智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合優(yōu)化控制的應(yīng)用及發(fā)展

王勃，劉美山

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

0 引言

復(fù)雜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)需要按照設(shè)定的控制程序嚴(yán)格地、有條不紊地進(jìn)行工作，但是在智能化的控制上存在一定欠缺，無法根據(jù)環(huán)境變換主動(dòng)做出改變，執(zhí)行一些相關(guān)響應(yīng)，因此這也一定程度上限制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維修方面的智能化發(fā)展。所謂智能化，要做到既可以按照規(guī)定的完整流程去執(zhí)行也可根據(jù)環(huán)境的變化做出思維上的正確反應(yīng)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化、自動(dòng)化發(fā)展將是航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)在和未來的主流發(fā)展趨勢(shì)，綜合控制技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的有效途徑[1]。

1 智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)概述

發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)作為航空事業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，掌握著綜合的控制能力，智能化航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大體工作流程是通過發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)傳感器所示數(shù)據(jù)和專家模型分析，可以全面、實(shí)時(shí)地監(jiān)控和掌握發(fā)動(dòng)機(jī)和元器件所處的外界環(huán)境以及運(yùn)行狀態(tài)，依據(jù)這些反饋信息和環(huán)境信息隨時(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和性能進(jìn)行積極的自我管理，最大化發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，提升對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化操縱性，全面增強(qiáng)航空系統(tǒng)整體可靠性和安全性，減少發(fā)動(dòng)機(jī)故障的產(chǎn)生，同時(shí)減少維修保養(yǎng)成本。隨著現(xiàn)代航空對(duì)對(duì)飛機(jī)無論是在可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性還是在受環(huán)境影響性方面，都提出了日益嚴(yán)格的要求和標(biāo)準(zhǔn)，智能航空飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研發(fā)給相關(guān)研究人員帶來諸多挑戰(zhàn)，智能發(fā)動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)，例如，主動(dòng)控制技術(shù)、分布式控制技術(shù)、傳感器和作動(dòng)器技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)要科技研究人員的不斷努力，以提升智能發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、綜合控制能力以及健康管理[2]。

2 現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的要求越來越高。除了發(fā)動(dòng)機(jī)自身的安全性、操縱性和成本負(fù)擔(dān)外，還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放能力有了更高層次的要求，詳情見圖1。大自然生態(tài)環(huán)境的變化使現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不斷更新優(yōu)化，給研發(fā)人員帶來了新的挑戰(zhàn)。智能化發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)技術(shù)主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)控制、健康管理、數(shù)據(jù)融合以及故障診斷等，這只是其中的一部分，同時(shí)，還有飛機(jī)的地面維修技術(shù)。因此，為了保證智能發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)順利進(jìn)行，除了要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)熟練掌握外，還有對(duì)其性能充分了解。

圖1 現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)需求

2.1 FADEC技術(shù)

全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）技術(shù)采用了先進(jìn)的容錯(cuò)技術(shù)、光纖技術(shù)以及控制模態(tài)和邏輯，未來會(huì)主要向智能控制、綜合控制、分布式控制以及多變量控制方向進(jìn)行研發(fā)與應(yīng)用。FADEC技術(shù)以更好地滿足智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)為目標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，在未來智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)的研發(fā)中，類似光纖傳感器、高溫電子裝置、復(fù)合材料以及高溫電子驅(qū)動(dòng)和作動(dòng)器等這些技術(shù)都有很大的可能性能夠發(fā)展為FADEC系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)下，全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）精確的記載發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)建模技術(shù)；（2）智能電子控制器設(shè)計(jì)技術(shù)；（3）抗惡劣環(huán)境控制器技術(shù)；（4）二次集成和專用芯片設(shè)計(jì)技術(shù)；（5）先進(jìn)控制模型設(shè)計(jì)；（6）智能的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)技術(shù)；（7）先進(jìn)解析余度技術(shù)與傳感器余度設(shè)計(jì)；（8）狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷及處理技術(shù)；（9）質(zhì)量輕、速度快的燃油泵及計(jì)量裝置設(shè)計(jì)[3]。

2.2 主動(dòng)控制技術(shù)

