航空发动机控制实验指导书

航空发动机控制实验指导书（能源与动力学院用）张天宏编南京航空航天大学能源与动力学院2004 年 7 月目 录引 言 1实验一、柱塞泵特性实验 2实验二、离心泵特性实验 6实验三、分油活门的压力位移特性实验 9实验四、数字控制的实现（设计性实验） 12附 DOS 下定时的信号采集与输出程序 exp.c 17实验五、被控对象的参数识别 22实验六、单回路控制系统参数整定（设计性实验） 25附录：自动控制综合教学实验系统使用说明 291 实验系统的工作原理 292 硬件使用说明 313 软件使用说明 01引 言1实验总体要求实验是本课程重要的实践性教学环节，是考核本课程学习成绩的一个组成部分。通过实验，要求学生达到：（1）基本掌握典型控制元件及电子控制系统的实验方法；（2）了解实验设备和仪器的基本工作原理，并掌握使用方法；（3）正确进行实验数据的整理，对实验结果进行分析，并独立写出实验报告。2航空发动机控制实验安排分控制元件实验和控制系统实验两部分：（1）控制元件实验 柱塞泵特性实验（可作为容积式泵试验方法的参考材料） 离心泵特性实验 分油活门的压力位移特性实验 数字控制器的实现（设计性实验）（2）控制系统实验 被控对象参数的参数识别 单回路控制系统参数整定（设计性实验）2实验一、柱塞泵特性实验（一） 实验目的1 熟悉柱塞泵（容积泵）特性的实验方法及实验设备和测试仪器；2 通过实验绘制柱塞泵特性曲线，掌握容积式泵特性的一般变化规律；3 通过实验观察柱塞泵供油脉动所引起的压力脉动规律。（二） 实验内容1 测定近似理论供油量特性曲线 Q T = f（n） ；2 测定实际供油量特性曲线 Q=f（n） ；3 测定供油量调节特性曲线 Q=f（） ；4 观察供油脉动引起的压力脉动规律。（三） 实验设备实验设备为 10 千瓦燃油泵调节器联合实验台，其液压主油路系统原理如图 1 所示。DD粗 油 滤 节 流 阀 浮 子 流 量 计 细 油 滤油 箱 防 火 开 关 试 验 泵 齿 轮 箱 调 压 阀 换 向 转 阀油 葫 芦排 葫 阀压 力 表直 流 电 机开 关电 机 溢 流 阀增 压 泵 压 力 表图 11 柱 塞 泵 试 验 设 备 原 理 图图 1-1 柱塞泵试验设备原理图3主油路系统由油箱、增压泵（叶片泵） 、安全阀（溢流阀） 、试验泵和调压阀等组成。试验泵由直流发电机电动机组经增速齿轮箱驱动。改变电机的激磁电流即可进行无级调速。试验泵进口压力可通过调节增压泵旁路回油量确定。其出口压力由调压阀调节。（四） 试验泵试验泵为涡喷 5 发动机燃油泵 ZB2C。它是点接触斜柱塞式柱塞泵。经改装后可用手动调节斜盘倾角 ，斜盘调节杆每移动 1mm 相当于斜盘倾角 =18。试验泵的主要性能和结构参数如下：nmax=3200rpm； a =130.5mm;pin =1.2bar； dz =14mm;pout=99bar； Z =7；Qmax=2940L/h； =15；（五） 测试仪器测试仪器有转速表、压力表、浮子流量计（两只并联，本实验作为观察流量用） 、量筒（或称油葫芦，本实验用它计量流量） 、秒表和示波器。试验泵的流量用容积法测定，即计量流人量筒（油葫芦）一定容积 V 的油液所需要的时间 t，则流量为Q=v/t在测量泵的供油量时，应关闭排葫阀门，使换向转阀接通油葫芦。计量完毕后将换向转阀拨向油箱位置，并打开排葫阀门，使油葫芦中的油液排向油箱，以便于进行下一次的流量测定。（六） 实验步骤和方法及数据记录1 开车步骤（1） 打开防火阀门、关浮阀门、增压泵旁路调压阀门；调压阀门打开到最大位置；换向转阀置于接通油箱位置；关闭排葫阀门；旋动圆盘电阻器调至零位。（2） 启动增压阀。4（3） 启动直流电机组。待启动完成后（信号灯亮） ，旋动圆盘电阻器，把试验泵的转速调至试验最低转速。2 作近似理论供油量特性 QT=f(n)试验 （1） 把斜盘倾角置于某一固定值（建议取调节杆位置为 m=6mm） 。调整增压泵旁路调压阀门和试验泵出口调压阀门，使 pin=pout(建议取pin=pout=2.5bar) 。（2） 分别测量在某几个转速（取 n=750,1000,1500,2000,2500rpm）下的供油总量 V 和相应的时间 t。