航空發(fā)動(dòng)機高速電磁閥控制模式分析研究

　　高速電磁閥是航空發(fā)動(dòng)機實(shí)現電子控制部件，工程應用中通常采用定頻與變頻兩種驅動(dòng)方式，而應對控制效果方面進(jìn)行對比研究。為比較兩種方式對系統控制的影響，為相關(guān)控制模式選型提供參考，在A(yíng)MESim 環(huán)境下建立了電磁閥及典型航空發(fā)動(dòng)機機械液壓主燃油流量控制系統的數學(xué)模型，運用數字仿真方法，研究了定頻變占空比及變頻變占空比兩種驅動(dòng)控制模式對系統性能的影響，以及定頻控制模式下不同頻率對系統性能的影響。結果表明： 變頻控制方式在快速性方面優(yōu)于定頻控制，其它性能相當。定頻控制模式下，驅動(dòng)頻率增加，系統響應的超調量減小但響應速度變慢； 驅動(dòng)頻率降低，系統的響應速度變快但超調量增大。

1、引言

　　高速占空比電磁閥作為航空發(fā)動(dòng)機電子控制系統的電-液轉換裝置，是電子控制器的關(guān)鍵執行元件。國外某型渦扇發(fā)動(dòng)機機械液壓- 模擬電子控制系統所用的電磁閥采用頻率隨占空比按照一定規律變化的驅動(dòng)控制模式，而我國同類(lèi)電磁閥的驅動(dòng)控制方式為： 頻率為固定的40Hz，僅通過(guò)調節占空比來(lái)實(shí)現對流量和壓力的控制。

　　國外早在50 年代末就開(kāi)始了電磁閥的研制工作，但在1975 年以前只限于實(shí)驗室研究。高速電磁閥自二十世紀七十年代問(wèn)世以來(lái)，國內外許多廠(chǎng)家、公司，競相研制出不少的型式結構，對高速電磁閥的研究和應用已經(jīng)成為液壓界的一個(gè)重要課題。與國外相比，我國的高速電磁閥的開(kāi)發(fā)研究工作起步相對較晚，有關(guān)高速電磁閥的研究始于二十世紀八十年代后期，所開(kāi)展的工作大致可以分為兩個(gè)方面，即一方面是跟蹤國外的研究，探索電磁閥實(shí)現快速響應的基本理論；另一方面則是自主或合作開(kāi)發(fā)高速電磁閥樣機及與之配套的驅動(dòng)控制裝置。

　　鑒于國內外在兩種不同控制方式對系統控制的影響的比對方面缺少相關(guān)研究，本文針對某型渦扇發(fā)動(dòng)機用高速電磁閥的不同控制模式，結合典型的航空發(fā)動(dòng)機燃油控制系統，利用AMESim 的系統建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析功能，在A(yíng)MESim 環(huán)境下建立了某型發(fā)動(dòng)機控制系統中的高速電磁閥及典型航空發(fā)動(dòng)機機械液壓主燃油流量執行機構的數學(xué)模型，在此基礎上對模型進(jìn)行仿真分析。最后，針對仿真結果中兩種不同控制模式對發(fā)動(dòng)機性能影響情況進(jìn)行分析比較，掌握了這兩種控制模式的工作特點(diǎn)及對航空發(fā)動(dòng)機性能的影響。為工程實(shí)踐中航空發(fā)動(dòng)機高速電磁閥控制模式的研究及選型提供了相關(guān)依據，具有一定的工程應用參考價(jià)值。

2、高速電磁閥的工作原理及特性

　　2. 1、高速電磁閥及其驅動(dòng)信號介紹

　　高速電磁閥為快速響應式開(kāi)關(guān)電磁閥，在機電液一體化系統中是電子與機械液壓機構間理想的接口元件。其基本工作狀態(tài)是： 閥全開(kāi)或閥全關(guān)兩種狀態(tài)。通過(guò)改變“單位時(shí)間”內的閥全開(kāi)時(shí)間與閥全關(guān)時(shí)間的比例，即可實(shí)現對“單位時(shí)間”內的介質(zhì)通過(guò)量進(jìn)行控制�？紤]到如此工作方式將對系統產(chǎn)生較大的間歇式液壓沖擊作用，工程中將此“單位時(shí)間”取的較短，例如： “單位時(shí)間”= 1 /40 秒。也即，閥在1 /40 秒的時(shí)間內即完成了開(kāi)、關(guān)這兩種工作狀態(tài)，且“開(kāi)”持續時(shí)間與“關(guān)”持續時(shí)間的比值受電磁閥驅動(dòng)信號控制———實(shí)現對通過(guò)該閥介質(zhì)流量的控制； 下一個(gè)周期( 1 /40 秒) 占空比可以是另一個(gè)值。這就是該閥的“變占空比”概念。顯然，在“占空比”不變的情況下，“單位時(shí)間”的改變，也會(huì )對所通過(guò)的流量產(chǎn)生一定的影響。“單位時(shí)間”在此被稱(chēng)為“工作頻率”。因此，對高速通/斷式電磁閥的控制，可以采用定頻率、變占空比控制和變頻率、變占空比混合調制等工作方式。常用其實(shí)現對壓力、流量的控制。額定流量和動(dòng)作時(shí)間是衡量此類(lèi)電磁閥的重要指標，其直接影響系統的穩定性和可控性，電磁閥的額定流量越大，響應時(shí)間越快，但系統的控制精度和穩定性會(huì )較差。這種電磁閥具有結構緊湊、體積小、重量輕、動(dòng)作準確、內泄漏小、抗污染能力強等特點(diǎn)。近年來(lái)，高速電磁閥在航空發(fā)動(dòng)機控制系統中的應用日趨廣泛。

