基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法.pdf

2023 年 8 月第 44 卷 第 8 期Aug.2023Vol.44 No.8推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY2204077-1基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法*张兴龙，李佳翱，张天宏（南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016）摘 要：在航空发动机控制系统半物理仿真试验中，通过模拟压气机失速时的高频脉动气压可验证喘振传感器与失稳检测系统的可靠性，从而避免逼喘试验的高成本与高风险。针对当前脉动气压发生器普遍存在的脉动特征耦合问题，提出了一种基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法。首先介绍了气压模拟系统的总体设计方案；随后建立气压模拟系统的综合模型并通过仿真分析其输入输出特性；基于此，提出一种充放气比例阀和旋转阀的组合控制策略；最后以不同脉动特征的气压为模拟目标，进行多组仿真与试验。结果表明，所设计的阀门组合及特征解耦控制策略可实现脉动频率 0200Hz、脉动幅值比00.4及基准压力800kPa范围内的脉动气压动态调节，满足压气机多种失稳模式下的失速压力信号模拟需求。关键词：航空发动机；控制系统；压气机；失速；气压模拟；脉动特征解耦；半物理仿真试验中图分类号：V233.7 文献标识码：A 文章编号：1001-4055（2023）08-2204077-11DOI：10.13675/ki.tjjs.2204077Compressor Stall Pulsation Pressure Simulation Based on Characteristic Decoupling ControlZHANG Xing-long，LI Jia-ao，ZHANG Tian-hong（College of Energy and Power，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）Abstract：In the semi physical simulation of aeroengine control systems，the reliability of surge sensor and instability detection system can be verified by simulating the high-frequency pulsating air pressure during compressor stall，so as to avoid the high cost and high risk of forced surge test.Aiming at the coupling problem of pressure pulsation characteristics existing in the current pulsating pressure generator，a compressor stall pulsation pressure simulation method based on the characteristic decoupling control is proposed.Firstly，the overall design scheme of air pressure simulation system is put forward.Then，the comprehensive model of the air pressure simulation system is established，and the input and output characteristics of the system are analyzed by simulation.On this basis，a combined control strategy of charging and discharging proportional valve and rotary valve is proposed.Finally，several groups of simulations and experiments