科技创新与应用Ｉ ２０１７年第９期 科技创新 某飞行台被试发动机液压负载系统设计 段小维 薛文鹏 （中国飞行试验研究院，陕西西安７１００８９） 摘要：文章针对某飞行台被试发动机试验要求，设计研发了一套被试发动机液压负载系统。该系统以流量作为加载目标，用于 实现对被试发动机转子机械功率的提取与考核，同时考察飞机液压负载对发动机工作稳定性和性能特性的影响。文章介绍了该 液压负载系统的结构、控制方式、实现方法及功能特点。试验表明，该液压负载系统能够满足某发动机飞行台试飞过程中液压系 统试验的要求。 关键词：飞行台；液压负载；电液伺服阀；流量控制；ＰＩＤ １概述 被试发动机的飞行台试验是将被试发动机安装于成熟载机平 台，从而在真实高空飞行条件下完成对被试发动机功能及性能的暴 式中：Ｎ一提取的功率，ｋＷ；Ｑ一负载管线的液压油流量；Ｐ 一 泵出口的压力，ｋｇｆ／ｅｍ ；Ｐ 口一泵进口的压力，ｋｇｆ／ｅｍ ；ｌｑ一泵的工作 效率。 露、考核、评估的试验方法。一般用于新型发动机的研制试飞及取证 试 阶段。在该阶段试验过程中，对发动机转子机械功率的提取与 考核，对液压泵与发动机的匹配性考察，及各个状态下飞机液压负 载对发动机Ｔ作稳定性和性能特性影响的衡量与评估是该阶段试 验的一项重要内容。 本文针对某飞行台被试发动机试验任务系统，在结合该飞行台 实际技术条件及动力装置飞行台试验内容、试验要求的基础上，设 计研发了一套被试发动机液压负载系统。考虑到载机平台及试验过 程的安全性，该系统设计为一个自封闭的液压系统，于载机平 台之上，通过控制调节液压泵出口压力及流量实现模拟负载运行， 可实现被试发动机各状态下设计值范围内液压系统负载的模拟及 控制监控，负载流量手动自动可调。该负载系统安装于被试吊舱进 气道唇口舱内，具有体积小，结构紧凑的特点。 ２系统设计 ２．１系统结构设计 该发动机液压负载系统用于某型发动机的飞行台试验过程中， 用于模拟飞机液压系统负载运行，实现对被试发动机所驱动液压泵 的功率提取、测量及控制，从而间接获得被试发动机转子的机械功 率。考虑到新型发动机飞行台试验的特殊性及安全性，系统采用自 封闭式设计方案，不作为载机液压附件供能单元。整个系统由液压 油源模块、泵源模块、负载模拟模块、温度控制模块、管路及安全控 制部件、测控模块组成，系统结构如图１所示。 图１液压负载系统结构图 由自主式增压油箱，蓄能器及组件构成的液压油源模块，为整 个系统提供液压油源，并通过预设蓄能器压力来调整及稳定油箱供 油压力，实现并满足被试液压泵的入口压力需求。泵源模块为被试 发动机带转的恒压变量泵及其保护油路，为整个系统提供压力源， 其输出性能为系统考核目标。负载模块采用并联式液压伺服阀方 案，以流量为被控目标，模拟飞机用压系统运行，是该系统的核心部 分。温度控制模块则以被试发动机供油油箱燃油为冷却介质对系统 进行冷却，以确保整个试验过程中液压油的工作温度及特性。系统 通过管路上的油滤、单向阀、卸荷阀等安全组件保证故障及非正常 运行状态下的安全性要求，并由测控系统完成液压加载控制及系统 各种工作状态参数监控及数据处理。 系统加载功率按公式（１）计算。 Ｎ＝０．００１６３５ｘＱｘ（Ｐ ｆ １］一Ｐ ＿Ｉｆｕ）／，ｑ （１） 一ｌ０一 ２．１．１液压泵源及系统压力控制 该系统的被试对象为被试发动机转子带转的某型号航空斜盘 式轴向恒压柱塞变量泵，由恒压变量泵的原理可知，额定流量范围 内，泵出口压力基本保证恒定，因此，系统压力由液压泵自身来调 节。同时，系统设置了一个带应急卸载的比例溢流阀如图１中所示， 设置系统保护压力Ｐａ，当液压泵出口压力大于Ｐａ时，系统自动泄 压。该电磁比例溢流阀包括一个先导式比例溢流阀和一个电磁换向 阀。