某国产水力测功器性能调试研究

某国产水力测功器性能调试研究

王新平 ,周成 ,陈鹏

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002）

摘  要：水力测功器是试车台测量发动机输出功率的关键设备。在某车台更换国产水力测功器后，需要对测功器进行调试，达到使用要求。在某水力测功器调试中出现稳态转速波动，发动机加减速转速超调等问题，通过调节水力测功器控制参数，使水力测功器负载响应速度能及时地跟随某涡桨发动机的加减速，满足此型号试验要求。

关键词：国产水力测功器  排水阀  负载  控制规律  响应速度

某整机试车台更换国产水力测功器后，需要对测功器功能进行调试，达到满足科研试验要求。在某涡桨发动机调试试验中，出现测功器稳态转速不稳定，加减速转速超调的现象。分析发现是水力测功器排水阀响应速度慢，负载变化跟随偏慢，导致测功器转速不稳定。

1 水力测功器简介

1.1 水力测功器工作原理

车台使用的是某新型国产水力测功器，其工作原理是通过水力测功器转子叶片对水的搅拌，将发动机输出的机械能转化为水的热能，然后随着水的流动，将热能带走，通过散热装置将能量消耗。测量方法是通过测量水力测功器壳体的反向扭矩以及水力测功器转子的转速，计算出发动机的输出功率，以此评定发动机的性能，为发动机研制提供试验数据支撑。

1.2 水力测功器负载调节控制方式

水力测功器是通过进排水管路上的电动调节阀来调节测功器腔体内水量及水压的大小，其中通过设置进水阀开度调节进水量大小，通过排水阀调节来改变工作腔内的水压大小，从而满足发动机负载和转速要求，达到调节测功器吸收功率和转速的大小。试验中进水阀的开度越大，排水阀的开度越小，则测功器腔体的水量和水压变大，测功器负载越大，吸收的功率越大；当进水阀开度越小，排水阀开度越大，测功器负载越小，测功器吸收的功率越小。

随着测功器吸收功率的增加，进水阀从初始开度逐步增大至一定开度后则不再增加。若测功器吸收功率继续增加，则通过关闭排水阀，减小测功器的排水量来达到增加吸收功率的目的；若发动机桨轴转速需要变化，则通过调整排水阀开度来调节测功器转速，排水阀门用于根据所测试发动机功率或转速的改变相应地增大或减小其开度。

2 水力测功器试验中出现问题

2.1稳态试验中输出轴转速不稳定

在测功器稳态调试中，发动机从慢车上推到某一功率状态并稳定后，测功器出现转速不稳定，周期性波动现象，稳态运行曲线如下图1；

图1 发动机稳态过程曲线

从图1可以看出，稳态过程中油门杆缓慢上推，即由慢车位置60%移动至75%位置后稳定不动，此过程中排水阀门位置根据负载增加而调整，使输出轴转速稳定在1800r/min。由于发动机稳定状态油门杆PLA不变，燃气发生器转速Ng稳定不变，但是排水阀在29%开度位置上下波动，导致发动机输出轴转速Nr不稳定，转速出现比较大震荡，不能满足发动机稳态试验要求。

如何提高测功器在稳态下的转速的稳定性及排水阀门的响应控制能力，是解决该发动机稳定状态试验中转速稳定的关键。

2.2加减速试验中输出轴转速超调

发动机加减速过程中，迅速推动油门杆，将发动机状态由慢车状态迅速提高到中间状态，发动机功率和转速迅速上升，转速达到目标转速后会继续上升，出现转速超调现象，加减速运行曲线见下图2。

图2 发动机加减速过程曲线

发动机加减速过程中，输出轴转速初始为1300 ，目标转速为1600r/min，在油门杆迅速上推，由于水力测功器排水阀响应速度慢，负载增加慢，输出轴转速迅速上升到1900r/min，转速超调量过大，容易超转停车，不能满足发动机加减速试验要求。