are carried out aiming at the air pressure with different pulsation characteristics.The results show that the designed valve combination and characteristic decoupling control strategy realize the dynamic adjustment of pulsating air pressure in the range of pulsating frequency 0200Hz，pulsating amplitude ratio 00.4 and reference pressure 800kPa，and can be used for the characteristic simulation of the stall pressure signal under various instability modes of the compressor.*收稿日期：2022-04-29；修订日期：2022-06-27。基金项目：国家自然科学基金（51976089）。作者简介：张兴龙，博士生，研究领域为航空发动机主动稳定性控制。通讯作者：张天宏，博士，教授，研究领域为航空发动机建模、仿真与控制。E-mail：引用格式：张兴龙，李佳翱，张天宏.基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法 J.推进技术，2023，44（8）：2204077.（ZHANG Xing-long，LI Jia-ao，ZHANG Tian-hong.Compressor Stall Pulsation Pressure Simulation Based on Characteristic Decoupling Control J.Journal of Propulsion Technology，2023，44（8）：2204077.）推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204077-2Key words：Aeroengine；Control system；Compressor；Stall；Pneumatic pressure simulation；Pulsation characteristic decoupling；Semi physical simulation test1 引 言压气机的气动稳定性问题一直是国内外研究重点1-2。1989 年，Epstein 等3首次提出了压气机的主动稳定性控制方法，其核心思想为通过高性能传感器及先进信号处理方法及时识别失速信号并采取针对性的控制方案避免其进入完全的不稳定流态，从而保证压气机一直工作在高压比、高效率的区域。其中，压气机失速信号的检测作为主动稳定性控制的首要环节，需要经过反复的可靠性验证。然而在真实压气机和发动机上开展上述验证具有极高的成本和风险，因此半物理仿真技术成为航空发动机控制系统研制必要环节之一4。其中，气压模拟技术在高空大气压力模拟5、动态压力测量6和气压传感器动态灵敏度校准7等方面得到了广泛的应用，但对于针对压气机失速状态下的高频率大幅值脉动气压模拟少有研究。目前，高频脉动压力一般由专用的脉动压力发生器产生。脉动压力发生器有谐振式、射流式、变容积式、定容积式等多种类型8-9。谐振式脉动压力发生器利用谐振腔的共振原理在共振点处产生高质量脉动气压，但当目标频率远离共振频率时波形失真严重，无法模拟宽频率范围的脉动气压；射流式脉动压力发生器能产生宽频率范围的脉动压力，但脉动幅值较小；变容积控制利用振动台为激励源，其脉动频率与脉动幅值存在耦合关系，无法同时满足高脉动频率与高脉动幅值的需求；因此，高频率大幅值的脉动气压模拟一般都采用定容积控制方法。定容积控制通过周期性地改变出口或入口面积，对定容腔进行充放气，使得容腔内气体质量流量呈周期性变化，从而产生一定频率与幅值的脉动压力。定容积气压控制主要分为两类，一类是利用比例阀、高速开关阀等常规阀实现气压调制，然而由于比例阀、高速开关阀存在死区，无法实现低频控制，而在高频控制时由于饱和区的存在，气压控制效果不理想；另一类则是利用带旋转体的类阀结构实现高频脉动压力的模拟，其本质是控制旋转体转速来实现对气压腔压力的调控。张力等10提出一种出口调制型正弦压力发生器，为目前最广泛使用的一种周期型动态压力发生器，相较于使用高速开关阀进行调制，该方法没有死区且可实现更高脉动频率的模拟。