先导式比例溢流阀在输人为零时，可起卸荷作用；电磁换向阀在 通电时保证系统的正常工作，当系统出现故障，电磁溢流阀断电，系 统卸压，也可以作为液压负载系统打开和关闭的开关。 ２．１．２负载模拟及流量控制 该系统是通过调节被试液压泵出口压力及流量来模拟飞机液 压负载的运行，系统压力由被试液压泵控制，流量则成为该系统最 为核心的控制需求。结合安装位置及实际控制需要，系统采用电液 伺服阀为被控元件，由电液伺服阀的输出特性曲线可知，一定的供 油压力下，在负载为零时，电液伺服阀输出的流量与输入电流（阀口 开度）成正比。最为典型的电液伺服阀流量闭环控制系统原理如图 ２（ａ）所示。 根据实际情况，该系统采用两个ＦＦ１０６—１００型电液伺服阀（参 数如表１所示）并联控制的策略，在供油压力为Ｐｓ时其空载流量最 大为２００Ｌ／ｍｉｎ，满足最大流量的工作要求，并且并联控制过程近似 的简化为２个流量阀的均流叠加控制过程。 将电液伺服阀近似的看作二阶震荡环节，由控制原理图及控制 流程可得到统控制方块图如图２（ｂ）所示。其中Ｋ 为电液伺服阀的 流量增益，∞ 为电液伺服阀的固有频率， 为电液伺服阀的阻尼 比。结合伺服阀参数及系统实际工作压力情况，得到系统控制流程 及传递函数如图２（ｃ）所示。根据试验要求及实际使用过程中的控制 精度需求，系统采用成熟的ＰＩＤ控制模式。系统经ＭＡＴＢＬＥ仿真采 用Ｚｉｅｇｌｅｒ—Ｎｉｃｈｏｌｓ方法并结合试凑法，取控制参数Ｋ ＝１．５８，Ｋ，： ０．６７， ＝０，系统８０Ｌ／ｍｉｎ设定值下的阶跃响应曲线如图３所示，系 统稳定时间０．２１ｓ满足发动机起动及状态突变过程加载使用需求。 表１ ＦＦ１０６—１００型电液伺服阀参数 ２．１．３系统温度控制 作为一个能量的转换系统，该系统是把发动机的机械能通过液 压泵转化为液压油的动能和压力能，最后以发热的形式消耗掉，因 此系统的发热很大。由于被试发动机吊舱内空间及安装位置的限 制，使得系统油箱容量有限，为了确保液压油的温度及特性，系统采 用被试发动机供油油箱燃油为冷却介质对液压油进行冷却。根据试 验要求，系统连续工作时间应保证≥１０ｍｉｎ。以燃油入口温度≤ ５０℃，燃油出口温度≤６０℃，液压油允许油温达到油温８Ｏ℃为设计 目标。因液压系统管路少以及油箱体积小，在热传递中不计其散热 功率，即假设液压系统的发热量全部由冷却介质燃油带走，则有： （ｔ）设系统满负荷工作允许的时间为ｔ（ｍｉｎ），则产生的热量为： Ｗ＝ＰＱｔ：２０ｘ１０ ×１５０ｘ１０～／６０ｘｔｘ６０＝３ｔ￣１０ （Ｊ） （２）由飞行台被试发动机油箱容量及发动机实际供油量可确定 冷却燃油供油量１２０００Ｕｈ（２００Ｌ／ｍｉｎ），则冷却器在时间ｔ（ｍｉｎ）内可 带走的热量为： 科技创新 ２０１７年第９期ｌ科技创新与应用 （ａ） （ｂ） Ｑ （ｃ） 图２系统负栽流量控制框图 图５测控系统软件结构图 该测控系统用以完成整个试验过程中所有状态下的液压加载 Ｂｏ ６０ 控制及系统状态监控功能。结合实际使用情况，选择采用ＰＣ／１０４总 线结构的嵌入式计算机和主控计算机相结合的分布式测控方案，二 者之间通过网络进行数据交互。其系统硬件结构如图４所示。嵌入 式计算机由ＣＰＵ模块、扩展功能模块和数据采集与控制模块等构 成，主要用于完成实时的测控功能，并将测试数据发送到主控计算 机；主控计算机完成系统管理和数据的事后分析与存储。 ２．２．２软件及功能设计 根据实验对象某型发动机液压负载试验系统特点及其飞行台 它机试飞阶段的试验内容及流程要求，以ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ５．０、Ｄａｔａｌａｂ ２０ 为开发平台采用模块化结构完成系统测控软件编制调试。整个软件 根据功能划分为试验配置、测控通道标定、试验过程控制、试验数据 处理等几大功能模块，其结构如图５所示。