第26卷 第1期计 算 机 仿 真2009年1月 文章编号:1006-9348(2009)01-0107-04
A M ES i m仿真技术在航空动力控制系统中的应用
李 阔，郭迎清
(西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072)
摘要：针对航空动力机械液压式控制系统结构复杂，建模困难的问题，分析了AMESi m仿真软件在航空动力控制系统建模仿
真中的优势；以航空发动机机械液压控制器的压差控制器为例，应用AMESi m建模仿真技术，使用图形化建模方法建立了系 统的仿真模型，分析了压差控制器的性能以及重要参数对系统性能的影响。结果表明，应用AMESi m建立的航空动力控制
等量分流器
系统模型可读性好，可修改性好，可观测性强，仿真结果具有很高的精确度。
关键词：航空动力控制系统；压差控制器；仿真；机械液压
中图分类号:V231.3 文献标识码:A
Appli ca ti on of AM ES i m i n Aero-Power Pl an t Syste m
L I Kuo,G UO Ying-Q ing
(College of Power Engineering and Energy,North western Polytechnical University,Xi’an Shanxi710072,China)
ABSTRACT:The superi ority of AMESi m in hydr o-mechanical aer o-power p lant syste m si m ulati on is analyzed.I n
the AM ESi m envir on ment,a hydraulic si m ulati on of an aer oengine differential p ressure contr oller is constructed.The
si m ulati on model of the component is built by graphicalmodeling method.The syste m perfor mance and the influence of
the i m portant para meters on the system perf or mance are analyzed.The results show that the aer o-power p lant model
built by AMESi m is easily readable,observable and para metric,and the model results cl osely match the theoretic
我的野蛮女友主题曲
one.
KE YWO RD S:Aer o-power p lant;D ifferential p ressure contr oller;Si m ulati on;Hydr o-mechanical
1 引言
国内现役航空发动机动力系统都属于机械液压控制。航空动力控制系统结构复杂，其传统的建模方法是在清楚地了解系统的结构和工作原理的基础上，通过求解流量平衡和力平衡方程的方法来建立系统的模型，用这种方法进行参数调节困难，建立的模型可读性，可修改性，可扩展性，可观测性差，要花费大量的人力，物力，时间，一次性成功的可能性也比较小[1,2,3]。随着计算机仿真技术的发展，工程系统的设计逐渐使用计算机对实际系统的动态特性进行数字仿真。通过在计算机上进行仿真实验，研究物理系统的各种工作状况，确定最佳参数匹配，系统和液压元件的设计缺陷在物理成型前就能得到处理，这样可使得设计周期极大缩短、设计成本降低。正是因为这种优越性，计算机数字仿真技术已经被逐渐应用于航空动力控制系统的设计、开发和改进过程中.
压差控制器是航空动力控制系统的典型部件，其工作状况将直接影响到航空动力控制系统的工作情况。
本文使用法国I m agine公司的AM ESi m仿真软件平台对某型航空发动机动力控制装置的压差控制器进行仿真试验，对系统工作过程进行动态仿真，并分析仿真结果，为航空动力控制系统的分析和设计提供有价值的参考。
2 A M ES i m在航空动力控制系统仿真中的优势AMESi m是一款专门用于液压/机械系统建模、仿真及动力分析的优秀软件。AMESi m为流体(流体及气体)动力、机械、热能和控制系统提供了一个完善、优越的仿真环境和灵活的解决方案。用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案，研究任何元件或回路的动力学特性[4]。
下面从三个方面说明采用AM ESi m对航空动力控制系统进行分析和设计的优势。
1)图形化的仿真界面
AMESi m仿真软件是运用图形符号代表单个元件，相比较传统编写程序的建模方法，利用该软件建立的模型具有可读性强，容易理解这一优点。特别是当面对的对象十分复杂，如复杂的机械液压航空动力控制系统，利用该软件来进行建模仿真在程序可读性方面的优势将更加明显。