张忠立等11针对目前平扫式压力发生器存在结构限制导致频率和压力受限问题，提出一种径向压力发生器，可显著提高所模拟的脉动频率及脉动幅值。在压气机喘振或失速的气压信号模拟方面，吴文光等12公开了一种喘振模拟装置，为定容积控制，通过间断切割管道内的气流来模拟发动机喘振。控制气流通断仅能模拟喘振信号的频率特征，其脉动幅值、基准压力无法控制。李长征等13公开了一种压气机喘振检测装置的实验方法，根据数字信号驱动位移机构带动活塞在气缸内运动，通过改变气缸内气体体积以产生接近数字信号的动态压力。然而该方法并未考虑活塞和气缸结构的限制，气压信号频率较高时无法同时保证较大的脉动幅值，具有一定局限性。李佳翱等14提出了一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统及其控制方法，利用充放气阀组的切换实现低频脉动气压精细模拟与高频脉动气压宽范围模拟。综上所述，目前适用于高频率大幅值目标气压的脉动气压发生器在基准压力、脉动频率与脉动幅值间存在较强的耦合性，无法适应压气机在多种失稳模式下的气压信号模拟15。因此，目前工程上失稳检测算法在验证过程中仍依赖于压气机或整个发动机的逼喘试验或以电信号回放作为数据来源16，前者具有极高的成本和风险，后者由于缺乏传感器的参与，无法保证其算法的可靠性与置信度。为了实现对压气机多种失稳模式下具有不同脉动特征的气压模拟，本文设计了一种基于旋转阀和比例阀的气压模拟系统，并提出一种组合控制策略以解决脉动压力的频率、幅值及基准压力三个特征量无法独立调节的问题，实现宽范围脉动幅值及脉动频率的气压模拟，以真实的动态压力复现压气机的失稳压力信号。所模拟的压气机失速气压信号能够一定程度上替代高成本高风险的压气机或发动机逼喘试验，此外，通过保证传感器参与试验，提高了失稳检测算法验证的有效性和可靠性。2 总体方案设计2.1 压气机失速气压信号分析失速作为压气机的典型不稳定流态，对航空发动机的性能和安全有着极大的影响。图 1 展示了某型压气机逼喘试验中，其出口处机匣壁面所测得的基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法第 44 卷 第 8 期2023 年2204077-3压力变化情况。可以看出，压气机进入失速后，压力信号整体呈周期性的大幅值高频脉动。据统计17，根据压气机的型号和失稳模式的不同，失速频率在20200Hz，高频下以准确的压力波形跟踪为目标十分困难。考虑到当前压气机失稳检测算法主要是通过压力信号中脉动成分的频率或幅值来判断压气机是否失稳，本文将脉动气压信号分解为基准压力pb，脉动幅值比Am/pb（Am为脉动幅值）及脉动频率 fp三个特征量以表征压气机失速信号，同时也将其作为压气机失速气压模拟的指标，具体如表 1所示。2.2 气压模拟系统方案设计基于对压气机失速压力信号的分析，针对其脉动频率高、脉动幅值大和基准压力变化范围大的特点，首先考虑使用带旋转体的类阀结构（以下简称为旋转阀）与定容积控制方案来实现高频脉动气压的模拟。但若仅使用旋转阀生成脉动气压，系统压力的脉动频率、脉动幅值、基准压力等则由旋转体转速唯一确定。考虑到旋转阀单独用作放气阀时，其转速改变会导致脉动幅值也会随之改变，脉动压力的幅值与基准压力耦合无法独立调节，因此考虑将放气比例阀安装在旋转阀之前，通过调节放气比例阀的开度从而控制脉动幅值。然而，调节放气比例阀的开度会影响平均放气量从而影响基准压力，因此进一步增设充气比例阀用以实现对基准压力的调节。最终，本文设计的失速气压模拟原理图如图 2所示。2.3 旋转阀结构设计作为生成脉动压力的核心控制元件，旋转阀通过对阀孔面积的调制生成周期性变化的压力。结构上，旋转阀包含定子部分及转子部分，在定子和转子上都设有通口，在电机带动转子旋转时，定子与转子的开口重合面积会周期性的改变，从而实现对放气气路中的流通截面积改变。本节提出并分析了两种旋转阀的结构设计，确定最优方案。图 3展示了摩擦式旋转阀结构方案，主要元件包括导气轴、上端盖、弹力圈、筒体、弹簧、分气盘、摩擦片、石墨盘、承压板、螺栓、旋转体、轴承及下端盖。导气轴、分气盘、摩擦片及螺栓共同组成定子部分，其中分气盘及摩擦片开有若干窗口通过螺栓联接，考虑到摩擦零件易磨损因此设计摩擦片为易更换件方便后期维护。石墨盘、承压板、螺栓及旋转体共同组成转子部分，其中石墨盘及旋转体开有一个窗口通过螺栓联接，为减小摩擦力因此采用石墨材质石墨盘。当电机通过旋转体带动转子旋转时，高压气体经过导气轴后经分气盘及摩擦片会周期性地和石墨盘及旋转体贯通从而接入大气。