航空发动机电液伺服系统机载模型监控设计

2021-05-18郝圣桥王法全

航空发动机 2021年2期

李瑜，郝圣桥，王法全，孙宾

（中国航发控制系统研究所，江苏无锡214063）

0 引言

电液伺服系统由于技术成熟、功率密度大、环境耐受性较好，被广泛应用于航空发动机燃油计量、风扇或压气机导叶角度、喷口面积、矢量喷管角度的控制[1]。航空发动机控制中的电液伺服系统主要由电子控制器伺服控制模块和液压机械装置组成。当系统中相关元部件出现异常时，电液伺服系统可能无法准确跟踪控制指令，从而引起控制功能降级、航空发动机工作异常，甚至造成飞机无法派遣[2]、飞行器失控[3]等后果。如何监控电液伺服系统的故障一直是航空发动机安全性设计的重要内容。

在航空航天等重要装备应用领域，国外已从BIT（机内自检测）技术发展到机载模型监控技术来提高系统的安全性。Goupil P[4]介绍了空客A380飞机使用的机载模型监控技术；Cox N[5]介绍了机载模型监控在火星车着陆系统的应用；Lavigne L 等[6-8]、Goupil[9]重点描述机载模型监控技术在电传飞控电液伺服系统的舵机早期故障诊断中的应用。中国学者也开展了相关研究，江澄等[10]提出在发动机电子控制器中采用BIT 电路来对电液转换元件、位置传感器等元部件断线、短路故障进行检测；蒋平国等[11]较早探索了伺服回路的机载模型故障诊断方法；何佳倩等[12]、梁红等[13]采用卡尔曼滤波方法来估计执行机构或传感器的故障；朱纪洪等[14]提出一种基于舵机特征模型的故障诊断技术；贾盼盼等[15]提出采用1 阶惯性环节作为伺服回路的模型，并通过比较方式来实现伺服回路部分故障的快速诊断。

BIT 技术成熟可靠，但难以检测液压机械装置中相关元部件性能衰减、卡滞、零偏漂移等问题，容易引发电液伺服系统功能失效。而机载模型监控是一种灵活性好、成本低、故障覆盖率高的方法，可以弥补航空发动机BIT 技术的不足。不过，虽然国内外在机载模型监控有诸多文献报道，但是工程上实用、易被参考借鉴的机载模型监控技术应具备如下特点：（1）实时性：算法简洁、模型代码运行效率高；（2）健壮性：能适应对象参数的分散及性能退化；（3）准确性：模型误差应足够小，以保证故障覆盖率或检测的灵敏度；（4）容错性：监控到异常或故障后应具备一定的容错能力，通过改变控制策略避免系统过快降级或功能失效。

本文围绕上述特点，以航空发动机最重要的控制回路——燃油计量伺服系统为例，提出一种模型特征参数可自动辨识的模型监控方法。

1 机载模型监控

某航空发动机用于燃油计量控制的电液伺服系统如图1 所示。从图中可见，其液压机械装置主要由主控/备份电液伺服阀、用于主控/备份模式切换的电磁阀、转换活门、计量活门、位置传感器（Linear Vari⁃able Differential Transformer，LVDT）及相应的油路组成，并与发动机电子控制器一起构成电液伺服系统。

图1 某发动机燃油计量电液伺服系统

其工作过程为：电液伺服阀在发动机电子控制器控制电流的作用下，输出对应的控制油，并通过转换活门后控制计量活门的开度进而控制输出至燃烧室的燃油流量。计量活门的开度通过LVDT 输出位置反馈信号至发动机电子控制器，由电子控制器根据供油指令的要求实施闭环伺服控制。

根据该项目实际架构，本文提出的机载模型监控的概念方案如图2所示。

图2 机载模型监控的概念方案

其方法是：根据液压机械装置的相关特性，建立对象的线性模型，并根据控制带宽，忽略远在控制带宽之外的高阶环节，确定对应简化的实时模型，验证模型的误差。实时模型的相关参数预设公称值，并在发动机控制系统自检时进行辨识与更新，以便适应对象特性的分散性及性能衰减。实时模型、控制算法、监控算法经程序编码后，均在线运行于发动机电子控制器上。监控算法实时地比较模型输出和真实对象的输出，当真实对象出现异常或故障时，其输出参量将与模型输出参量出现差异，监控算法识别这些异常或故障，视情上报，并根据相关处置策略对控制算法进行修正或变更甚至补偿，以最大限度地防止功能失效或降级，达到容错运行的目的，从而提高控制系统的安全性和可靠性。

