SIMJET微型涡喷发动机控制实践

收稿日期：２０２２－１１－０７基金项目：国家科技重大专项（Ｊ２０１９ Ｖ ０００３ ００９４）引用格式：王灿森，李睿超，赵万里，等．基于快速原型化的小型涡喷发动机起动过程控制［Ｊ］．测控技术，２０２４，４３（１）：５０－５４．ＷＡＮＧＣＳ，ＬＩＲＣ，ＺＨＡＯＷＬ，ｅｔａｌ．ＳｔａｒｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｍａｌｌＴｕｒｂｏｊｅｔＥｎｇｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＲａｐｉｄＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２４，４３（１）：５０－５４．基于快速原型化的小型涡喷发动机起动过程控制王灿森，李睿超，赵万里，徐建强，郭迎清（西北工业大学动力与能源学院，陕西西安　７１０１２９）摘要：为快速验证小型涡喷发动机起动过程控制规律，基于快速原型化技术搭建了半物理试验平台。

设计了快速原型试验系统整体架构，对控制系统的软硬件设计和智能节点的工作原理进行了说明，使用ＳｐｅｅｄｇｏａｔＭｏｂｉｌｅ实时目标机作为电子控制器，以ＳＴＭ３２为核心设计智能节点，选用Ｍｏｄｂｕｓ协议对信号进行编码，实现电子控制器和智能节点之间的数据通信。

针对小型涡喷发动机的起动过程设计了一种控制规律，利用自动代码生成技术生成电子控制器可执行程序，部署到实时目标机中，完成了起动过程控制规律的试验验证。

仿真结果表明，电子控制器和智能节点通信正常，工作可靠稳定，起动过程平稳迅速、不熄火、不超温、不超转，提出的快速原型化控制技术能够有效地缩短开发周期，具有良好的工程实用价值。

关键词：小型涡喷发动机；快速原型化技术；智能节点；Ｍｏｄｂｕｓ协议中图分类号：Ｖ２１６；Ｖ２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２４）０１－００５０－０５ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２３．０１．２０３ＳｔａｒｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｍａｌｌＴｕｒｂｏｊｅｔＥｎｇｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＲａｐｉｄＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｔｙｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷＡＮＧＣａｎｓｅｎ牞ＬＩＲｕｉｃｈａｏ牞ＺＨＡＯＷａｎｌｉ牞ＸＵＪｉａｎｑｉａｎｇ牞ＧＵＯＹｉｎｇｑｉｎｇ牗ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙ牞ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ牞Ｘｉ ａｎ７１０１２９牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｑｕｉｃｋｌｙｖｅｒｉｆｙｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｏｆｓｍａｌｌｔｕｒｂｏｊｅｔｅｎｇｉｎｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ牞ａｓｅｍｉ ｐｈｙｓｉｃａｌｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔｂａｓｅｄｏｎｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｍａｒｔｎｏｄｅａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．ＴｈｅＳｐｅｅｄｇｏａｔＭｏｂｉｌｅｒｅａｌ ｔｉｍｅｔａｒｇｅｔｍａｃｈｉｎｅｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ牞ａｎｄｔｈｅＳＴＭ３２ｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｃｏｒｅｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｓｍａｒｔｎｏｄｅ．Ｍｏｄｂｕｓｐｒｏｔｏｃｏｌｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｅｎｃｏｄｅｔｈｅｓｉｇｎａｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｄａｔａｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｓｍａｒｔｎｏｄｅ．Ａｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｓｍａｌｌｔｕｒｂｏｊｅｔｅｎｇｉｎｅ．Ｔｈｅｅｘｅｃｕｔａｂｌｅｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｇｅｎｅｒａ ｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｄｅｐｌｏｙｅｄｔｏｔｈｅｒｅａｌ ｔｉｍｅｔａｒｇｅｔｍａｃｈｉｎｅｔｏｒｕｎ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｏｆｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｓｍａｒｔｎｏｄｅｗｏｒｋｒｅｌｉａｂｌｙａｎｄｓｔａｂｌｙ牞ａｎｄｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｔａｂｌｅａｎｄｒａｐｉｄ牞ｗｉｔｈｏｕｔｓｔａｌｌｉｎｇ牞ｏｖｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ牞ａｎｄｏｖｅｒｒｕｎｎｉｎｇ．Ｔｈｅｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｈｏｒｔ ｅｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅ牞ａｎｄｈａｓｇｏｏｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｓｍａｌｌｔｕｒｂｏｊｅｔｅｎｇｉｎｅ牷ｒａｐｉｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ牷ｓｍａｒｔｎｏｄｅ牷Ｍｏｄｂｕｓｐｒｏｔｏｃｏｌ航空发动机的起动过程是指燃气发生器转子转速从零加速到地面慢车转速的过程［１］。