上端盖用于限制定子的旋转。当摩擦片和石墨盘略微磨损时可通过旋拧弹力圈补偿。轴承为旋转体提供支撑定位和减少其摩擦系数。图 4展示了另一种无摩擦式旋转阀的结构方案，主要元件包括调节螺套、调节螺钉、调节座、调节螺Table 1 Simulation index of compressor stall pressure signal in multi-instability modePulsation characteristicsfp/HzAm/pbpb/kPaValue2020000.4100800Fig.2Schematic diagram of compressor stall pressure simulation systemFig.1Analysis of compressor stall pressure signal推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204077-4杆、旋转体、消音器、壳体、轴承、限位套等。调节螺杆为易更换件，可设置开孔形状，旋转体外缘设置一组均匀分布的特定形状、数量的窗口，由电机带动旋转体转动，使旋转体的开孔与调节螺杆开孔间的流通面积实现周期性的变化。无摩擦式旋转阀的气密性为设计的重点。在此方案中可利用挡圈将调节螺套固定在调节座上，通过旋转调节螺套可微调调节螺杆，使其上下移动从而调节旋转体和调节螺杆间的间隙，在调节完毕后，拧紧调节螺钉防止调节螺杆移动。参考压气机叶尖间隙与叶片尺寸，设定旋转阀定子与转子间间隙为0.05mm。为降低气体的轴向泄漏，在旋转体与壳体之间引入迷宫密封结构。比较两种旋转阀的结构方案，有摩擦式旋转阀具有不漏气的优点，但当其转子处于较高转速时，由于摩擦的作用定子和转子磨损加剧同时会产生大量热，此类旋转阀由于结构限制无法长时间工作。无摩擦式旋转阀虽会有漏气，但由于定子与转子转动无摩擦，可达到较高的转速，从而可实现高频率脉动压力生成。综合考虑频率模拟能力及安全性，本文最终选用无摩擦方案作为旋转阀的最终结构。3 系统建模及特性分析本节首先依据图 2 建立了压气机失速气压模拟系统的 AEMSim 仿真模型，随后通过仿真探究了充气比例阀、放气比例阀以及旋转阀的开度对整个系统内脉动压力特征的影响，验证所设计气压模拟方案在实现脉动压力特征解耦上的可行性。3.1 旋转阀数学模型旋转阀的阀口有效面积 Ar由其转子及定子相对位置确定。如图 5 所示，图中蓝色区域代表定子开口，白色区域代表转子开口，旋转阀的开启关闭时间由 c，d 比值决定，旋转阀的最大流通面积由 a 及 b 的尺寸决定。可将旋转阀的一个运动周期 T分为四个阶段，第一阶段，阀口有效面积始终为最大值 Amax，第二阶段阀口有效面积由 Amax减小到 0，第三阶段阀口有效面积始终为 0，第四阶段阀口有效面积由 0 增大到 Amax。其中二、四阶段的阀口有效面积分别为A2=t2Amax()1-(c+d)aT（1）A4=t4Amax(c+d)aT（2）Tm=1fm=60nmNm（3）Fig.3Diagram of friction rotary valveFig.4Diagram of friction free rotary valveFig.5Relative position of stator and rotor基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法第 44 卷 第 8 期2023 年2204077-5式中 A2和 t2分别为阀口有效面积和第二阶段持续时间；A4和 t4分别为阀口有效面积和第四阶段持续时间；nm为电机转速；Nm为旋转阀转子开口个数。进一步，可得出旋转阀的阀口有效面积在一个周期内的变化为Ar=Amax,0 t(c-a)(c+d)TtAmax(1-(c+d)aT),(c-a)(c+d)T t c(c+d)T0,(c-a)(c+d)T t(c+d-a)(c+d)TtAmax(c+d)aT,(c+d-a)(c+d)T t T（4）上式反映了旋转阀工作时，有效阀口面积随电机转速变化的关系，进而结合小孔质量流量公式18可以计算出通过的气体质量流量为m =Ar Cq CmpinTin（5）式中m 为通过阀口流量；Cq为气体流量系数；Cm为气体流动参数；pin，Tin分别为阀入口处气体压力和温度。由于旋转阀的定子和转子采用无摩擦配合，因此会存在泄漏问题，然而上述模型并未考虑旋转阀的泄漏特性。