小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)總線觸發(fā)機(jī)制研究

田飛龍，郭迎清，謝振偉

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072）

0 引言

當(dāng)前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用全權(quán)限數(shù)字電子控制器（FADEC），這是1種“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的集中式控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)面臨著越來越突出的減重、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低成本等問題，采用總線通信的分布式結(jié)構(gòu)將會(huì)是下一代控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，美國已專門成立DECWG（發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制工作組）聯(lián)合各行業(yè)推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的研究[1-2]。

分布式控制不同于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，采用總線通信必然會(huì)引入一些新的問題，如多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)競爭產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲、掉包等問題。不同的總線觸發(fā)機(jī)制下的延時(shí)情況不同，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性等造成的影響也不同?，F(xiàn)有的總線觸發(fā)機(jī)制有2種：事件觸發(fā)機(jī)制和時(shí)間觸發(fā)機(jī)制。文獻(xiàn)[3]通過比較幾種不同的總線，認(rèn)為時(shí)間觸發(fā)機(jī)制適用于對(duì)安全性要求較高的場合。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制尚未成熟的工程應(yīng)用背景下，應(yīng)該選擇何種總線觸發(fā)機(jī)制值得研究。

本文以某小型渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，利用TrueTime工具箱建立發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)，分析比較不同總線觸發(fā)機(jī)制對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制的影響，從而選擇適合發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制的總線觸發(fā)機(jī)制。

1 2種總線觸發(fā)機(jī)制

發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制采用總線通信，標(biāo)準(zhǔn)化接口提高了系統(tǒng)兼容性和開放性，便于實(shí)現(xiàn)智能模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；利用總線代替眾多模擬連接的線束可以大大減輕控制系統(tǒng)的質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能[4-5]。

引入總線使得控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)共享總線會(huì)產(chǎn)生競爭沖突問題。目前解決該問題有2種方法：事件觸發(fā)機(jī)制和時(shí)間觸發(fā)機(jī)制[6]?；谑录|發(fā)方式的網(wǎng)絡(luò)中，所有活動(dòng)都是由事件的發(fā)生引起，但由于延遲等原因，事件的產(chǎn)生是隨機(jī)的，這就很可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的事件之間發(fā)生沖突。此外，事件觸發(fā)還具有額外開銷小和實(shí)現(xiàn)簡單的優(yōu)點(diǎn)?；跁r(shí)間觸發(fā)方式的網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間同步化，每個(gè)在網(wǎng)絡(luò)上的事件活動(dòng)都打上了時(shí)間標(biāo)記。系統(tǒng)中的任務(wù)根據(jù)已制定的時(shí)間表分配好相應(yīng)的總線時(shí)間。因此，在采用時(shí)間觸發(fā)方式通訊的總線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)都按照事前制定的調(diào)度時(shí)間表執(zhí)行。2種觸發(fā)方式都在實(shí)際中得到了應(yīng)用。

2 利用TrueTime搭建某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字仿真平臺(tái)

TrueTime是瑞典LUND工學(xué)院（DanHenriks-son和AntonCervin）研制的基于Matlab的網(wǎng)絡(luò)控制仿真工具箱，支持控制與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)度的同時(shí)仿真[7]。其計(jì)算機(jī)模塊可以模擬分布式控制系統(tǒng)中的各智能單元和控制器（EEC），每個(gè)模塊都具有A/D轉(zhuǎn)換、總線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，通過M文件編程實(shí)現(xiàn)其功能；網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以模擬分布式控制系統(tǒng)中總線通信。由于CAN總線具有優(yōu)越的數(shù)據(jù)傳輸性能，能保證其可靠性，因此在高溫電子技術(shù)不成熟時(shí)，總線通信模塊可先采用CAN總線通信，文獻(xiàn)[8-9]為國內(nèi)外研究中，將CAN總線用于發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制預(yù)先研究的實(shí)例。

本系統(tǒng)的被控對(duì)象為利用系統(tǒng)辨識(shí)方法得到的某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的線性模型[10]。目前，國外研究認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有智能節(jié)點(diǎn)型、部分分布式以及完全分布式幾種形式，而智能節(jié)點(diǎn)型結(jié)構(gòu)在分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中起基礎(chǔ)過渡作用[11-12]，本文基于此結(jié)構(gòu)搭建了針對(duì)某小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的分布式控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)有3個(gè)智能節(jié)點(diǎn)：智能轉(zhuǎn)速傳感器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器節(jié)點(diǎn)?？刂破鞴?jié)點(diǎn)采用數(shù)字式PID設(shè)計(jì)，利用燃油流量控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。此外，系統(tǒng)還添加1個(gè)網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)，用來模擬高優(yōu)先級(jí)任務(wù)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬（即不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載）情況下，不同觸發(fā)機(jī)制對(duì)系統(tǒng)的不同影響。分布式控制系統(tǒng)的原理如圖1所示；利用TrueTime搭建分布式控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 分布式控制系統(tǒng)的原理

