某型无人直升机活塞式电喷发动机转速控制设计及试验

针对某型无人直升机活塞式电喷发动机的特性,结合无人直升机不同阶段对旋翼转速的要求,采用转速前馈与反馈比例控制模式对地面暖车转速进行控制.采用了转速前馈、负载前馈、转速变参与反馈PID(比例、积分、微分)控制结合的控制模式实现慢车转速到额定转速的有效过渡.额定工作转速的控制采用了转速前馈、负载前馈、自动配平、转速差前馈与反馈PID控制相结合的复合型控制策略,以保证发动机在额定工作状态下转速波动误差尽量减小,实现无人直升机动力关键部分的控制.通过地面试车台发动机开车试验表明,所采用的复合型控制策略能有效实现发动机恒转速控制.      

某型发动机高空小表速转速摆动问题分析

为了解决某型发动机研制过程中出现的高空小表速转速摆动问题,对发动机转速控制原理开展深入分析,利用AMESIM工具软件建立发动机转速控制数学模型,并对转速控制通道进行仿真对比分析,确定了通道参数对转速控制影响量值,通过对比同系列发动机控制参数,提出在现有系统构架基础上,对低压转子转速控制通道进行分段控制改进措施,经半物理试验、高空台模拟试验和试飞验证表明,改进措施既能保证发动机地面加速性要求,又解决了高空小表速转速摆动问题。     

小型无人直升机发动机控制系统设计

发动机转速控制是无人直升机飞行控制的基础,针对小型无人直升机使用的活塞式发动机,给出了一个发动机转速控制系统.通过对发动机输出功率特性、负载特性和动力学特性的分析,建立了发动机的数学模型.采用前馈与反馈的复合控制策略,并通过半物理实时仿真和发动机开车数据的验证,该控制系统具有较好的效果.      

涡轴发动机多发功率匹配控制研究

为解决涡轴发动机多发匹配控制问题,通过分析恒转速控制条件下多发匹配控制机理,以串级控制方案为基础,提出了1种适用于装有多台涡轴发动机的直升机的功率匹配控制策略。该策略通过飞行员手动切换匹配模式,兼顾直升机传动系统、发动机的寿命均衡和单发性能退化等因素,实现发动机间的功率匹配。桌面、半实物试验及配装直升机试飞试验的结果表明,提出的多发功率匹配控制策略简单、有效,能够实现多台发动机之间的功率匹配,并具有较强的工程应用价值。     

基于模态切换的航空发动机容错控制

综合了航空发动机控制和故障诊断方法,设计了基于模态切换的任务级和发动机级模式的容错控制系统.任务级模式在发动机部件故障时,通过切换控制策略和控制模式达到恢复或降低发动机性能的要求;发动机级模式在控制回路失效时,根据故障情况切换到容错控制回路,从而保证发动机继续正常工作.数字仿真结果表明:在稳态或加速过程中出现部件故障时,容错控制系统都能够100%恢复发动机的推力;在发动机中间、慢车和节流状态下,当压气机转速控制回路失效时,容错控制系统能够在3s内平稳切换到风扇转速控制回路.      

1种满足控制计划要求的凸轮型面设计方法

针对液压机械控制装置要求按给定的稳态控制计划设计杠杆、凸轮、弹簧等结构性能参数的问题,采用了考虑离心飞重块工作在燃油中的浮力效应和液体离心力效应对离心飞重换算轴向离心力的修正方法,精确地计算了转速摆动活门的转速-弹簧位移关系的输入输出特性;利用转速给定装置凸轮杠杆机构的叠加特性解决了油门杆角度和发动机进口温度同时变化时相关的控制计划反映在指令弹簧上的位移计算问题;同时从刚架的运动特性规律中抽象出几何不变性,提出了1种按控制计划的不同要求对转速指令凸轮、慢车温度修正凸轮和大车温度修正凸轮进行设计的方法.设计的凸轮按其内在的输入输出特性关系通过各模块之间的信息传递关系以液压机械的控制方式实现了发动机所要求的复杂转速控制计划,对这一设计方法进行了对比验证,可满足设计要求,具有通用性.     

航空发动机性能恢复控制方法

针对航空发动机部件蜕化导致性能变差问题,设计了航空发动机性能恢复控制系统,系统根据发动机的工作状态以及健康状态在常规转速控制模式、稳态性能恢复控制模式和加速性能恢复控制模式之间切换.稳态性能恢复控制模式在常规转速控制模式的基础上设计了一个外环控制回路,通过自适应修正稳定状态下压气机转速指令达到蜕化发动机性能恢复的目的;加速性能恢复控制模式通过综合常规转速控制方法和喘振裕度控制方法,在保证发动机气动稳定的同时,充分挖掘发动机潜力,从而达到恢复蜕化发动机加速性能的目的.通过不同状态不同部件蜕化下的仿真结果表明恢复蜕化发动机性能的有效性.      