测量数据记录于下表。n (rpm)V（L）t（s）m= mm; Pin bar； Pout bar 。 3 作实际供油量特性 Q=f（n）试验（1） 仍把试验泵斜盘置于与第一个试验相同的固定值（m=6mm 处） 。调整调压阀门。使试验泵进出口压力差保持恒定不变(建议取Pin2.5bar；P out10bar)。（2） 分别测量某几个给定转速（取 n=750,1500,2000,2500rpm）下的供油总量 V 和相应的时间 t。测量数据记录于下表。n (rpm)V（L）t（s）m= mm; Pin bar； Pout bar 。 4 作供油调节特性 Q=f()试验（1） 仍取 Pin2.5bar；P out10bar；并保持转速 n2000rpm 不变。（2） 调节斜盘倾角（可取 m2，4，6，8，10mm） ，分别测量每一倾角 下5的供油总量 V 和相应的时间 t，测量数据记录于下表。6m (mm)V（L）t（s）n= rpm ; Pin bar； Pout bar 。 5.观察供油脉动（1） 在试验泵出口接上压力传感器，连接好二次指示仪器（示波器） 。（2） 在 n2000rpm，m6mm，P in2.5bar；P out15bar 下观察供油脉动引起的压力脉动波形。（七） 思考题1 当 Pin 和 不变，当 n 增大（或减小）时，如何调节试验泵出口测压阀门使PP out P in 保持不变？2 当 Pin， 及 n 不变时，要使P 增大(或减小) ，如何调节泵出口调压阀门？3 若 Pin 和 n 不变，当 角增大（或减小）时，怎样使P 保持不变？4 对于本实验设备系统（图 21） ，在泵前和泵后测量供油量 Q 值有无区别？为什么？5 Q=f() 特性曲线是否通过坐标原点（Q=0,=0 ）?7实验二、离心泵特性实验（一）实验目的1 掌握离心泵（动力式泵）的试验方法。了解实验设备和所用仪器。2 通过实验绘制离心泵的特性曲线并验证比例定律。（二）实验内容测定 n4000rpm 和 n5000rpm 下离心泵的压头特性。（三）实验设备实验设备的系统原理如 2 所示。油 箱齿 轮 箱调 压 阀电 机溢 流 阀D m,n D油 滤 增 压 泵 滑 油 回 油 泵 滑 油 增 压 泵滑 油 箱m,n传 感 器 直 流 电 机试 验 泵涡 轮 流 量 计出 口 压 力 表（ 1） （ 4）（ 5） （ 3）（ 2）图 1-2 离 心 泵 试 验 设 备 原 理 图图 2-1 离心泵试验设备原理图1 主油路系统：由油箱、增压泵（双联叶片泵） 、溢流阀、试验泵（VP-4）等组成。试验泵由直流电机经增速齿轮箱传动，电机转速采用可控硅进行无级调节。在齿轮箱和试验泵之间安装有转速/扭矩传感器，可测量扭矩和转速。油液从油箱经阀门（1）和油滤进入叶片泵，增压后输给试验泵 VP-4。从试验泵流出的油液经涡轮流量计（二只并联）回油箱。叶片泵进出口间还按装了一8个低压旁路溢流阀，用来调整试验泵进口压力。2 滑油系统：用来润滑试验泵和齿轮箱的齿轮。主要由滑油箱、滑油泵和回油泵组成。滑油泵和回油泵装于齿轮箱中，由齿轮箱直接驱动。 （四）试验泵自行设计的气心泵 VP-4,叶轮为封闭式，叶片为径向式。试验时使其在离心泵工况下工作。试验泵的主要技术性能：额定转速 n21000rpm；额定流量 Q=20000L/h；出口压力 Pout60bar；比转速 ns46rpm；工作介质为煤油，=780Kg/m 3 。（五）测量仪器压力表，转速传感器及二次仪表（频率计） ，涡轮流量计及二次仪表（频率计）。实测转速直接从转速表读出，实测流量 Q 需按流量仪表的读数 fv进行换算。对于 LW-15 涡轮流量计，平均仪表常数 K6.8（L/h）/HZ,故Q=Kfv6.8f v（六）实验步骤及数据记录1 打开实验泵出口调节阀及开关（1） 、 （3） 、 （4） ，并接通电源。2 按电控柜上“油泵启动”按钮启动增压泵，并调节溢流阀使试验泵进口压力（压力表 1 示值）在 0.51bar 范围内。3 按电控柜上“主回路启动”按钮启动直流电机。4 按电控柜上“调速器启动”按钮开启电机调速功能。