[发明专利]一种航空发动机燃油调节器机械液压装置的Simulink建模方法

摘要

本发明属于航空发动机机械液压装置建模技术领域，提出了一种航空发动机燃油调节器机械液压装置的Simulink建模方法，该Simulink建模方法能够实现发动机燃调系统机械液压装置的高精度仿真，和以往的AMESim中的建模仿真相比，仿真速度大大提升；并且解决了机械液压装置在Simulink中建模时出现的双层嵌套代数环问题，提高了系统的仿真精度；此外，双层嵌套代数环问题的拆解方法具有一定的普适性，可以推广到其他类型的代数环问题；同时，本发明提供的仿真模型参数修改方便，可为其他型号的发动机燃调系统机械液压装置的建模仿真提供参考。

主权项

1.一种航空发动机燃油调节器机械液压装置的Simulink建模方法，其特征在于，步骤如下：S1 采用解析法，对发动机燃调系统机械液压装置中的主压差控制回路进行建模，主压差控制回路包括计量活门、回油活门以及压差活门；机械液压装置主压差控制回路建模步骤如下：S1.1 首先确定计量活门的输入和输出参数，输入参数包括计量活门流量Qjiliang、计量活门期望位移ExDisp、燃油密度Density和计量活门后油压Pout_JL，输出参数包括计量活门位移Disp、计量活门前油压Pin_JL和计量活门流量FUEL_Supply；S1.2 计量活门内部包括位移计算模块和压力计算模块，将计量活门期望位移ExDisp输入到位移计算模块，经过PID控制得到电液伺服阀电流输入信号，再根据电液伺服阀输入输出特性得到输出流量，将输出流量与面积作比得到计量活门移动速度，再通过积分环节得到活门位移；对于压力计算模块，根据质量流量公式：得到其中：Q为计量活门燃油质量流量，u是流量系数，A为计量活门流通面积，ΔP为计量活门前后压差，ρ为燃油密度；S1.3 确定回油活门的输入和输出参数，输入参数包括齿轮泵后油压P₁、压差活门输出油压P₂、停车活门后油压P_2P、齿轮泵供油量Q_chilunbeng和燃油密度Density，输出参数包括回油活门回油量Q_huiyou、回油活门位移X和计量活门流量Q_jiliang；S1.4 回油活门内部包括位移计算模块和流量计算模块，位移计算公式如下：X＝X₁+X₂其中，X为回油活门的位移，X₁为回油活门左弹簧位移，X₂为回油活门中弹簧位移，而对于左弹簧，有P₁*A₁+P_2P*A₂‑P_2P*A₃‑P₂*A₄＝K₂*(X₂+X₂₀)对于中弹簧，有P₁*A₅‑P_2P*A₅＝K₁*(X₁+X₁₀)其中，P₁为计量活门前油压，即齿轮泵后油压；A₁为齿轮泵油作用面积，P_2P为停车活门后油压；A₂为左弹簧腔左侧作用面积，A₃为中弹簧右侧作用面积，P₂为压差活门输出油压，A₄为左弹簧腔作用面积，A₅为中弹簧等效作用面积，K₁为中弹簧劲度系数，X₁₀为中弹簧初始压缩量，K₂为左弹簧劲度系数，X₂₀为左弹簧初始压缩量；S1.5 由位移计算模块输出的回油活门总位移计算得到回油活门流通面积，然后代入质量流量公式得到回油活门回油量，齿轮泵后总流量减去回油量即为计量活门燃油流量；S1.6 确定压差活门的输入和输出参数，输入参数包括齿轮泵后油压P₁和压差活门弹簧腔油压P_tanhuangqiang，输出参数为压差活门控制油油压P₂；S1.7 