《管理學(xué)第九章 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)控制系統(tǒng)課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《管理學(xué)第九章 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)控制系統(tǒng)課件（32頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、第九章 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)控制系統(tǒng) v從“航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理”我們知道，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)律，包括狀態(tài)控制規(guī)律、過(guò)渡態(tài)控制規(guī)律等。狀態(tài)控制包括穩(wěn)態(tài)控制和加力控制等，過(guò)渡態(tài)控制包括起動(dòng)控制、加減速控制、加力接通和斷開控制等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制任務(wù)通常要由一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)來(lái)完成。為了便于學(xué)習(xí)，從本章開始將分兩章分別介紹典型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)學(xué)習(xí)了解它們是如何實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)律的，并了解各種控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和性能分析方法。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)概述v轉(zhuǎn)速控制是發(fā)動(dòng)機(jī)控制中最基本又是最重要的控制。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)推力近似與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，控制了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也就控制了發(fā)動(dòng)機(jī)推力；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小也
2、決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片強(qiáng)度和渦輪前溫度大小，因此控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也就控制了發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片強(qiáng)度，這對(duì)于保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行具有十分重要的意義；同時(shí)也因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有易測(cè)量、結(jié)構(gòu)上易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。因此，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。v選擇轉(zhuǎn)速作為被控量的發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作狀態(tài)也以轉(zhuǎn)速表征，如發(fā)動(dòng)機(jī)的最大狀態(tài)就是轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的其他工作狀態(tài)依此類推。這時(shí)油門桿角度PLA與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n相對(duì)應(yīng)，改變油門桿角度則改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。v轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)一般以燃油量Wf為控制量，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被控量，其任務(wù)是：當(dāng)油門桿位置不變而發(fā)動(dòng)機(jī)外界條件發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃油量，保持
3、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變；當(dāng)油門桿位置改變時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)燃油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨油門桿位置的變化而變化。油門桿角度對(duì)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的輸入給定值。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由被控對(duì)象（發(fā)動(dòng)機(jī)）和轉(zhuǎn)速控制器組成，控制器一般包括測(cè)量元件、控制元件、放大元件、執(zhí)行元件、和供油元件（燃油泵）。v發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用的控制方式有開環(huán)、閉環(huán)和復(fù)合的控制方式：（1）開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 在開環(huán)控制系統(tǒng)中，信號(hào)傳遞的途徑不構(gòu)成閉合回路，調(diào)節(jié)器測(cè)量元件不感受被控量的變化，而是直接感受外界干擾量的變化，或感受由外界干擾引起的發(fā)動(dòng)機(jī)其他參數(shù)的變化，利用補(bǔ)償原理對(duì)被控量進(jìn)行控制。所謂補(bǔ)償原理就是根據(jù)測(cè)量