2)完善的仿真类库
收稿日期:2008-01-08 修回日期:2008-01-10
AMESi m提供了大量的仿真标准库，如控制类库、机械类库、液压元件设计库等，这些标准类库能够方便地对工程系统进行动态仿真。此外,AMESi m仿真平台中还吸收了国外大量最新的关于机械液压的计算方法，如关于流量系数、液体密度、体积弹性系数等参数的计算[4]。对于这些参数，传统的建模方法往往取常值而不考虑其在仿真过程的变化，这样的近似往往会影响模型的精度。特别是当对航空动力控制系统这样一个工作范围较大，结构复杂的对象进行建模时，利用AMESi m可以极大的提高模型的精度。
3)完整的软件接口
相比较传统工业软件相互独立的状况,AMESi m提供了许多和其他常用软件，如M atlab与ADAM S等的接口，这些接口方便地实现了AMESi m与这些高级常用软件间的无缝连接，极大地提高了程序的可扩展性[5]。特别是当建模对象中存在着一些非常规的部件而无法用AMESi m中标准库进行实现时，可以利用Matlab或其他程序编写软件如VC等编程实现这些非常规部件的功能，这样对整个动力控制装置的建模是一个非常好的补充和支持。
3 A M ES i m仿真技术应用于压差控制器
3.1 某型发动机航空动力控制系统压差控制器的组成、功用
压差控制器主要由压差活门，安全活门，回油活门，计量开关，油门开关等组成。压差控制器的功用是保持计量开关前后油压差不变，使流过计量开关的燃油量与计量开关的流通面积呈单值关系。 流过计量开关的燃油流量可用下式表示:
G
T
=μ3A323ρ3Δp
式中:G
T
—流过计量开关的燃油流量;
μ—计量开关处的流量系数，由于燃油流动损失的影响，其值小于1;
A—计量开关流通面积;
ρ—燃油密度;
Δp—计量开关前后压差。
由于计量开关的流量系数μ和燃油密度ρ变化很小，它们可以近视看作常数。因此，当Δp为常数时，通过计量开关的燃油量与计量开关的流通面积成线性关系。
3.2 压差控制器工作原理
压差控制器原理图如图1所示。
发动机在稳定状态时，油门开关，计量开关的流通面积一定，这时，压差活门右边作用着计量开关前的压力，压差活门左边作用着计量开关后的油压力及弹簧力，两边作用力平衡，压差活门开度一定，回油活门左腔的油压力一定，回油活门的回油量一定。
发动机工作条件发生变化，例如飞行高度升高，发动机空气流量减少，需油量减少，而供油量未变，故发动机转速增加。
于是供油量也就相应增加，使计量开关前油压增大，计
图1 压差控制器原理图
量开关前后油压差增大，压差活门左移，开大了回油活门左腔通油门开关后的回油路，使回油活门左腔油压力下降，回油活门左移，计量开关前高压油通过齿轮泵低压腔的回油量增多，计量开关前油压力下降，计量开关前后油压差减小，直至恢复到压差调节器所提供的给定压差为止。调节结束后，压差活门偏左，回油活门开度增大。
改变发动机工作状态，例如推油门杆，油门开关流通截面面积增大(和转速调节器配合工作时，转速调节器又使计量开关流通截面面积开大)。因此，计量开关前后油压差减小，压差活门右移，关小回油活门左腔通油门开关后的油路，回油活门左腔油压增大，回油活门右移，关小齿轮泵出口通进口的油路，回油量减小，供油量增加，使计量开关前后油压差增大，压差活门再逐渐左移稍开大回油活门左腔通油门开关后的回油路，回油活门也稍左移开大回油孔。结果使得计量开关前后油压差随供油量的增加先快后慢地恢复，直至恢复到调定值为止。调节结束，计量开关前后油压差基本不变，发动机供油量与计量装置开度成比例增加。
压差活门保持的是计量开关前后的油压差近似不变，因此有可能出现油压差正常，而计量开关前的油压力超过规定，造成油泵负荷过大，为防止这种情况出现，在压差控制器中还设有燃油最大压力限制器。燃油最大压力限制器由安全活门、弹簧等组成，当齿轮泵后的油压超过93.1bar时，安全活门左移，打开回油活门左腔通低压腔的油路，使回油活门左移，开大了齿轮泵后高压油通低压腔的油路，齿轮泵后油压下降，直到小于93.1bar为止。
志愿军进行曲
3.3 压差控制器建模
AMESi m建模是面向实物对象模型的，所以在理解了原系统的工作原理后，即可非常方便的读懂仿真结构图。AMESi m建模需依次完成草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式四步。草图模式下，可以根据压差控制器系统的实际结构，应用模型库提供的各种元件搭建整个系统的仿真模型；子模型模式中可以为你搭建的元件模型选择不同的子模型；参数模式时，可以方便的设置或者修改系统元件的尺寸参数，在运行模式下可以对系统仿真时间、仿真采样间隔时间等进行设置。
由于在发动机慢车以上状态，油门开关的开口面积远远大于计量开关开口面积，油门开关不起节流作用，因此单独对压差控制器建模时，可以不考虑油门开关。另外，通过流量控制器流出的燃油最终要经过燃油分配器流到发动机燃烧室，在模型中把燃油分配器等效为一个直径一定的喷嘴。最终在AMESi m 中建立的压差控制器模型如图2所示
。
图2 AMESi m 环境下压差控制器模型
3.4 仿真结果3.
