第九章-航空发动机状态控制系统课件.ppt

第九章 航空发动机状态控制系统 v从“航空发动机原理”我们知道，航空发动机控制的任务是实现各种控制规律，包括状态控制规律、过渡态控制规律等状态控制包括稳态控制和加力控制等，过渡态控制包括起动控制、加减速控制、加力接通和断开控制等航空发动机控制任务通常要由一套复杂的控制系统来完成为了便于学习，从本章开始将分两章分别介绍典型的发动机控制系统通过学习了解它们是如何实现各种控制规律的，并了解各种控制系统的基本结构、工作原理和性能分析方法转速控制系统概述v转速控制是发动机控制中最基本又是最重要的控制因为发动机推力近似与转速的三次方成正比，控制了发动机转速也就控制了发动机推力；发动机转速大小也决定了发动机的叶片强度和涡轮前温度大小，因此控制发动机转速也就控制了发动机的叶片强度，这对于保证发动机安全运行具有十分重要的意义；同时也因为发动机转速具有易测量、结构上易实现的特点因此，转速控制系统在航空发动机控制中得到了广泛的应用v选择转速作为被控量的发动机，其工作状态也以转速表征，如发动机的最大状态就是转速为最大转速的工作状态，发动机的其他工作状态依此类推这时油门杆角度PLA与发动机转速n相对应，改变油门杆角度则改变发动机转速，即改变发动机的工作状态。

v转速控制系统一般以燃油量Wf为控制量，以发动机转速被控量，其任务是：当油门杆位置不变而发动机外界条件发生变化时，自动调节燃油量，保持发动机转速不变；当油门杆位置改变时，自动调节燃油量，使发动机转速随油门杆位置的变化而变化油门杆角度对转速控制系统来说，相当于转速控制系统的输入给定值转速控制系统由被控对象（发动机）和转速控制器组成，控制器一般包括测量元件、控制元件、放大元件、执行元件、和供油元件（燃油泵）v发动机转速控制方式 在航空发动机控制系统中应用的控制方式有开环、闭环和复合的控制方式：（1）开环转速控制系统 在开环控制系统中，信号传递的途径不构成闭合回路，调节器测量元件不感受被控量的变化，而是直接感受外界干扰量的变化，或感受由外界干扰引起的发动机其他参数的变化，利用补偿原理对被控量进行控制所谓补偿原理就是根据测量元件感受的干扰量的大小，调节控制量，使其消除干扰量对被控量的影响，以保持被控量不变开环转速控制系统框图开环转速控制系统框图（2）闭环转速控制系统 闭环控制系统是按偏差原理进行控制的所谓偏差原理就是根据被控量的实际值与给定值的偏差进行调节的原理，按这一原理工作的控制系统尽管在调节过程中被控量相对给定值产生了偏差，但在过程结束时这一偏差的数值就变得很小（稳态误差）。

由于控制准确度较高，闭环控制系统在航空发动机控制中得到了广泛的应用如图所示闭环转速控制系统中，当发动机转速n偏离油门操纵杆选定的转速给定值nr时，转速测量元件感受转速偏差e=nr-n,经控制元件输出信号m，以驱动执行元件，调节发动机供油量Wf，从而减小转速偏差闭环转速控制系统框图闭环转速控制系统框图（3）复合转速控制系统 在闭环控制回路的基础上，复合控制系统增加干扰补偿的顺馈通路，是系统具有综合闭环控制系统和开环控制系统的优点，在干扰量对系统产生不利影响之前，就能通过补偿消除即将产生的不利影响当外界干扰改变时，复合控制系统由于顺馈补偿作用可以使被控量不发生过大偏离；调节过程结束时，它又能由闭环控制作用使被控量较准确地保持给定值随着航空发动机性能要求的提高，复合控制系统在航空发动机控制系统中得应用亦逐渐广泛 复合转速控制系统框图复合转速控制系统框图v系统分析和设计（1）性能指标 通常用性能指标评价发动机转速控制系统的性能，包括系统的稳定性、动态品质和控制精度等要求2）分析和设计方法 设计发动机单输入-单输出转速控制系统常常采用试探法，就是出不确定控制方案、选择控制器结构以及参数，进行系统设计。

