航空发动机控制基础PPT幻灯片课件.ppt

航空发动机控制基础,航空工程学院,1,航空发动机（燃气涡轮发动机）推力工作原理飞机在不同的飞行阶段，需要不同的推力起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆、复飞此外，飞行条件也在不断变化。,进气道,压气机,燃烧室,喷管,涡轮,2,控制发动机的推力或功率输出以满足飞机的需要。燃油系统将清洁的、无蒸汽的、经过增压的、计量好的燃油输送给燃烧室。燃油量的多少要由燃油控制器给出保证发动机的安全工作。不熄火、不超温、不超载、不喘振、不超转防止压气机的喘振(VBVvariablebleedvalve、VSVvariablestatorvane)提高发动机的性能（涡轮间隙控制TCC）,3,4,5,早期：单变量控制基本的安全考虑发展：多变量监控以安全为主兼顾性能成熟全权限监控以安全为主兼顾性能和经济性未来全权限数字电子控制以安全为主兼顾性能、经济性和环保性,6,CFM56FADEC系统的功能,7,航空动力装置控制包括：进气道控制、发动机核心机控制、排气装置控制,8,航空发动机控制基础aircraftenginecontrol根据自动控制原理运用机械、液压、气压、电气等控制装置使航空发动机自动地按预定规律工作，以便发动机在各种飞行条件下能安全工作并获得最佳的或接近最佳的性能。涉及的内容控制理论、发动机原理、气体动力学、工程热力学、机械、液压、电子、计算机等各方面的知识。,9,航空发动机对控制装置的基本要求保证最有效的使用发动机，最大限度地发挥其潜力最大状态巡航慢车,10,航空发动机对控制装置的基本要求保证动力装置稳定工作，控制精度高有极强的抗干扰能力调节的准确度要高,11,航空发动机对控制装置的基本要求良好的动态品质控制的动态过程要有较好的快速性，而且过程要平稳,12,航空发动机对控制装置的基本要求可靠性高，维护性好采用分布式结构降低控制系统的复杂性将控制器安装在远离发动机的区域采用砷化镓和碳化硅制造电子元器件提高系统的耐高温、抗振动和抗电磁干扰的能力,13,航空发动机对控制装置的基本要求可更改性好，满足先进发动机对控制不断增加的要求,14,航空发动机对控制装置的基本要求结构简单、重量轻、体积小、安装方便,15,16,第二章民航发动机的控制,内容自动控制的基本概念民航发动机控制的内容,17,自动控制的基本概念,18,被控对象:发动机控制装置：转速控制器（虚线内部分）控制系统：被控对象控制装置被控参数：转速可控变量：用来改变被控参数大小的因素干扰作用量：作用在被控对象/控制装置上，能够引起被控参数变化的外部作用量给定值：驾驶员的指令值,19,控制作用量：能改变给定值大小的作用量调准和调准机构：改变控制作用量的过程及其机构过渡过程和平衡稳定过程结构简图r,20,21,控制系统的基本控制方式：开环控制闭环控制闭环控制特点：在控制器输入量和被控对象之间，不仅存在正向作用，而且存在反馈作用反馈是将输出返回到输入量的入口结构简图fpmwfny,22,闭环控制：控制比较精确，在现代飞机上被广泛使用反应不够及时，被控参数发生偏离，才开始动作，干扰量连续变化，系统工作不稳定偏离原理控制,23,24,开环控制：开环系统是一种最简单的控制方式，特点是在控制器和被控对象之间只有正向作用，而没有反馈，即系统的输出量对控制量没有影响。fpmwfn,放大元件,放大元件,放大元件,放大元件,敏感元件,25,开环控制:反应及时，控制系统和被控对象（发动机）同时感受外界所有的干扰量变化，控制装置变化与发动机变化同步，稳定性好。控制精度差不能感受所有的干扰量对发动机内部的变化无法感知,26,开环与闭环控制系统的比较闭环系统引入了反馈，精度高，可以采用成本较低，精度不太高的元件构成精度较高的控制系统开环系统没有纠正偏差的能力，当受到干扰时，会引起系统精度降低，它的精度完全取决于系统元器件的精度和调整的准确度,27,复合控制,放大元件,执行元件,供油元件,发动机,敏感元件,指令机构,敏感元件,28,思考题闭环控制的原理是什么,29,民航发动机控制的内容发动机控制内容有：燃油流量控制空气流量控制涡轮间隙控制冷却控制其它系统控制涡桨、涡轴发动机控制超音速民航机控制,30,发动机控制的目的稳态控制：保持既定发动机的稳定工作点过渡控制：快速而又稳定可靠极限控制：保证发动机的主要参数不超出安全限制,31,稳态控制目的：为了获得所需要的推力和功率转速控制压力比控制慢车控制反推力控制加力控制进气道控制,32,被控参数和可控变量表征发动机推力的量N1EPRWf燃油流量Ae喷管出口面积,33,控制方案（调节规律或调节计划）根据外界干扰（飞行高度和速度的变化）和驾驶员的指令来改变可控变量，以保证发动机被控参数不变或者按预定的规律变化，从而达到控制发动机推力的目的。