1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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，而稳定性问题对于开环系统来说是不存在的。补偿器的设计，主要是考虑如何取得最好的补偿效果。在理想情况下，可以把补偿器设计到完全补偿扰动的影响，即在扰动作用下，被控制量始终不变，或者说实现了“不变性”原理。v扰动补偿律
18、及复合控制的特性 单纯用前馈控制是有局限性的。前馈控制的局限性在于：完全补偿在很多情况下只有理论意义，实际上无法实现，只能实现部分补偿或稳态补偿；在发动机转速控制系统中扰动因素很多，我们不可能对每一扰动加一套前馈装置去一一加以补偿，这是不经济的，也是不合适的，只能选择其中一两个主要的扰动进行补偿，而其余的扰动将仍由反馈控制加以调节。反馈控制不必十分精确了解控制对象的特性，反馈控制器亦不像补偿器那样要求严密，用一个反馈控制器同时对所有扰动都有抵制作用，而这些正是开环前馈控制所不足的地方。因此，复合控制把两者结合起来，取长补短，提高了系统的性能。油量调节器v发动机在不同的飞行范围或工作范围常常采用
19、不同的控制规律。当发动机在低转速范围工作时，部件的气动负荷和热负荷不大，低转速状态不是发动机的主要和长时间工作状态，因此没有必要保持转速恒定。此外，按发动机的主要工作状态设计的机械离心式转速测量元件，在低转速范围工作时特性变差（灵敏度变小，迟滞区变大）。因此，有些发动机的稳定状态采用分段控制，慢车到最大状态的70%80%的范围内，由油量调节器控制；在此以上范围由转速控制器控制。这样可以发挥两种控制器的特点，保证发动机在主要状态工作时，转速不随外界条件变化，始终保持给定值。当发动机在低转速范围工作时，保持发动机的燃油量不变，相当于油泵不由发动机传动，改善发动机在低转速范围工作的动态特性。此外，由
20、于发动机的慢车油量不变，发动机的慢车转速会随飞行高度的上升而增加，使发动机的高空加速性提高。本节主要介绍油量调节器。v基本原理油量调节器设计的主要依据是油门开关的燃油量公式。 当发动机工作状态变化不大时，燃烧室静压可以认为不变，则当油门开关前压力一定时，改变油门杆开度，则供油量改变。这种保持油门开关前压力为常数的油量控制器称为定压油量调节器。 油量调节器按工作原理不同，可分为定压差油量调节器和定压油量调节器；按有无放大装置又可分为直接作用式和间接作用式油量调节器，所以油量调节器一共有四种形式：直接式定压差油量调节器、间接式定压差油量调节器、直接式定压油量调节器、间接式定压油量调节器。v直接作用
21、式定压差油量调节器 直接作用式定压差油量调节器原理如图所示，它由压差阀1、油门开关2、齿轮泵3、喷嘴4、和油门杆5组成。v间接作用式定压差油量调节器加力控制系统概述v航空发动机加力控制主要是复燃加力控制，即在转速最大和涡轮前燃气温度最高的前提下，提高涡轮后燃气温度，以增大喷气速度，提高发动机的推力。复燃加力是提高作战飞机技术性能的一种重要手段。当发动机加力时，根据外界条件的变化控制加力供油量，以保证发动机不超转、不超温、不喘振、加力燃烧稳定，是加力控制系统设计的基本原则。 除了控制转速外，加力式涡轮喷气发动机还需要控制回升力燃烧室的温度Tt7（由于Tt7 很高，工程上难以测量，实际常控制涡轮落