我们通常所说的稳定性，指的是测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。

发动机的燃油控制系统中，稳定性是其中一个重要的指标。

这就引申出一个问题，既然稳定性如此重要，那要如何才能了解和掌握系统的稳定性能呢？国内外的控制学家们提出了各种系统稳定性的判定定理，并且这些定理都是基于系统的数学模型得出的。

1 小型涡喷发动机试验数据分析1.1 闭环控制试验闭环控制是控制论的一个基本概念，具体地说就是作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。

笔者将小型涡喷发动机分别与甲和乙两型燃油控制系统做了闭环试验，发现发动机在整个过程中运行正常，但是与乙型燃油控制系统试验时有不稳定的情况发生。

在整个闭环控制的试验过程中，甲乙两型燃油控制系统的试验条件相同，随意选取某一实验数据，发现试验参数随着时间的变化也在作出相应的变化，甲燃油控制系统工作相对稳定，而乙燃油控制系统中，当发动机转速在50-60之间时开始变得不稳定，燃油泵转速下降异常。

1.2 燃油调节器试验要想了解燃油调节器的稳态特性，就要研究燃油泵指令转速与泵流量、调节器回油流量、进出口压力以及燃油流量等四个影响因素之间的关系。

下面笔者从燃油泵指令转速与进出口压力的关系进行数据分析，试验可以看出，进口压力分别是50千帕、150千帕、200千帕，下面分别给出进口压力是50千帕、100千帕、150千帕和200Kpa 条件下的稳态特性关系。

不难发现，两者之间呈现出的是一种线性关系，一旦燃油泵转速增大，出口压力也随之增加，存在一定的滞后误差。

小型涡喷发动机燃油控制系统稳定性分析邱家彩 咸宁职业技术学院 湖北咸宁 437100玲 英 湖北工业大学 湖北武汉 4300682 小型涡喷发动机频域分析频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系，对任何一个事物的描述都需要从多个方面进行，每一方面的描述仅为我们认识这个事物提供部分的信息。

从前面的实验容易发现，乙型燃油控制系统只有局部稳定性，在个别情况下会出现不稳定现象，这是一种潜在的危险，建议从发动机的频域着手分析这些属于个别情况的对象特性。

收稿日期:2003-06-10;修订日期:2003-09-18作者简介:程涛(1964-),男,山东莱州人,北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授,主要从事航空发动机控制和半实物仿真试验的研究.第19卷　第3期2004年6月航空动力学报Journa l of Aerospace PowerV o l 119N o 13Jun .　2004文章编号:100028055(2004)0320383204小型涡喷发动机数控调节器的半实物仿真程　涛(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100083)摘要:介绍了某小型涡喷发动机数控调节器的半实物仿真试验系统的设计,以及软件和硬件的试验配置。