该系统具备以下功能： Ｏ （１）系统自检及试验配置功能：完成系统开机白检，对系统硬件 进行配置，包括接口板卡（Ａ／Ｄ卡、Ｄ／Ａ卡、ＤＵＯ卡）配置、ＡＤ／ＤＡ／ＤＩＯ 图３负载系统阶跃响应曲线 通道配置及网络数据协议配置。 （２）测控通道标定功能：包括输入通道标定、输出通道标定及数 ＝ｃｍＡｔ＝ｃＱｔｐＡｔ＝１９００￣２００ｘ０．７８ｘｔｘｌ０＝２．９６ｔｘ１０ （Ｊ） 字Ｉ／０通道标定。输入通道标定主要完成信号及反馈通道的零、满 （３）液压油温升所需热量（液压油最小量１１Ｌ，油温可升４０℃） 点及量纲标定；输出通道标定主要完成模拟输出通道电流的零、满 Ｗｌ＝ｃｍＡｔ＝１９００ｘ１１×Ｏ．７８ｘ４０＝０．６５ｘ１０ （Ｊ） 点调整及额定电流设置；数字Ｉ／Ｏ通道标定可对系统中所使用的数 （４）采用２个燃油冷却器ＹＳＲ一２（液压油腔最大流量８０１／ｍｉｎ， 字Ｉ，０通道进行检查和设置。 燃油腔３１０１／ｍｉｎ），负载系统满负荷工作，可持续的时间为： （３）加载控制及实时监控功能：系统可实现对于被试发动机各 １Ｌ ＝Ｗ 种状态下的液压负载模拟及紧急状态下的手动卸荷，加载流量范嗣 ：薏 矗＝４０ ２．９６ｔ×１０‘＋０６５Ｘ１０‘＝３ｔＸ１０ ．ｔ： ： ：１６．２５ ｍｊｎ ３ ２．９６ 既有当冷却的燃油量１２０００ＩＪｈ（２００１／ｍｉｎ），燃油人口出口温差 达到１０￣Ｃ，负载系统中的液压油温升４０￣Ｃ，系统满负荷可运行 １６．２５ｍｉｎ，可满足使用要求。 ２．２测控系统结构及功能设计 ２．２．１测控系统硬件结构 图４测控系统硬件结构图 图６液压负载系统加载试验数据 科技创新与应用ｌ ２０１７年第９期 科技创新 电梯运行模式的设计和优化 李科宇 （广西民族大学理学院，广西南宁５３０００６） 摘要：针对电梯运行模式优化问题，文章将电梯上行高峰作为主要考虑点，并将其简化为一个有固定周期的理想化电梯模型， 通过对比取优并结合分层运行方式，对现有电梯的运行方式进行了优化。一方面，在控制变量的情况下，分别在人较多和人较少 时对等待总时间和耗能进行优化，设立一组理想对比试验，通过建立直观图标并且运用“对称等价原则”，得到了空闲时间电梯的 群控运行方式更占优势而高峰期独控运行模式更胜一筹的结果。进一步，文章选取两立运行的电梯，通过对电梯运行时间和 耗能进行比较得到在随机、奇偶、分层三种运行方式中分层为最优运行方式，并加入之前的结论，得到了在多部电梯时对整体分 组分层，各组电梯之间独控，组内电梯群控的优化电梯运行模式。在此基础上，文章对此想法进行进一步改进，即对其分层方式进 行优化，发现其符合动态规划模型的要求，故文章运用动态规划，避免多次求解同一子问题，从而能够更快更准确的解决问题。最 后得到的分层方法的最优解，并列举同时有二、三、四部电梯的情况的最优解，分别求出三种情况的最短时间，从而减少了耗能。 关键词：电梯运行模式；对称等价原则；分区运行；动态规划 １ Ｉ 题分析 本文的一个目的是为比较群控独控两种运行模式的人均等待 时间和电梯的耗电量，然而现实生活中人们使用电梯的时间却是不 定的，所以可以分为人较多和人较少两个时间段分别分析。设定两 个理想电梯模型（只有运行模式的差异），通过假设数据和实地调 查，列出其相应图标，比较人均等待时间及耗能。 另一个目的是优化电梯的运行模式，也就是为了缩短人均等待 时间并减少耗能。首先考虑是什么导致等待时间变长，本文从两个 时间段考虑，在人较少时不存在等待时间过长的问题，而在人较多 时问题则比较明显，从而主要考虑人多时的情况，由常理可知，高峰 期时离开一楼的轿厢就会增多，轿厢的停靠次数就会增多，从而时 间就会增长．那么我们可以减少单个电梯的可停靠层数从而减少停 靠次数。 