2 机载模型设计与实现

2.1 机载模型概述

航空发动机电液伺服系统的状态有正常、异常和故障3 种。当前电液伺服系统最常见的问题是由于污染、磨损等引起电液转换元件零偏漂移以及位置传感器反馈异常、管道泄漏等现象引起的被控对象位置跟踪异常。这些异常和故障不能很好地被检测、隔离或修正，因此易导致控制品质的降低、系统快速降级甚至失效等。

根据航空发动机电液伺服系统主要存在的异常和故障，本文研究的模型监控可监测如下异常或故障：（1）最大、最小位置范围；（2）速度增益；（3）跟踪误差；（4）电液转换元件零偏漂移。

同时，在设定的范围里，监控算法通过增加补偿电流或占空比来弥补电液转换元件零偏的漂移，通过调整伺服控制算法的增益来减小跟踪误差，从而提高电液伺服系统的容错能力。

2.2 机载模型设计

2.2.1 液压机械装置建模与仿真

根据某燃油计量装置（Fuel Metering Unit，FMU）相关元部件和结构参数，在AMESim 中建立全功能的模型，如图3 所示。并根据实物测试数据对该液压机械装置的模型进行校准。

图3 某FMU液压机械装置模型

2.2.2 从AMESim模型到实时模型

为使模型能够运行于电子控制器中，需要对AMESim 模型进行实时化，并根据控制带宽要求进行相应简化。由于电液伺服阀、LVDT、伺服阀驱动电路等元部件的带宽远超过电液伺服回路的控制带宽，可以用比例环节或小惯性环节来代替以简化模型。这样，以控制电流为输入，以计量活门位置为输出，模型中的主体部分用传递函数表示为

由于燃油计量装置在定压油下工作，且在实际工作时，伺服阀工作在零位的线性区域附近，因而该比例-积分-惯性组合的线性模型可适用对象的各种工况。模型中相关参数可根据AMESim 模型或实际测试结果确定。该传递函数在编程时通过差分方程予以实现，能够实时地运行于电子控制器中。燃油计量装置的伺服控制接口及以传递函数表征的实时模型建模设计如图4所示。

图4 FMU伺服控制接口及实时模型建模

对如图3、4 所示的模型进行编译和仿真运行，在斜坡和阶跃响应测试下，位置指令、传感器反馈位置和模型计算位置的曲线对比验证如图5 所示，传感器反馈位置与模型计算位置的差值如图6所示。

图5 斜坡及阶跃仿真时实时模型与AMESim模型对比

图6 实时模型与AEMSim模型计算位置的差值

从图6 中可见，实时模型计算的位置具备较好的精度，与AMESim 全功能模型相比，其动态（阶跃响应过程中）最大误差不超过0.14 mm（对应13 mm量程），约为1.1%FS.（Full Scale）；稳态误差最大不超过0.07 mm，约为0.06%FS.。监控算法阈值设置时，需包容模型自身的误差，一般不小于3 倍，并应根据实际情况来设置，避免虚警和漏检。

2.3 编程实现

实时化后，模型与监控算法均使用C 语言实现。根据条件，模型监控代码可以单独编制并分区存放；也可以与发动机控制中燃油计量控制程序一起编制。模型监控算法中主要用到的变量见表1，模型监控中异常/故障的状态码见表2。

模型监控程序分为2 部分，前者在发动机点火前运行1 次，主要实施电液伺服系统自检和模型监控相关参数的更新，其程序功能见表3；后者则在发动机点火后周期性运行，主要实施监控和补偿，其程序功能见表4。

表1 模型监控数据结构体中主要变量

表2 模型监控的状态码

表3 发动机点火前主要程序功能

3 测试验证

3.1 机载模型验证

模型有2 个主要参量：模型计算的位置值和伺服阀电流值。燃油计量装置在阶跃响应（与仿真位置指令值相同）下，位置指令、传感器反馈位置、模型计算的位置响应曲线如图7 所示，其误差见表5。从图中可见，与图5、6的仿真结果相差较小。

表4 发动机点火后主要程序功能

图7 阶跃控制时，模型计算位置与传感器反馈位置响应

表5 模型计算位置与传感器反馈位置的误差极值

3.2 监控算法的验证

在模型监控中，监控算法及对控制算法的修正和补偿试验结果见表6。

对伺服阀另一个线圈注入15 mA 电流（注：电流比例0～100%对应-40～+40 mA），模拟零偏电流漂移的异常状态，模型监控算法的异常监测和自动补偿的过程如图8 所示。从图中可见，当伺服阀零位出现较大的漂移时，位置控制静差将逐渐加大，模型计算的电流值也与实际控制电流值出现差异，满足算法设置条件后，监控算法确认零偏电流异常，并立刻进行了自动补偿，从而消除了位置控制的静差，实现了容错运行。