4、元件感受的干擾量的大小，調(diào)節(jié)控制量，使其消除干擾量對(duì)被控量的影響，以保持被控量不變。開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖開環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖（2）閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)是按偏差原理進(jìn)行控制的。所謂偏差原理就是根據(jù)被控量的實(shí)際值與給定值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的原理，按這一原理工作的控制系統(tǒng)盡管在調(diào)節(jié)過(guò)程中被控量相對(duì)給定值產(chǎn)生了偏差，但在過(guò)程結(jié)束時(shí)這一偏差的數(shù)值就變得很小（穩(wěn)態(tài)誤差）。由于控制準(zhǔn)確度較高，閉環(huán)控制系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。如圖所示閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n偏離油門操縱桿選定的轉(zhuǎn)速給定值nr時(shí)，轉(zhuǎn)速測(cè)量元件感受轉(zhuǎn)速偏差e=nr-n,經(jīng)控制元件輸出信號(hào)m，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)
5、機(jī)供油量Wf，從而減小轉(zhuǎn)速偏差。閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖（3）復(fù)合轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，復(fù)合控制系統(tǒng)增加干擾補(bǔ)償?shù)捻橉佂?，是系統(tǒng)具有綜合閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在干擾量對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響之前，就能通過(guò)補(bǔ)償消除即將產(chǎn)生的不利影響。當(dāng)外界干擾改變時(shí)，復(fù)合控制系統(tǒng)由于順饋補(bǔ)償作用可以使被控量不發(fā)生過(guò)大偏離；調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)，它又能由閉環(huán)控制作用使被控量較準(zhǔn)確地保持給定值。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，復(fù)合控制系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中得應(yīng)用亦逐漸廣泛。復(fù)合轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖復(fù)合轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖v系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)（1）性能指標(biāo) 通常用性能指標(biāo)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)
6、的性能，包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)和控制精度等要求。（2）分析和設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)單輸入-單輸出轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)常常采用試探法，就是出不確定控制方案、選擇控制器結(jié)構(gòu)以及參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然后，設(shè)計(jì)人員檢查設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)是否滿足全部性能指標(biāo)。（3）設(shè)計(jì)步驟 分析技術(shù)要求和性能指標(biāo)；初步確定系統(tǒng)控制方案；選擇控制器的元件及部件，并分析其性能；建立包括控制對(duì)象和控制器的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；選擇控制器動(dòng)態(tài)參數(shù)；對(duì)所建立的控制系統(tǒng)在整個(gè)飛行范圍內(nèi)的各種工作狀態(tài)進(jìn)行性能分析及計(jì)算機(jī)仿真，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)各種輸入的響應(yīng)及干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，檢查所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否能在各種使用條件下滿足規(guī)定的性能指標(biāo)；建立物理系統(tǒng)的樣機(jī)，確
