李存LI Cun

（中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306）

0 引言

核心机试车台主要用于模拟核心机在整机状态下的进口环境条件，尽可能地逼近核心机真实工作状态。试验过程中，需模拟核心机对应整机状态下的不同工况需求，并且在一定流量、压力、温度范围内，确保进气压力、温度的控制精度。因此，开展核心机加温加压进气压力控制技术研究，掌握核心机进气压力的控制模型与实现方法，以便获得更加准确的核心机试验进气环境模拟条件。国内早期主要通过高空模拟试车台开展核心机试验，但其试验成本高，开展核心机加温加压试验的效率不高，近几年，国内也开始建设专用的核心机试车台。国外各高空台均针对进气温度、压力控制开展了大量的技术研究工作，其中美国AEDC 和德国斯图加特大学SATF 高空台研究最为深入和系统，对整个进气系统进行了建模仿真，基于模型针对进气系统压力开展了压力自适应控制技术研究[1]。本文基于某核心机试车台进气系统的调试和使用情况，开展核心机加温加压进气压力控制技术研究工作，主要包括核心机进气压力的物理模型建立过程、控制策略以及影响因素分析，从而为优化进气系统压力控制过程提供基础，提高核心机试验效率。

1 核心机试车台设备组成与工艺原理

核心机试车台在开展加温加压进气试验时，由气源系统提供具有一定温度和压力的压缩空气，此压缩空气一部分经过水冷换热器冷却形成冷支路，另一部分不经过水冷换热器冷却形成热支路，通过自动调节冷、热支路空气的掺混比例实现进气温度调节，调温掺混后的压缩空气通过自动调压系统实现进气压力调节，完成调温和调压后的空气经过整流室后进入核心机，以满足核心机加温加压进气试验需求。

典型的核心机试车台工艺原理如图1 所示。

图1 典型核心机试车台工艺原理图

2 建立进气系统物理模型

2.1 容腔模型

核心机试车台进气系统容腔结构简图如图2 所示，该腔有一路进气和两路排气，两路排气的流量由调节阀1 和调节阀2 来控制。其中，T，p，m˙，C 分别表示气体的温度、压力、质量流量和平均气流速度，Q 表示通过容腔管壁传递的热量，V 表示容腔的体积。

图2 进气系统容腔控制体示意图

针对进气系统容腔模型，其温度和压力非线性微分方程可表达如下[2]：

2.2 调节阀流量模型

核心机试车台进气系统进行压力调节时，主要通过进气压力调节阀实现。进气压力调节阀可选液压蝶阀，通过调试试验可获得调节阀流量特性与阀门开度关系。其流量公式可表达如下：

其中，P1为阀前压力，dP 为阀前阀后压差，Cv 为流量系数。

阀门开度0~100%对应电流信号为4mA~20mA，线性对应关系，而阀门开度与流量系数Cv 的对应关系为非线性的，通过函数拟合可得。而由阀门流量公式可知，调节阀1 和调节阀2 的流量特性函数是非线性的，与阀前和阀后压力直接相关，但在某一稳态工作状态，调节阀开度与流量的传递函数是可以得到，将其定义为Gv。

2.3 传感器增益

核心机试车台进气系统采用的压力传感器测量范围为0~600kPa，实际上压力传感器首先将测量的压力信号转换为电流信号，然后再将电流信号转换为0～32000 的数字信号，定义压力信号到数字信号的增益为Kf，Kf=，实际中，压力控制器的输出的是0～32000 的数字信号，经过D /A 转换为0～20mA 的模拟电流信号作为阀门控制的指令信号，而指令信号对应阀门开度0~100%的位置信号，因此定义控制器输出到阀门开度信号的增益为。

3 PI 控制器设计策略

3.1 PID 控制原理

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID 的控制器的控制规律为

式中kp为比例系数，TI为积分时间常数。

PID 控制器各校正环节的作用如下[3]：

①比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。

②积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之越强。

③微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差I 信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，以减小调节时间。一般通过比例环节和积分环节的调节可实现控制目标时，通常不会引入微分环节，以降低PID 控制器的设计难度。

