航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)電子控制部件，工程應(yīng)用中通常采用定頻與變頻兩種驅(qū)動(dòng)方式，而應(yīng)對(duì)控制效果方面進(jìn)行對(duì)比研究。為比較兩種方式對(duì)系統(tǒng)控制的影響，為相關(guān)控制模式選型提供參考，在AMESim 環(huán)境下建立了電磁閥及典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓主燃油流量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)字仿真方法，研究了定頻變占空比及變頻變占空比兩種驅(qū)動(dòng)控制模式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，以及定頻控制模式下不同頻率對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)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(dāng)。定頻控制模式下，驅(qū)動(dòng)頻率增加，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小但響應(yīng)速度變慢； 驅(qū)動(dòng)頻率降低，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快但超調(diào)量增大。
1、引言
高速占空比電磁閥作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的電-液轉(zhuǎn)換裝置，是電子控制器的關(guān)鍵執(zhí)行元件。國(guó)外某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓- 模擬電子控制系統(tǒng)所用的電磁閥采用頻率隨占空比按照一定規(guī)律變化的驅(qū)動(dòng)控制模式，而我國(guó)同類電磁閥的驅(qū)動(dòng)控制方式為： 頻率為固定的40Hz，僅通過調(diào)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)流量和壓力的控制。
國(guó)外早在50 年代末就開始了電磁閥的研制工作，但在1975 年以前只限于實(shí)驗(yàn)室研究。高速電磁閥自二十世紀(jì)七十年代問世以來，國(guó)內(nèi)外許多廠家、公司，競(jìng)相研制出不少的型式結(jié)構(gòu)，對(duì)高速電磁閥的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為液壓界的一個(gè)重要課題。與國(guó)外相比，我國(guó)的高速電磁閥的開發(fā)研究工作起步相對(duì)較晚，有關(guān)高速電磁閥的研究始于二十世紀(jì)八十年代后期，所開展的工作大致可以分為兩個(gè)方面，即一方面是跟蹤國(guó)外的研究，探索電磁閥實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的基本理論；另一方面則是自主或合作開發(fā)高速電磁閥樣機(jī)及與之配套的驅(qū)動(dòng)控制裝置。
鑒于國(guó)內(nèi)外在兩種不同控制方式對(duì)系統(tǒng)控制的影響的比對(duì)方面缺少相關(guān)研究，本文針對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)用高速電磁閥的不同控制模式，結(jié)合典型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)，利用AMESim 的系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析功能，在AMESim 環(huán)境下建立了某型發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的高速電磁閥及典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械液壓主燃油流量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。最后，針對(duì)仿真結(jié)果中兩種不同控制模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。為工程實(shí)踐中航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速電磁閥控制模式的研究及選型提供了相關(guān)依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)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(qū)動(dòng)信號(hào)介紹
高速電磁閥為快速響應(yīng)式開關(guān)電磁閥，在機(jī)電液一體化系統(tǒng)中是電子與機(jī)械液壓機(jī)構(gòu)間理想的接口元件。其基本工作狀態(tài)是： 閥全開或閥全關(guān)兩種狀態(tài)。通過改變“單位時(shí)間”內(nèi)的閥全開時(shí)間與閥全關(guān)時(shí)間的比例，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)“單位時(shí)間”內(nèi)的介質(zhì)通過量進(jìn)行控制�？紤]到如此工作方式將對(duì)系統(tǒng)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(nèi)即完成了開、關(guān)這兩種工作狀態(tài)，且“開”持續(xù)時(shí)間與“關(guān)”持續(xù)時(shí)間的比值受電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制———實(shí)現(xiàn)對(duì)通過該閥介質(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(duì)所通過的流量產(chǎn)生一定的影響。“單位時(shí)間”在此被稱為“工作頻率”。因此，對(duì)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(diào)制等工作方式。常用其實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量的控制。額定流量和動(dòng)作時(shí)間是衡量此類電磁閥的重要指標(biāo)，其直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性，電磁閥的額定流量越大，響應(yīng)時(shí)間越快，但系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性會(huì)較差。這種電磁閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、動(dòng)作準(zhǔn)確、內(nèi)泄漏小、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來，高速電磁閥在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣泛。
本文所研究的高速電磁閥的驅(qū)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(shù)的條件下，電磁活門的功耗大幅度降低，并且溫升小，效率高； 而三角顫振波減小了電磁活門的摩擦滯環(huán)，對(duì)提高電磁閥的響應(yīng)速度和控制精度十分有益。典型驅(qū)動(dòng)電流波形示意圖見圖1。圖1 中I1表示開啟電磁閥的電流，I2表示維持電磁閥處于開啟狀態(tài)的電流。
圖1 高速電磁閥驅(qū)動(dòng)電流波形
2. 2、高速電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理
高速電磁閥只有ON、OFF 兩種工作狀態(tài)，其開關(guān)靠高低電平來驅(qū)動(dòng)，主要有擋板活門、活門彈簧、活門墊圈、鐵芯彈簧、線圈組件、鐵芯組件、殼體組件等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 高速電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
在線圈7 兩端施加驅(qū)動(dòng)電流后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈中的電流會(huì)引起周圍磁場(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(yùn)動(dòng)，噴嘴擋板活門16 在活門彈簧3 回復(fù)力的作用下向右運(yùn)動(dòng)，擋板活門16 打開。當(dāng)線圈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16 關(guān)閉。正常工作時(shí)，在控制信號(hào)的作用下，噴嘴擋板閥持續(xù)進(jìn)行開、關(guān)動(dòng)作，其出口的介質(zhì)流量也呈現(xiàn)相應(yīng)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，噴嘴擋板閥打開的時(shí)間越長(zhǎng)，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(jié)論
本文在AMESim 軟件平臺(tái)上建立了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換裝置中高速電磁閥的模型，并結(jié)合主燃油系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果為工程實(shí)踐中航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速電磁閥控制模式的研究及選型提供了相關(guān)依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。仿真結(jié)果表明，定頻變占空比控制具有較小的超調(diào)量，而變頻變占空比控制具有較快的響應(yīng)速度。定頻時(shí)，隨著頻率的增大，系統(tǒng)的超調(diào)量減小，但是響應(yīng)速度變慢； 頻率降低時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，但是超調(diào)量增大，而且系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長(zhǎng)。所建數(shù)學(xué)模型具有良好的動(dòng)靜態(tài)精度，仿真結(jié)果也具有較高的置信度。通過分析比較兩種控制方式的不同，可以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式特別是高速電磁閥控制方式的設(shè)計(jì)與調(diào)試提供指導(dǎo)。分析結(jié)果可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。
