涡轴发动机多发配置方法硬件在回路仿真验证

陈昊洋，陈名杨

(1.中国航发动力机械研究所，湖南 株洲 412002；2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016)

对于一架配置了多台发动机的直升机，其功率可能来自一台或者所有的发动机，多台发动机共同工作的优点在于失效—安全工作模式，这就要求控制器能有效的管理各发动机的功率[1-2]。考虑到平均承担负载的问题，多台发动机为各参数都相同的同型号发动机。理想情况下，当所有发动机都处于正常工作状态时，由于没有发动机蜕化或者损伤，各发动机平均承担旋翼负载，当负载遇到干扰或者处于过渡工作状态时，所有发动机能在同一时间快速产生相应的变化[3-4]。但是由于发动机蜕化或者发动机故障等问题，当一台或者多台发动机不能正常工作时，若不能及时地对各发动机承担的负载进行重新分配，会导致问题发动机以及传动机构的损伤，长时间的工作状态差异甚至会严重影响发动机寿命[5-7]。为使每台发动机分担均等需求功率，需要设计合理的扭矩匹配控制方法保证在发动机稳态过程中各发动机之间的扭矩差异不大[8-12]。一旦某台发动机发生性能退化，各发动机选择相应的匹配变量作为转速配平模式，通过扭矩匹配控制方法保证各发动机之间状态差异较小[13-15]。因此对于配置多发的直升机，为了增长发动机的服役时间，需要设计对多发进行匹配的控制方法。

目前国内航空工业针对涡轴发动机多发匹配控制的研究较少[16-17]，已有的研究方法主要是基于串级PID的双回路控制方案，该方案将外回路直接改为功率控制回路，需要搭配能计算旋翼在不同转速下的需求功率的机载模型，工程实现较为困难。孙桂芝[18]运用模糊控制理论完成了双发动机的功率匹配但不能适用于多发匹配。张振海[19]用一种复杂算法代替传统控制规律以实现双发匹配但缺少工程实践的验证。

硬件在回路仿真平台是一种将真实的数字电子控制器引入涡轴发动机闭环仿真中的实时仿真系统，其优点是仿真回路中具有真实的控制系统部件，这能够很大程度地提高模型仿真的置信度、弥补全数字仿真的不足。在涡轴发动机控制系统的开发过程中，硬件在回路仿真技术的引进，大硬件在回路仿真平台大提高了开发效率、缩短了研发周期，同时能够降低研发成本和风险，是涡轴发动机控制系统从理论设计到实际应用过程中不可缺少的的关键环节。

本文提出双边扭矩匹配方案，在单边扭矩匹配方案基础上进行改进，通过相邻三台发动机之间的扭矩差调节发动机输出扭矩，更加适用于多发匹配，并在硬件在回路仿真平台上进行了仿真验证，证明了所提出方案工程实践的可行性。

1 扭矩匹配方案

传统的单边扭矩匹配方案具有结构紧凑、计算简便等优点，但是在实际应用过程中会有匹配速度慢、匹配时超调量大的缺点。为了改进这种匹配方案，在上述方案的基础上，提出了适用于多发状态下多发匹配的另一种匹配方案，双边扭矩匹配方案。

多台发动机为同批生产的、装配在同一架直升机上的同型号发动机，当某台发动机的输出扭矩发生变化时，各发动机承担的负载会产生差异，为消除这种输出扭矩的不平衡状态，装配的每一台发动机都会根据产生的负载差异调整其燃油量。以双发为例，当1#发动机扭矩小于2#发动机扭矩时，1#发动机的燃油流量将增加，2#发动机的燃油流量将减少，从而完成扭矩匹配过程。

