2021年航空发动机状态控制系统讲义.ppt

转速控制系统概述
转速控制是发动机控制中最基本又是最重要的控制。因为发动机推力近似与转速的三次方成正比，控制了发动机转速也就控制了发动机推力；发动机转速大小也决定了发动机的叶片强度和涡轮前温度大小，因此控制发动机转速也就控制了发动机的叶片强度，这对于保证发动机安全运行具有十分重要的意义；同时也因为发动机转速具有易测量、结构上易实现的特点。因此，转速控制系统在航空发动机控制中得到了广泛的应用。
选择转速作为被控量的发动机，其工作状态也以转速表征，如发动机的最大状态就是转速为最大转速的工作状态，发动机的其他工作状态依此类推。这时油门杆角度PLA与发动机转速n相对应，改变油门杆角度则改变发动机转速，即改变发动机的工作状态。
转速控制系统一般以燃油量Wf为控制量，以发动机转速被控量，其任务是：当油门杆位置不变而发动机外界条件发生变化时，自动调节燃油量，保持发动机转速不变；当油门杆位置改变时，自动调节燃油量，使发动机转速随油门杆位置的变化而变化。油门杆角度对转速控制系统来说，相当于转速控制系统的输入给定值。转速控制系统由被控对象（发动机）和转速控制器组成，控制器一般包括测量元件、控制元件、放大元件、执行元件、和供油元件（燃油泵）。
*
航空发动机状态控制系统
*
发动机转速控制方式
在航空发动机控制系统中应用的控制方式有开环、闭环和复合的控制方式：
（1）开环转速控制系统
在开环控制系统中，信号传递的途径不构成闭合回路，调节器测量元件不感受被控量的变化，而是直接感受外界干扰量的变化，或感受由外界干扰引起的发动机其他参数的变化，利用补偿原理对被控量进行控制。所谓补偿原理就是根据测量元件感受的干扰量的大小，调节控制量，使其消除干扰量对被控量的影响，以保持被控量不变。
开环转速控制系统框图
*
航空发动机状态控制系统
*
（2）闭环转速控制系统
闭环控制系统是按偏差原理进行控制的。所谓偏差原理就是根据被控量的实际值与给定值的偏差进行调节的原理，按这一原理工作的控制系统尽管在调节过程中被控量相对给定值产生了偏差，但在过程结束时这一偏差的数值就变得很小（稳态误差）。由于控制准确度较高，闭环控制系统在航空发动机控制中得到了广泛的应用。如图所示闭环转速控制系统中，当发动机转速n偏离油门操纵杆选定的转速给定值nr时，转速测量元件感受转速偏差e=nr-n,经控制元件输出信号m，以驱动执行元件，调节发动机供油量Wf，从而减小转速偏差。
闭环转速控制系统框图
*
航空发动机状态控制系统
*
（3）复合转速控制系统
在闭环控制回路的基础上，复合控制系统增加干扰补偿的顺馈通路，是系统具有综合闭环控制系统和开环控制系统的优点，在干扰量对系统产生不利影响之前，就能通过补偿消除即将产生的不利影响。当外界干扰改变时，复合控制系统由于顺馈补偿作用可以使被控量不发生过大偏离；调节过程结束时，它又能由闭环控制作用使被控量较准确地保持给定值。随着航空发动机性能要求的提高，复合控制系统在航空发动机控制系统中得应用亦逐渐广泛。
复合转速控制系统框图
*
航空发动机状态控制系统
*
系统分析和设计
（1）性能指标
通常用性能指标评价发动机转速控制系统的性能，包括系统的稳定性、动态品质和控制精度等要求。
（2）分析和设计方法
设计发动机单输入-单输出转速控制系统常常采用试探法，就是出不确定控制方案、选择控制器结构以及参数，进行系统设计。然后，设计人员检查设计出来的系统是否满足全部性能指标。
（3）设计步骤
①分析技术要求和性能指标；②初步确定系统控制方案；
③选择控制器的元件及部件，并分析其性能；
④ 建立包括控制对象和控制器的系统数学模型；
⑤选择控制器动态参数； ⑥对所建立的控制系统在整个飞行范围内的各种工作状态进行性能分析及计算机仿真，实验系统对各种输入的响应及干扰对系统性能的影响，检查所设计系统是否能在各种使用条件下满足规定的性能指标； ⑦建立物理系统的样机，确定物理系统的结构及参数，并进行实物在回路（HIL）仿真试验； ⑧进行发动机控制系统半物理仿真试验； ⑨进行发动机控制系统试验。
*
航空发动机状态控制系统
*
数字式闭环转速控制系统
数字式闭环转速控制系统是发动机数字式电子控制器产生后的一种新的发动机转速控制系统。数字式电子控制器为数字控制算法的应用提供了条件，也使得各种先进控制方法和多变量控制的应用成为可能。
控制系统的结构
传感器测量发动机转速，输出模拟信号和频率信号，经A/D或F/D转换后进入数字式电子控制器。
数字式控制技术可分为常规控制技术和复杂控制技术。
数字式控制
器的连续