根据已建立的进气系统物理模型，可得进气系统的PI 控制器设计框图如3 所示，其中pset为进气压力设定值。

图3 进气压力调节PI 控制框图

3.2 PID 控制器设计原理

传统的PI 控制器设计是基于系统某一稳态工作点的线性模型设计最优PI 控制器，用设计好的PI 控制器去控制非线性系统，这种设计方法的弊端是设计出的PI 控制器不能保证系统在整个工作包线内均具有良好的控制效果。

核心机试车台采用变PID 参数控制的设计思路，在进气系统调试过程中，对于不同的进气流量和压力的工况，单一的PID 参数无法适用所有工况条件。因此，在进气系统压力控制策略设计与验证时，需设定不同调试工况进行PID 参数调整与寻优试验，并通过对增益P 值进行二维函数编辑，以实现在不同工况条件下的进气压力高精度自动调节。

进气调压系统变PID 参数整定过程如下：

①选定不同组合的进气压力和流量调试工况点，所选的工况点应能覆盖所有可能的工况条件，包括高压力-小流量，高压力-大流量，低压力-小流量，低压力-大流量。

②在调试工况点，对压力调节阀的PID 参数进行整定，获得每组工况下对应的最优PID 整定参数，形成PID整定参数数组，主要是P 值和I 值，通常可不进行D 值的参数配置。

③基于上述PI 整定参数数组，进行PI 参数最优配置。进气压力的控制与目标压力值和流量相关，而流量对应调压阀的开度，故对PI 整定参数数组进行函数拟合，获得变PI 调节参数。

以P 值为例，P 值的二维函数的计算公式如下：

其中，A、B、C、D 为常数，通过调试验证获得；P 值计算二维函数曲线如图4 所示。

图4 进气压力调节P 值二维函数

4 进气压力控制的影响因素分析

4.1 高性能调压阀选型与压力调节性能验证

为实现核心机进口压力的高精度自动控制，调节阀的选型至关重要，实现核心机进口压力高精度控制的硬件基础，直接关系到控制目标是否可达成。对标进气压力稳态控制精度的目标，可选用高性能液压蝶阀作为调压阀，机械步长不小于3000 步，配置定位器精度高于0.1%。在设备正式投入使用前，需对调压阀的压力调节分辨率的进行验证如下：①通过调节阀1 建立一定进气流量，比如30kg/s和60kg/s；②记录当前阀门位置Q1 与进气压力值P1；③手动调节调压阀，动作10 个步长，调节至阀门位置Q2，阀门开度调节幅度10/3000*100%=0.33%，记录阀门位置Q2；④记录调节阀1 的阀门位置Q2 对应的进气压力值P2。

经调试验证，在进气流量30kg/s 的工况条件下，调节阀1 的压力调节分辨率为0.1%。另外，调节阀在不同工况下对应得开度需在蝶阀最佳调节区间15%~80%的范围。（表1）

表1 调节阀1 的压力调节分辨率调试结果

4.2 进气压力控制的解耦

在核心机加温加压试验过程中，气源系统提供恒压定流量的稳定供气，在进气压力调节过程中，调压阀的动作势必会造成对整个系统的扰动，造成气源压力调节和核心机试车台进气系统压力调节的耦合。核心机试车台进气系统通过设定放气流量支路，核心机进气压力调节时，进气压力调节阀1 基于核心机进口压力进行反馈调节，而放气支路调节阀2 基于进气系统文丘里流量管处的压差进行反馈调节，以维持气源系统供气总流量不变，避免两个调节阀出现耦合，从而保证整个大系统在压力调节过程中的稳定性。进气压力控制解耦控制反馈逻辑如图5 所示。

图5 进气压力控制反馈解耦逻辑示意图

5 总结

本文针对某核心机试车台进气系统的进气压力控制过程进行了物理建模，包括进气系统容腔建模、调节阀流量特性建模，传感器建模，并基于对进气压力的控制策略进行了研究，尤其是PI 控制器设计方面，介绍了PI 控制的实现过程及最优控制的调试验证方法，分析了进气压力控制的影响因素，为实现核心机加温加压进气高精度控制提供参考，优化核心机试验过程。