4.1 系统性能分析
压差控制器模型有两个输入，齿轮泵转速和计量开关面积百分比开度(计量开关已开流通面积占全开面
积的百分比)，把齿轮泵转速和计量开关面积当作两个干扰，观察计量开关前后压差变化，观察系统是否满足压差控制器原理。
图3显示了当计量开关面积不变，齿轮泵转速在某一时刻从4000r pm 阶跃增加到6000r pm 时，计量开关前压力、后压力、前后压差的变化情况，从图3可以看出，经过一段时间后，计量开关前后压差很快恢复到8.8bar 左右
。
图3 转速压差随时间变化曲线
图4显示了当齿轮泵转速不变，计量开关面积线性增加的时候，计量开关前压力、后压力、前后压差变化的情况。从图4可以看出：计量开关面积增大时，计量开关前压力、后压力也随之增加。但计量开关前后压力之差保持不变。计量开关前压力、后压力随计量开关面积增加而增加的原因是:
齿轮泵转速不变，齿轮泵供油量一定；计量开关面积增大时，通过计量开关的流量增大，导致通过燃油分配器等效喷嘴的流量增大，但燃油分配器等效喷嘴直径和燃烧室压力一定，因此计量开关后压力增大；另一方面，压差控制器为了维持计量开关前后压差，从而也使计量开关前压力也越来越大
。
图4 计量压力压差随时间变化曲线
当计量开关面积线性增大时，计量开关前后压差不变，从而保证了通过计量开关的流量与计量开关面积成单值线性关系，图5反映了通过计量开关的流量与计量开关面积的关系，从图5可以看出，计量开关流量与计量开关面积在一
定范围内满足很好的线性关系
。
铝箔
图5 计量开关流量随流通面积的变化曲线
图6显示了燃油最大压力限制器参与工作时的仿真结果。从图6可以看出，随着计量开关面积不断增加，计量开关前压力、后压力也随之增加，计量开关前后压差却保持不变。但当计量开关后压力增加到约93.1bar 的时候，燃油最大压力限制器参与工作，计量开关前压力、后压力都急剧降低，计量开关前后压差维持在6.5bar 左右，计量开关面积减小时，计量开关前压力也随之减小，当计量开关前压力减小到72bar 左右，压差控制器开始恢复正常工作。
3.4.2 系统重要调节参数对系统性能影响分析
1)压差活门弹簧预紧力对计量开关前后压差的影响
压差活门左端受力有计量开关前的压力，右端受力有压
差活门弹簧力和计量开关后的压力，这三个力平衡。因此，压差活门弹簧预紧力对压差控制器要保持的计量开关前后压差有直接影响。通过AM ESi m 的批处理功能，计算出压差活门弹簧预紧力不同时，计量开关前后的压力差。图7显示了计量开关前后压差随压差活门弹簧预紧力的变化规律。
内蒙古民族大学学报
图6 燃油最大时压力压差随时间变化曲线
从图7可以看出，在一定范围内，计量开关前后压差随压差
活门弹簧预紧力成线性变化。
图7 计量压差活门弹簧预紧力的变化曲线
2)安全活门弹簧预紧力对泵后最高限压的影响
安全活门左端受力有齿轮泵前压力和弹簧预紧力，右端受力有泵后压力，显然这三者平衡，决定安全活门工作与否。因此安全活门弹簧预紧力对系统最高限压有决定性影响。通过AMESi m 的批处理功能，计算出安全活门弹簧预紧力不同时的泵后最高限压。图8显示了泵后最高限压随安全活门预紧力变化规律，从图8
可以看出，泵后最高限压与安全活门弹簧预紧力成线性关系。
图8 泵后最高限压随安全活门预紧力变化曲线
4 小结
AMESi m 为航空动力控制系统提供了一种有效的仿真、
分析和设计途径。通过应用AM ESi m 对某型航空发动机控制器的压差控制器进行建模仿真、分析，可以得出利用
AMESi m 对航空动力控制系统进行建模仿真有以下优点。
1)可读性好。因为AMESi m 建模是面向实物对象模型
的，所以在理解了原系统的工作原理后，即可非常方便的读懂仿真结构图。
2)可修改性好。在充分理解了仿真结构图后，可以方便
的修改结构图中的一些参数，比如弹簧的弹性系数，活门的质量，摩擦系数等参数，从而可以观察这些参数对于系统性能的影响。另外，因为这些参数都具有明确的物理意义，这也为我们的改型优化带
来了极大的便利。
3)可观测性强。通过AMESi m 建立的模型不仅能够计
算一些在实验中可以测得的物理量，还可以计算许多在实际系统实验中很难观测到的物理量，这些参数的获得对我们的分析工作有一定的借鉴作用。参考文献:
[1] 樊思齐，徐芸华.航空推进系统控制[M ].西安：西北工业大
学出版社,1995-12.
[2] 曾俊英等.航空动力装置控制[M ].北京：航空工业出版社,
1995-8.
[3] 廉小纯，吴虎.航空燃气轮机原理[M ].北京：国防工业出版
社,2000-1.
[4] 付永领，祈晓野.AMESi m 系统建模和仿真[M ].北京：北京航
空航天大学出版社,2005-12.
[5] A lfred Lynn,Edzko S m id,Moji Eshraghi,N iall Caldwell,Dan
Woody .Modeling hydraulic regenerative hybrid vehicles using AMESi m and Matlab /Si m ulink [C ].Pr oceedings of SP I E Vol .5805(SP I E,Bellingham,WA,2005)
,paper24-40.
[作者简介]
李 阔(1981-)，男(汉族)，湖南株洲人，西北工松下数码摄像机
业大学动力与能源学院研究生，主要研究方向为航空发动机控制器建模仿真;
郭迎清(1964-)，男(汉族)，山西省洪洞县人，西
北工业大学动力与能源学院动力控制工程系主任,
教授，博士生导师，主要从事航空发动机控制，控制理论及其应用等方面的研究。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议