全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)在小型無人直升機(jī)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究

段勇亮

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

為拓展活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)在小型無人直升機(jī)中的應(yīng)用，本文詳細(xì)介紹活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的原理和架構(gòu)，并選擇某小型無人直升機(jī)為載機(jī)，實(shí)現(xiàn)了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在無人直升機(jī)上的工程應(yīng)用。地面裝機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字控制系統(tǒng)具備良好的控制精度和加減速特性，在無人直升機(jī)中的應(yīng)用具有廣闊前景。

無人直升機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及強(qiáng)大的功能，是目前技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。發(fā)動(dòng)機(jī)為無人直升機(jī)提供動(dòng)力，而發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)及無人直升機(jī)的性能。隨著無人直升機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合控制性能和動(dòng)力系統(tǒng)多樣化功能提出了更高要求，典型無人直升機(jī)動(dòng)力裝置渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)已從傳統(tǒng)機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)發(fā)展到全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC）系統(tǒng)。

考慮到特定的使用需求，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)小型無人直升機(jī)通常采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)門開度進(jìn)行控制，來調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的空氣量，同時(shí)根據(jù)空氣量調(diào)節(jié)油門開度以達(dá)到適當(dāng)?shù)挠蜌饣旌媳?，?shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)控制。與發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)相比，飛控系統(tǒng)功率控制模式存在功率控制精度差、安全裕度不足及狀態(tài)監(jiān)視功能缺乏等問題。發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文基于無人直升機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制理論，詳細(xì)介紹活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制在無人直升機(jī)上的工程應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

無人直升機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的要求

發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)除按照發(fā)動(dòng)機(jī)的要求進(jìn)行控制調(diào)節(jié)外，還必須充分考慮無人直升機(jī)的使用特點(diǎn)，并滿足如下無人直升機(jī)的特定控制要求。

（1）恒轉(zhuǎn)速控制

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與主旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械部件聯(lián)結(jié)在一起，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與主旋翼轉(zhuǎn)速存在確定的比例關(guān)系。無人直升機(jī)要求主旋翼保持恒定的轉(zhuǎn)速，因此要求發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出軸恒轉(zhuǎn)速控制。

（2）總距前饋控制

無人直升機(jī)的需求功率隨主旋翼總距的變化而變化。在一定轉(zhuǎn)速下，總距越大，需求功率也越大。在飛行過程中，操控員在地面控制站快速提放總距時(shí)，為避免無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載突然變化而引起主旋翼轉(zhuǎn)速發(fā)生較大的下垂或者超調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)采集無人直升機(jī)總距信號(hào)，提前感知無人直升機(jī)功率的變化，進(jìn)行預(yù)先加減油的前饋控制。

（3）快速響應(yīng)控制

當(dāng)無人直升機(jī)貼地飛行時(shí)遇到復(fù)雜地形，它必須快速改變姿態(tài)。為實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)動(dòng)飛行，發(fā)動(dòng)機(jī)必須具有快速響應(yīng)控制能力。

某型重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

某型重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓共軌燃油系統(tǒng)。該燃油系統(tǒng)由低壓燃油系統(tǒng)和高壓燃油系統(tǒng)組成。其中，低壓燃油系統(tǒng)由油箱、燃油濾清器組成；高壓燃油系統(tǒng)由高壓油泵、高壓油軌、噴油器、軌壓傳感器等部件組成。其中，高壓油泵自帶機(jī)械油泵。油箱中的低壓燃油經(jīng)燃油濾清器過濾后，被輸入至高壓油泵，高壓油泵將高壓燃油輸送到高壓油軌，再由噴油器噴入燃燒室燃燒。

圖1 某型重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)原理圖。

數(shù)字控制系統(tǒng)由傳感器、電子控制器、執(zhí)行器三部分組成。傳感器用于測(cè)量溫度、壓力等物理信號(hào)，并將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。電子控制器接收傳感器輸出的電信號(hào)，同時(shí)接收無人直升機(jī)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息。根據(jù)策略算法，數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)的控制參數(shù)。該系統(tǒng)控制高壓油泵上的燃油計(jì)量閥以調(diào)節(jié)進(jìn)油閥開度，并控制壓力控制閥以調(diào)節(jié)回油閥開度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓油軌油壓的精確控制。此外，按照恒轉(zhuǎn)速控制邏輯，數(shù)字控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣增壓電磁閥、噴油器等執(zhí)行器運(yùn)行，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力和噴油量進(jìn)行控制，達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)功率的目的。

