淺談全權(quán)數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

趙金濤

（91395部隊(duì)，北京 102443）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，其安全、準(zhǔn)確、高效的運(yùn)行直接關(guān)系到飛行安全和運(yùn)輸效率。這樣就要求發(fā)動(dòng)機(jī)的控制必須朝自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，以避免人為操作誤差帶來的安全隱患。近年來已日漸成熟的全權(quán)數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制（Full Authority Digital Engine Control）系統(tǒng)簡稱FADEC，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律和許多現(xiàn)代控制算法，滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的需求。為了便于理解FADEC系統(tǒng)，下面就以通用的CF34-8C發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對FADEC系統(tǒng)的組成、功用和優(yōu)勢進(jìn)行解析[1-2]。

1 FADEC系統(tǒng)的組成

FADEC系統(tǒng)主要由FADEC主機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)（PMA）、燃油計(jì)量單元（FMU）、外圍相關(guān)傳感器組成。每臺(tái)CF34-8C發(fā)動(dòng)機(jī)上均安裝有一臺(tái)包含雙通道微處理器的FADEC，兩個(gè)通道之間互為備份。它是發(fā)動(dòng)機(jī)的控制裝置，提供推力管理，工作限制保護(hù)，起動(dòng)，反推。除此之外FADEC還提供發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組警告系統(tǒng)（EICAS）顯示器上的信息顯示[3]。PMA不但為FADEC提供N2轉(zhuǎn)速，同時(shí)還能為其提供可靠的電源。FMU接收FADEC輸出的電信號(hào)，并將電信號(hào)變成由燃油作為液壓媒介的液壓信號(hào)，來作動(dòng)可操作引氣活門和可變幾何（VG）作動(dòng)筒。外圍相關(guān)傳感器為FADEC提供發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)，如：溫度、壓力、速度等，以便FADEC計(jì)算并發(fā)出各種控制指令[4]。

2 FAEDC的功用

FADEC的使用，不但能減少飛行機(jī)組的工作負(fù)擔(dān)，能更有效的將發(fā)動(dòng)機(jī)排溫和機(jī)械操作保持在限制范圍內(nèi)，而且能使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最好的性能和最佳的燃油耗量，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)接口如圖1。

在圖上我們可以看到，F(xiàn)ADEC接收以下輸入信號(hào)：

（1）外界壓力(P0)、壓縮器壓力(PS3)。

（2）內(nèi)部渦輪溫度(T45)、風(fēng)扇進(jìn)口溫度(T2)。

（3）N1風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、N2壓縮器轉(zhuǎn)速、永磁發(fā)電機(jī)（PMA）。

（4）燃油流量需求和反饋、可操作引氣活門（OBV）反饋、VG作動(dòng)筒反饋。

（5）油門桿位置、反推線性可變差動(dòng)傳感器（LVDT）的離散信號(hào)。

根據(jù)這些輸入數(shù)據(jù)，F(xiàn)ADEC通過內(nèi)部運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

控制可操作引氣活門（OBV）的工作。OBV通過將高壓壓氣機(jī)的10級引氣釋放到發(fā)動(dòng)機(jī)外部來降低壓氣機(jī)的空氣負(fù)載。它通常在在起動(dòng)、熄火后重新恢復(fù)、突然減速或瞬時(shí)加速及飛機(jī)接近失速時(shí)工作，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)提供熱保護(hù)。而OBV的工作都是由FADEC來控制的。當(dāng)FADEC需要OBV作動(dòng)時(shí)，前者會(huì)給OBV上的雙線圈馬達(dá)供電，通過電流的不斷變化，使雙線圈馬達(dá)控制OBV開關(guān)端的燃油壓力，從而控制OBV的開度。如果飛機(jī)即將出現(xiàn)失速，失速保護(hù)計(jì)算機(jī)將向FADEC提供一個(gè)信號(hào)，同時(shí)FADEC根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)功率來控制可操作引氣活門的位置。當(dāng)實(shí)際N1低于79%時(shí)，F(xiàn)ADEC控制OBV打開到最大位置，去增加失速的臨界值。當(dāng)N1在81%以上時(shí)，F(xiàn)ADEC控制OBV到完全關(guān)閉，用來在大功率下保持T45的極限值。同時(shí)，F(xiàn)ADEC會(huì)接收來自O(shè)BV上的LVDT的位置反饋信號(hào)，從而精確監(jiān)視和控制OBV的位置[5-6]。