压差活门计算主要分为弹簧压缩模块和压力计算模块，其中，弹簧压缩模块数学模型为：P₁*S₁+P_tan*(S₄‑S₂‑S₃)+P₂*S₅+K₁*(X‑0.0001)*(X≥0.0001)+f₁₀‑f₂₀＝(K₁+K₂)*X其中：P_tan为压差活门弹簧腔油压，f₁₀为压差活门波纹管预紧力，f₂₀为压差活门弹簧预紧力，S₁为波纹管油液作用面积，S₂为弹簧腔油液作用面积，S₃为喷嘴挡板上端低压油作用面积，S₄为喷嘴挡板下端低压油作用面积，S₅为控制油作用面积，K₂为弹簧劲度系数，K₁为波纹管劲度系数，压力计算模块的主要建模依据是分压公式：其中：S₆为计量活门前油液作用面积，S₇为弹簧腔油液作用面积；S1.8 在计量活门和压差活门模块中加入位移‑面积插值表，并根据计量活门、回油活门和压差活门的结构原理，将三个活门的输入输出相连接，组成主压差控制回路；机械液压装置主油路建模步骤如下：S1.9 根据主油路流量流动方向，确定主油路组成模块，包括齿轮泵、回油活门、计量活门、高压关断活门、节流喷嘴和燃烧室；S1.10 根据主油路流量方程，由压差的逆推思想，确定各个模块的流量压差方程，并在Simulink中实现；S1.11 高压关断活门的数学模型，除质量流量方程外，还包括位移计算模块，其上腔油液作用压力为：其中：P_B为高压关断活门入口油压，D_P为活门上腔直径，D_R为活门上腔杆径，在平衡状态下，油液压力与弹簧力满足方程：F_I＝P_sp*A_L+K_s*X+F₀其中：A_L为弹簧腔油液作用面积，P_sp为弹簧腔油压，F₀为弹簧预紧力，K_s为弹簧劲度系数，X为弹簧位移，即高压关断活门位移，再由位移‑面积插值表得到高压关断活门流通面积，反馈到压力计算模块的质量流量方程中；机械液压装置中其他元部件建模步骤如下：S1.12 选择Swich模块实现停车活门工作状态的切换：当停车活门输入信号为0，输出低压油至高压关断活门弹簧腔，高压关断活门打开，正常工作；当停车活门输入信号大于0，输出为高压油至高压关断活门弹簧腔，高压关断活门关闭，燃调系统停车；S1.13 选择Swich模块实现超转保护装置工作状态的切换：当超转信号为0，即发动机正常工作时，超转保护装置不动作，直接将转换活门后控制油输入到压差活门弹簧腔；当发动机超转，超转信号不为0时，超转保护装置将低压油接入压差活门弹簧腔，导致计量活门流量减小，实现超转保护功能；S1.14 选择Swich模块来实现转换活门工作状态的切换：非停车状态时，转换活门上下腔都与油箱连通，故输出低压油至压差活门弹簧腔；停车状态时，转换活门下腔与高压油连通，此时根据分压公式，与压差活门分压原理相同，求得转换活门输出的油压；S2 根据流量方程，对机械液压装置燃油主油路，即由齿轮泵输出，经过计量活门、高压关断活门和节流喷嘴，流向燃油分配器的油路，根据压力逆推思想进行建模；S3 完成主压差控制回路和主油路建模后，继续在Simulink中搭建机械液压装置中其他元部件的模型，包括停车活门和转换活门；S4 针对模型仿真中出现的双层嵌套代数环问题，采用插入高频延迟环节的方法，对代数环进行拆解的同时，提高模型仿真速度和精度；拆解模型中双层嵌套代数环的步骤如下：S4.1 在高压关断活门内层反馈回路中插入形如的高频延迟环节，其中设置参数k₁使高压关断活门输出正确结果；S4.2 在压差活门内层反馈回路中插入形如的高频延迟环节，其中设置参数k₂使压差活门输出正确结果；S4.3 在计量活门外层控制回路中插入形如的高频延迟环节，其中设置参数k₃使计量活门控制回路输出正确结果；S4.4 调整参数k₁、k₂、k₃，使代数环内层频率高于外层频率，实现双层嵌套代数环的拆解，并调整至系统稳定运行且输出正确结果；S5.对照实际试车数据，对模型内PID模块及系统输入输出进行修正，实现航空发动机燃调系统机械液压装置的高精度仿真。