航空发动机高速电磁阀控制模式分析研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北工业大学动力与能源学院 作者:王秋霞

  高速电磁阀是航空发动机实现电子控制部件,工程应用中通常采用定频与变频两种驱动方式,而应对控制效果方面进行对比研究。为比较两种方式对系统控制的影响,为相关控制模式选型提供参考,在AMESim 环境下建立了电磁阀及典型航空发动机机械液压主燃油流量控制系统的数学模型,运用数字仿真方法,研究了定频变占空比及变频变占空比两种驱动控制模式对系统性能的影响,以及定频控制模式下不同频率对系统性能的影响。结果表明: 变频控制方式在快速性方面优于定频控制,其它性能相当。定频控制模式下,驱动频率增加,系统响应的超调量减小但响应速度变慢; 驱动频率降低,系统的响应速度变快但超调量增大。

1、引言

  高速占空比电磁阀作为航空发动机电子控制系统的电-液转换装置,是电子控制器的关键执行元件。国外某型涡扇发动机机械液压- 模拟电子控制系统所用的电磁阀采用频率随占空比按照一定规律变化的驱动控制模式,而我国同类电磁阀的驱动控制方式为: 频率为固定的40Hz,仅通过调节占空比来实现对流量和压力的控制。

  国外早在50 年代末就开始了电磁阀的研制工作,但在1975 年以前只限于实验室研究。高速电磁阀自二十世纪七十年代问世以来,国内外许多厂家、公司,竞相研制出不少的型式结构,对高速电磁阀的研究和应用已经成为液压界的一个重要课题。与国外相比,我国的高速电磁阀的开发研究工作起步相对较晚,有关高速电磁阀的研究始于二十世纪八十年代后期,所开展的工作大致可以分为两个方面,即一方面是跟踪国外的研究,探索电磁阀实现快速响应的基本理论;另一方面则是自主或合作开发高速电磁阀样机及与之配套的驱动控制装置。

  鉴于国内外在两种不同控制方式对系统控制的影响的比对方面缺少相关研究,本文针对某型涡扇发动机用高速电磁阀的不同控制模式,结合典型的航空发动机燃油控制系统,利用AMESim 的系统建模、仿真及动力学分析功能,在AMESim 环境下建立了某型发动机控制系统中的高速电磁阀及典型航空发动机机械液压主燃油流量执行机构的数学模型,在此基础上对模型进行仿真分析。最后,针对仿真结果中两种不同控制模式对发动机性能影响情况进行分析比较,掌握了这两种控制模式的工作特点及对航空发动机性能的影响。为工程实践中航空发动机高速电磁阀控制模式的研究及选型提供了相关依据,具有一定的工程应用参考价值。

2、高速电磁阀的工作原理及特性

  2. 1、高速电磁阀及其驱动信号介绍

  高速电磁阀为快速响应式开关电磁阀,在机电液一体化系统中是电子与机械液压机构间理想的接口元件。其基本工作状态是: 阀全开或阀全关两种状态。通过改变“单位时间”内的阀全开时间与阀全关时间的比例,即可实现对“单位时间”内的介质通过量进行控制。考虑到如此工作方式将对系统产生较大的间歇式液压冲击作用,工程中将此“单位时间”取的较短,例如: “单位时间”= 1 /40 秒。也即,阀在1 /40 秒的时间内即完成了开、关这两种工作状态,且“开”持续时间与“关”持续时间的比值受电磁阀驱动信号控制———实现对通过该阀介质流量的控制; 下一个周期( 1 /40 秒) 占空比可以是另一个值。这就是该阀的“变占空比”概念。显然,在“占空比”不变的情况下,“单位时间”的改变,也会对所通过的流量产生一定的影响。“单位时间”在此被称为“工作频率”。因此,对高速通/断式电磁阀的控制,可以采用定频率、变占空比控制和变频率、变占空比混合调制等工作方式。常用其实现对压力、流量的控制。额定流量和动作时间是衡量此类电磁阀的重要指标,其直接影响系统的稳定性和可控性,电磁阀的额定流量越大,响应时间越快,但系统的控制精度和稳定性会较差。这种电磁阀具有结构紧凑、体积小、重量轻、动作准确、内泄漏小、抗污染能力强等特点。近年来,高速电磁阀在航空发动机控制系统中的应用日趋广泛。

  本文所研究的高速电磁阀的驱动电流采用了阶梯波叠加三角颤振波的形式,阶梯波形使得在不降低安全系数的条件下,电磁活门的功耗大幅度降低,并且温升小,效率高; 而三角颤振波减小了电磁活门的摩擦滞环,对提高电磁阀的响应速度和控制精度十分有益。典型驱动电流波形示意图见图1。图1 中I1表示开启电磁阀的电流,I2表示维持电磁阀处于开启状态的电流。

高速电磁阀驱动电流波形

图1 高速电磁阀驱动电流波形

  2. 2、高速电磁阀的结构及工作原理

  高速电磁阀只有ON、OFF 两种工作状态,其开关靠高低电平来驱动,主要有挡板活门、活门弹簧、活门垫圈、铁芯弹簧、线圈组件、铁芯组件、壳体组件等组成,其基本结构如图2所示。

高速电磁阀结构简图

图2 高速电磁阀结构简图

  在线圈7 两端施加驱动电流后,根据电磁感应原理,线圈中的电流会引起周围磁场的变化,可动铁芯15 在磁场力的作用下克服铁芯弹簧5的弹力而向右运动,喷嘴挡板活门16 在活门弹簧3 回复力的作用下向右运动,挡板活门16 打开。当线圈7 中的电流小于临界值时,铁芯15 所受磁场力不足以克服铁芯弹簧力,在铁芯弹簧力的作用下铁芯向左移动,挡板活门16 关闭。正常工作时,在控制信号的作用下,喷嘴挡板阀持续进行开、关动作,其出口的介质流量也呈现相应的脉动。因此阀的流量为一脉动的平均流量,占空比越大,喷嘴挡板阀打开的时间越长,流量也越大。工作频率越高,则受控介质脉动量越小,流量也就越接近平均流量。

5、结论

  本文在AMESim 软件平台上建立了某型航空发动机电子控制系统的电液转换装置中高速电磁阀的模型,并结合主燃油系统模型进行了仿真研究,仿真结果为工程实践中航空发动机高速电磁阀控制模式的研究及选型提供了相关依据,具有一定的工程应用参考价值。仿真结果表明,定频变占空比控制具有较小的超调量,而变频变占空比控制具有较快的响应速度。定频时,随着频率的增大,系统的超调量减小,但是响应速度变慢; 频率降低时系统的响应速度加快,但是超调量增大,而且系统响应达到稳态所需时间较长。所建数学模型具有良好的动静态精度,仿真结果也具有较高的置信度。通过分析比较两种控制方式的不同,可以对航空发动机控制方式特别是高速电磁阀控制方式的设计与调试提供指导。分析结果可为航空发动机控制器的设计提供有价值的参考。

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