然后，设计人员检查设计出来的系统是否满足全部性能指标3）设计步骤 分析技术要求和性能指标；初步确定系统控制方案； 选择控制器的元件及部件，并分析其性能； 建立包括控制对象和控制器的系统数学模型； 选择控制器动态参数； 对所建立的控制系统在整个飞行范围内的各种工作状态进行性能分析及计算机仿真，实验系统对各种输入的响应及干扰对系统性能的影响，检查所设计系统是否能在各种使用条件下满足规定的性能指标； 建立物理系统的样机，确定物理系统的结构及参数，并进行实物在回路（HIL）仿真试验； 进行发动机控制系统半物理仿真试验； 进行发动机控制系统试验数字式闭环转速控制系统v数字式闭环转速控制系统是发动机数字式电子控制器产生后的一种新的发动机转速控制系统数字式电子控制器为数字控制算法的应用提供了条件，也使得各种先进控制方法和多变量控制的应用成为可能v控制系统的结构 传感器测量发动机转速，输出模拟信号和频率信号，经A/D或F/D转换后进入数字式电子控制器 数字式控制技术可分为常规控制技术和复杂控制技术 数字式控制 器的连续化 设计是忽略 回路中所有的零阶保持器和采样器，在s域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后将连续控制器离散化为数字式控制器，并由计算机来实现。

数字式转速控制系统框图数字式转速控制系统框图v数字式PID控制器的设计v增量型算法和位置型算法性比，具有以下优点：增量型算法不需要作累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小，而位置型算法要用到过去的误差的累加值，容易产生大的累加误差增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大采用增量型算法，易于实行手动到自动的无冲击切换数字式数字式PID转速控制系统转速控制系统v数字式PID控制器的参数整定（1）简易工程法 在连续控制系统中，模拟式控制器的参数整定方法较多，但简单易行的方法还是简易工程法这种方法最大的优点在于，整定参数时不必依赖被控对象的数学模型，虽然稍微粗糙一点，但是简单易行，适于现场应用 扩充临界比例度法 扩充响应曲线法 归一参数整定法（2）优选法（3）凑试法确定PID参数阶跃响应曲线阶跃响应曲线液压机械式闭环转速控制系统v液压机械式闭环转速控制系统是由被控对象、测量元件、控制器和执行元件组成的反馈控制系统这是一种最简单、最基本的反馈控制系统，又是发动机数字式电子控制系统产生以前应用最广泛、最成熟的一种反馈控制系统。

它适用于被控对象滞后时间较小、负荷和干扰变化不大和控制质量要求不高的系统v液压机械式闭环转速控制系统包括间接作用式、带比例反馈和带速度反馈的转速控制系统等v间接作用式转速控制系统 间接作用式转速控制系统如图所示在这种控制系统中，测量元件（飞重）输出量不是直接去推动执行元件（柱塞式油泵斜盘），而是经液压放大器（随动活塞）放大后再去推动执行元件（柱塞式油泵斜盘），这样的控制系统称为间接作用式转速控制系统1）工作原理 如图所示，间接作用式转速控制器由测量元件（飞种）1，分油阀2，随动活塞3，柱塞泵4，操纵手柄5和调整弹簧6等组成将操纵手柄放在一定位只，即转速给定值nr0一定，系统处于平衡状态时，分油阀的凸肩关闭了通往随动活塞的油路，随动活塞处于一定的位置m0,供油量Wf一点，发动机稳态转速n0等于给定值nr0，此时油泵供油量等于发动机需油量 如操纵手柄位置不变，飞行条件改变，转速控制器可以保持发动机转速不变2）数学模型（3）性能分析 间接作用式转速系统的主要优点是稳态精度高，即阶跃输入响应无静差，若控制器时间常数T1小，则系统动态特性差，振荡次数多，超调量大，且过渡过程时间太长，不能满足航空发动机过渡过程时间23s、振荡次数不超过1次、超调量不超过2%的要求，若控制器时间常数取得较大，可以保证系统响应为单调，但过渡时间仍然不能满足要求。