　　本文所研究的高速電磁閥的驅動(dòng)電流采用了階梯波疊加三角顫振波的形式，階梯波形使得在不降低安全系數的條件下，電磁活門(mén)的功耗大幅度降低，并且溫升小，效率高； 而三角顫振波減小了電磁活門(mén)的摩擦滯環(huán)，對提高電磁閥的響應速度和控制精度十分有益。典型驅動(dòng)電流波形示意圖見(jiàn)圖1。圖1 中I1表示開(kāi)啟電磁閥的電流，I2表示維持電磁閥處于開(kāi)啟狀態(tài)的電流。

圖1 高速電磁閥驅動(dòng)電流波形

　　2. 2、高速電磁閥的結構及工作原理

　　高速電磁閥只有ON、OFF 兩種工作狀態(tài)，其開(kāi)關(guān)靠高低電平來(lái)驅動(dòng)，主要有擋板活門(mén)、活門(mén)彈簧、活門(mén)墊圈、鐵芯彈簧、線(xiàn)圈組件、鐵芯組件、殼體組件等組成，其基本結構如圖2所示。

圖2 高速電磁閥結構簡(jiǎn)圖

　　在線(xiàn)圈7 兩端施加驅動(dòng)電流后，根據電磁感應原理，線(xiàn)圈中的電流會(huì )引起周?chē)�磁�?chǎng)的變化，可動(dòng)鐵芯15 在磁場(chǎng)力的作用下克服鐵芯彈簧5的彈力而向右運動(dòng)，噴嘴擋板活門(mén)16 在活門(mén)彈簧3 回復力的作用下向右運動(dòng)，擋板活門(mén)16 打開(kāi)。當線(xiàn)圈7 中的電流小于臨界值時(shí)，鐵芯15 所受磁場(chǎng)力不足以克服鐵芯彈簧力，在鐵芯彈簧力的作用下鐵芯向左移動(dòng)，擋板活門(mén)16 關(guān)閉。正常工作時(shí)，在控制信號的作用下，噴嘴擋板閥持續進(jìn)行開(kāi)、關(guān)動(dòng)作，其出口的介質(zhì)流量也呈現相應的脈動(dòng)。因此閥的流量為一脈動(dòng)的平均流量，占空比越大，噴嘴擋板閥打開(kāi)的時(shí)間越長(cháng)，流量也越大。工作頻率越高，則受控介質(zhì)脈動(dòng)量越小，流量也就越接近平均流量。

5、結論

　　本文在A(yíng)MESim 軟件平臺上建立了某型航空發(fā)動(dòng)機電子控制系統的電液轉換裝置中高速電磁閥的模型，并結合主燃油系統模型進(jìn)行了仿真研究，仿真結果為工程實(shí)踐中航空發(fā)動(dòng)機高速電磁閥控制模式的研究及選型提供了相關(guān)依據，具有一定的工程應用參考價(jià)值。仿真結果表明，定頻變占空比控制具有較小的超調量，而變頻變占空比控制具有較快的響應速度。定頻時(shí)，隨著(zhù)頻率的增大，系統的超調量減小，但是響應速度變慢； 頻率降低時(shí)系統的響應速度加快，但是超調量增大，而且系統響應達到穩態(tài)所需時(shí)間較長(cháng)。所建數學(xué)模型具有良好的動(dòng)靜態(tài)精度，仿真結果也具有較高的置信度。通過(guò)分析比較兩種控制方式的不同，可以對航空發(fā)動(dòng)機控制方式特別是高速電磁閥控制方式的設計與調試提供指導。分析結果可為航空發(fā)動(dòng)機控制器的設計提供有價(jià)值的參考。