不带加力的单转子涡喷发动机Wfn双、三转子的涡喷和涡扇发动机WfnHWfEPRWfc*,34,过渡控制目的：过渡过程能迅速、稳定、可靠的进行启动控制加速控制减速控制压气机防喘控制加力接通及关闭控制等,35,压气机控制在启动、加速和减速过程中保证压气机稳定工作，不发生喘振控制方案（程序控制）1按转速n的压气机控制。2按压比进行控制3按n2和压气机进口温度控制VBV、VSV4按相似转速控制5按照n1、n2、大气总温、进口温度、环境压力、飞行马赫数、推力杆角度等进行逻辑控制。FADEC,36,安全限制超转限制超温限制超压限制超功率限制,37,民航发动机的控制类型机械液压式控制JT8DJT9D-7JPT6T监控型电子式控制JT9D-7R4CFM56-3RB211-535E4全权限数字电子控制PW4000V2500CFM56-5TrentGE90,38,第三章燃油泵,内容齿轮泵的工作原理油泵供油量的调节特性,39,供油元件：燃油泵油泵：是一种将机械能转化为液压能的机械。根据用途分类：燃油泵供应带压力的燃油（航空煤油）滑油泵供应滑油以及其他特殊需要的液体（水）液压泵为液压系统提供动力油,40,根据供油原理分类：容积式泵：抽吸元件作相对运动，改变元件间的自由容积，进行吸油和挤油。供油量的大小取决于一次循环中自由溶积的变化大小。压力的大小理论上与供油量无关。柱塞泵、齿轮泵、旋板泵叶轮式泵：叶轮做旋转运动，增加液体的动能和压力能，在叶轮后的扩压器中，再将动能转化为压力位能。离心泵、螺旋泵、汽心泵等根据供油元件一次循环索提供的油量是否变化，分为：定量泵和变量泵,41,柱塞泵容积式齿轮泵（定量）旋板泵航空发动机油泵离心泵叶轮式螺旋泵（定量）汽心泵（变量）,42,目前用的最多的是：轴向倾斜式柱塞泵和渐开线直齿外啮合齿轮泵航空发动机对齿轮泵的要求：重量小；在额定共有压力范围内，有较高的效率；结构简单，安全可靠，寿命长；抵抗污染能力强；适应环境能力强；在转速不变的情况下，可以方便、合理的大范围调节供油量等。,43,3.2齿轮泵,44,影响供油量的因素1泄漏损失由间隙、压差、温度引起径向间隙和轴向间隙充填损失吸油腔压力过低、无效容积的影响和泵转速过高2转速对供油量的影响高转速可以提高供油量，但是提高有限度。目前油泵转速在5000转/分以下，要求齿顶的切线速度Vmax10米/秒,45,3齿数对供油量的影响标准齿轮节圆直径齿轮模数m：指相邻两轮齿同侧齿廓间的齿距t与圆周率的比值Z:齿数,46,4齿宽对供油量的影响供油量与齿宽b成正比齿宽一般不超过10m,47,四齿轮泵的供油量调节齿轮泵是定量泵，工作容积可改变，当p不变时，流量Q与转速n成对应关系。供油量的调节不能靠泵内部的调节，可以通过以下方法调节供油量。,48,3旁路回路调节旁路调节是定量泵调节供油的唯一方法，但是会引起温升，对于高性能的发动机节流比较大，必须采用变量泵。,49,柱塞泵工作原理图吸油过程：柱塞伸出Vp吸油；压油过程：柱塞缩回Vp压油,50,柱塞泵出口压力受到流动阻力的限制，低转速下仍然可以获得较高的压力。柱塞泵特点：（1）柱塞和转子配合间隙容易控制，密封性好，容积斜率高0.93-0.95。（2）高压泵，结构复杂，价格贵，使用环境要求高。（3）柱塞数通常为7、9、11个，单数，减小脉动。（4）排量取决于泵的斜盘倾角。,51,2增加转速会增加零部件的磨损、影响寿命，还会使油液的填充恶化。3斜盘角度rr16。斜盘工作面常采用锥形或圆形面4柱塞安装角（13。15。）,52,柱塞泵的特性（Q,n,pin,pout,)1供油量与转速关系2供油量调节特性3供油量压差特性4汽隙特性低压区产生气泡高压区气泡挤压破灭这种气泡生灭过程及伴随而来的液压撞击：汽隙现象,53,柱塞泵主要优点是供油量可以调节为了减少柱塞头与斜盘表面的磨损，采用油膜支撑和柱塞摆动头。