航空发动机中介轴承的故障特征与诊断方法

提出了转差域频谱和转差域包络谱的概念,建立了诊断航空发动机中介轴承故障的方法.利用发动机高、低压转差作为触发信号,对发动机振动信号进行等转差周期采集,并在转差域对振动信号进行频谱和包络谱分析.结果表明:不平衡响应、不对中响应以及外环静止的轴承故障响应等振动信号在转差域频谱和转差域包络谱上的位置随转速变化;而中介轴承的故障响应在转差域频谱上的边频成分间距不随转速变化,具有倍频“恒间距”特征;在转差域包络谱上的位置也不随转速变化,具有“恒频”特征.带外环故障的中介轴承实验表明:转速变化时,在转差域包络谱中,外环故障特征倍频成分位置不变;在转差域频谱中,出现间隔宽度恒定为外环故障特征倍频的频率成分.      

某型无人直升机带传动离合器控制系统

针对某型直升机无人化改装过程中带传动离合器的控制要求,探讨一种具有安全保护功能的控制系统.通过分析带传动离合器的操纵原理和控制特性,提出了控制系统的设计需求,确定了控制系统的总体方案.采用转速反馈和间歇接合的控制方法,实现离合器的自动接合,避免发动机转速降幅过大.通过采集着陆信号,采取硬件注销的方式,避免无人直升机在飞行中响应离合器分离等危险指令.采用转速反馈和磁电机间歇接地的控制方法,防止发动机在离合器未接合的情况下超速.在某型无人直升机上分别进行自动接合试验和超速保护试验,在地面模拟进行空中/地面保护试验.结果显示:自动接合试验中发动机最小转速为960r/min;超速保护试验中发动机瞬时最大转速为2016r/min,最小转速为1088r/min,超速持续时间为0.5s;空中/地面保护试验确认了地面状态指令正常执行和空中状态指令注销的功能.试验结果表明:该控制系统设计方案满足无人直升机的使用需求.      

涡扇发动机加减速控制规律设计的功率提取法

为了简单、快速和准确地设计双轴涡扇发动机加、减速控制规律,提出了一种加、减速控制规律设计的新方法——功率提取法:在发动机稳态特性计算模型的基础上,分别从高、低压转子提取额外功率,使得高压压气机工作点(线)沿等换算转速线移动,并保证低压转子转速满足预定的要求,在同时考虑风扇和压气机喘振裕度限制、涡轮进口总温限制以及燃烧室熄火边界的条件下,利用适当的描述形式,可以快速而准确地获得最优双轴涡扇发动机加、减速控制规律.对某型涡扇发动机加速控制规律的改进设计结果表明,提出的加、减速控制规律的设计方法具有直观、快速、准确而有效的优点.      

航空二冲程汽油发动机均值模型的研究与仿真

发动机平均值模型由于其模型简单、计算时间短、使用方便,且能满足控制设计的要求被广泛应用。目前均值模型主要在四冲程汽油机和大型二冲程柴油机上广泛应用,小型航空二冲程汽油发动机平均值模型国内外应用很少。本文采用机理建模和试验建模相结合的方法建立了发动机均值模型,为研究二冲程汽油发动机提供了一种思路。二冲程汽油机平均值模型主要分为三个动态子模块：燃油蒸发与油膜动态子模块、进气道与曲轴箱扫气子模块和动力输出子模块,建模中考虑了簧片阀的建模,同时考虑了扫气过程中的短路损失。分别建立了动力输出和转速模型、空燃比模型,并进行了Matlab/simulink仿真,仿真结果和实验数据吻合,证明了该均值模型的正确性。     

小型涡喷发动机故障分析及控制系统改进

针对小型高速无人机配装的小型涡喷发动机发生的空中停车故障,以发动机转速异常为顶层事件,以导致顶层事件发生的全部可能性为基本事件建立故障树,结合发动机控制原理及对遥测数据进行仔细分析,确认发动机转速采集信道出现问题导致发动机控制系统进入边界控制,而边界条件设置不合理导致发动机工作在超速超温状态,最终失效.通过采取增加转速采集备份信道、改进ECU控制保护算法、修改ECU档位油门限幅等措施有效地排除了此类故障,提高了发动机工作的可靠性.     

基于未知输入观测器的涡扇发动机直接推力控制

针对某型涡扇发动机,进行直接推力控制回路设计方法研究.基于未知输入观测器(UIO)原理建立了涡扇发动机机载模型和推力估计器,UIO通过解耦外界干扰实现了全飞行包线推力的准确估计;提出了直接推力闭环反馈控制的双回路结构设计方案,内环转速控制,外环推力控制,有利于实现各回路控制参数的独立设计.仿真验证结果表明:基于UIO的模型基涡扇发动机直接推力控制具有良好的控制稳定性和抗干扰性能,对于发动机不同工作点直接推力控制,推力控制误差不超过0.1%,转速控制偏差不超过0.2%.      