半实物仿真试验对涡喷发动机控制系统的稳态和瞬态性能进行了校正和验证。

试验完成了发动机数控调节器在地面和空中起动、停车功能的检验;自动加、减速功能,稳态调节性能的校正和校验;评价了发动机空中起动,按理论弹道飞行过程的调节性能。

最后,给出了部分的仿真试验曲线。

关　键　词:航空、航天推进系统;涡喷发动机;半实物仿真;发动机模型;数字式控制中图分类号:V 231 文献标识码:AHardware i n the L oop Si m ula ti onof M i n itype Turbojet Eng i n e D i g it a l Con trol Regula torCH EN G T ao(Schoo l of Jet P ropulsi on ,Beijing U n iversity of A eronautics and A stronautics ,Beijing 100083,Ch ina )Abstract :T h is paper covers the design s of H ardw are in the L oop Si m ulati on (H I L S )test 2ing of m in itype turbo jet engine digital con tro l regulato r ,and hardw are and s oft w are configura 2ti on s .T he H I L S tests check up the tran sien t and steady state perfo r m ances of the engine con tro l syste m .T he tests co rrect and verify the capability of engine digital con tro l regulato r ground start and air start ,stopp ing ,autom atic accelerating and decelerating ,and steady state regulati on .A ls o the tests evaluate the adjusting capability of air start ,and flying al ong the ballistic trajecto ry .F i 2nally s om e test results are p resen ted .Key words :aero s pace p ropulsi on syste m ;turbo jet engine ;hardw are in the l oop si m ulati on ;engine model ;digital con tro l 发动机控制系统的主要目的是提供最大的推力,最小的燃油消耗;控制发动机在喘振边界内安全可靠地运行,保护转速、温度、压力等状态参数不超出工作极限。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610903139.6(22)申请日 2016.10.17(71)申请人 中国民用航空飞行学院地址 618307 四川省德阳市广汉市南昌路四段46号(72)发明人 侯甲栋　陈志超　赖安卿　程涵　罗文田　(74)专利代理机构 成都方圆聿联专利代理事务所(普通合伙) 51241代理人 曹少华(51)Int.Cl.F02C 7/22(2006.01)F02C 7/266(2006.01)F02C 7/268(2006.01)F02C 9/48(2006.01)F02C 7/06(2006.01)(54)发明名称微型涡喷发动机的起动和供油系统及其启动和供油方法(57)摘要本发明涉及发动机的控制领域，具体为微型涡喷发动机的起动和供油系统及其启动和供油方法，接收机由电池通过电调供电，接收机接收发射机的信号，接收机控制点火器，接收机给电调信号，电调控制起动电机和油泵的转速；燃油箱依次连接油泵、油滤、流量分配器，流量分配器的两个出口分别连接润滑油管道、燃油管路，润滑油管道与涡喷发动机的润滑油入口连接；燃油管路依次连接燃油阀、三通接头、涡喷发动机的燃油入口；三通接头还通过丁烷气阀连接丁烷气瓶。

该系统简单易操作，结构简单，成本低廉，可实现对微型涡喷发动机推力的基本控制，适合用于发动机初始的试车和航模用微型涡喷发动机的起动控制过程。

权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 106640379 A 2017.05.10C N 106640379A1.微型涡喷发动机的起动和供油系统，包括燃油箱(20)、点火器(5)，其特征在于，还包括流量分配器(15)、燃油管路(14)、润滑油管道(16)、电调(3)、接收机(4)；所述的接收机(4)由电池(2)通过电调(3)供电，接收机(4)接收发射机的信号，接收机(4)与点火器(5)连接，控制点火器(5)，点火器(5)与涡喷发动机(1)的点火电嘴(6)连接；所述的接收机(4)给电调(3)信号，电调(3)包括两个调速器，分别与起动电机(8)、油泵(19)连接，控制起动电机(8)和油泵(19)的转速；所述的燃油箱(20)依次连接油泵(19)、油滤(18)、流量分配器(15)，流量分配器(15)的两个出口分别连接润滑油管道(16)、燃油管路(14)，所述的润滑油管道(16)与涡喷发动机(1)的润滑油入口(17)连接；所述的燃油管路(14)依次连接燃油阀(12)、三通接头(9)、涡喷发动机(1)的燃油入口(7)；所述的三通接头(9)还通过丁烷气阀(10)连接丁烷气瓶(11)。

TECHNOLOGY AND INFORMATION教育与信息化120 科学与信息化2020年1月下研究教育用微型涡喷发动机的测试实验系统王庆五 华北电力大学（保定） 河北 保定 071003 摘 要 微型涡喷发动机实验系统是代替大中型燃气轮机实验系统的可行方案。