7、定物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)物在回路（HIL）仿真試驗(yàn)；進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)；進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)。數(shù)字式閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)v數(shù)字式閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字式電子控制器產(chǎn)生后的一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。數(shù)字式電子控制器為數(shù)字控制算法的應(yīng)用提供了條件，也使得各種先進(jìn)控制方法和多變量控制的應(yīng)用成為可能。v控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出模擬信號(hào)和頻率信號(hào)，經(jīng)A/D或F/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)字式電子控制器。數(shù)字式控制技術(shù)可分為常規(guī)控制技術(shù)和復(fù)雜控制技術(shù)。數(shù)字式控制 器的連續(xù)化 設(shè)計(jì)是忽略 回路中所有的零階保持器和采樣器，在s域中按連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，求出連續(xù)控制器，然后將
8、連續(xù)控制器離散化為數(shù)字式控制器，并由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖數(shù)字式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖v數(shù)字式PID控制器的設(shè)計(jì)v增量型算法和位置型算法性比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：增量型算法不需要作累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度問題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，而位置型算法要用到過(guò)去的誤差的累加值，容易產(chǎn)生大的累加誤差。增量型算法得出的是控制量的增量，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大。采用增量型算法，易于實(shí)行手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)沖擊切換。數(shù)字式數(shù)字式PID轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)v數(shù)字式PI
9、D控制器的參數(shù)整定（1）簡(jiǎn)易工程法 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬式控制器的參數(shù)整定方法較多，但簡(jiǎn)單易行的方法還是簡(jiǎn)易工程法。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于，整定參數(shù)時(shí)不必依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，雖然稍微粗糙一點(diǎn)，但是簡(jiǎn)單易行，適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。擴(kuò)充臨界比例度法 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 歸一參數(shù)整定法（2）優(yōu)選法（3）湊試法確定PID參數(shù)階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)曲線液壓機(jī)械式閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)v液壓機(jī)械式閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象、測(cè)量元件、控制器和執(zhí)行元件組成的反饋控制系統(tǒng)。這是一種最簡(jiǎn)單、最基本的反饋控制系統(tǒng)，又是發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)產(chǎn)生以前應(yīng)用最廣泛、最成熟的一種反饋控制系統(tǒng)。它適用于被控對(duì)象滯后時(shí)間較小、負(fù)荷和干
10、擾變化不大和控制質(zhì)量要求不高的系統(tǒng)。v液壓機(jī)械式閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括間接作用式、帶比例反饋和帶速度反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等。v間接作用式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 間接作用式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖所示。在這種控制系統(tǒng)中，測(cè)量元件（飛重）輸出量不是直接去推動(dòng)執(zhí)行元件（柱塞式油泵斜盤），而是經(jīng)液壓放大器（隨動(dòng)活塞）放大后再去推動(dòng)執(zhí)行元件（柱塞式油泵斜盤），這樣的控制系統(tǒng)稱為間接作用式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。（1）工作原理 如圖所示，間接作用式轉(zhuǎn)速控制器由測(cè)量元件（飛種）1，分油閥2，隨動(dòng)活塞3，柱塞泵4，操縱手柄5和調(diào)整彈簧6等組成。將操縱手柄放在一定位只，即轉(zhuǎn)速給定值nr0一定，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，分油閥的凸肩關(guān)閉了通往隨動(dòng)活塞
11、的油路，隨動(dòng)活塞處于一定的位置m0,供油量Wf一點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n0等于給定值nr0，此時(shí)油泵供油量等于發(fā)動(dòng)機(jī)需油量。如操縱手柄位置不變，飛行條件改變，轉(zhuǎn)速控制器可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。（2）數(shù)學(xué)模型（3）性能分析 間接作用式轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)精度高，即階躍輸入響應(yīng)無(wú)靜差，若控制器時(shí)間常數(shù)T1小，則系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性差，振蕩次數(shù)多，超調(diào)量大，且過(guò)渡過(guò)程時(shí)間太長(zhǎng)，不能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間23s、振蕩次數(shù)不超過(guò)1次、超調(diào)量不超過(guò)2%的要求，若控制器時(shí)間常數(shù)取得較大，可以保證系統(tǒng)響應(yīng)為單調(diào)，但過(guò)渡時(shí)間仍然不能滿足要求。因此這種控制器不經(jīng)改進(jìn)，一般不采用。間接作用式轉(zhuǎn)速控制器框圖間接作用式轉(zhuǎn)速
