控制系统半物理试验台功能介绍

航空发动机或燃气轮机控制系统硬件在环试验台、航空发动机或燃气轮机控制系统软件在环试验台。

1、建设的必要性和紧迫性

航空发动机控制正由传统的机械液压式的单一变量控制转为多变量数字式电子控制，简称发动机电调，它在改善发动机效率、性能，合理使用与操纵发动机以及实现对发动机的无约束操纵、维修调整快速简易等方面都具有无可替代的优势，同时，它又是飞行/推进综合控制的基础。因此，发动机电调系统已经在国外第三代、第四代战斗机的发动机上得到广泛使用。最初的全权限电子控制器于1972年由美国的加雷特航空研究中心研制成功，并装配在TFE731发动机上。该型发动机的电子控制系统是单通道模拟式电子控制，当出现飞行故障或飞行员失控时，电子控制系统自动切换到备份的液压机械控制系统。F100-PW-220发动机的DEEC是首个全权限数字电子控制系统，与TFE731发动机的控制系统工作方式接近，在紧急情况下，自动切换到备份的液压机械控制系统。随着FADEC技术成熟的应用，目前的第四代战斗机已经把备份的液压机械控制系统完全舍弃，全权限数字电子控制系统完全可以满足航空发动机控制的需求，同时又具备了强大的故障预测与健康诊断功能。如F135发动机两个双通道的FADEC和独立的综合发动机诊断单元。在我国，工业部门经过了十多年的预研，不论是在旧型号发动机上改装，还是研制新型发动机及控制系统，电调技术已经取得了较大的进展，其中一些还完成了试飞验证，将逐步装备部队；在外场部队，从国外引进的苏二七、苏三0等先进飞机的发动机已在一定程度上采用了电调技术。

不论是模拟式电调还是数字式电调，都突破了传统的机械液压式的油泵调节器模式，因此发动机控制系统的试验要求、方法及设备也有了根本性的改变。传统的油泵调节器试验台只要求有动力、油源、普通仪表即可，而电调系统试验不但要检测电子调节器本身，而且由于发动机数字仿真技术的发展，使得建立整个发动机及其控制系统的半物理仿真试验台成为可能，即可以将发动机、油源、动力、调节器、执行机构、反馈系统等综合起来试验，建设功能齐备的发动机电调实验室。

有了电调实验室，用发动机模型代替真实的发动机工作，大大降低了试验费用，减少了试验风险，使得发动机及其调节系统的联调试验变得相对简易，有利于研究发动机整机性能、性能裕度、性能调整、性能故障，同时可进行改装改型研究及其它各项科研工作。

航空发动机数控系统半物理仿真试验器，可满足我国三代机控制系统故障研究、四代机定型考核、未来先进控制规律试验研究的需要，并可作为发动机监控告警等健康管理功能的验证平台，实现对控制系统的性能、可靠性、安全性的验证评估。

我国航空发动机控制领域长期停留在液压机械式装置的测仿上，试验考核主要是常温条件下的寿命考核及随发动机试车，虽然目前新研发动机采用的数字式电子控制器增加了综合环境试验和系统级的半物理模拟试验，但是，机械液压装置运转复杂，环境试验多数未能按要求在工作状态进行，导致试验考核不足以满足航空发动机控制系统可靠性、安全性需求。

2、设计方案

系统由被试对象、发动机数学模型计算组件、信号转换装置、电机及传动系统、燃油系统、空气系统、油门操纵系统、模拟信号输入系统、反馈系统、测量及数采系统、电气及控制系统等组成。

1）被试对象：控制系统组成附件。包括：电子控制器（含软件）、传感器、增压泵、低压燃油滤、主泵及主执行装置（包括主燃油计量装置、风扇导叶角度控制机构、压气机导叶角度控制机构、主燃油防喘切油装置）、加力泵和加力执行装置，均为真实产品；

2）发动机数学模型计算组件：包括主战和重点在研型号发动机数学模型。通过模拟高度变化、马赫数变化、温度变化、压力畸变等大气条件，完成发动机环境条件及飞行条件仿真、发动机操作仿真、监控告警仿真等；

