航空發(fā)動機控制系統(tǒng)淺析

陳彥強 張淑瑞 薛超

【摘要】航空發(fā)動機控制系統(tǒng)是一個多變量、時變、非線性、多功能的復雜系統(tǒng)，其性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機及飛機的性能。本文主要論述了航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程、相關(guān)技術(shù)及其技術(shù)優(yōu)缺點，并預測了國際發(fā)動機控制技術(shù)的未來發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動機控制系統(tǒng);機械液壓;FADEC;分布式;綜合控制

1.概述

發(fā)動機的工作過程是極其復雜的氣動熱力過程，在其工作范圍內(nèi)隨著發(fā)動機的工作條件和工作狀態(tài)（如巡航、加速及減速等）的變化，它的氣動熱力過程將發(fā)生很大的變化，對于這樣一個復雜而且多變的過程如果不加以控制，可以想象系統(tǒng)不但達不到設(shè)計的性能要求，而且根本無法正常工作。所以，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的目的就是使其在允許的環(huán)境條件和工作狀態(tài)下都能穩(wěn)定、可靠地運行，充分發(fā)揮其性能效益。

2.發(fā)展歷程

隨著航空發(fā)動機技術(shù)的不斷進步和性能不斷提高，其控制系統(tǒng)也由簡單到復雜。航空發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)展階段的分類方法有很多種，目前，按發(fā)動機控制技術(shù)的發(fā)展和應用階段大致分為以下4種，作簡要介紹：（1）機械液壓控制;（2）數(shù)字電子式控制;（3）分布式控制;（4）綜合控制。

2.1 機械液壓控制系統(tǒng)

機械液壓控制系統(tǒng)：是使用基于開環(huán)控制或單輸入單輸出（SISO）閉環(huán)反饋控制等經(jīng)典控制理論，采用由凸輪和機械液壓裝置組成的機械液壓控制器即可成功地對發(fā)動機進行控制。

機械液壓控制系統(tǒng)典型應用的機種：最典型的就是俄羅斯AN-*系列飛機。

這種簡單的單輸入單輸出控制系統(tǒng)優(yōu)點：（1）方法簡單;（2）易于實現(xiàn);（3）能保證發(fā)動機在一定使用范圍內(nèi)具有較好的性能。因此這種控制方法目前仍然應用于許多發(fā)動機的控制中。目前，國內(nèi)運輸機飛機上，發(fā)動機控制仍然用的是凸輪和機械液壓裝置組成的機械液壓控制器。

隨著發(fā)動機控制功能的增加，控制系統(tǒng)的復雜度也越來越大。這種簡單的液壓機械控制系統(tǒng)的缺點就顯現(xiàn)了出來：（1）僅適用于：飛行速度比較小、飛行高度比較低、發(fā)動機的推力不大的飛機。（2）機械液壓流量控制和伺服部件變得越來越大、越來越重、越來越昂貴。

為了解決上述問題，航空發(fā)動機控制研究人員借助于電子技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，電子控制器的研究，并取得了較大的進展。通用電氣將之稱為全權(quán)限數(shù)字電子式控制 （Full Authority Digital Electronic control簡稱FADEC）系統(tǒng)，也就是我們目前用的比較多的簡稱。這樣航空發(fā)動機控制發(fā)展到了第二個階段。

2.2 數(shù)字電子式控制

FADEC是集現(xiàn)代控制理論、微電子、計算機等技術(shù)在航空發(fā)動機控制中的綜合應用。由于FADEC在國內(nèi)目前是一種發(fā)展的必然趨勢，在國外現(xiàn)役飛機上運用最廣泛的控制系統(tǒng)，所以在此介紹的相對稍微多一點。

FADEC的典型應用機種：1973年，美國制定研究計劃，對F100發(fā)動機全權(quán)限數(shù)字電子式電子控制器（FADEC）開展研究，于1981年安裝在F15飛機上進行了首次試飛，1983年完成了飛行試驗。1985年在改型的F100發(fā)動機F100一PW-220上裝備了數(shù)字電子控制器并投入了使用。之后該技術(shù)在F-15、F-16飛機中被廣泛應用。民航Mill、A300、B767-400等飛機上的Pw4000系列發(fā)動機和B767飛機上的CF6-80Cz發(fā)動機均裝有全權(quán)限數(shù)字式電子控制器。F100發(fā)動機的數(shù)字電子控制器（DEEC）是第一個試飛的全權(quán)限數(shù)字電子控制器。

FADEC的優(yōu)點：（1）可以控制更多的參數(shù)、比較容易地實現(xiàn)復雜的控制算法，改良控制策略、降低被控參數(shù)超調(diào)量;（2）可以使發(fā)動機獲得更高的控制精度和工作效率;（3）可以大大簡化開發(fā)時間，把開發(fā)時間從幾個月縮短成幾天，同時，也說明了電子控制器對于提高整個發(fā)動機的研制周期所起到的作用。