旋转阀的泄漏特性分为径向漏气和轴向漏气，由于定子与转子间的轴向漏气，可利用转子与壳体间的类迷宫密封结构，将节流缝隙的气压能转换为动能实现密封19，因此旋转阀主要漏气为转子若干开孔间的径向漏气。最终在 AMESim 中搭建考虑泄漏特性的旋转阀模型，高压气源通过阀口进入气腔，气动缝隙表示旋转阀泄漏气体的缝隙。图 6展示了旋转阀处于关闭及开启状态下的泄漏模型。3.2 比例阀数学模型比例阀利用控制电流大小来调整比例电磁铁的电磁力与弹簧力的平衡关系，随着电流的增大，比例电磁铁的电磁力增大，推动滑柱移动，增加滑柱与阀套间开口量，从而调节流过比例阀的流量。本文采用 SMC 公司生产的型号为 VEF2131-1-02 比例流量阀，响应时间在 0.03s以下，最高使用压力为 1MPa，迟滞 3%，重复度 3%，灵敏度 0.5%，最大电流 1A 对应控制信号输入 5V。根据其数据手册20，比例阀阀芯电流与有效截面积 Ap的关系如图 7 所示。比例阀存在死区问题，在阀电流小于 0.34A 时阀位移为 0，当阀电流为 0.95A 时阀芯已到达最大位移处，此时比例阀有效截面积为 30mm2。进一步地，比例阀的流量与入口压力、有效截面积及温度的关系满足v=120 Ap pin293Tin（6）式中v为通过比例阀的流量；pin为比例阀入口处压力；Ap为有效截面积；Tin为比例阀入口处温度。3.3 气压调控腔数学模型假设空气为理想气体，腔内压力及温度均匀分布，忽略动能和势能，气体流动为等熵绝热过程，则由能量守恒定律可得qin-qout=W+cV(m outTc,out-m inTc,in)+U（7）式中m in和m out分别为流入和流出气压调控腔的气体质量流量；qin和qout分别是流入和流出热量；Tc，in和Tc，out分别是流入和流出气压调控腔的气体温度；cV为定容比热容；为空气的比热容比；W为功的变化率，由 于 气 压 调 控 腔 充 放 气 过 程 为 定 容 变 化，则W=PV=0；U为内能的变化率。Fig.6Rotary valve model with leakage characteristicsFig.7Relationship between valve core current and effective cross-sectional area of the proportional valve推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204077-6U=ddt(cVmTc)=1-1ddt(pV)=V-1p（8）由迈耶公式可知定容比热容cV满足cp=cV（9）cV=cp-R=cV-R=R-1（10）根据假设，气体流动为等熵绝热过程，则qin-qout=0，Tc，in=Tc，out=Tc。综 合 以 上，将 式（8）和 式（10）代入式（7），可以得出气压调控腔流入流出的气体质量流量与其压力的关系为m in-m out=VRTcp（11）3.4 气压模拟系统输入输出特性分析在 AMESim 中搭建压气机失速气压模拟系统综合模型如图 8所示，包括理想气源、充放气比例阀、气压调控腔及旋转阀。通过联合仿真接口给定旋转阀、充放气比例阀的控制信号来分析气压模拟系统的输入输出特性，即各个阀对气压调控腔内压力变化的影响。在气源压力为 1MPa 时，首先通过调节旋转阀使脉动频率为 10Hz，随后对充气、放气比例阀的开度进行调节，分析其对基准压力及脉动幅值的影响。如图 9（a）所示，初始放气比例阀的开度设置为最大，由小至大调节充气比例阀的开度，整个过程中基准压力不断增大，脉动幅值有由小变大再变小。由于在基准压力在靠近气源压力或大气压时，充气或放气速度较慢，因此脉动幅值整体较小。相对于无比例阀情况，通过调节充气比例阀可实现在脉动频率不变时，对基准压力在一定范围内进行调节，但当基准压力为定值时，脉动压力也随之确定。进一步设置充气阀开度 c分别为 1.0，0.5，0.1 时，调节放气比例阀 d的开度，基准压力及脉动压力的变化如图 9（b），（c）及（d）所示。可以看出随着放气比例阀Fig.8Comprehensive model of compressor stall pressure simulation systemFig.9Effects of the charging and discharging proportional valve on pb and Am基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法第 44 卷 第 8 期2023 年2204077-7的开度的减小，脉动幅值逐渐减小，同时基准压力会有一定上升。