3）信号转换装置：将油门、燃油流量、导叶、喷口及转速控制信号转换成数字信号，输入给发动机数学模型；将发动机数学模型计算出的发动机参数转换成模拟量，输入给相关传感器。；

4）电机及传动系统：由于各型航空发动机的附件传动比不同，为了涵盖各型航空发动机机械液压类附件传动的需要，计划配置四台小惯量电机，功率分别为200千瓦和180千瓦，315千瓦、115千瓦，通过增速箱输出四个不同功率、不同转速输出轴，转速分别可调。可同时带动主泵、加力泵及配套的所有附件。

低速箱滑油系统：滑油介质HP-8；过滤精度20μ；最大供油压力0.6MPa；供油流量2700L/h；

附件和高速箱滑油系统：工作介质4050航空滑油；工作介质温度：常温～110℃；供油流量：4300L/h。

转速稳态控制精度：0.1%；

调速范围：0～最大转速；

动态品质指标：阶跃输入时间常数不大于0.05S（带载）；

超调量：＜1%；

振荡次数：1次。

5）燃油系统：模拟飞机上的燃油增压和过滤，设计当量喷嘴进行回油，通过液压作动筒模拟对风扇、高压压气机进口导向叶片以及喷口的控制，模拟温度指令和控制压力燃油、建立大储油量的燃油储油罐及必要的输油设备。

燃油温度范围：常温～+120℃，通过控制燃油回油来控制燃油温度；

燃油进油管路应满足流量大于100000L/h；

被试产品进口压力：（0.04～1.5）MPa（绝对）；

发动机控制附件连接管路通径，长度等应尽量模拟真实系统管路。

6）空气系统：高压气源配套8MPa的空压机、高压气罐（20个氧气瓶的容积），气源1～5MPa、供气量０～6m3/min，为被试产品提供所需的高压空气；低压气源配套2MPa的空压机、中压气罐，在0～1MPa、供气量：20m3/min。

空气压力控制精度：动态：0.5%；

静态：0.25%；

时间常数不大于0.05S。

7）油门操纵系统：设计专用电动油门杆与液压机械装置相连，用于实现对被试附件运转和试验的控制；

8）模拟信号输入系统：所有控制液压机械装置的电信号、测量发动机状态的传感器信号都需要设计模拟信号；

9）反馈系统：通过液压作动筒模拟风扇、压气机进口导向器以及喷口控制、矢量喷口控制的液压反力。液压作动筒运动等有关手操纵和电操纵工作。操纵台：用于实现对液压机械装置运转和试验的控制；

10）测量及数采系统：配备相应的压力、温度、流量及转速传感器，以及气压计、真空计、位移传感器，实现对主要试验数据的计算机实时数据采集、处理、显示、记录。数据记录速度可选（＞1000点/参数/秒）；

11）供电和电气控制系统：电机传动、电气操控、测试系统等用电预计500kW，需要建设专门的实验室供电线路和控制设备；需配置直流稳压电源；研制试验配套的电气控制系统。；

12）安全监控系统：在试验系统关键部位装有监视器和油气、烟雾探测器，当发生超温或火警信号等故障时，应有声、光等信号报警。

3、主要功能及指标

主要功能：该试验器可对控制系统所有组成附件进行系统性试验，控制系统附件均模拟实际工作状态，研究发动机数学模型，采用数学模型计算组件代替发动机工作，通过信号转换装置实现发动机和传感器的关联。此外，该试验器也可对单个附件的功能性能、以及几个附件之间的匹配关系进行试验验证和故障研究。

主要指标：具有对XXX发动机数控系统进行半物理仿真试验的能力，主要验证控制系统的匹配性，包括控制及保护功能、稳态及动态控制品质、监测和诊断功能、数据记录与传输功能、容错控制功能。该试验系统在功率、转速、流量等方面留有扩展余量，经过适应性改进，可兼容控制构型基本相同的发动机的数字控制系统半物理仿真试验。

具有对XXX发动机的主燃油泵调节器、喷口加力调节器的单个附件进行功能性能试验检测以及几个附件间匹配性进行检测试验的能力。

具有国内新一代全权限数字电子控制系统（FADEC）的研制开发能力。