因此如何控制测功器在加减速下的转速的超调量及排水阀门的响应速度，是解决该发动机加减速试验中转速超调的关键。

3 测功器负载特性分析

水力测功器控制模式有位置模式、转速模式以及扭矩模式等。试验中将测功器排水阀门设置为转速控制模式，而转速控制模式下实际执行的仍为阀门开度，最终仍通过阀门位置来进行闭环控制反馈，根据转速设置对应的排水阀自动调节开度；进水阀门位置为开环控制模式，根据负载功率以及测功器排水温度大小进行手动控制。因此测功器调试方法首先需调整排水阀门位置模式PID参数，将PID值调到阀门最佳响应。

4 对出现的问题的解决方法

4.1调节PID控制参数

测功器负载响应速度主要是通过调节PID来控制排水阀的响应速度以及达到稳态所需要的时间。

P是I和D的基础，过小响应慢，过大会产生振荡。I在有系统误差和外力作用时消除偏差、提高精度，同时也会增加响应速度，产生过冲，过大会产生振荡，D抑制过冲和振荡，过小系统会过冲，过大会减慢响应速度。

根据以往使用经验，调节PID值可以改变水力测功器响应速度，优化测功器转速，将稳态时测功器的PID参数做出相应逐步调整，使发动机在稳态时转速稳定。经过多次调试，将P值从32调节为40时，I值从30调节为35，D值从20调节为10，发动机在磨合Ng时保持Nr转速不变，见图3，稳定状态转速波动比较小（±15r/min以内）；在磨合Nr时，Ng转速不动，Nr在快速变化增大或者减小后能恢复稳定，因此调整测功器PID后满足发动机稳态试验要求。

图3 修改水力测功器PID响应后运行曲线

4.3设置突加速控制模式

在稳态时，测功器通过调节PID值来调节排水阀响应速度，使发动机稳定运行。但是在加减速过程中，由于测功器进、排水管路直径小，测功器腔体大容积，无法实现腔体内水量的快速变化，腔体中的水不能迅速充满或排空，排水阀门的PID调节无法满足负载和转速的快速变化。即发动机加减速时功率、扭矩急剧变化，排水阀响应速度跟不上，导致测功器负载过小，稳态控制的PID参数无法实现排水阀快速关闭，输出轴转速容易超出目标值。在加速时间合格、转速超调和Nr转速稳定之间很难找到一个平衡点。

参考其他类型测功器进控制方式，提出一种“突加速模式”测功器控制方法，通过提高排水阀的变动速度来实现转速稳定控制。“突加速模式”控制参数为ax2+bx+c，是以转速的加速度值来控制阀门调节速度，提高排水阀门控制速度，在加减速试验前进行测功器控制模式切换，由稳态的“转速模式”切换为加减速试验的“突加速模式”，完成加减速试验后自动切换到转速PID控制。

 “突加速模式”控制原理是对排水阀开度采用平方特性控制，根据输出轴转速的加速度值来调节排水阀门位置开度，实现阀门快速调节。在加减速调试试验中，根据油门杆变化速度及输出轴加速值，不断调节控制参数ax2+bx+c，a值在加速初期能提高排水阀变化速度，b值在加速后期稳定排水阀波动，c值调节排水阀最终位置。在试验中不断调整“突加速模式”中控制参数，寻找最佳控制控制参数值，将a值调整为0.8，b值调整为3，c值调整为10时，在“突加速模式”模式下，迅速推动油门杆，排水阀在加速过程中响应迅速，输出轴无明显超调现象（超调量为48r/min），加减速运行曲线见下图4，发动机加减速时间符合规范值，转速超调量合理，测功器能满足加减速试验要求。

图4 测功器突加速模式运行曲线

5 结束语

本文对测功器调试试验中稳态转速不稳定和加减速转速超调原因分析，研究了测功器在某涡桨发动机负载变化下的响应特性，发现并找到了水力测功器稳态控制的PID值以及加减速控制的突加速参数设置，通过调节水力测功器稳态下的PID参数以及增加突加速控制模式，在稳态及加减速状态下满足试验要求。

此次测功器性能调试能满足某涡桨发动机试验需求，后续需进一步改进测功器控制程序，提供更快捷有效的控制方法，满足其他型号发动机试验需要。

参考文献： 

[1] 刘祥平 熊荆江. Froude水力测功器负载的响应速度研究.南华动力,2016,4.

[2] 袁先圣. 水力测功器在某涡轴发动机功率变换试验应用研究. 南华动力,2020,3.