旋转电控柜上“转速给定旋钮” ，调节转速。5 保持 n 不变，调整调压阀开度，记录不同 Q 下试验泵的进出口压力 Pin（数显压力表 1 示值）和 Pout。 （数显压力表 2 示值） ，并把试验数据记录于下表。9n（rpm）n1=4000 n2=5000fv （Hz）700 500 300 200 100 0 700 500 300 200 100 0PoutPin注：P in（bar）0.1P in（数显压力表 1 示值）, Pout(bar)=0.25Pout （数显压力表 2 示值）6 记录实验数据完毕后旋转电控柜上“转速给定”旋钮，调节转速为 0。7 按电控柜上“调速器停止”按钮关闭电机调速功能。8 按电控柜上“主回路停止”按钮关闭直流电机。9 按电控柜上“油泵停止”按钮关闭增压泵。10 关闭电源。（七）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1实验目的和实验手段。2离心泵特性实验的记录结果。3根据记录结果画出离心泵的压力-流量特性曲线。4离心泵实验装置的工作原理，重点说明直流电机调速系统的组成和工作原理。10实验三、分油活门的压力位移特性实验（一）实验目的1熟悉液压放大元件的实验方法及实验设备和仪器；2通过实验测定分油活门式液压放大元件的压力特性。（二）实验内容测定带旁通节流器的正开口分油活门的压力特性曲线，即 x 曲线。（三）实验装置实验装置由试验件、夹具及恒压油源等组成，如图 3 所示。D油 箱 开 关 油 滤 叶 片 泵 电 机 节 流 阀 溢 流 阀集 油 盒顶 杆 试 验 夹 具P1 P3 P2分 油 活 门 组 件 百 分 表图 1 3 分 油 活 门 试 验 装 置 原 理 图图 3-1 分油活门试验装置原理图1试验件：涡喷六发动机 ZB-10A 调节器中的分油活门，其结构型式为带旁通节流器的非对称正开口四边分油活门。主要结构参数如下：圆形窗口半径 r=1.75mm;窗口数 N2；开口量 U 1=U1=0.27mm，U 2=U2=0.09mm；11旁通节流器孔径 dsd s0.78mm2试验件的安装及活门阀芯的位移调整被试分活门安装在试验夹具中。活门芯由丝杆和顶杆定位，通过旋转丝杆即可调整活门芯的位移量。3参数测量及仪器（1）用压力表测量 P1、P 2、 P 3；（2）用百分表测量活门芯位移 XV(百分表每小格 0.01mm)。4恒压油源恒压油源由油箱、电机、油泵、油滤、溢流阀和调压阀等组成。该油源用定量叶片泵和溢流阀实现恒压供油。叶片泵的主要技术参数为：Np960rpm；Q=100L/min ；P out63bar。（四）实验方法、步骤及数据记录1起动油源电机，将供油压力调整至 PS=10bar。2调整丝杆使活门芯对中，观察压力表，当 P1=P2=5bar 时，活门芯即处于中位。此时应把百分表指针调整至零位。3旋转丝杆使活门芯左移，分别测量 XV为 0.04mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm 时对应的 P1和 P2的值。测试完毕后，反向旋转丝杆使活门芯重新对中。4旋转丝杆使活门芯右移，测量活门芯位置与左移时相同值对的 P1和 P 2值。试验数据记录于下表。左移 中位 左移活门芯位移（mm）P1(bar)P2(bar)_（五）实验报告要求12学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1 实验目的，实验手段。2 实验结果及 X 曲线。3 根据实验体会，说明分油活门的放大能力。4 定性分析节流器孔径 ds 和 ds对活门压力特性的影响。13实验四、数字控制的实现（设计性实验）（一）实验目的1了解数字控制系统的实现过程；2掌握数字控制算法的编程方法；3理解数字控制的时序分配原理。（二）实验仪器设备1AC1 自动控制综合实验仪 一台2数字计算机（配有 AD/DA 卡） 一台3数字万用表 一块（三）数字控制系统和原理被控对象的数学模型如图 4-1 所示。