航空发动机先进控制概念及最新进展

　摘要：本文介绍了航空发动机先进控制概念和设计思想的发展趋势，着重分析了全权限数字电子控制技术，并对全权限数字电子控制系统的最新研究进展进行了探讨。
　　关键词: 全权限数字电子控制　自动控制系统　航空发动机
　　随着飞机、发动机的发展，发动机控制领域的研究成果层出不穷。其中，飞机-推进系统控制一体化技术、全权限数字电子控制（FADEC）技术等无疑都代表着当前发动机控制技术的先进水平。由于FADEC有着众多的优点和发展潜力，许多国家都在研制。并且随着新技术、新材料的应用，可靠性问题已得以解决，同时，成本也在不断降低。
　　一、发动机先进控制概念
　　20世纪80年代，以美国NASA为首的多家研究机构通过详细评估鉴定出最值得发展的先进控制概念。在筛选和排序工作中所选择的比较基础是装有先进涡扇发动机的第4代高性能军用战斗机（MHPF）和马赫数为2.4的高速民用运输机（HSCT）及其发动机；所采用的评估判据包括权衡因子和品质因素。其中，权衡因子考虑不同尺寸、燃油及空气流量、效率等影响；品质因素包括起飞重量、耗油率、失速裕度、起动影响以及复杂性、风险、寿命期费用、诊断能力、解析余度等指标。根据评估结论，排在前4位的先进控制概念是：发动机智能控制（IEC）、性能寻优控制（PSC）、稳定性寻求控制（SSC）、主动失速/喘振控制（ASC）。
　　IEC采用的基本方法是进行涡轮发动机的模型仿真，即将所建立的发动机模型加到推进系统的控制中去，直接控制推力和发动机限制参数。这种方法首先需要正确建立发动机数学模型。目前，采用认知工程理论和模糊控制方法处理复杂的发动机动态模型已取得一些仿真试验结果，证明了其实际应用的可能性。但跟踪滤波器需调整的参数（部件特性、性能参数、传感器误差等）很多，给控制方法的实现带来较大的困难。
　　PSC是一种以模型为基础的自适应控制算法，目的是通过实时修正飞行测量参数来调整控制规律，优化发动机性能。这种算法包括一条修正推进模型的路径和一条对模型预估性能进行优化的路径。使用卡尔曼滤波器对非标准发动机按实时状态进行修正，以使模型更贴切地反映发动机的性能。PSC算法已在F-15飞机上进行了飞行试验，试验结果表明推进系统的性能得到了改善。PSC所采用的控制算法包括三种控制模式：最大推力模式、最小耗油率模式、最低风扇涡轮进口温度计算模式。
　　SSC利用控制算法减小对部件稳定性裕度的要求。这种方法将稳定性检查加入到发动机控制逻辑中去，实时地计算非稳定性影响（但不是设计时假设的最坏情况，即各种非稳定因素影响的迭加），对风扇和压气机稳定性进行在线评估，允许控制系统将喘振裕度减至最小，从而提高发动机性能。
　　ASC旨在对发动机喘振进行主动控制，即在刚出现失速的征兆时就采取措施（如调整放气量、燃油流量和导叶角度等）消除失速。过去用于失速控制的算法受到液压机械控制技术的限制，现在则可利用微处理器的能力来实现复杂的新的控制算法。采用这种方法能扩大发动机的稳定工作范围，使发动机在降低了对设计失速裕度要求的状态下仍能稳定工作，从而获得更高的性能。
　　二、FADEC
　　1.FADEC概况
　　FADEC利用数字式电子控制系统的极限能力来完成系统所规定的全部任务，是高性能飞机发动机以及一体化控制必然采取的控制形式，是该领域的发展方向和研制重点。
　　FADEC系统包括燃油泵系统，主燃油、加力燃油计量装置，放气活门控制，变几何位置作动，叶尖间隙主动控制，传感器，专用电源发电机以及电子控制器等完整的控制系统。如图1所示。
　　2. FADEC的优点
　（1）提高发动机性能。FADEC的计算能力强、精度高，能够在整个飞行范围发挥发动机的最佳性能；能够改善发动机的启动和过渡特性；能够改善发动机安全保护。FADEC的数值计算和逻辑判断能力可在更合理的范围选择控制规律；容易实现发动机控制方案的变动，通过修改软件就可以寻找最佳控制性能。
　　（2） 降低燃油消耗量。由于FADEC可实现发动机的最佳控制，因此，发动机控制器更换时，可减少乃至不需要调整运转，加之慢车转速的闭环控制、引气最佳化，结合自动油门等措施，能够减少燃油消耗。
　　（3） 提高可靠性。由于采用余度技术、故障诊断、恢复功能，而且减少了超温、超转、过应力等情况，使发动机的可靠性提高。
　　（4） 降低成本。由于包括自测试、诊断、记忆等功能，可实施计算机辅助故障诊断，给维护带来方便。加上更换控制装置不需要调整运转，使发动机维修成本降低。