FADEC的缺點：在二十世紀80年代后，為滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，世界各航空大國對軍用飛機提出了更高要求的大背景下。一方面，航空發(fā)動機自身結(jié)構(gòu)更加復雜?？烧{(diào)節(jié)變量增加;另一方面，航空發(fā)動機控制已不只局限于對自身進行控制，還要對進氣道和尾噴管進行控制，控制系統(tǒng)更加復雜。目前航空發(fā)動機采用的集中式控制系統(tǒng)的缺點也暴露了出來：（1）可靠性降低。系統(tǒng)中的全權(quán)限數(shù)字電子控制器（FADEC）除了要實現(xiàn)所有的信號采集、處理、控制算法運算、控制信號輸出等主要功能以外，還要實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測、安全保護功能，這使得FADEC中的軟件龐大而復雜，且系統(tǒng)對計算機利用率高，計算機一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)都不能工作;（2）控制系統(tǒng)重量過大。為了滿足安全要求，F(xiàn)ADEC和控制系統(tǒng)中的各傳感器、伺服裝置、執(zhí)行機構(gòu)之間是雙絞線或是三絞線連接且相距較遠，所以連接電纜及其絕緣層、保護層、連接器以及接頭的重量占控制系統(tǒng)重量的很大部分;（3）集中式控制結(jié)構(gòu)不利于發(fā)動機改型時控制系統(tǒng)的擴展。（4）不利于維護。系統(tǒng)中電纜數(shù)目很多，有很多連接器和接頭，因此系統(tǒng)的大部分問題與電氣元件之間的機械連接故障有關(guān)，而且沒有標準化的接口導致設(shè)備多樣化、復雜。

為了解決上述FADEC實際使用的問題，各國航空發(fā)動機控制研究人員又研制出了分布式控制系統(tǒng)。

2.3 分布式控制

分布式控制系統(tǒng)是一種帶有高度一體化數(shù)據(jù)總線的全智能分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它采用智能傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，這些智能傳感器和執(zhí)行機構(gòu)本身帶有補償器或控制器，并通過一條有余度的高速數(shù)據(jù)總線與飛行控制器相連。（如圖1所示）

圖1 分布式控制系統(tǒng)組成

分布式控制系統(tǒng)典型應用機種：如美國的F/A-18，F(xiàn)-117，歐洲的“狂風”、法國的“幻影”，蘇聯(lián)的米格-29、蘇-27等。這些飛機均對尾噴管進行控制。

分布式控制系統(tǒng)優(yōu)點：（1）降低了控制系統(tǒng)的復雜性，從而改善維修性和可靠性;（2）可使FADEC成為一個共同處理單元體，它可以做成標準化的設(shè)備，用于一系列發(fā)動機，結(jié)果使成本大大降低;（3）與現(xiàn)在的系統(tǒng)相比，發(fā)動機的重導線系統(tǒng)幾乎都取消了;（4）若使用光導總線（光纖），且大量使用光學接口還可以大大消除電磁干擾，并可進一步減輕重量。

2.4 綜合控制

按傳統(tǒng)的設(shè)計方法，飛機上的多個控制系統(tǒng)都是獨立設(shè)計，不考慮相互間的耦合作用，實際上，飛機作為一個整體，其各系統(tǒng)間的相互耦合作用都是顯而易見的，過去是由駕駛員用控制輸入來綜合各個分系統(tǒng)，解決其耦合問題，但由于現(xiàn)代飛機的多任務(wù)、高性能要求，駕駛員無暇顧及各分系統(tǒng)的綜合，各個分系統(tǒng)孤立進行設(shè)計的方法已不能滿足現(xiàn)代飛機的要求，這在客觀上對各分系統(tǒng)提出了綜合設(shè)計及自動綜合控制的要求。

綜合控制主要應用的技術(shù)和理論有：光纖技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和高溫材料等。（如圖2所示）

圖2 綜合控制主要應用的技術(shù)和理論

綜合控制主要采用先進的控制模式、控制算法，并與其他機載系統(tǒng)（進氣道控制系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)等）相綜合，以獲得更好的系統(tǒng)性能和提高控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)的使用壽命，降低系統(tǒng)的研制和使用成本。

綜合控制目前還沒有應用的機種。但目前美國實施的一項未來先進控制技術(shù)研究計劃（FACTS），其目的是進一步實現(xiàn)動力控制系統(tǒng)的小型化、綜合化（飛/推綜合）及提高性能和可靠性。

3.目前存在問題

綜合控制的優(yōu)越性已成為同行專家的共識，綜合控制作為飛機上各控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是確定無疑的，但這種科研項目本身的綜合性與管理上的分散性之間存在著矛盾。

4.發(fā)展展望

在20世紀后期，航空發(fā)動機控制系統(tǒng)最令人鼓舞的革命性變化無疑是由液壓機械式控制向數(shù)字電子式控制的發(fā)展，這一發(fā)展趨勢在本世紀中對發(fā)動機控制技術(shù)的發(fā)展仍將具有深遠的影響，展望21世紀航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的發(fā)展，在技術(shù)上向數(shù)字、綜合、分布、光纖、多變量、容錯及智能控制等方向發(fā)展，其達到的效益是提高性能（推力或功率），提高可靠性，減輕重量，降低耗油率。

參考文獻

[1]郭迎清，章澎.航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)綜述，2003.

[2]閆月亮，董照飛.航空發(fā)動機控制發(fā)展趨勢及新技術(shù)淺析，2006.

[3]孫海東，尚永鋒.航空發(fā)動機控制系統(tǒng)，2007.

[4]吳志琨.渦扇發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計研究，2007.

[5]孫健國.面向21世紀航空動力控制展望，2001.

[6]韓小琦.航空發(fā)動機控制系統(tǒng)安全性評估研究，2009.

[7]張紹基.航空發(fā)動機控制系統(tǒng)的研發(fā)與展望，2004.