燃油调节器计量活门自抗扰控制_陈波.pdf

收稿日期：2021-03-01基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：陈波（1995），男，在读硕士研究生。引用格式：陈波，姚凯学，张庆铭，等.燃油调节器计量活门自抗扰控制J.航空发动机，2023，49（3）：133-139.CHEN Bo，YAO Kaixue，ZHANG Qingming，et al.Research on active disturbance rejection control of a fuel regulator metering valveJ.Aeroengine，2023，49（3）：133-139.燃油调节器计量活门自抗扰控制陈波1，姚凯学1，张庆铭2，王洋3（1.贵州大学 计算机科学与技术学院，贵阳 550025；2.贵州民族大学 数据科学与信息工程学院，贵阳 550025；3.中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵阳 550009）摘要：为了消除某型燃油调节器计量活门控制系统受燃油油压扰动以及元件老化等因素的影响而导致计量活门位置控制所受干扰，根据燃油调节器计量活门控制系统工作原理，采用机理建模的方法建立动力学方程；采用自抗扰控制方法对计量活门位置进行控制，将燃油扰动等引起的非线性项集成为总扰动，设计线性扩张状态观测器进行实时观测并主动补偿；使用Matlab/Simulink工具搭建仿真模型进行分析，将所提出的控制器与PI控制器进行比较。结果表明：在跟踪5 mm平滑输入，一定燃油阶跃扰动情况下，自抗扰控制和PI控制的最大绝对误差分别为3.7645910-4和8.2031510-3，均方差分别为1.7859310-6和5.1283510-5。在跟踪正弦函数输入，一定燃油正弦扰动情况下，自抗扰控制和PI控制的最大绝对误差分别为2.6261110-3和9.0382310-3，均方差分别是5.7140310-4和7.7730610-3。所设计的控制器能有效估计并补偿扰动，比PI控制器具有更强的抗燃油扰动能力，鲁棒性更强，提高了计量活门位置控制精度。可为后续的抗扰动控制算法改进和后续试验研究提供思路及理论指导。关键词：计量活门；燃油扰动；液压控制系统；自抗扰控制；液压仿真；航空发动机中图分类号：V235.1文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2023.03.017Research on Active Disturbance Rejection Control of a Fuel Regulator Metering ValveCHEN Bo1，YAO Kai-xue1，ZHANG Qing-ming2，WANG Yang3（1.School of Computer Science and Technology，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.School of Data Science and Information Engineering，Guizhou Minzu University，Guiyang 550025，China；3.AECC Guizhou Honglin Aero-engine Control Technology Corporation LTD.，Guiyang 550009，China）Abstract：The control system of the metering valve of a fuel regulator was affected by the disturbance of fuel oil pressure and aging ofcomponents，which led to the interference of the metering valve position control.In order to eliminate the disturbance，the dynamic equation was established by mechanism modeling according to its working principle.Active Disturbance Rejection Control（ADRC）was proposed to control the position of metering valve，and the nonlinear items caused by fuel disturbance were integrated into the total disturbance，and then a linear extended state observer was designed for real-time observation and active compensation.Finally，MATLAB/Simulink tool was used to build a simulation model for analysis，and the proposed controller was compared with the PI controller.The results show that the maximum absolute errors of ADRC and PI control are3.7645910-4and 8.2031510-3，and the mean square errors are1.7859310-6and 5.1283510-5respectively，under the condition of tracking the smooth input of 5 mm and certain fuel step disturbance.The maximum absolute