,54,第三章燃油泵,内容离心泵的工作原理各类油泵供油量的调节特性,55,离心泵优点：转速高，供油量大供油稳定，无脉动运动部件少，结构简单，比重量小抗燃油污染性好，寿命高缺点：效率低，低转速时压力低对抗气蚀性能要求高调节性能差（低转速）,56,57,第四章传感器,内容转速传感器的工作原理和应用元件的自稳性,58,对发动机的准确控制，首先要准确的测量影响发动机性能的各种信息例如：高度、速度、温度、压力、转速、流量等传感器：将被测的某一物理量（信号）按一定的规律转换成与其对应的另一种（或同种）物理量（信号）输出的装置非电物理量电量信号包含：敏感元件和转换元件完成信息测量和转换作用的元件叫敏感元件或测量元件,59,60,对测量元件的要求：灵敏性好迟滞性小准确性好抗干扰性强,61,转速一机械离心式输入量n输出量y,62,特性分析1元件的灵敏度（n-y)低灵敏区可用工作区临界转速ncr,63,2元件的不灵敏区不灵敏区（迟滞区）转速改变，导杆不移动迟滞系数,64,3元件的自稳定性转速不变，调准弹簧力不变，元件保持给定位置的一种能力。,65,轴向换算力弹簧力n1d3,曲线不对称,117,5.2带比例负反馈的分油活门式放大器反馈输出量m返回到输入口处。正反馈：加强输入，灵敏；负反馈：减弱输入，缩短振荡发动机控制系统反馈量与输入量之间有一定的函数关系，称为刚性反馈，也称为比例反馈（注，这里的函数是指简单函，不包含微积分）反馈量与输出量之间无一定的函数关系的称为柔性反馈，也称速度反馈,118,带刚性反馈的分油活门式液压放大器,119,活塞上移速度先快后慢，使供油量的变化也先快后慢，这样就可避免调节过程发生振荡（增加阻尼减小振荡），又可满足调节过程快速性的要求随动活塞的一定位置对应于衬套的一定位置是单值对应关系（比例关系）这种放大器是定位式放大元件，是一个稳定环节。,120,2刚性反馈的其他结构类型,121,5.3带柔性反馈的分油活门式液压放大器带刚性反馈的放大器输入与输出间存在一定的关系，所以调节后存在着静态误差。,122,123,124,由上述过程可知：当过程结束后，随动活塞回到原始中立位，反馈活塞、反馈衬套和反馈活门都在平衡位置，调节过程不导致静态误差，输入和输出没有一定函数关系，所以带柔性反馈的分油活门式液压放大器为非定位放大元件,125,1过渡过程结束后，2稳态时，输入输出没有关系3改变b，AA，AB，A和杠杆比j，工作油压力ps，反馈系数均可以改变放大器的动态参数,126,带反馈的分油活门式液压放大器,127,5.4喷嘴挡板喷嘴挡板式放大器的特性及应用。,128,敏感元件的较少的输出力和位移，通过喷嘴挡板变为较大的力和位移，功率得到放大输入量h，输出量m，一定的喷嘴挡板开度h，对应着一定的随动活塞位置m。m和h的关系取决于什么？,129,二、喷嘴挡板的流量特性依靠挡板对喷嘴端面的相对位置变化，可以控制液体的流量。通过节流器的实际容积流量Q2：,A：节流面积P：节流前后压差,130,1流量系数流量系数与液体通道几何形状、压差和液体粘度有关系。,1流量系数流量系数与液体通道几何形状、压差和液体粘度有关系。,131,2节流面积3压差,流量随开度增加，达到一定值后流量趋于平缓不再增加。,132,其他形式的放大元件带刚性反馈装置的喷嘴挡板式液压放大器,133,杠杆凸轮式反馈放大元件,134,液压反馈放大元件,135,喷嘴结构,136,双喷嘴挡板式液压放大元件,137,第六章电液转换装置,内容力矩马达电磁活门,138,控制系统的发展液压机械式EECFADEC电液伺服活门,139,电液伺服活门功用：电气、液压信号间转换信号的放大作用组成：电气转换装置（力矩马达）液压放大器(分油活门、喷嘴挡板)例如：位置力反馈式两级电液伺服活门,140,位置体现在衔铁挡板组件的变形,141,二、力矩马达电机械转换装置动铁式：通过衔铁的运动来输出位移动圈式：依靠线圈的运动来输出,142,2静态特性用来描述电流i，衔铁转角及负载ML的关系,静态特性方程,143,6.2电磁活们将电信号作用变成活门的开、关而使流体通过或截止，又称为电动式执行元件,144,6.3数字电子控制的其它部分,145,ARINC429数据总线,146,第七章发动机的数学模型,内容发动机数学模型的建立方法,147,1.