为研究发动机的压气机、涡轮效率特别是绘制特性曲线，搭建了实验系统，探讨微小传感器探头等问题，该实验可作为燃气涡轮课程的综合实验。

关键词 微型涡喷发动机；测试实验；数据采集；电子控制单元ECU前言随着燃气轮机越来越广泛的应用，许多能源电力、航空航天等专业需要进行实验。

但并非所有学校都有能力通过运行发动机提供实际操作经验。

建立大中型燃气轮机测试实验系统投资巨大。

实验系统的要求与发动机的尺寸成正比，微型喷气发动机是很好的替代品，这样可以大大降低测试实验系统的成本。

1 实验台（1）微型涡喷发动机。

发动机成本与获得的压力比和推力成正比，本文采用的发动机在海平面静态条件下具有14公斤的最大推力。

所选发动机的规格为：单级离心压气机、蒸发管逆流环形燃烧室、单级向心涡轮、收敛形尾喷管、空气流量0.4千克/秒、压比4、最大推力140牛 (转速12万转/分)、怠速推力4牛 (3万转/分)、最高排气温度600℃、耗油率330克/分、Jet A1煤油燃料、一杆油启动、Mobil Jet2或Exxon 2380润滑油、燃油润滑混合比20:1、Ø115mm ×320mm 。

此外，还有供油、启动、电子控制单元（ECU ）等系统[1]。

（2）测试实验硬件系统。

整个发动机试验台有上中下3个区域，包括显示器、发动机固定和推力测量台、防爆屏、进排气管系统、在线监测系统、数据采集系统、传感器和电源系统以及电子控制器、燃料以及数据记录系统。

如图1所示。

图1 微型涡喷发动机实验台的软硬件在发动机气流中安装了皮托管、热电偶、压力、流量等传感器。

测量的数据有：发动机转速、推力、排气温度、大气压力、温度、湿度、压气机进出口压力温度、涡轮进出口压力温度、油门量、油泵电压、耗油量、油箱油量等。

微型燃气涡轮发动机实验指导书中国民航大学发动机运行与控制实验室目录实验1：发动机启动、运行演示实验....................................... 1..实验2：发动机推力实验................................ 错. 误!未定义书签。

实验3：微型涡轮喷气式发动机控制综合实验.............. 错误!未定义书签。

实验4：发动机循环及效率实验.......................... 错误!未定义书签。

实验5：涡喷发动机部件效率实验........................ 错误! 未定义书签。

开放选题：涡喷发动机性能分析.......................... 错误!未定义书签。

实验1:发动机启动、运行演示实验实验目的熟悉CM14发动机软、硬件设备；掌握CM14发动机启动、运行和停机方法；熟悉并掌握应用小型涡轮燃气涡轮实验台数据采集系统获取实验数据。

实验设备CM14发动机（含油箱和引燃气体）；数据采集系统；控制计算机（已安装Armfield 软件）；AMT 软件。

实验步骤（1）准备（提前完成）A.燃油、滑油混合可选用燃油JP-4 Paraffin或jet A-1，由于涡轮机需要燃油润滑，因而必须在燃油中混入4.5%的润滑油（Aeroshell 500 turbine oil）。

润滑油在启动和停机过程中会起到润滑发动机的作用，当激活关机按钮时，混油润滑剂的燃油会停止流入发动机，发动机内残留的燃油在热端挥发，在涡轮机表面形成润滑油层；下次开机启动时，这些润滑油也会润滑发动机。

不允许在润滑剂的情况下运行发动机，否则会对发动机造成不可逆的损害。

油箱的容量是5升，滑、燃油混合时应遵循以下顺序：用量筒量取250m壳牌500航空涡轮机润滑油，并倒入混合容器内；图1-1控制软件界面（发动机示意图）（2）启动为保证发动机正常启动，必须严格按照以下顺序进行操作：点击控制计算机软件界面的电源按钮（“Power Or）”点击控制计算机软件界面的允许按钮（“ En ab©点击控制计算机软件界面的启动按钮（“Start ”当按下启动按钮（“ Start）”之后，发动机便开始启动，不再需要其他任何操作。