22、压比或开环控制“涡轮”后总温），所以是一个多变量控制系统。加力发动机单回路反馈控制加力发动机单回路反馈控制v闭环转速控制开环气压调节器补偿（1）被控制量选择 加力燃烧室总温Tt7即能直接表示加力燃烧室性能，又能表示发动机安全工作情况的参数，所以可选择加力燃烧室总温作为被控制量。（2）控制量选择 影响加力燃烧室总温Tt7的主要因素有加力供油量Wf，AB,主供油量Wf ，发动机转速n，以及干扰量Pt2、Tt2，其中干扰量Pt2、Tt2是可测不可控的，而Wf已是转速控制系统的控制量，所以可以选择加力供油量Wf， AB作为控制量。（3）控制方案 由于加力燃烧室温度Tt7很高，直接 测量较困难，使得闭环
23、控制方案不 易在工程上实现，所以通常采用开 环前馈补偿的控制方案，根据影响 加力燃烧室总温Tt7变化的主要干扰量Pt2进行补偿。加力发动机控制方案之一加力发动机控制方案之一（4）气压调节器的控制规律GB(s)的设计 这种控制方案结构简单，且稳定性很好。事实上系统的稳定性由转速控制回路决定，加力控制回路是开环前馈补偿回路，不存在稳定性问题。在飞行条件变化时，能基本保证加力燃烧室总温Tt7不变，从而保证发动机安全可靠的工作。但该方案控制精度较低，因为当飞行条件变化时，加力燃烧室数学模型G22(s)和加力燃烧室总温Tt7对干扰量Pt2的传递函数G22(s)都将发生变化，按照一定飞行条件设计的气压调节
24、器在飞行条件变化时难以对系统进行精确的补偿。而且该方案只对干扰量Pt2进行补偿，而对干扰量Tt2 ， Wf并未进行补偿。所以该方案适用于飞行范围不大，控制精度要求不高的情况。v闭环转速控制闭环涡轮落压比控制 加力发动机控制方案之二如图所示。（1）被控制量选择（2）控制量选择v闭环转速控制闭环涡轮落压比控制开环气压调节器补偿 加力发动机控制方案之三，如图所示。这个方案是在控制方案之二的基础上，加上压气机进口压力（或压气机出口压力）的气压调节器补偿，因此提高了加力温度Tt7瞬态控制精度。气压调节器同时又是备用调节器，当落压比调节器故障时，这个方案相当于第一方案，气压调节器可以单独工作，保证发动机安
25、全，因此，这种加力控制系统得到广泛应用，如涡喷6、涡喷7发动机都采用这种加力控制方案，只不过它们分别以压气机进口和出口压力补偿而已。落压比调节器与气压调节器v落压比调节器与气压调节器是加力发动机控制系统广泛使用的两个调节器，本节简单介绍它们的构造与工作原理。v落压比调节器 涡喷6发动机落压比调节器的构造如图所示。 薄膜是敏感元件，它的下室与涡轮出口相通，作用着涡轮后的燃气压力Pt5 ，它的上室通往Pt3，它是将压气机出口压力Pt3减压到接近Pt5的压力。如果不将Pt3减压，直接通至薄膜上室，则Pt3， Pt5相差很大，上下室气压差Pt3 Pt5也大， 压差变化量也大，而回油阀的开度变化量很小，
26、要在压差变化大的情况下，保持回油阀开度变化量小，就要用风度大的弹簧，这样，当Pt3或Pt5有微小变化时，调节器就不能灵敏地进行调节。因此，在上室通压气机出口的气路上装有节气针，形成减压器，如图所示，压气机出口高压空气经过气嘴膨胀加速后，再经放气嘴膨胀加速后放至机外，使薄膜上室的P3气压小于Pt3、 大于Pt3，接近Pt5。为了提高测量的准确性，进气嘴和放气嘴都使处于临界工作状态，保证进气嘴前后的压力比Pt3/ P3不受外界条件的影响，保持为常数，称为减压比（r）。这样，使薄膜上室的气压P3只随Pt3成正比变化，上下室气压差很小，且随高度的变化量也小，故为适应阀开度变化的需要，薄膜面积做得大些，