12、控制器框圖間接作用式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖間接作用式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖v帶比例反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 帶比例反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖所示，它與間接作用式轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)不同之處是：在間接作用式轉(zhuǎn)速控制器中增加了由反饋杠桿8和反饋套筒7組成的反饋裝置。（1）工作原理 當(dāng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，分油閥2的凸肩遮住反饋套筒的油孔，隨動(dòng)活塞3處于一個(gè)確定位置。當(dāng)轉(zhuǎn)速偏離給定值時(shí)，如飛行高度升高，空氣密度下降，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量減小，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，離心飛重1的離心力軸向分力上升，分油閥下移，打開油孔，使隨動(dòng)活塞上腔A通回油，下腔B通定 壓油Pn，在壓差作用下，隨動(dòng)活塞上移 ，傾斜角度減小，供油量Wf隨之減小，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回降
13、。在隨動(dòng)活塞上移的 同時(shí)，通過(guò)反饋杠桿使反饋套筒順著分 油閥向下移動(dòng)，減小套筒上油孔開度，以減小隨動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)速度，也減緩供 油量Wf下降速度。從而減緩發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降的速度。當(dāng)反饋套筒趕上分油閥時(shí)，套筒上的油孔被關(guān)閉，故隨動(dòng)活塞將停止運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)過(guò)程將結(jié)束，隨動(dòng)活塞將停在一個(gè)新的平衡位置（稍低于原始平衡位置）。（2）數(shù)學(xué)模型 當(dāng)系統(tǒng)工作頻率比較低時(shí)，帶比例反饋轉(zhuǎn)速控制器可以視為比例控制器，簡(jiǎn)稱為P控制器。（3）性能分析 帶比例反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。增加比例反饋系數(shù)，控制系統(tǒng)的超調(diào)量減小，減小比例反饋系數(shù)，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快。適應(yīng)調(diào)節(jié)比例反饋系數(shù)，可以得到滿意的動(dòng)
14、態(tài)性能，但系統(tǒng)的靜態(tài)性能變差，且反饋系數(shù)增大，靜差會(huì)增大。純比例控制器是一種簡(jiǎn)單的控制器，它對(duì)控制作用和干擾作用的響應(yīng)都很迅速，由于比例控制器只有一個(gè)參數(shù)，故調(diào)整方便，適用于調(diào)節(jié)對(duì)象（?/T）小、負(fù)荷變化不大、精度要求不高的系統(tǒng)。帶比例反饋的液壓帶比例反饋的液壓放大器結(jié)構(gòu)圖放大器結(jié)構(gòu)圖v帶速度反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)（1）工作原理 比例反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性得到明顯改善，但存在較大靜差。為了消除靜差，在飛行高度或速度改變引起的調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，必須使反饋套筒回到調(diào)節(jié)過(guò)程開始時(shí)位置，這種控制器如圖所示，它與比例反饋控制器比較，除了增加反饋活塞9，反饋閥10，反 饋活塞與隨動(dòng)活塞中間有 一條油路d和油
15、路上裝有 層板節(jié)流器11外，其他與 比例反饋控制器的相同。帶速度反饋的轉(zhuǎn)速帶速度反饋的轉(zhuǎn)速 控制器控制器（2）數(shù)學(xué)模型 反饋裝置的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)準(zhǔn)速度反饋，但國(guó)內(nèi)習(xí)慣上稱速度反饋。這種控制器既有比例控制器響應(yīng)速度快，又有積分控制器無(wú)靜差的優(yōu)點(diǎn)。（3）性能分析 由穩(wěn)定性判據(jù)知，這種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。帶速度反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖帶速度反饋的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖復(fù)合轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)v前面討論的控制系統(tǒng)都是按偏差原理進(jìn)行調(diào)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)。不論是什么干擾引起被控制量的變化，反饋控制在一定程度上均可以滿足給定的性能指標(biāo)要求。然而，如果控制系統(tǒng)中存在強(qiáng)擾動(dòng)，特別是低頻強(qiáng)擾動(dòng)，或者系統(tǒng)的響應(yīng)精度和