最后，根据“最大最小原则”，得到了“最小的”最大时间，因为服 务最慢的电梯的运行时间达到最优，可以认为得到了一个乘客平均 等待时间较优的策略，而此模型符合动态规划的要求，所以我们使 用ｃ＋＋进行编程，求解动态规划方程得到最优结果。 ２问题假设 此处只做出一般假设，在每一个具体问题前还会有专门假设： ２．人数相关量： Ｕ：学生总数、Ｕ，：电梯需向各层运送乘客数、ｍＵｊ：需运送总人数。 ３．电梯相关量： ｅ：电梯每次停靠的能耗、Ｅ：停靠次数、Ｅ：电梯的总能耗 ｔ电梯 运行中经过各层的时间、ｔ ：电梯在每层停留时间、ｃ：最大载客量、 Ｔ 电梯运行时间 ４模型建立与求解 ４．１运行与群控运行电梯的优劣分析 当人数较多即高峰期时，我们采用“对称等价模型”进行更直观 的分析，对于独控，设其每次到达的层数为，则有图ｌ。 （１）在高峰期，电梯一定可以每次都满乘，电梯内每位学生在各 层下电梯的概率相等，且相互。 图ｌ“对称等价原则” （２）电梯每次的停靠时间及每两层之间的运行时间是固定的。 我们可以将其“对称等价”为图２。 （３）忽略电梯启动与制动时的加速及减速过程，即电梯匀速。 对于群控模式，设其两部电梯分别为ｃ梯，ｄ梯，虽然二者不能 （４）所有电梯的使用时间、已使用时间、材料、自重、载客量、运 在时间上同步进行，但可以令其到达乘客目的层序数同步，运送同 行速度一致。 等数量的乘客，两类电梯运行周期数目是绝对相等的，然则群控的 （５）每层楼的楼间距一致。 时间不能同步，致使一梯到达底层而另一梯仍相对静止于某一梯 （６）总楼层保持不变。 层，从而造成了时间间隔差。造成了乘客的平均候梯时间较独控长， ３符号说明 也造成了群控较独控的耗电量大，因此无论从候梯时间还是耗电量 表１符号说明 来考虑，独控均占优势。 １．大偻的相关量 ４．２电梯运行模式的优化 Ｎ：大楼的层数、ｎ （ｍ≥１）：层间距数。 ４．２．１几种常见电梯运行方式的比较 满足被试发动机液压泵最大流量需求，可根据实际情况及需要进行 手动或自动调节。并实现对于试验过程中功率，流量，各测量点压力 及温度的实时监控。 （４）报警及应急卸荷功能：在系统运行参数超出值时进行 报警提示，并在系统超压及油温超温时进行自动卸荷。 （５）加载系统工作参数数据处理、显示、存储和回放等。 ３液压负载系统试验 被试飞行台在某高度平飞过程中，被试发动机分别在不同状态 下进行了被试液压泵１０％额定流量，２５％额定流量，６５％额定流量， ９５％额定流量四个流量下各两分钟的加载试验。试验过程中，被试 液压泵Ｔ作正常，被试发动机工作正常，液压负载系统工作参数正 常（试验曲线见图６）。 ４结束语 本文针对某型发动机的飞行台试验内容及要求，结合飞行台及 被试发动机试验及吊舱系统，设计研发了一套被试发动机液压负载 系统。该系立于载机平台之上，可实现对发动机各状态下液压 一系统带载状态的模拟，负载流量手动自动可调．最大流量满足被试 液压泵及系统需求。并且完成了发动机多个状态下空中不同流量下 的加载试验，从试验结果看，飞行台液压加载系统在被试发动机试 验过程中，可以按试验要求模拟被试发动机液压系统负载运行过 程，完成对于发动液压系统带载能力及带载状态下发动机性能的考 核，整个系统及试验过程安全、准确、有效，满足系统设计指标及功 能要求。 参考文献 ｌｌ１江辉军．某型飞机液压能源系统原理验证试验系统研究『Ｄ１．西安： 西北工业大学自动化学院，２０ｌ０． 【２】李大伟，郭建，赵玮．一种液压负载模拟系统的研究［Ｊ】．机床与液 压，２０１４（２）． 【３】贾铭新．液压传动与控制［Ｍ】．国防工业出版社，２００１． 作者简介：段小维（１９８５一），女，硕士，工程师，主要研究方向：航 空发动机飞行试验电气控制技术。 ｌ２～