在图 9（a）中，充气比例阀的开度为0.14，放 气 比 例 阀 的 开 度 为 1，此 时 基 准 压 力 为300kPa，脉动幅值为 200kPa；对比图 9（d）中充气比例阀的开度为 0.1，放气比例阀的开度为 0.47，此时基准压力也为 300kPa，脉动幅值为 120kPa，可见通过调节充、放气比例阀可以实现在同一基准压力下脉动幅值的调节。综上，在调节充气比例阀时，基准压力与充气比例阀的开度正相关，脉动幅值的变化与系统状态相关；在调节放气比例阀时，基准压力与放气比例阀的开度负相关，脉动幅值的变化与放气比例阀的开度正相关。因此，在脉动频率由旋转阀转速唯一确定的情况下，可利用充气比例阀调节基准压力，放气比例阀调节脉动幅值，验证了气压模拟系统设计方案的可行性。4 组合控制策略通过上文对系统输入输出特性的仿真，验证了脉动频率一定时可以通过分别控制充气比例阀和放气比例阀的开度来调节基准压力与脉动幅值。在此基础上本节提出了一种充气、放气比例阀和旋转阀的组合控制策略以实现脉动压力的频率、幅值及基准压力的解耦控制，并通过联合仿真进行验证。4.1 组合控制策略在 AMESim 中进行控制元件及气压调控腔的模型搭建，在 Simulink 中实现信号分析及控制算法，最终搭建了如图 10所示的压气机失速气压模拟控制系统的联合仿真模型。根据 3.4 节的仿真分析，旋转阀的转速直接影响脉动压力的频率，同时对脉动幅值及基准压力也有一定影响；放气比例阀的开度对脉动幅值的影响较大；充气比例阀的开度对基准压力的影响较大。当调整脉动压力的频率、幅值及基准压力至目标值时，由于脉动压力的频率仅由电机转速确定，因此首先调节电机转速到给定值并保持不变。然后调节放气比例阀的开度到最大值，将充气比例阀的开度由小调大直到基准压力增大到设定基准压力。最后根据设定脉动幅值的大小，通过调节放气比例阀的开度从而调节脉动幅值，但在调节过程中脉动幅值与基准压力存在耦合关系。例如在降低放气比例阀的开度时，由于通过旋转阀的流量减小，气压调控腔内的脉动幅值会变小，但由于充气量保持不变会导致基准压力的上升，因此需通过调整充气比例阀补偿基准压力。最终设计比例阀及旋转阀的控制策略如下：步骤 1：试验开始时充气、放气比例阀为关闭状态，根据目标频率设定电机转速。步骤 2：将放气比例阀的开度调节到最大，开始调节充气比例阀的开度由小到大，直到基准压力到达设定值。步骤 3：若此时脉动幅值大于等于设定值，可通过减小放气比例阀的开度从而实现减小脉动幅值的目的，但在减小放气比例阀的开度时会导致基准压力上升，因此需重复步骤 2。若此时脉动幅值小于等于设定值且放气比例阀的开度已为最大，则当前脉动幅值为当前频率及基准压力下所能达到的最大值，调节结束。4.2 仿真结果及分析图 11（a），（b），（c）及（d）展示了设定脉动压力的频率为 10Hz、基准压力为 500kPa，脉动幅值分别为25kPa，50kPa，100kPa 及 150kPa 下的脉动压力调节过程。图 11（e）及（f）为设定脉动幅值为 100kPa 下，基准压力分别为 400kPa 及 600kPa 下的脉动压力调节过程。在初期，实际基准压力与目标基准差距较大，通过增大充气比例阀的开度，基准压力逐步上Fig.10Joint simulation model of compressor stall pressure simulation system推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204077-8升，当实际基准压力在误差允许范围内，开始调节放气比例阀减小脉动幅值，此时会导致基准压力的上升，因此还需微调基准压力到目标值。如此反 复 直 至 实 际 基 准 压 力 与 脉 动 幅 值 都 达 到 目 标值。可以看出几种情况下都可以快速调节到目标基准压力及脉动幅值，且调节完毕后的波形接近压气机失速时的三角波。由于脉动压力的频率、幅值及基准压力的信号特征分析需要一定时间，同时波形稳定也需要一定时间，但随后脉动压力可持续维持在稳定状态，满足多种压气机失稳气压的模拟需求。5 试验与分析在前文中，已对气压模拟系统开展了需求分析、方案设计、系统建模与控制的仿真研究。在此基础上，本节搭建了如图 12 所示的气压模拟系统试验平台，从脉动压力的频率、幅值及基准压力三个特征量的独立调节以及不同脉动特征气压间的动态调节两个方面来验证所设计气压模拟系统及组合控制策略的有效性。