27、弹簧刚度小些，保证了调节器有足够的灵敏性。 随工作条件的变化，作用在薄膜上的气压差力和调整弹簧力的合力，传给杠杆，推动杠杆转动，改变回油阀开度，调节供油量。 稳定工作时，薄膜上下室的气压差一定，作用在杠杆上的力一定，回油阀开度、随动活塞位置和斜盘角度都一定，供油量也一定。 工作条件变化引起薄膜上下室气压差增加时，薄膜下移，回油阀变小，随动活塞右室油压增大，左右室油压差减小，在右室弹簧力的作用下，随动活塞左移，斜盘角度增大，供油量增加；反之，则供油量减小。v气压调节器 涡喷6发动机气压调节器构造如图所示。真空膜盒是敏感元件。膜盒室与压气机进口相通，感受压气机进口空气总压Pt3的变化。膜盒力对杠杆
28、支点形成开门力矩。膜盒室内盛有50煤油和50变压器油的混合油，使膜盒浸在油液中工作，以增加阻尼，保证膜盒工作稳定，并可防止膜盒因振动而破裂。杠杆靠回油阀的一 端，装有调整弹簧和 传压器。传压器由顶 杆、垫圈、垫块和橡 皮薄膜组成，感受油 泵出口油压力的变化。 传压器对杠杆支点产 生开门力矩。v 发动机在加力状态工作，飞行条件不变时，空气流量不变，加力需用油量一定。由于压气机进口空气总压Pt2不变，膜盒力也一定，此时作用在杠杆上的开门力矩与关门力矩处于相对平衡状态，调节器保持油泵出口油压Pta一定。如果油泵出口油压过大时，作业在传压器上的力增大，使回油阀开度开大，供油量Wf，AB减少，使加力油泵
29、出口油压保持不变。v当飞行条件变化时，空气流量改变，需油量变化；膜盒感受Pt2的变化膨胀或收缩，改变回油阀开度，相应改变供油量，以保持加力燃烧室燃气温度不变。加力系统数字式电子控制v随着计算机和微电子技术的发展，越来越多的航空发动机采用电子式数字控制，加力控制系统也不例外。加力系统采用数字式电子控制后，将大大提高控制精度和性能，并减轻系统的重量，提供系统的可靠性。v各种加力发动机控制方案，都可以由数字式电子控制器、执行元件和传感器等构成，例如，加力发动机控制方案之三，即闭环转速控制+闭 环涡轮落压比控制+ 气压调节器补偿， 用数字式电子控制 实现的原理图如图 所示。它是发动机 全权数字式电子控
30、制系统（FADEC）的重要组成部分。 图中转速传感器、位移传感器、压力传感器、温度传感器等首先将机载计算机需要的物理量转变成电信号（电压、电流或频率等），再由信号调理器将这些电信号滤波并放大成与模/数（A/D）转换器输入信号相匹配的电信号；A/D转换器将这些信号送入中央处理器（CPU），由CPU对这些信号进行比较、综合和运算，实现其控制规律，如比例控制、PI控制或其他先进的控制规律；数/模（D/A）转换器则将CPU的控制信号转变成相应的模拟电信号，并经功率放大器进行功率放大，驱动电液伺服阀工作；电液伺服阀控制了油泵的随动活塞（与油泵斜盘相接），也就控制了泵的流量，从而间接地控制了加力燃烧室温度
31、Tt7。 两个位移传感器及电液伺服阀、随动活塞等与控制器构成了两个独立的电液位置伺服小闭环控制系统，这是保证系统的动、静态性能所必须的； Pt2传感器（或Pt4）、 Tt2传感器与控制器构成了对Pt2（或Pt4）， Tt2的开环补偿；而Pt4传感器、 Pt5传感器则与控制器构成涡轮落压比闭环控制系统。 加力系统采用电子控制后，可以避免一些液压机械元件如喷嘴挡板、膜盒的非线性误差，并利用计算机进行快速精确的运算、实现先进的控制算法，从而提高控制精度。对传感器的一些非线性特性可以利用计算机进行修正，利用硬件余度和解析余度技术可以大大提高系统可靠性。而且数字控制器比液压机械式控制器的体积和重量都小，所以采用这种方式控制的优点非常显著。