　　（5） 易于实现发动机状态监控，易于实现与飞机控制的一体化。
　　3. FADEC的最新研究进展
　　目前的发动机控制系统是集中式余度FADEC，所有的控制规律处理和计算、余度管理以及输入/输出信号的滤波和处理都经由FADEC进行，控制系统中最重的是引线和接头。 未来的FADEC将采用分布式控制系统，与集中式FADEC相比，引线数、接头数和重量分别由2214kg、112kg和134kg减少到320kg、80kg和50kg。在分布式控制系统中，灵巧装置通过一条余度的高速数字数据总线和FADEC通信。灵巧装置可以是一个传感器，或一个作动器，或是兼有传感和作动功能的装置。每个灵巧装置有自己的处理元件，可以执行所要求的当地功能。为使温升和功耗最小，还将采用变速和变流量泵。
　　除了降低发动机控制系统的复杂性和重量之外，分布式控制系统的优点还有：由于采用通用模块和标准接口，缩短了研制周期和降低了成本（60%）；通过对每个灵巧装置进行自检和诊断，降低了维修成本；采用新的元件级技术，对中央处理计算机的改动最小甚至无需改动，设计和升级的灵活性大；FADEC可以远离发动机安装，进一步降低重量，改善可靠性和控制系统的总和。
　　分布式控制系统的关键技术有：分布式控制系统的总体结构和运行模式；余度多路传输光纤总线；多余度数字处理机和并行处理技术；耐高温的灵巧传感器和作动器；重量轻的变速、变流量电动燃油泵；发动机状态监视和管理系统。
　　（1）灵巧传感器和作动器。传感器和作动器占发动机控制系统重量的相当大一部分。所有的传感器和作动器都需要某种形式的补偿，即它们自己的控制系统。在分布式控制系统中，传感器和作动器与电子模块组装在一起。该电子模块为传感器和作动器提供如下功能：主动补偿环境条件（如温度）的影响；信号调制和转换；故障诊断、超限检查和自检，对FADEC工作状态提出建议；对作动器进行闭环控制；提供与FADEC的简单通信和接口。
　　如图2所示的灵巧光学"火焰"传感器，事实上可以应用在任何具有加力或低NOx 燃烧室的发动机上。该技术可使传感器更小、更轻，在高温范围内有更可靠的火焰检测功能，而且不需要冷却。
　　（2）高温电子装置。灵巧传感器和作动器中的电子模块在高温环境下工作，并且不能用燃油来冷却，因此，需要发展高温电子装置。目前，常规的电子装置的耐温能力125℃，通过应用砷化镓材料，并采用集成注射逻辑(I2L)电路设计技术，可使集成电路的工作环境温度达到300℃。I2L是一种双极构型的大规模集成逻辑电路，由于这种设计的晶体管体积较小，从而可以减小漏电。漏电随温度按指数上升，并且会引起许多系统、装置故障，因此，减小漏电非常重要。
　　提高温度可靠性的金属化其他尝试还包括金属化系统和漫射障板。利用黄金可以把电阻接触点的耐温能力扩大到600℃。
　　（3）数据总线--发动机局域网（EAN）。EAN是连接灵巧装置和FADEC的通信网和电网。在EAN内，每一通道有一条或两条缆线。每一条缆线有一对加屏蔽的盘绕导线，用以在FADEC和灵巧装置之间传递数字数据，还有一对加屏蔽的盘绕导线，用以从FADEC向灵巧装置通电。如果用改善屏蔽的办法还不能消除电力网噪声对数据网的干扰，就需要改变电源频率和波形。若使用光导通信总线和光学接口，则大大消除这种电子干扰，进一步减轻重量。
　　（4）变速、变流量电动燃油泵。采用电力驱动的变速、变流量电动燃油泵能够使发动机燃油泵结构简单、重量轻。发展耐高温的有机基复合材料和金属基复合材料可进一步减轻重量。
　　如图3所示为一台变排量旋板式燃油泵。该燃油泵采用鲁棒设计，在高关闭度（即小流量）状态具备较低的温升，可以满足未来飞机热管理方面的苛刻要求。
　　三、结束语
　　从美国NASA等研究机构对先进控制概念的评估和筛选及最终排序可以看出发动机控制系统研制的发展趋势。尽管出现了诸多的"先进控制"、"主动控制"等概念，但要解决的主要技术问题不外乎美国高性能涡轮发动机综合技术（IHPTET）计划中归纳的三个方面，即：增加控制性能；减轻重量；提高对不利环境的容限。随着轻重量材料的应用、微处理器能力的进一步开发，FADEC已进入实用阶段，并以它突出的优点广泛应用于各种新型发动机控制中。

作者姓名： 金茂贤
作者单位： 空军工程大学

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