因此这种控制器不经改进，一般不采用间接作用式转速控制器框图间接作用式转速控制器框图间接作用式转速控制系统结构图间接作用式转速控制系统结构图v带比例反馈的转速控制系统 带比例反馈的转速控制系统如图所示，它与间接作用式转速控制系统不同之处是：在间接作用式转速控制器中增加了由反馈杠杆8和反馈套筒7组成的反馈装置1）工作原理 当稳态时，分油阀2的凸肩遮住反馈套筒的油孔，随动活塞3处于一个确定位置当转速偏离给定值时，如飞行高度升高，空气密度下降，进入发动机空气流量减小，从而使发动机转速上升，离心飞重1的离心力轴向分力上升，分油阀下移，打开油孔， 使随动活塞上腔A通回油，下腔B通定 压油Pn，在压差作用下，随动活塞上移 ，倾斜角度减小，供油量Wf随之减小， 使发动机转速回降在随动活塞上移的 同时，通过反馈杠杆使反馈套筒顺着分 油阀向下移动，减小套筒上油孔开度， 以减小随动活塞的运动速度，也减缓供 油量Wf下降速度从而减缓发动机转速下降的速度当反馈套筒赶上分油阀时，套筒上的油孔被关闭，故随动活塞将停止运动，调节过程将结束，随动活塞将停在一个新的平衡位置（稍低于原始平衡位置）2）数学模型 当系统工作频率比较低时，带比例反馈转速控制器可以视为比例控制器，简称为P控制器。

3）性能分析 带比例反馈的转速控制系统的主要优点是改善了系统的动态特性增加比例反馈系数，控制系统的超调量减小，减小比例反馈系数，控制系统的响应速度加快适应调节比例反馈系数，可以得到满意的动态性能，但系统的静态性能变差，且反馈系数增大，静差会增大纯比例控制器是一种简单的控制器，它对控制作用和干扰作用的响应都很迅速，由于比例控制器只有一个参数，故调整方便，适用于调节对象（/T）小、负荷变化不大、精度要求不高的系统带比例反馈的液压带比例反馈的液压放大器结构图放大器结构图v带速度反馈的转速控制系统（1）工作原理 比例反馈的转速控制系统动态特性得到明显改善，但存在较大静差为了消除静差，在飞行高度或速度改变引起的调节过程结束后，必须使反馈套筒回到调节过程开始时位置，这种控制器如图所示，它与比例反馈控制器比较，除了增加反馈活塞9，反馈阀10，反 馈活塞与随动活塞中间有 一条油路d和油路上装有 层板节流器11外，其他与 比例反馈控制器的相同带速度反馈的转速带速度反馈的转速 控制器控制器（2）数学模型 反馈装置的数学模型是一个准速度反馈，但国内习惯上称速度反馈这种控制器既有比例控制器响应速度快，又有积分控制器无静差的优点。

3）性能分析 由稳定性判据知，这种发动机转速控制系统是稳定的带速度反馈的转速控制系统的结构图带速度反馈的转速控制系统的结构图复合转速控制系统v前面讨论的控制系统都是按偏差原理进行调节的反馈控制系统不论是什么干扰引起被控制量的变化，反馈控制在一定程度上均可以满足给定的性能指标要求然而，如果控制系统中存在强扰动，特别是低频强扰动，或者系统的响应精度和响应速度要求较高，一般的反馈控制方法难以满足要求为此，在航空发动机转速控制系统中，还广泛采用一种把前馈控制和反馈控制有机结合起来的控制方法，这就是复合转速控制方法v工作原理涡喷发动机复合控制示意图涡喷发动机复合控制示意图 如图所示的转速控制系统是一种结构简单的复合控制系统在该系统中，带速度反馈的转速调节器和Pt2扰动补偿器共同工作，调节供油量 该系统中的闭环转速调节器的原理前面已做过介绍，这里只对前反馈控制作简单介绍前馈控制又称扰动补偿，是按照引起被控制量变化的干扰大小进行控制的，它要直接测量负载干扰量的变化当干扰刚刚出现且能测出时，控制器就能发出控制信号使控制量作相应的变化，以抵消扰动引起的被控制量的变化例如，发动机进口总压Pt2发生变化，发动机转速就会发生偏差。

扰动补偿器根据发动机进口总压的测量信号来直接控制调节阀，调节供油量涡喷发动涡喷发动机复合控机复合控制示意图制示意图 复合转速控制系统的结构如图所示 在反馈控制中，信号传递形成了一个闭环系统，而在前反馈控制系统中，则是一个开环系统闭环控制系统存在一个稳定性的问题，而稳定性问题对于。