16、響應(yīng)速度要求較高，一般的反饋控制方法難以滿足要求。為此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，還廣泛采用一種把前饋控制和反饋控制有機(jī)結(jié)合起來(lái)的控制方法，這就是復(fù)合轉(zhuǎn)速控制方法。v工作原理渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合控制示意圖渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合控制示意圖 如圖所示的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的復(fù)合控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，帶速度反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和Pt2擾動(dòng)補(bǔ)償器共同工作，調(diào)節(jié)供油量。該系統(tǒng)中的閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理前面已做過(guò)介紹，這里只對(duì)前反饋控制作簡(jiǎn)單介紹。前饋控制又稱擾動(dòng)補(bǔ)償，是按照引起被控制量變化的干擾大小進(jìn)行控制的，它要直接測(cè)量負(fù)載干擾量的變化。當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)且能測(cè)出時(shí)，控制器就能發(fā)出控制信號(hào)使控制量作相應(yīng)的變化，以抵消
17、擾動(dòng)引起的被控制量的變化。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總壓Pt2發(fā)生變化，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生偏差。擾動(dòng)補(bǔ)償器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總壓的測(cè)量信號(hào)來(lái)直接控制調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)供油量。渦噴發(fā)動(dòng)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合控機(jī)復(fù)合控制示意圖制示意圖 復(fù)合轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。在反饋控制中，信號(hào)傳遞形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，而在前反饋控制系統(tǒng)中，則是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)存在一個(gè)穩(wěn)定性的問題，而穩(wěn)定性問題對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不存在的。補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，主要是考慮如何取得最好的補(bǔ)償效果。在理想情況下，可以把補(bǔ)償器設(shè)計(jì)到完全補(bǔ)償擾動(dòng)的影響，即在擾動(dòng)作用下，被控制量始終不變，或者說(shuō)實(shí)現(xiàn)了“不變性”原理。v擾動(dòng)補(bǔ)償律及復(fù)合控制的特性 單純用前饋控制是
18、有局限性的。前饋控制的局限性在于：完全補(bǔ)償在很多情況下只有理論意義，實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能實(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償或穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中擾動(dòng)因素很多，我們不可能對(duì)每一擾動(dòng)加一套前饋裝置去一一加以補(bǔ)償，這是不經(jīng)濟(jì)的，也是不合適的，只能選擇其中一兩個(gè)主要的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，而其余的擾動(dòng)將仍由反饋控制加以調(diào)節(jié)。反饋控制不必十分精確了解控制對(duì)象的特性，反饋控制器亦不像補(bǔ)償器那樣要求嚴(yán)密，用一個(gè)反饋控制器同時(shí)對(duì)所有擾動(dòng)都有抵制作用，而這些正是開環(huán)前饋控制所不足的地方。因此，復(fù)合控制把兩者結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高了系統(tǒng)的性能。油量調(diào)節(jié)器v發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的飛行范圍或工作范圍常常采用不同的控制規(guī)律。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速范
19、圍工作時(shí)，部件的氣動(dòng)負(fù)荷和熱負(fù)荷不大，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)不是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要和長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)，因此沒有必要保持轉(zhuǎn)速恒定。此外，按發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作狀態(tài)設(shè)計(jì)的機(jī)械離心式轉(zhuǎn)速測(cè)量元件，在低轉(zhuǎn)速范圍工作時(shí)特性變差（靈敏度變小，遲滯區(qū)變大）。因此，有些發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)采用分段控制，慢車到最大狀態(tài)的70%80%的范圍內(nèi)，由油量調(diào)節(jié)器控制；在此以上范圍由轉(zhuǎn)速控制器控制。這樣可以發(fā)揮兩種控制器的特點(diǎn)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在主要狀態(tài)工作時(shí)，轉(zhuǎn)速不隨外界條件變化，始終保持給定值。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍工作時(shí)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油量不變，相當(dāng)于油泵不由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍工作的動(dòng)態(tài)特性。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的慢車油量不變，發(fā)動(dòng)機(jī)的慢