航空发动机主燃油执行机构容错控制

为了在主燃油计量活门位移传感器出现故障时仍能实现航空发动机全包线范围内的转速自适应控制,根据航空发动机转速自适应控制原理提出了一种基于零极点配置原理的容错控制方法,根据高压转子转速控制计划与实测转速之间的误差对主燃油控制电液伺服阀电流进行闭环运算,并运用零极点配置原理将控制参数与转速自适应控制相融合,参数在全包线范围内随发动机状态变化进行自适应调整,通过半物理模拟试验对该容错控制方法进行了验证。结果表明：该容错控制方法能够在全包线范围内保证数字电子控制系统稳定工作,并具有较好的稳态和动态性能,发动机高压转子转速稳态波动量在±0.15%以内,超调量和下降量分别在0.63%和0.61%以下,而且容错控制方法实施方便、自适应性强,对提高航空发动机数字电子控制系统的工作可靠性具有重要作用。     

一种涡轴发动机系统应急状态快速响应控制方法

针对直升机应急状态下特殊快速响应需求,基于涡轮放气原理,提出了一种新的应急状态快速响应控制方法.在应急状态下,除了燃油控制外,同时将涡轮放气量作为发动机控制变量,采用多变量鲁棒方法设计了应急状态直升机/涡轴发动机三变量快速响应控制器,该综合控制方法不仅实现了直升机垂飞通道的控制,而且在保持输出功率通道稳定,即自由涡轮转速恒定的前提下,借助于涡轮放气实现了燃气涡轮转速的闭环控制,有效实现了发动机功率快速跟随能力.最后,以直升机UH-60/涡轴发动机T700综合模型为对象,仿真验证了在直升机应急状态急升-急降过程中,直升机垂飞速度、发动机自由涡轮转速以及燃气涡轮转速跟踪指令的情况,结果表明:相比传统的PID(proportional integration differential)控制,基于快速响应控制方法建立的闭环系统响应迅速,动静态品质良好,能够达到直升机应急状态的特殊设计要求.      

点燃式航空活塞发动机汽油-航空煤油燃烧特性

为研究航空煤油在点燃式航空活塞发动机上的燃烧特性,改造并搭建了一台可以同时燃烧汽油和航空煤油的航空活塞发动机试验台架,并建立了发动机燃烧室的三维仿真模型,采用试验与三维仿真相结合的手段,研究了汽油与航空煤油燃烧特性的差异,结果表明:在低转速、小负荷工况下,平均指示有效压力(IMEP)小于05 MPa范围内,通过调整点火正时等运行参数即可使航空煤油达到与汽油相近的燃烧特征;随着发动机转速和负荷增加,航空煤油燃烧特性表现为滞燃期延长、燃烧持续期增加、最大缸内压力降低、燃烧重心后移,并且伴随明显爆震发生。在高转速工况下,航空煤油燃烧受爆震影响,负荷最高只能提升至21%。     

一种无人直升机的双发动机控制策略

针对某无人直升机双发动机控制问题,提出两台发动机采用并联控制方式使其输出功率保持一致,利用两个发动机转速较高者替代旋翼转速作为转速反馈信号,提高旋翼转速的平稳性,并给出了影响旋翼转速平稳性的两个主要扰动因素总距和前飞速度的前馈补偿控制量的试验测量和计算方法;进一步利用两个发动机缸头温度差对其控制量进行差动补偿,从而使得两个发动机的输出功率趋于一致,提高传动系统的平稳性,抑制机身扭振.最后,通过地面系留试验和试飞试验验证了该控制策略的可行性和有效性.      

涡轴发动机双回路PI控制器多发功率匹配

为了应对多个发动机共同驱动同一直升机时,单个发动机性能衰退所引发的输出功率不平衡问题,以控制2个转子转速的双回路结构PI控制器为基础,将外回路改为直接功率控制回路,搭配能够计算旋翼在一定转速下需求功率的机载模型,构建了1种涡轴发动机多发功率平衡匹配控制系统.内回路分别采用燃气发生器转子转速控制回路和动力涡轮转子转速控制回路,得到参数不同的控制器并进行了仿真验证和对比.结果表明:所设计的双回路PI控制器能够在保证涡轴发动机动力涡轮转速恒定的同时,使性能衰退程度不同的2台发动机输出相同的功率.     

基于变旋翼转速的涡轴发动机优化控制

研究了涡轴发动机/旋翼一体化优化控制问题, 分析了直升机旋翼需用功率与涡轴发动机工况的关系, 旋翼转速、旋翼总距、纵向周期变距及横向周期变距对旋翼需用功率的影响.以最小旋翼需用功率为目标函数, 用线性规划算法进行发动机/旋翼性能寻优.进行了巡航状态下变旋翼转速的涡轴发动机优化的数字仿真实验, 仿真结果表明在巡航状态应用变旋翼转速的涡轴发动机优化, 可以降低油耗1.5%～5.5%, 同时降低涡轮温度4.4～16℃, 具有实际应用价值.      

直升机自转下滑训练过程发动机的控制规律

为确定直升机自转下滑训练过程发动机的控制规律,分析了采用正常控制规律进入自转状态时涡轴发动机的变化过程,提出了在现有控制规律基础上增强动力涡轮转速控制模块中总矩"提前器"作用和适当放宽速率限制值的控制对策.仿真结果表明,改进后的控制规律能够基本满足直升机对发动机状态控制的要求,为解决直升机发动机在自转训练情况下的控制问题提供了一条有效的技术途径.