調(diào)節(jié)可變幾何靜子葉片?？勺儙缀戊o子葉片能防止壓縮器前幾級提供的壓縮空氣高于后幾級，從而減少壓縮器喘振的可能性。當(dāng)FADEC把控制信號(hào)傳輸給FMU，F(xiàn)MU會(huì)通過控制燃油來作動(dòng)VG作動(dòng)筒，從而控制可變幾何靜子葉片的位置。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，可變幾何靜子葉片朝關(guān)閉的位置移動(dòng)，只允許最小的空氣通過壓縮器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)，可變幾何靜子葉片朝打開的位置移動(dòng)，允許最大的空氣通過壓縮器。同時(shí)，F(xiàn)ADEC會(huì)接收來自VG動(dòng)作筒上的LVDT的位置反饋信號(hào)，從而精確監(jiān)視和控制可變幾何靜子葉片的位置[7]。

防止壓縮器(N2)超速。當(dāng)FADEC通道內(nèi)的速度電門通過PMA和燃油泵N2傳感器探測到核心的速度達(dá)到107%N2或更高時(shí)，超速保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)工作。工作時(shí)，超速電磁線圈激勵(lì)FMU內(nèi)的超速關(guān)斷活門。這就迫使位于FMU內(nèi)部的增壓關(guān)斷活門（PSOV）關(guān)閉。PSOV關(guān)閉后，切斷了到燃油總管的燃油。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到超速設(shè)定值以下時(shí)，超速電磁活門斷電，燃油再次供給發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)ADEC自動(dòng)點(diǎn)火。

3 FADEC系統(tǒng)優(yōu)勢

通過以上對FADEC系統(tǒng)的介紹，我們不難看出它的優(yōu)勢非常明顯。以前傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律算法主要依靠凸輪的空間曲面來完成，而這個(gè)空間曲面構(gòu)型制造比較困難，因而液壓控制系統(tǒng)控制精度不高。FADEC實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律算法則簡單的多，只需把公式變成代碼進(jìn)行處理即可，因此控制精度要高的多。他的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）FADEC系統(tǒng)通過高精度的數(shù)字計(jì)算，很容易實(shí)現(xiàn)對高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)的控制功能，并可以在整個(gè)飛機(jī)包線內(nèi)發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能。

（2）它更容易實(shí)現(xiàn)和機(jī)內(nèi)其他系統(tǒng)的通信，以此實(shí)現(xiàn)飛機(jī)控制的一體化，從而提高飛機(jī)的整體性能。

（3）它采用多余度設(shè)計(jì)、容錯(cuò)控制技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（4）它可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，環(huán)境變化時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償，以及推力限制，超轉(zhuǎn)保護(hù)等，大大提高了飛行安全，同時(shí)也減輕了飛機(jī)駕駛員的負(fù)擔(dān)[8-9]。

隨著航空檢測技術(shù)、新材料技術(shù)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)和不斷提高，渦扇式發(fā)動(dòng)機(jī)也在朝著更集成、更自動(dòng)和更輕便節(jié)能的方向發(fā)展。FADEC將繼續(xù)在系統(tǒng)硬件可靠性、先進(jìn)的故障檢測技術(shù)、準(zhǔn)確一致的維護(hù)信息和新的控制規(guī)律等方面發(fā)展。未來可能會(huì)采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這樣能大幅度降低甚至消除電力網(wǎng)噪聲對通信數(shù)據(jù)的干擾；采用靈巧的光學(xué)傳感器來增加可靠性；采用高溫電子模塊用來提高高溫工作環(huán)境下的穩(wěn)定性。其發(fā)展方向包括以下三點(diǎn)：一是減輕重量，二是增加控制性能，三是提高對不利環(huán)境的容限[10]。

4 結(jié)論

當(dāng)前，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)正處在從傳統(tǒng)液壓控制向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變過程中，且經(jīng)歷了從單個(gè)部件到整體，從模擬式到數(shù)字式、從有限功能到全權(quán)控制的發(fā)展過程。我相信，隨著國內(nèi)航空工業(yè)的不斷發(fā)展，不論在民用還是軍用飛機(jī)上，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)會(huì)以其突出的優(yōu)勢普及開來并朝著更集成、更智能、更高效的方向飛速發(fā)展。