eV)1(21STKsVSK2aV图 4-1 被控对象的数学模型被控对象是由 AC-1 自动控制原理模拟学习机实现的，其电路原理如图 4-2 所示。数字控制系统通过计算机 A/D 转换器和 D/A 转换器完成与指令信号和被控对象的信号接口，由数字计算机实现实时数字控制规律，提高控制系统的性能品质，实验用的数字控制系统的原理结构图如图 4-3 所示。（四）实验内容及方法实验应用软件名为 Control。单击桌面上如图所示的“Control”图标，就可以进入实验科目选择界面，单击“发动机控制”按钮，即可进入实验项目选择界面，单击“实验四 数字控制的实现”按钮，即可进入本实验的应用程序界面。可选择如下实验内容：1 “模拟通道”14进入“模拟通道”选项后，可进行 A/D 转换器、D/A 转换器的特性测试，用直接键入数值的方式可设定 D/A 转换器0 通道或1 通道的输出电压值；用数字万用表测量其输出电压值是否正确；同时将某通道输出的电压送入某 A/D 转换器的输入通道口，即可从屏幕上看到该通道的 A/D 转换的电压值。一般需对 D/A 转换器、A/D 转换器的零点、满度、线性度进行检查和调整。用鼠标点击“执行”按钮或“暂停”按钮，可使 A/D 转换器执行或停止采样。用鼠标单击“程序”按钮，可查看 D/A 转换器、A/D 转换器的应用程序（不能改写或保存此文件，仅作学习和参考） 。2 “定时中断”进入“定时中断”选项后，可对定时间隔进行设定和测量。可直接输入数值或用鼠标点击、按钮来设定时间间隔，按下“执行”按钮，可用频率计或示波器测定 D/A 转换器输出波形的周期或频率，检查与设定值是否一致。用鼠标点中“程序”按钮，可查看定时器的程序（不能改写或保存此文件，仅作学习和参考） 。3 “闭环控制”在进入“闭环控制”前，应按照数字控制系统原理结构图（图 43）和被控对象电路原理图（图 42）连接并检查线路，使其连成数字闭环控制系统。进入“闭环控制”选项后，按要求输入相关参数，也可以通过手动调节电位器改变其输入电压，点击“执行”按钮，即可在“闭环控制”界面中的“实时曲线”窗口，观看系统响应曲线。点击“数据保存”按钮即可保存刚显示的曲线， 。点击“比例尺”按钮，即可改变实时曲线的坐标。用鼠标单击“程序”按钮，可查看闭环控制算法程序（不能改写或保存此文件，仅作学习和参考） 。4.信号采集与输出搭建图 4-4 所示的运放电路，设计电路的增益，如增益为 0.5。根据附录中程序 exp.c，设计并完成其中模拟量的输入和数字量输出功能。计算机 12 位数据采集15卡的 AD 输入范围是-1010v，DA 输出范围是-10v+10v。实验要求将首先通过数据采集卡的 DA 功能输出一模拟电压 ur 作为图 4-4 所示电路的输入，然后定时采集该电路输出电压 u 给计算机。其次，通过键盘的键“”和“”改变 ur 的大小。如每按一次“”键表示 ur 增加 1 伏，每按一次“”键表示 ur 减小 1 伏。最后，上述 DA 输出量 ur 和 AD 输入量 u 的变化过程通过 DOS 图形界面显示。 - -ur uR1 R2 R3 R4A2A1图 4- 两 级 运 算 放 大 电 路（五）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1实验目的和实验手段。2 “模拟通道”实验，含线路原理和实验结果，实验结果要分别给出 DA 的数字量、输出的电压值、AD 采集的数字量、变换后的电压值。 3 “定时中断”实验，含原理和结果。4 “闭环控制”实验，含原理和结果，并根据闭环控制程序画出闭环控制流程图。5.“信号采集与输出”实验，画出主程序的流程图，并给出所补充的按键处理、DA 和 AD 的 C 语言源代码。6实验总结，指出实现数字控制的关键环节。