errors of ADRC and PI control are 2.6261110-3and 9.0382310-3，and the mean square error is 5.7140310-4and7.7730610-3respectively，in the case of tracking sine disturbance.The designed controller can effectively estimate and compensate thedisturbance，has a stronger fuel disturbance rejection ability，and is more robust than the PI controller，thus improving the accuracy of metering valve position control.It provides ideas for the subsequent improvement of anti-disturbance control algorithm and provides guidancefor subsequent experimental research，which has a certain theoretical significance.Key words：metering valve；fuel disturbance；hydraulic control system；ADRC；hydraulic simulation；aeroengine航空发动机Aeroengine0引言随着现代作战环境的日益复杂，对军用航空发动机的燃油控制精度要求越来越高。而燃油控制精度与计量活门位置密切相关，计量活门作为燃油系统中燃油流量计量的重要部件，对其位置的精确控制至关第 49 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.49 No.3Jun.2023航空发动机第 49 卷重要。某型燃油调节器由电子控制器、伺服阀、计量活门和压差活门组成，由于燃油流场的复杂性、计量活门元件老化和工作环境等因素导致计量活门位置控制性能降低。研究此液压控制系统燃油流量的精确性在工程应用上具有重要意义。液压控制系统是非线性控制系统，众多学者分别从液压位置控制的精确性、鲁棒性和自适应性进行了研究。李建雄等1针对不可测状态和未知外负载力的冷带轧机液压伺服位置系统，提出一种基于未知输入观测器的鲁棒输出反馈控制方法；Yang等2针对双杆液压伺服系统的高精度运动跟踪控制，提出了一种基于辅助误差信号的鲁棒控制方法和一种自适应控制策略，所设计的控制器不需要总扰动边界的先验知识，鲁棒控制律的增益可以自行调整；Wang等3提出了一种基于扩展状态观测器的液压阀控单杆执行机构运动跟踪控制的非线性自适应控制方案，是一种估计和补偿失配扰动的方法，能有效补偿动力学的不确定性，对参数有自适应机制，进一步提高了跟踪性能；Yang等4针对液压伺服系统存在大量未知匹配和不匹配建模不确定性的情况，提出了一种非线性自适应输出反馈鲁棒控制器。对液压位置控制的研究成果斐然，但这些控制方法对系统模型精确程度依赖性较强，算法较复杂，故在工业领域较难应用。计量活门在航空发动机中具有重要作用，对计量活门的特性以及位置控制研究具有工程意义。相关文献对计量活门建立数学模型，分析动态特性与稳态精度5、使用AMESim建模与仿真6以及采用Matlab/Simulink进行仿真分析7。这些研究为计量活门位置控制器设计奠定了基础。本文依据燃油调节器的液压控制系统工作原理，建立动力学模型，分析燃油油压扰动9等因素对计量活门位置控制受扰动的影响。1某型燃油调节器工作原理某型燃油调节器的液压控制系统工作原理如图1所示。此系统为某型航空发动机2区加力燃油控制系统，主要由电子控制器、伺服阀、计量活门、指令活门和压差活门组成。为了保障飞机飞行的正常运行，当需要提供飞行所需的燃油时，液压控制系统开始工作。当需要2区供油时，其他控制系统计算出所需的燃油量，通过计量活门的活门特性能计算出计量活门参考位置输入，电子控制器利用计量活门位置反馈信号进行处理，发出控制电液伺服阀的控制信号，使电液伺服阀发出所需的控制油，通过控制油把计量活门位置精确控制到参考位置。计量活门主要起到计量燃油的作用。燃油在计量前称为计前油，在通过计量活门后称为计后油。计量活门主要由弹簧、滑阀、计量腔室和控制腔室组成。当需要提供燃油时，由控制伺服阀提供控制油，控制油通过控制管道进入计量控制腔，从而控制计量活门的滑阀的移动以达到控制燃油流量的作用。2数学模型根据计量活门控制原理，结合计量活门阀芯运动规律和伺服控制原理，建立系统动态数学模型，研究系统的动态特性。对于计量活门，燃油流量为Q=CdWy2(Pi-Pext)（1）式中：Cd为流量系数；W为滑阀阀芯面积梯度；y为计量活门位置；Pi为计前油压；Pext为计后油压；为航空燃油密度。在此型计量活门燃油计量中，压差活门保证计前油压与计后油压之差保持在1 MPa。由式（1）可知，在燃油压差均值为零的情况下，燃油流量Q与计量活门位置y成正比。因此，提高计量活门位置控制精度就能提高燃油计量精度。虽然压差活门保证了计前和计后燃油的压力恒定，但不能保证计量燃油在滑阀阀芯处恒压，阀芯处的压力在实际系统中无法测得。计量腔的燃油来自图1某型燃油调节器的液压控制系统工作原理输入信号电子控制器定压油控制油回油控制信号反馈信号电液伺服阀计前油指令活门计量活门回油压差活门计后油134陈波等：燃油调节器计量活门自抗扰控制第 3 期油箱通过燃油增压泵进行增压，增压之后的燃油通过燃油通道到达计量活门计量腔会有压力损失，且高压燃油流动容易有压力波动。压力波动很大程度上影响了计量活门计量的精确度，同时影响了计量活门响应的快速性。计量活门滑阀阀芯受到计后油与控制油的压差压力和弹簧力。当计量活门运动时，计量活门还应受到阻尼力作用。由计量活门动态力平衡得my?=(Pint-Pext)s-ky-y?（2）式中：