5.1 压气机失速气压模拟系统试验平台气源经过空气压缩机、储气罐、气动三联件（F.R.L）后连接充气比例阀进气口，气压调控腔连接充气比Fig.11Pressure simulation results of various pulsation characteristics基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法第 44 卷 第 8 期2023 年2204077-9例阀放气口及放气比例阀进气口，放气比例阀连接旋转阀后通过消音器接通大气。其中充、放气比例阀及旋转阀为控制元件，气压调控腔为被控对象。充气、放气比例阀用于调节气压调控腔的充放气口面积从而调节流量，旋转阀通过周期性的气流通断实现脉动压力的生成。两个压力传感器分别用于检测气源压力与气压调控腔压力。嵌入式控制器 Robust RIO-U818用于采集压力传感器信号和输出各个阀的控制信号。控制器输出的 05V 控制信号，经过阀驱动板控制充、放气比例阀的开度从而调节气压调控腔内压力的基准压力及脉动幅值，控制器输出的 04V 控制信号通过驱动器调节电机转速，从而调节气压调控腔内压力的脉动频率。5.2 试验结果及分析在压气机失速气压模拟试验中，本文将从脉动压力的频率、幅值及基准压力的调节三个方面来验证。首先将充放气比例阀设定为最大开度，通过调节控制器输出电压分别为2，2.5，3，3.5，4V时，对应电机转速应分别为 1500，1875，2250，2625，3000r/min。由式（3）可知，所对应的脉动压力脉动频率应分别为 100，125，150，175，200Hz。脉动频率调节试验结果如图 13 所示，其中上图为实际压力值，下图为实际压力的小波时频分析21 结果，根据不同频率信号分量的强度，可见脉动压力频率的试验结果与计算结果一致，所产生的脉动压力的频率范围满足失速气压模拟时的频率需求。基准压力调节试验结果如图 14 所示，通过调节充气比例阀的开度使基准压力由 400kPa逐渐增大到600kPa，整个过程脉动压力的频率不变，解决了脉动压力频率与基准压力耦合的问题。脉动幅值调节的试验结果如图 15 所示，在脉动压力的频率为 40Hz，基准压力为 600kPa的情况下，通过调节充放气比例阀来调节脉动压力的幅值，本文以脉动压力分别为 8kPa 及 100kPa 为例进行展示。通过本试验和前两组试验结果，可验证本文所提出的比例阀与旋转阀结合的方案可实现脉动频率、幅值及基准压力的独立调节。图 16展示了脉动气压动态切换过程中系统的实际压力变化及其时频分析的结果。通过调节电机转Fig.14Basic pressure regulation experimentFig.15Pulsation amplitude regulation experimentFig.12Photo of compressor stall pressure simulation systemFig.13Pulsation frequency regulation experiment推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204077-10速、充放气比例阀的开度，可实现脉动压力从频率30Hz、脉动幅值比 0.4、基准压力 380kPa，调节到频率 100Hz、脉动幅值比 0.1、基准压力 720kPa。结果表明本文所设计的失速气压模拟系统可实现多种失速波形的快速切换，其生成脉动压力的基准压力为0.10.8MPa，最大频率为 200Hz，脉动幅值比为 00.4，满足压气机在多种失稳模式下的脉动气压模拟需求。对比图 1的实际压气机失速压力信号，本文所模拟的压气机失速压力波形与原始失速压力波形在信号的平滑程度、周期的规则性方面存在一定差异，但整体上均呈类三角波形，具有高频大幅值周期性变化特征。这些差异与实际的失速压力存在湍流、叶片尾迹等扰动以及实际测量中传感器的位置布局有关，但对于本文的压气机失速气压模拟系统而言，其重点在于对基准压力、脉动幅值、脉动频率的特征模拟，以满足对喘振、失速检测算法的验证需求。此外，失速检测算法在实际应用时，均需要对原始压力信号进行滤波和降噪等预处理措施以排除额外的扰动信号分量，因此本文未将叶片尾迹及湍流等流动细 节 引 起 的 复 杂 干 扰 信 号 作 为 失 速 气 压 模 拟 的重点。6 结 论本文通过研究，得到如下结论：（1）提出了摩擦式旋转阀与无摩擦式旋转阀的结构方案，综合考虑高频脉动气压模拟需求以及安全性等因素，最终选用无摩擦方案作为旋转阀的最终结构。