16图 4-2 被控对象电模拟图17图 4-3 数字控制系统原理结构框图18附 DOS 下定时的信号采集与输出程序 exp.c#include“Stdio.h“#include#include#include#include#include#include#include#include#define base 0x230void initdraw();void draw();void initialize (void);void interrupt timeint(void);void interrupt (*p)(void);void init8112pg();void adc();void dac(float da);int time50;float u,uk;float t;FILE *fp;float x,y,xs,ys,xk,yk;float ur;int i,j;void main()int ch,i,j;unsigned int key;fp=fopen(“OUT.dat“,“w“); /*打开文件*/ur=6.0;x=45.0;ys=y=yk=380;xs=45.0;xk=45.0;clrscr(); /* 清屏*/initialize();initdraw();19dac(0);dac(ur);while(1)if(kbhit()ch=getch();/实现按 ESC 退出程序；/实现按“”键（“”键）增加（减改）ur 的大小。/实现 DA 输出。if(time50) /*每 100ms 刷新各个数据*/gotoxy(2,3);printf(“ur=%6.2f u=%6.2f“,ur,u);if(t=20.0) continue; /*8s 后不再执行画图程序*/draw();time50=0;for(i=0;i=50);time50=1;a=0;outportb(0x20,0x20); /*写中断结束控制字*/void initialize(void) /*对 8253 的设置*/int T,k,nl,nh;T=1193280*0.05; /*确定采样周期 0.02s*/nh=T/256;20nl=T%256;outportb(0x43,0x54); /*计时器选择工作方式 3*/outportb(0x40,nl);outportb(0x40,nh);p=getvect(0x08); /*保存原来中断向量，IR0 中断方式 08H*/setvect(0x08,timeint); /*写入中断处理子程序地址*/outportb(0x21,inportb(0x21) /*开中断屏蔽*/void initdraw() /*画图程序初始化*/ int i,gdriver,gmode;gdriver=VGA;gmode=VGAHI;i=1;initgraph(gotoxy(10,12); /*设置画图坐标*/printf(“ur=green u=yellow“);setcolor(RED);line(50,380,550,380); /*画 x 坐标*/gotoxy(70,25);printf(“t(s)“);line(50,380,50,200); /*画 y 坐标*/gotoxy(4,12);printf(“u“);gotoxy(55,25);printf(“8“);gotoxy(5,40);printf(“500“);line(545,375,550,380);line(545,385,550,380);line(45,205,50,200);line(55,205,50,200);line(45,320,50,320);while(1) /*对横坐标进行等分*/ i+;line(50*i,375,50*i,385);if(i=9) break;moveto(50.0,380);21void draw() /*画图程序*/xs=xs+5.0; /*画给定位置的曲线*/x=x+5.0;xk=xk+5.0;setcolor(GREEN);moveto(xk,yk);yk=380-ur/10*120;lineto(xk+5.0,yk);setcolor(YELLOW); /*画实际位置的曲线*/moveto(x,y);y=380-u/10*120;lineto(x+5.0,y);void init8112pg()outportb(base+11,0x01); /*选择软件触发*/outportb(base+9,0x08); /*电压范围-10V 到+10V*/outportb(base+10,0x10); /*选择 A/D 通道 1*/void dac(float da)int data;unsigned char high,low; /*high 和 low 分别为 DA 输出的高低字节*/if(da10.0)da=10.0; /*设定输出范围为-10v+10v*/if(da-10.0)da=10.0;/将要输出的-10v+10v 的电压量 ur 转换为满足 DA 输出范围 0+10v 的量/将上述模拟量转换为数字量进行 DA 输出。