双边匹配方案相比于单边匹配方案，增益值取决于相邻三台发动机的匹配量差值，实际匹配时各发动机匹配量相互逼近，理论上双边匹配的匹配时间应优于单边匹配。

2 硬件在回路仿真平台

硬件在回路仿真平台主要由监控工作台、仿真器和数字电子控制器三部分组成，硬件在回路仿真平台工作流程如图1所示。

首先在硬件在回路仿真平台中利用发动机数学模型对真实发动机的全状态进行模拟，模拟生成发动机各个截面的压力、温度和转速等信号，这些信号通过信号调理装置生成与真实发动机上传感器信号等效的电气信号，并通过接口适配及电缆传递给数字电子控制器；接下来控制器利用控制系统算法计算出电液伺服阀、电磁阀等控制信号；最后，控制信号通过接口适配后，利用PXI工控机进行采集，执行机构模型将采集的控制信号转换成流量、导叶和喷口等发动机实际控制信号对发动机的工作状态进行控制。这样即可对发动机的全包线工作状态及控制系统的控制功能、性能进行模拟验证。

3 扭矩匹配方案硬件在回路仿真验证

在硬件在回路仿真平台上对扭矩匹配方案进行验证。由于仿真平台的限制，本次试验首先选取双发配置的综合模型，在H=0 m，Vx=118 m/s的条件下进行硬件在回路仿真实验。为了区分两台发动机的各变量，对其中第二台发动机的压气机效率系数减小2%。在t=18 s时ENGB的压气机效率减小2%，两台发动机的扭矩输出产生变化，在t=43 s时进行扭矩匹配控制，两台发动机的扭矩输出通过匹配趋向一致，双发配置下硬件在回路平台仿真验证如图2所示。

图1 硬件在回路仿真平台工作流程图

图2 双发配置下硬件在回路平台仿真验证

图2中，ENGA 、ENGB分别表示A发动机和B发动机。由图2(a)可以看出由于串级PID的控制，动力涡轮转速能很快地稳定在100%状态，说明控制器控制效果良好；由图2(b)、2(c)和2(d)可以看出，在第18 s时，由于ENGB的压气机效率发生改变，其燃气涡轮转速、动力涡轮的输出扭矩以及燃油量均发生了相应的变化，且变化趋势一致。由于功率平衡器的作用，为了保持旋翼扭矩不变，ENGA的燃气涡轮转速、动力涡轮的输出扭矩以及燃油量与ENGB变化趋势相反。在第43 s时，由于双发匹配控制的作用，两台发动机的动力涡轮的输出扭矩开始趋向一致直至均等分担旋翼负载，燃气涡轮转速以及燃油量也具备相同的变化趋势。且双发匹配控制前后，燃油消耗总量由0.438 kg/s减为0.422 kg/s，减少了3.65%。

在完成双发状态下涡轴发动机闭环仿真验证的基础上，对三发状态下的扭矩匹配控制方法在HIL仿真平台中进行仿真验证。

在H=0 m，Vx=118 m/s的条件下进行硬件在回路仿真实验。为了区分三台发动机的各变量，对其中ENGA、ENGB两台发动机进行退化仿真。在t=18 s时，ENGA的压气机空气流量增加5%，ENGB的压气机效率减小2%，然后三台发动机的扭矩输出产生变化，在t=43 s时进行扭矩匹配控制，三台发动机的扭矩输出通过匹配趋向一致，三发配置下硬件在回路平台仿真验证如图3所示。

图3 三发配置下硬件在回路平台仿真验证

从图3(a)可以看到，从第18 s开始，由于EBGA和ENGB的相关系数有所改变，三台发动机的输出扭矩产生较大差异，此时为了保持提供给旋翼的总扭矩为定值，原本作为参考发动机的ENGC的扭矩也产生了变化；在第43 s时，加入了扭矩匹配控制，在较短时间内，三台发动机的输出扭矩即完成了匹配工作，该过程在图3(b)的燃油流量图中也体现出相同的变化趋势。消耗的燃油流量总量从0.746 kg/s减为0.736 kg/s，减少了1.34%。

4 结语

本文分别采用单边扭矩匹配方案和双边扭矩匹配方案对多台发动机的输出扭矩进行匹配，并进行了仿真验证，得到了如下结论：

1)所提出的多发状态下的涡轴发动机功率匹配方法实现过程中，动力涡轮相对转速能够稳定在100%，且燃气涡轮相对转速、动力涡轮输出扭矩与燃油量均能够根据发动机工作状态变化情况作出相应的改变。

2)所提出的多发匹配方案能够对相差较大的输出扭矩在较短时间内完成扭矩的匹配工作，匹配时间不超过4 s，燃油流量消耗总量减少1%以上。