（2）建立了压气机失速气压模拟系统的 AEMSim-Simulink联合仿真模型，通过仿真验证了旋转阀与充气、放气比例阀的组合可以有效地实现脉动压力特征解耦，其中脉动频率由旋转阀转速唯一确定，充气比例阀实现基准压力的调节，放气比例阀实现脉动幅值的调节。（3）搭建了压气机失速气压模拟系统试验平台，实验结果表明本文所设计的气压模拟系统可实现基准压力 0.10.8MPa，最大频率为 0200Hz，脉动幅值比 00.4内的脉动气压生成及动态调节，满足压气机在多种失稳模式下的脉动气压模拟需求。致 谢：感谢国家自然科学基金的资助。参考文献 1 Huppert M C，Benser W A.Some Stall and Surge Phenomena in Axial-Flow CompressorsJ.Journal of the Aeronautical Sciences，1953，20（12）：835-845.2 Day I J.Stall，Surge，and 75 Years of ResearchJ.Journal of Turbomachinery，2016，138（1）：1-16.3 Epstein A H，Williams J E F，Greitzer E M.Active Suppression of Aerodynamic Instabilities in TurbomachinesJ.Journal of Propulsion and Power，1989，5（2）：204-211.4 潘丽君，孙志岩，杨惠民，等.航空发动机控制系统半物理模拟试验的应用 J.航空发动机，2017，43（3）：62-67.5 朱美印，王曦，但志宏，等.高空台进气控制系统压力 PI 增益调度控制研究 J.推进技术，2019，40（4）：902-910.（ZHU Mei-yin，WANG Xi，DAN Zhi-hong，et al.Pressure PI Gain Scheduling Control Research for Altitude Ground Test Facilities Air Intake Control System J.Journal of Propulsion Technology，2019，40（4）：902-910.）6 魏明岩.高频动态压力信号测试方法的研究与优化D.太原：中北大学，2019.7 杨军，张力，李程，等.动态压力标准发展现状 J.计测技术，2012，32（S1）：11-15.8 张力，成志尧，盛晓岩，等.几种动态压力校准装置 J.测控技术，1999，18（11）：9-11.9 王维赉.动态压力测量原理与方法 M.北京：中国计量出版社，1986.10 张力，李程.正弦压力标准 J.仪器仪表学报，2001（S2）：44-45.Fig.16Dynamic regulation experiment of air pressure with different pulsation characteristics基于特征解耦控制的压气机失速脉动气压模拟方法第 44 卷 第 8 期2023 年2204077-11 11 张忠立，倪玉山，张进明，等.航空航天用高频高压正弦压力发生器的设计仿真 J.上海航天，2019，36（3）：131-137.12 吴 文 光，许 国 金.喘 振 模 拟 装 置P.中 国 专 利：203630543U，2014-06-04.13 李长征，雷勇.一种压气机喘振检测装置的实验方法 P.中国专利：CN102636247A，2012-08-15.14 李佳翱，张兴龙，张天宏，等.一种航空发动机喘振信号的气压模拟系统及其控制方法 P.中国专利：112696374B，2022-03-22.15 潘天宇，宋西镇，李志平，等.跨声速压气机不同转速下失稳形式的实验研究 J.推进技术，2015，36（8）：1127-1134.（PAN Tian-yu，SONG Xi-zhen，LI Zhi-ping，et al.Study on Instability Evolution at Different Rotation Speed in a Transonic Compressor J.Journal of Propulsion Technology，2015，36（8）：1127-1134.）16 李长征，胡智琦，许思琦.基于稀疏分解的压气机气动失稳检测J.推进技术，2015，36（4）：622-628.（LI Chang-zheng，HU Zhi-qi，XU Si-qi.Compre