主動(dòng)控制的作用是綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)、航空飛機(jī)飛行狀態(tài)、氣動(dòng)力變化、環(huán)境改變等多種因素，進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)、飛機(jī)控制主動(dòng)性和飛行控制潛力，使智能航空以最佳性能進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行，保障飛行的安全性，避免故障的產(chǎn)生，延長智能航空飛機(jī)的使用壽命，有效減少智能航空飛機(jī)的維修與保養(yǎng)費(fèi)用。涉及到智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化控制的領(lǐng)域，有微處理器技術(shù)、控制理論、傳感器和作動(dòng)器技術(shù)以及部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等。如今，微處理器技術(shù)和控制理論已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，主動(dòng)控制技術(shù)在傳感器和作動(dòng)器技術(shù)的研發(fā)方面具有較大的發(fā)展空間與挑戰(zhàn)力度，傳感器要適應(yīng)外界高溫環(huán)境的同時(shí)具備較高的穩(wěn)定性，作動(dòng)器要擁有高帶寬和高頻響應(yīng)，而在主動(dòng)控制技術(shù)的穩(wěn)定性控制、燃燒控制以及間隙控制方面，都需要應(yīng)用到高頻響作動(dòng)技術(shù)，因此，高頻響作動(dòng)技術(shù)作為主動(dòng)控制技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，作動(dòng)系統(tǒng)需要具備較高的應(yīng)用特性，帶寬充足、質(zhì)量輕、耐久性好等成為今后的主要研究反向。

2.3 分布式控制技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、綜合的控制系統(tǒng)，在智能航空領(lǐng)域，集中式的控制系統(tǒng)無法高效施展，需要耗費(fèi)較大的資源和能源。相比來看，分布式的控制方式反而較為適合智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在方法、結(jié)構(gòu)、測量執(zhí)行元件等方面的綜合控制，能夠有效提高系統(tǒng)可靠性、發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)性能。分布式控制技術(shù)在智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)眾多，例如可以使控制系統(tǒng)輕量化、減少綜合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)周期、增強(qiáng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器技術(shù)的兼容性等；另外，可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)智能裝置中測試、識(shí)別功能設(shè)備與裝置的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用，大幅度降低了故障維修難度和維護(hù)成本。如圖2所示，介紹了分布式控制技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[4]。

圖2 分布式控制技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖的關(guān)鍵技術(shù)

2.4 智能控制和健康監(jiān)視技術(shù)

2.4.1 基于模型控制

基于模型的控制技術(shù)在現(xiàn)代智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合控制方面應(yīng)用較為廣泛，此技術(shù)可分為兩種控制形式：多輸入多輸出(MIMO)控制和單輸入單輸出(SISO)控制。單輸入單輸出控制較易實(shí)現(xiàn)，對(duì)各方面的控制沒有非常嚴(yán)格，但也達(dá)不到多重作動(dòng)器發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，因此相對(duì)適合主燃油控制常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。而基于模型的多輸入多輸出(MIMO)控制與SISO控制相比，控制結(jié)構(gòu)更加完善、功能更加先進(jìn)，不僅可適用于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，在軍用或者商用的發(fā)動(dòng)機(jī)上也能發(fā)揮良好使用效果，間隙控制作動(dòng)器、變幾何等幾乎全部類型的控制作動(dòng)器都可應(yīng)用多輸入多輸出控制完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、溫度限制、壓力限制等多種任務(wù)[5]。

2.4.2 狀態(tài)/健康監(jiān)視

地面系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)相互協(xié)作，才能完成發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)/健康監(jiān)視（ECM）。通常主要從航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路性能和機(jī)械狀態(tài)兩方面進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視，同時(shí)輔以氣路或機(jī)械部件的幾乎無損害的探測檢查。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視（EVM）是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)視的重要環(huán)節(jié)。振動(dòng)監(jiān)視的作用是全面監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)檢查并發(fā)現(xiàn)異常和故障的出現(xiàn)，避免危險(xiǎn)狀態(tài)下運(yùn)行導(dǎo)致的更嚴(yán)重的傷害。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視技術(shù)常被用來監(jiān)視轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。另外，滑油監(jiān)視技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)視方面應(yīng)用也較為成熟，利用光譜分析、磁塞監(jiān)測以及鐵譜分析等技術(shù)，評(píng)判航空發(fā)動(dòng)機(jī)各元器件和設(shè)備之間的磨損狀態(tài)。