outportb(base+4,low); /*通道 1D/A 输出低字节*/outportb(base+5,high); /*通道 1D/A 输出高字节*/void adc() unsigned char high,low;int ad;22outportb(base+10,0x10); /*选择通道 0*/outportb(base+12,0); /*开始 ad 转换*/low=inportb(base+4); /*A/D 输出低字节*/high=inportb(base+5); /*A/D 输出高字节*/ /将 AD 采集到的数字量转换为-10v+10v 电压量，并将转换结果赋值给 u。23实验五、被控对象的参数识别（一）实验目的1了解被控对象参数识别的基本过程；2理解参数识别的基本原理；3掌握参数识别的基本方法。（二）实验设备1电动位置/速度伺服机构（转动台体） 一套2AC-1 自动控制综合实验仪 一台3数字计算机（配有 AD/DA 卡） 一台4数字万用表 一块（三）实验回路和原理1实验回路一 信 号 发 生 器数 据 采 集 D/AA/D被 控 对 象 数 学 模 型（ 模 拟 机 仿 真 ）PC微 机 Vx Vy图 5-1 实验回路一实验回路一如图 5-1 所示，其中被控对象的数学模型为1)()SMXYTKSVsG式中， ， ， ， 秒。1.0MK.2秒6.04.05ST2实验回路二24信 号 发 生 器数 据 采 集 D/AA/DPC微 机 VxVsm功 率 放 大 伺 服 电 机（ 带 惯 性 负 载 ） 测 速 发 电 机nVn图 5-2 实验回路二实验回路二如图 5-2 所示。在该实验回路中，被控对象是电动速度控制系统，计算机产生的激励信号通过计算机的 D/A 转换器输出，在激励信号的作用下，被控对象产生相应的输出响应信号，经由计算机 A/D 转换器数据采集并进行数据处理，获得被控对象的参数模型和非参数模型。（四）实验内容及方法1测定电动速度控制系统或给定模型的方波特性。2用“M 序列”激励信号输入被控对象，选择合适的激励信号参数进行系统识别。3实验应用软件名为 Control。单击桌面上如图所示的“Control”图标，就可以进入实验科 目选择界面，单击“发动机控制”按钮，即可进入实验项目选择界面，单击“实验五 被控对象参数识别”按钮，即可进入本实验的应用程序界面。详见自动控制综合教学实验系统使用说明的第三部分的“软件使用方法举例” 。根据所选择的信号类型和信号参数，在单击“开始测试”按钮后，被控对象将在选取信号的激励下运转。在点击“开始测试”按钮前，可点击“比例尺”按钮，改变显示图形的坐标。当运行时间结束时，程序可自动停止；也可在程序运行过程中点击“停止测试”按钮，即可停止测试过程。点击“数据保存”按钮，即可保存刚显示的曲线。点击“打印预览”按钮，可对实验过程的数据进行回放，并可选择要打印的曲线。由 M 序列激励的过程，单击“互相关函数计算”按钮，可获得被控对象的脉冲响应和25阶跃响应曲线，单击“阶跃函数计算”按钮，可以获得近似的被控对象参数模型及其“阶跃响应仿真曲线” 。（五）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1实验目的和实验手段。2实验原理，包括实验回路和相关电路。 3实验内容，分别给出各种辨识实验中使用的的激励信号及参数、对象的输出响应、数值处理的方法及辨识结果。4实验总结，对实验法建立对象数学模型的方法进行总结。26实验六、单回路控制系统参数整定（设计性实验）（一）实验目的1掌握单回路控制系统参数整定的基本原理；2了解单回路控制系统参数整定的基本