量等屬性，而杠桿、齒輪、凸輪、彈簧等只有傳遞的作用，并沒有太多的重要價值，但這些元件將影響到各模塊的參數(shù)及其對應情況，因此，機械元件仍然需要對初始值進行設置和調(diào)整。液壓元件則是根據(jù)進出的液體流量及壓縮腔體積計算壓力的變體積壓縮腔為重點，是一個反映液體壓縮特性的一階模型。

2.3 建立發(fā)動機控制器模型

航空發(fā)動機液壓機械控制器的仿真，離不開發(fā)動機控制器模型的建立。通常情況下，液壓機械控制器包括敏感元件、放大元件、執(zhí)行元件幾種基本的功能模塊，在此基礎上又可以細分為定壓油源、層流板節(jié)流器等數(shù)十種構件。在Matlab中，可以分別對這些構件進行模型建立，然后再按照液壓機械控制器的整體構造進行裝配，使其完成仿真設置。此外，控制器根據(jù)功能還可以劃分為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、加力燃油等獨立模塊。這些獨立的模塊，又可以進一步的細分，例如加速控制器可以細分為溫度放大器、轉(zhuǎn)速測量元件、壓力測量元件、隨動活塞執(zhí)行機構、連桿機構等，這些元件多半都帶有負反饋的液壓伺服機構，以此作為基本的元件，可以有效保證功能的獨立性。發(fā)動機控制器模型，就是建立上述不同類型的構件，并建立各構件之間的接口模型，使之成為一個整體，然后再建立模塊化的數(shù)學模型，搭建出控制器的虛擬仿真模型。

2.4 發(fā)動機液壓控制器的仿真

通過上述的元件庫構建和模型建立，液壓控制器的仿真已經(jīng)基本完成基礎的構建工作，余下的部分主要是模型的仿真操作，即調(diào)試和驗證。這段仿真操作，是建模中最困難的工作，同時也是最重要的環(huán)節(jié)。虛擬仿真操作，其目的主要是為了模仿實際操作的情形，因而必須要完全參照實際控制器的調(diào)試和實驗方式，進行虛擬仿真的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)調(diào)試。所謂穩(wěn)態(tài)調(diào)試，就是要將控制器的穩(wěn)態(tài)點調(diào)整到調(diào)試大綱所明確的數(shù)據(jù)范圍以內(nèi)，對控制器仿真模式的實際穩(wěn)態(tài)進行實驗調(diào)試。在調(diào)試過程中，還需要建立模型的調(diào)整接口，并配置好可以隨時用來更換的元件，使調(diào)試完全對應實際試驗的情景。穩(wěn)態(tài)調(diào)試結束后，再對控制器進行動態(tài)仿真調(diào)試，特別是控制器與發(fā)動機之間的磨合情況，對調(diào)試的結果進行分析，并將其與實際數(shù)據(jù)進行比對，確保控制器在實際運行過程中能夠符合標準的性能指標，從而驗證好模型的正確。

3 結語

通過建立現(xiàn)代航空發(fā)動機液壓機械器仿真模型庫，構建與實際控制器完全一致的虛擬仿真模型，可以有效對控制器進行高效精準建模，然后再結合仿真模型進行數(shù)據(jù)調(diào)試，確保仿真數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)基本符合。在調(diào)試過程中，工作人員結合仿真模型進一步了解控制器的內(nèi)部工作規(guī)律，發(fā)現(xiàn)控制器在常規(guī)情況下和運行過程中的特性，以及可能在實際操作中出現(xiàn)的問題和不足，在此基礎上進行航空發(fā)動機液壓機械控制器的實際設計，對于控制器的設計、制造與維修等各項工作有著重要意義，有助于控制器的設計、生產(chǎn)和改進，為現(xiàn)代航空技術發(fā)展作出更多的貢獻。