20、車轉(zhuǎn)速會(huì)隨飛行高度的上升而增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)的高空加速性提高。本節(jié)主要介紹油量調(diào)節(jié)器。v基本原理油量調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是油門開關(guān)的燃油量公式。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化不大時(shí)，燃燒室靜壓可以認(rèn)為不變，則當(dāng)油門開關(guān)前壓力一定時(shí)，改變油門桿開度，則供油量改變。這種保持油門開關(guān)前壓力為常數(shù)的油量控制器稱為定壓油量調(diào)節(jié)器。油量調(diào)節(jié)器按工作原理不同，可分為定壓差油量調(diào)節(jié)器和定壓油量調(diào)節(jié)器；按有無(wú)放大裝置又可分為直接作用式和間接作用式油量調(diào)節(jié)器，所以油量調(diào)節(jié)器一共有四種形式：直接式定壓差油量調(diào)節(jié)器、間接式定壓差油量調(diào)節(jié)器、直接式定壓油量調(diào)節(jié)器、間接式定壓油量調(diào)節(jié)器。v直接作用式定壓差油量調(diào)節(jié)器 直接作用式定壓差油
21、量調(diào)節(jié)器原理如圖所示，它由壓差閥1、油門開關(guān)2、齒輪泵3、噴嘴4、和油門桿5組成。v間接作用式定壓差油量調(diào)節(jié)器加力控制系統(tǒng)概述v航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力控制主要是復(fù)燃加力控制，即在轉(zhuǎn)速最大和渦輪前燃?xì)鉁囟茸罡叩那疤嵯?，提高渦輪后燃?xì)鉁囟?，以增大噴氣速度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。復(fù)燃加力是提高作戰(zhàn)飛機(jī)技術(shù)性能的一種重要手段。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)加力時(shí)，根據(jù)外界條件的變化控制加力供油量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)不超轉(zhuǎn)、不超溫、不喘振、加力燃燒穩(wěn)定，是加力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則。除了控制轉(zhuǎn)速外，加力式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)還需要控制回升力燃燒室的溫度Tt7（由于Tt7 很高，工程上難以測(cè)量，實(shí)際?？刂茰u輪落壓比或開環(huán)控制“渦輪”后總溫），所以是一
22、個(gè)多變量控制系統(tǒng)。加力發(fā)動(dòng)機(jī)單回路反饋控制加力發(fā)動(dòng)機(jī)單回路反饋控制v閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制開環(huán)氣壓調(diào)節(jié)器補(bǔ)償（1）被控制量選擇 加力燃燒室總溫Tt7即能直接表示加力燃燒室性能，又能表示發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作情況的參數(shù)，所以可選擇加力燃燒室總溫作為被控制量。（2）控制量選擇 影響加力燃燒室總溫Tt7的主要因素有加力供油量Wf，AB,主供油量Wf，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n，以及干擾量Pt2、Tt2，其中干擾量Pt2、Tt2是可測(cè)不可控的，而Wf已是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制量，所以可以選擇加力供油量Wf，AB作為控制量。（3）控制方案 由于加力燃燒室溫度Tt7很高，直接 測(cè)量較困難，使得閉環(huán)控制方案不 易在工程上實(shí)現(xiàn)，所以通常采用開
23、環(huán)前饋補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，根?jù)影響 加力燃燒室總溫Tt7變化的主要干擾量Pt2進(jìn)行補(bǔ)償。加力發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案之一加力發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案之一（4）氣壓調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律GB(s)的設(shè)計(jì) 這種控制方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且穩(wěn)定性很好。事實(shí)上系統(tǒng)的穩(wěn)定性由轉(zhuǎn)速控制回路決定，加力控制回路是開環(huán)前饋補(bǔ)償回路，不存在穩(wěn)定性問題。在飛行條件變化時(shí)，能基本保證加力燃燒室總溫Tt7不變，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠的工作。但該方案控制精度較低，因?yàn)楫?dāng)飛行條件變化時(shí)，加力燃燒室數(shù)學(xué)模型G22(s)和加力燃燒室總溫Tt7對(duì)干擾量Pt2的傳遞函數(shù)G22(s)都將發(fā)生變化，按照一定飛行條件設(shè)計(jì)的氣壓調(diào)節(jié)器在飛行條件變化時(shí)難以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的補(bǔ)償。