2.4.3 自適應(yīng)控制

模型預(yù)算控制也可稱之為一種新穎的自適應(yīng)控制技術(shù)，“MPC”。最早之前發(fā)動(dòng)機(jī)控制邏輯是依托發(fā)動(dòng)機(jī)平均模型對(duì)其增益進(jìn)行固定控制，這種控制方法較為傳統(tǒng)。MPC可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和飛行壽命保持在最佳狀態(tài)。而這種最佳控制操作往往是在飛行發(fā)動(dòng)機(jī)性能退化時(shí)，通過自適應(yīng)發(fā)動(dòng)接控制邏輯延伸開展。自適應(yīng)控制技術(shù)在解決飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方面的問題，與其他控制算法存在一定的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)可以直接對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的溫度、速度以及邊速邊界的規(guī)定參數(shù)進(jìn)行處理。同時(shí)，自適應(yīng)控制技術(shù)為了及時(shí)解決發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)出現(xiàn)的故障問題，可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行簡單修改，其主要目的是降低或提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗變性。MPC自適應(yīng)控制技術(shù)可以在飛機(jī)作業(yè)期間對(duì)其耗油指數(shù)和排放量進(jìn)行在線修改，這樣可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。每次樣本對(duì)當(dāng)前工作點(diǎn)的非線性發(fā)動(dòng)機(jī)模型線性化，并且得到的線性狀態(tài)空間模型被用來闡明和解決有限范圍內(nèi)約束的最優(yōu)化問題。同時(shí)，還可以在超出范圍時(shí)加強(qiáng)所有輸入量和輸出量約束。只有這種優(yōu)化控制分布的首次采樣被執(zhí)行，并且在下次相應(yīng)地改變控制、預(yù)測范圍的采樣時(shí)重復(fù)整個(gè)過程。

2.5 傳感器和作動(dòng)器技術(shù)

傳感器和作動(dòng)器技術(shù)的改進(jìn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化研發(fā)上具有重要意義，對(duì)傳感器和作動(dòng)器的智能化設(shè)計(jì)提出較高要求。目前，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器運(yùn)行上主要采用電容傳感技術(shù)、電磁式傳感技術(shù)以及磁性-光學(xué)探測技術(shù)等。隨著智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合控制技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)，出現(xiàn)了一些創(chuàng)新形式的關(guān)鍵傳感器技術(shù)，例如，信號(hào)傳輸技術(shù)、光學(xué)MEMS技術(shù)和頻譜和激光診斷技術(shù)等一些列的先進(jìn)傳感器技術(shù)。作動(dòng)器的主要發(fā)展方向不在技術(shù)上，而是在制作材料上，通過對(duì)先進(jìn)材料的研發(fā)和應(yīng)用提高作動(dòng)器的運(yùn)行效果，例如，壓力電陶瓷、形狀記憶材料以及電活性材料等通常具備顯著應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和功能性的先進(jìn)材料。傳感器要能夠適應(yīng)外界復(fù)雜多變的環(huán)境因素，收集數(shù)據(jù)并將相關(guān)信息反饋到發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析與規(guī)劃后，發(fā)布對(duì)應(yīng)的控制命令，通過作動(dòng)器完成各項(xiàng)指標(biāo)和任務(wù)，完成一整個(gè)計(jì)劃與執(zhí)行過程[6-7]。航空智能發(fā)動(dòng)機(jī)控制和健康監(jiān)視對(duì)傳感器的各項(xiàng)要求如表1所示。

表1 智能控制和健康監(jiān)視的傳感器要求

3 結(jié)語

航空智能發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)控制技術(shù)的不斷改進(jìn)與優(yōu)化是推動(dòng)我國航空航天事業(yè)發(fā)展的重要因素，一些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能以及智能控制效果得到提升[8]。提出了高性能的全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)、氣路內(nèi)部件主動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布式控制技術(shù)、智能控制和健康監(jiān)視技術(shù)以及高可靠性的傳感器和作動(dòng)器技術(shù)，以全面促進(jìn)智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合優(yōu)化控制。