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)在無人直升機(jī)中的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)利用兩路全雙工RS-422接口與無人直升機(jī)飛控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)和機(jī)載測(cè)控系統(tǒng)沒有直接交聯(lián)，測(cè)控系統(tǒng)將無人直升機(jī)的控制指令傳輸至飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)再將與發(fā)動(dòng)機(jī)控制有關(guān)的指令發(fā)送至數(shù)字控制系統(tǒng)。無人直升機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)之間的所有控制指令均由飛控系統(tǒng)傳輸。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)與機(jī)載系統(tǒng)的控制交聯(lián)架構(gòu)如圖2所示。

無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)控制

無人直升機(jī)地面控制站的操作臺(tái)設(shè)置了停車、地慢、飛行三個(gè)按鍵。按鍵操作可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)控制。無人直升機(jī)收到地面控制站發(fā)送的發(fā)動(dòng)機(jī)控制指令后，數(shù)字控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)進(jìn)行控制。指令信號(hào)由“停車”轉(zhuǎn)換為“地慢”或從“停車”轉(zhuǎn)換為“飛行”，數(shù)字控制系統(tǒng)均能自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；指令由“地慢”轉(zhuǎn)換為“飛行”時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)可將發(fā)動(dòng)機(jī)加速到“飛行”狀態(tài)；指令由“飛行”或“地慢”轉(zhuǎn)換為“停車”時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)均可執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)停車。

（2）總距—負(fù)載前饋控制

飛控系統(tǒng)將總距位置信號(hào)發(fā)送給數(shù)字控制系統(tǒng)。當(dāng)總距位置變化時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)無人直升機(jī)提供的主旋翼總距—負(fù)載曲線進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，提前調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率，減少因功率突然變化引起的主旋翼轉(zhuǎn)速超調(diào)或下垂。

（3）恒轉(zhuǎn)速控制

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)交聯(lián)架構(gòu)圖。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)成功啟動(dòng)后，數(shù)字控制系統(tǒng)即可調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速保持恒定。穩(wěn)態(tài)控制誤差范圍控制在-0.5%～+0.5%之間，瞬態(tài)控制誤差范圍控制在-4%～+4%之間。無人直升機(jī)需求功率變化后，發(fā)動(dòng)機(jī)從瞬態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)所須時(shí)間一般不超過10s。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視、健康診斷

數(shù)字控制系統(tǒng)可將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)和預(yù)警指示信號(hào)發(fā)送給飛控系統(tǒng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視。此外，數(shù)字控制系統(tǒng)可自動(dòng)診斷自身故障，并將該故障數(shù)字信號(hào)傳輸給飛控系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)電調(diào)應(yīng)安裝獨(dú)立存儲(chǔ)模塊，在發(fā)動(dòng)機(jī)故障、超限等任何異常情況發(fā)生前后30min的時(shí)間段，記錄所有工作參數(shù)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果。

發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的裝機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)裝機(jī)后的控制性能，某型無人直升機(jī)配裝數(shù)字控制系統(tǒng)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，開展發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性和加減速檢查等裝機(jī)試驗(yàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性檢查

操作員調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)總距（CLP）來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)，使總距從-1°依次階梯升至5°。操作員控制發(fā)動(dòng)機(jī)在每個(gè)總距下穩(wěn)定工作3min，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性進(jìn)行檢查。

在試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，且在總距掃描過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)超調(diào)范圍為-1.5%～+1.5%，滿足-4%～+4%的范圍要求。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)超調(diào)范圍為-0.27%～+0.27%，滿足-0.5%～+0.5%的范圍要求。

圖4 總距操作過程圖。

發(fā)動(dòng)機(jī)加減速特性檢查

操作員分別在3～5s、2～3s、0.5～1.5s的時(shí)間范圍內(nèi)將總距從-1°增加到3°和5°，再分別在3～5s、2～3s、0.5～1.5s的時(shí)間范圍內(nèi)將總距由3°和5°減小到-1°，總距操作過程如圖4所示。

圖5 加減速試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化圖。

在試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)正確響應(yīng)無人直升機(jī)的功率需求，各工作參數(shù)正常，未發(fā)生異常情況。在發(fā)動(dòng)機(jī)加減速試驗(yàn)過程中，操作員即使在0.5～1.5s的時(shí)間范圍內(nèi)，調(diào)整總距在-1°～5°范圍內(nèi)變換，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量也在-3.34%～+3.34%范圍內(nèi)，滿足-4%～+4%的范圍要求，說明發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)速控制能力，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。