24、而且該方案只對(duì)干擾量Pt2進(jìn)行補(bǔ)償，而對(duì)干擾量Tt2，Wf并未進(jìn)行補(bǔ)償。所以該方案適用于飛行范圍不大，控制精度要求不高的情況。v閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)渦輪落壓比控制 加力發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案之二如圖所示。（1）被控制量選擇（2）控制量選擇v閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)渦輪落壓比控制開環(huán)氣壓調(diào)節(jié)器補(bǔ)償 加力發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案之三，如圖所示。這個(gè)方案是在控制方案之二的基礎(chǔ)上，加上壓氣機(jī)進(jìn)口壓力（或壓氣機(jī)出口壓力）的氣壓調(diào)節(jié)器補(bǔ)償，因此提高了加力溫度Tt7瞬態(tài)控制精度。氣壓調(diào)節(jié)器同時(shí)又是備用調(diào)節(jié)器，當(dāng)落壓比調(diào)節(jié)器故障時(shí)，這個(gè)方案相當(dāng)于第一方案，氣壓調(diào)節(jié)器可以單獨(dú)工作，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全，因此，這種加力控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，如渦噴6
25、、渦噴7發(fā)動(dòng)機(jī)都采用這種加力控制方案，只不過(guò)它們分別以壓氣機(jī)進(jìn)口和出口壓力補(bǔ)償而已。落壓比調(diào)節(jié)器與氣壓調(diào)節(jié)器v落壓比調(diào)節(jié)器與氣壓調(diào)節(jié)器是加力發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)廣泛使用的兩個(gè)調(diào)節(jié)器，本節(jié)簡(jiǎn)單介紹它們的構(gòu)造與工作原理。v落壓比調(diào)節(jié)器 渦噴6發(fā)動(dòng)機(jī)落壓比調(diào)節(jié)器的構(gòu)造如圖所示。薄膜是敏感元件，它的下室與渦輪出口相通，作用著渦輪后的燃?xì)鈮毫t5，它的上室通往Pt3，它是將壓氣機(jī)出口壓力Pt3減壓到接近Pt5的壓力。如果不將Pt3減壓，直接通至薄膜上室，則Pt3，Pt5相差很大，上下室氣壓差Pt3 Pt5也大，壓差變化量也大，而回油閥的開度變化量很小，要在壓差變化大的情況下，保持回油閥開度變化量小，就要用風(fēng)
26、度大的彈簧，這樣，當(dāng)Pt3或Pt5有微小變化時(shí)，調(diào)節(jié)器就不能靈敏地進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，在上室通壓氣機(jī)出口的氣路上裝有節(jié)氣針，形成減壓器，如圖所示，壓氣機(jī)出口高壓空氣經(jīng)過(guò)氣嘴膨脹加速后，再經(jīng)放氣嘴膨脹加速后放至機(jī)外，使薄膜上室的P3氣壓小于Pt3、大于Pt3，接近Pt5。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，進(jìn)氣嘴和放氣嘴都使處于臨界工作狀態(tài)，保證進(jìn)氣嘴前后的壓力比Pt3/P3不受外界條件的影響，保持為常數(shù)，稱為減壓比（r）。這樣，使薄膜上室的氣壓P3只隨Pt3成正比變化，上下室氣壓差很小，且隨高度的變化量也小，故為適應(yīng)閥開度變化的需要，薄膜面積做得大些，彈簧剛度小些，保證了調(diào)節(jié)器有足夠的靈敏性。隨工作條件的變化，
27、作用在薄膜上的氣壓差力和調(diào)整彈簧力的合力，傳給杠桿，推動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，改變回油閥開度，調(diào)節(jié)供油量。穩(wěn)定工作時(shí)，薄膜上下室的氣壓差一定，作用在杠桿上的力一定，回油閥開度、隨動(dòng)活塞位置和斜盤角度都一定，供油量也一定。工作條件變化引起薄膜上下室氣壓差增加時(shí)，薄膜下移，回油閥變小，隨動(dòng)活塞右室油壓增大，左右室油壓差減小，在右室彈簧力的作用下，隨動(dòng)活塞左移，斜盤角度增大，供油量增加；反之，則供油量減小。v氣壓調(diào)節(jié)器 渦噴6發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓調(diào)節(jié)器構(gòu)造如圖所示。真空膜盒是敏感元件。膜盒室與壓氣機(jī)進(jìn)口相通，感受壓氣機(jī)進(jìn)口空氣總壓Pt3的變化。膜盒力對(duì)杠桿支點(diǎn)形成開門力矩。膜盒室內(nèi)盛有50煤油和50變壓器油的混合油，使膜
28、盒浸在油液中工作，以增加阻尼，保證膜盒工作穩(wěn)定，并可防止膜盒因振動(dòng)而破裂。杠桿靠回油閥的一 端，裝有調(diào)整彈簧和 傳壓器。傳壓器由頂 桿、墊圈、墊塊和橡 皮薄膜組成，感受油 泵出口油壓力的變化。傳壓器對(duì)杠桿支點(diǎn)產(chǎn) 生開門力矩。v 發(fā)動(dòng)機(jī)在加力狀態(tài)工作，飛行條件不變時(shí)，空氣流量不變，加力需用油量一定。由于壓氣機(jī)進(jìn)口空氣總壓Pt2不變，膜盒力也一定，此時(shí)作用在杠桿上的開門力矩與關(guān)門力矩處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)器保持油泵出口油壓Pta一定。如果油泵出口油壓過(guò)大時(shí)，作業(yè)在傳壓器上的力增大，使回油閥開度開大，供油量Wf，AB減少，使加力油泵出口油壓保持不變。v當(dāng)飛行條件變化時(shí)，空氣流量改變，需油量變化；膜盒感受Pt2的變化膨脹或收縮，改變回油閥開度，相應(yīng)改變供油量，以保持加力燃燒室燃?xì)鉁囟炔蛔儭?/p>
管理學(xué)第九章 航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)控制系統(tǒng)課件