航空发动机数学模型概述数学模型的定义用数学语言（如方程式、图表、曲线）对物理过程的数学描述，可以模拟或仿照实际系统的行为数学模型的作用(仿真技术，数值仿真，用计算结果表示实际对象的运行结果)发动机特性分析研究控制系统的分析和设计对发动机进行故障诊断和容错控制,148,模型的种类稳态、动态线性、非线性（小偏离、大偏离、起动模型）实时、非实时建立模型的方法理论法小偏差线性化从部件级模型建立动态小偏差线性模型实验法经典实验法：时域法、频域法、统计相关法现代辨识法：最小二乘、极大似然、随机逼近理论建模和实验法相结合,149,核心机coreengine=热机+推进器布莱顿循环,150,基本发动机：尾喷口不可调的非加力单轴涡喷发动机,动力装置powerplant,发动机engine,基本发动机【BASICENGINE】,发动机本体,151,建立发动机的数学模型就是研究发动机的动态特性，导出其输入量Wf与输出量n之间的动态方程（或传递函数）,152,一、基本假设由于发动机内部的气动热力过程比较复杂，为了简化模型的推导，作如下假设：仅考虑转子动力学、忽略热惯性和容腔效应仅研究稳态点附近的小偏离特性涡轮导向器和尾喷口处于临界以上工作状态忽略飞行条件的影响或认为飞行条件不变燃油泵不由发动机带动忽略燃烧延迟及燃气与空气流量的区别,153,经拉式变换后传递函数为基本发动机是一个惯性环节，未考虑发动机内部流动细节，称为基本发动机的简化数学模型,154,三动态方程参数的求取,155,156,157,四TT和KT设供油量是阶跃输入，求得放大系数大小表示输入信号对输出信号的作用强度。,158,一、燃油泵的运动方程,159,基本发动机传动燃油泵时的动态方程式基本发动机带泵后的时间常数基本发动机带泵后的放大系数,160,在转速正反馈不显著的情况下，系统稳定如果正反馈作用太强，即Kn太大，导致Te0,则出现不稳定的极点。实际带泵的发动机的燃油量是通过转速闭环控制的也有采取保持计量活门前后压差恒定的方法，将多余的供油量返回到油泵进口，使供油压差与转速无关。基本发动机带泵后仍然是一个惯性环节，此时的输入量是油泵调节机构的位置m，而且带泵后时间常数加大，动态特性变差。,传递函数,161,第八章控制系统分析,内容性能指标,162,性能分析如何评价一个控制系统的性能？评价指标：系统的稳定性、快速性和准确性,163,被控参数的变化形式,164,在干扰量的作用下，被控参数会偏离原来的稳定值，当干扰量消失后，随着时间的增长，系统还能够恢复到原来的稳定状态。说明系统具有稳定性相反，当干扰消失后，被控参数不能够回到原来的稳定点，则此系统不具有稳定性。,165,为了衡量系统在过渡过程中的品质（动态性能）通常规定外部作用量为单位阶跃响应,166,这种阶跃响应是一个突变的作用，是形式最简单后果也最严重的作用如果系统在阶跃响应的作用下能很好的完成任务，那么在其他作用下，例如正弦、速度输入等，更能很好的完成任务。,167,一般来说，在单位阶跃作用下，系统的过渡过程是一个衰减振荡过程。,168,对过渡过程的要求过渡过程中衡量调节质量的三个指标超调量%过渡过程中输出量瞬时聚增超过稳定值大小程度的量,169,调节时间是指从被控变量开始变化起，直到最后一次进入误差带/公差范围内不再超出时，所经历的时间。从过渡过程开始到稳定状态的建立，严格讲需要无限长的时间。工程上允许有一个稳定的公差范围（5或2）,170,振荡次数在调节时间内，被控参数在稳态值附近上下摆动的次数有些系统对振荡次数有限制，有些甚至不允许有振荡存在,171,对静态特性的要求：静态准确度静态误差：过渡过程结束后，剩余的偏差在干扰量的作用下最后偏离原来稳定值的大小，偏离越小，说明静态准确度越高有差控制无差控制,是否等于预定值,172,8.2控制系统的动静态分析一、系统微分方程的建立fpmwny建立微分方程组，消去中间量，得到系统的微分方程,173,测量元件（放大环节）,液压放大元件（积分环节）,油泵（放大环节）,发动机（惯性环节）,反馈环节,174,系统的响应为,这是一个二阶振荡系统,特征方程,系统响应出现振荡的条件系统响应单调的条件各系数均为正值，系统是稳定的,175,特征方程：,系统响应为单调的条件：,系统响应出现振荡的条件：,超调量：,调整时间：,176,3、静态特