圖2 利用TrueTime搭建分布式控制系統(tǒng)

3 事件和時(shí)間觸發(fā)機(jī)制仿真

3.1 2種觸發(fā)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

分布式控制中各智能節(jié)點(diǎn)與控制器之間的數(shù)據(jù)通信和任務(wù)執(zhí)行通過中斷來觸發(fā)，有2種觸發(fā)方式：時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)。

通過在TrueTime計(jì)算模塊中設(shè)置中斷句柄實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)，其CAN總線接口接收上一節(jié)點(diǎn)任務(wù)信號(hào)后中斷，開始執(zhí)行動(dòng)作和收發(fā)數(shù)據(jù)，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口信號(hào)到達(dá)時(shí)機(jī)的依賴性很大。CAN總線在本質(zhì)上是事件觸發(fā)總線，在仿真時(shí)，將各計(jì)算模塊的動(dòng)作設(shè)為周期性重復(fù)，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)，其內(nèi)部的周期性時(shí)間決定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)和動(dòng)作執(zhí)行，數(shù)據(jù)到達(dá)后存儲(chǔ)在郵箱中，不再作為中斷信號(hào)。1個(gè)計(jì)算模塊中事件和時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的原理如圖3、4所示。

圖3 1個(gè)計(jì)算模塊中的事件觸發(fā)機(jī)制

圖4 1個(gè)計(jì)算模塊中的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制

3.2 仿真結(jié)果對(duì)比

采用相同的控制算法（PID參數(shù)相同），采樣周期均設(shè)為10ms時(shí)，2種觸發(fā)機(jī)制下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖5所示。在時(shí)間觸發(fā)機(jī)制中，曲線超調(diào)量為4.74%，而事件觸發(fā)機(jī)制中響應(yīng)曲線超調(diào)量為7.06%，較前者高2.32%。

存在干擾節(jié)點(diǎn)競爭總線資源的情況下，一段時(shí)間內(nèi)2種觸發(fā)機(jī)制中控制器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)調(diào)度情況如圖6所示，從圖中可見，總線延遲使事件觸發(fā)機(jī)制中控制器任務(wù)的觸發(fā)時(shí)刻不可預(yù)測，而時(shí)間觸發(fā)為確定的周期性任務(wù)。

圖5 2種觸發(fā)機(jī)制下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖6 2種觸發(fā)機(jī)制下控制器節(jié)點(diǎn)任務(wù)調(diào)度情況

3.3 2種觸發(fā)機(jī)制下時(shí)延統(tǒng)計(jì)結(jié)果

以控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的消息幀CTRL（優(yōu)先級(jí)為2）為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，改變網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（10%，20%，30%），分析研究不同觸發(fā)機(jī)制對(duì)總線的延遲時(shí)間的影響。

（1）在事件觸發(fā)機(jī)制下，2s內(nèi)發(fā)送200次消息，除去計(jì)算模塊中的固定計(jì)算延遲，CTRL各幀消息的延遲時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖7所示，延遲的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 事件觸發(fā)總線的延時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表1中可見，在事件觸發(fā)機(jī)制下，CTRL消息的延時(shí)尖峰數(shù)量隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大而遞增，說明CTRL消息幀與其他消息幀發(fā)生碰撞的次數(shù)增加，平均延遲時(shí)間加長。分析延時(shí)大小后得出其分布具有很大的隨機(jī)性。

（2） 在時(shí)間觸發(fā)機(jī)制下的不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，CTRL各幀消息的延遲時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖8所示，延時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖7 CTRL在30%網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的延遲時(shí)間

圖8 CTRL在30%網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的延遲時(shí)間

表2 時(shí)間觸發(fā)總線的延時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表2中可見，在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，消息幀的延遲時(shí)間比較穩(wěn)定。這種特點(diǎn)使得分布式系統(tǒng)具有很大的確定性，有利于預(yù)測系統(tǒng)消息的延時(shí)和系統(tǒng)的控制，適用于對(duì)安全性要求較高的場合。

4 結(jié)論

本文利用TrueTime/MATLAB工具箱搭建某小型渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)，研究比較了分布式控制中時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)2種不同的總線觸發(fā)機(jī)制對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制的影響。比較得出：在事件觸發(fā)機(jī)制下，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的依賴性較強(qiáng)，消息易發(fā)生沖撞，且延時(shí)具有隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致很大的不確定性；而時(shí)間觸發(fā)機(jī)制解除了系統(tǒng)間相互依存關(guān)系，系統(tǒng)延時(shí)較為穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的安全性和預(yù)測性。因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制中適宜采用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，以保證在總線出現(xiàn)延遲或發(fā)生故障的情況下，控制器及各智能單元依然能夠有效參與。

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