摘要：本文介紹了航空發(fā)動機先進控制概念和設計思想的發(fā)展趨勢谊迄，著重分析了全權限數(shù)字電子控制技術，并對全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)的最新研究進展進行了探討。
　　關鍵詞: 全權限數(shù)字電子控制　自動控制系統(tǒng)　航空發(fā)動機
　　隨著飛機婚拭、發(fā)動機的發(fā)展，發(fā)動機控制領域的研究成果層出不窮比端。其中墅波，飛機-推進系統(tǒng)控制一體化技術、全權限數(shù)字電子控制（FADEC）技術等無疑都代表著當前發(fā)動機控制技術的先進水平侵念。由于FADEC有著眾多的優(yōu)點和發(fā)展?jié)摿χ闩铮S多國家都在研制。并且隨著新技術捎虚、新材料的應用兆性，可靠性問題已得以解決，同時泳柴，成本也在不斷降低赋荆。
　　一、發(fā)動機先進控制概念
　　20世紀80年代懊昨，以美國NASA為首的多家研究機構通過詳細評估鑒定出最值得發(fā)展的先進控制概念窄潭。在篩選和排序工作中所選擇的比較基礎是裝有先進渦扇發(fā)動機的第4代高性能軍用戰(zhàn)斗機（MHPF）和馬赫數(shù)為2.4的高速民用運輸機（HSCT）及其發(fā)動機；所采用的評估判據(jù)包括權衡因子和品質因素酵颁。其中嫉你，權衡因子考慮不同尺寸、燃油及空氣流量材义、效率等影響均抽；品質因素包括起飛重量、耗油率其掂、失速裕度、起動影響以及復雜性潦蝇、風險款熬、壽命期費用、診斷能力攘乒、解析余度等指標贤牛。根據(jù)評估結論，排在前4位的先進控制概念是：發(fā)動機智能控制（IEC）袁挟、性能尋優(yōu)控制（PSC）钝菲、穩(wěn)定性尋求控制（SSC）、主動失速/喘振控制（ASC）拘栅。
　　IEC采用的基本方法是進行渦輪發(fā)動機的模型仿真术偿，即將所建立的發(fā)動機模型加到推進系統(tǒng)的控制中去，直接控制推力和發(fā)動機限制參數(shù)。這種方法首先需要正確建立發(fā)動機數(shù)學模型弓慨。目前钥陪，采用認知工程理論和模糊控制方法處理復雜的發(fā)動機動態(tài)模型已取得一些仿真試驗結果，證明了其實際應用的可能性淤写。但跟蹤濾波器需調整的參數(shù)（部件特性螟扮、性能參數(shù)、傳感器誤差等）很多示宫，給控制方法的實現(xiàn)帶來較大的困難骏挎。
　　PSC是一種以模型為基礎的自適應控制算法，目的是通過實時修正飛行測量參數(shù)來調整控制規(guī)律卸酿，優(yōu)化發(fā)動機性能监氢。這種算法包括一條修正推進模型的路徑和一條對模型預估性能進行優(yōu)化的路徑。使用卡爾曼濾波器對非標準發(fā)動機按實時狀態(tài)進行修正藤违，以使模型更貼切地反映發(fā)動機的性能浪腐。PSC算法已在F-15飛機上進行了飛行試驗，試驗結果表明推進系統(tǒng)的性能得到了改善顿乒。PSC所采用的控制算法包括三種控制模式：最大推力模式议街、最小耗油率模式、最低風扇渦輪進口溫度計算模式璧榄。
　　SSC利用控制算法減小對部件穩(wěn)定性裕度的要求特漩。這種方法將穩(wěn)定性檢查加入到發(fā)動機控制邏輯中去，實時地計算非穩(wěn)定性影響（但不是設計時假設的最壞情況骨杂，即各種非穩(wěn)定因素影響的迭加）涂身，對風扇和壓氣機穩(wěn)定性進行在線評估，允許控制系統(tǒng)將喘振裕度減至最小搓蚪，從而提高發(fā)動機性能蛤售。
　　ASC旨在對發(fā)動機喘振進行主動控制，即在剛出現(xiàn)失速的征兆時就采取措施（如調整放氣量妒潭、燃油流量和導葉角度等）消除失速拥宜。過去用于失速控制的算法受到液壓機械控制技術的限制，現(xiàn)在則可利用微處理器的能力來實現(xiàn)復雜的新的控制算法仲及。采用這種方法能擴大發(fā)動機的穩(wěn)定工作范圍挺赞，使發(fā)動機在降低了對設計失速裕度要求的狀態(tài)下仍能穩(wěn)定工作，從而獲得更高的性能锭偿。
　　二津阻、FADEC
　　1.FADEC概況
　　FADEC利用數(shù)字式電子控制系統(tǒng)的極限能力來完成系統(tǒng)所規(guī)定的全部任務，是高性能飛機發(fā)動機以及一體化控制必然采取的控制形式挂剪，是該領域的發(fā)展方向和研制重點宵渡。
　　FADEC系統(tǒng)包括燃油泵系統(tǒng)增量，主燃油、加力燃油計量裝置拔若，放氣活門控制门冷，變幾何位置作動，葉尖間隙主動控制驳楞，傳感器叮凸，專用電源發(fā)電機以及電子控制器等完整的控制系統(tǒng)。如圖1所示献烦。
　　2. FADEC的優(yōu)點
∽仪稀（1）提高發(fā)動機性能。FADEC的計算能力強巩那、精度高吏夯，能夠在整個飛行范圍發(fā)揮發(fā)動機的最佳性能；能夠改善發(fā)動機的啟動和過渡特性即横；能夠改善發(fā)動機安全保護噪生。FADEC的數(shù)值計算和邏輯判斷能力可在更合理的范圍選擇控制規(guī)律；容易實現(xiàn)發(fā)動機控制方案的變動东囚，通過修改軟件就可以尋找最佳控制性能跺嗽。
　　（2） 降低燃油消耗量页藻。由于FADEC可實現(xiàn)發(fā)動機的最佳控制桨嫁，因此，發(fā)動機控制器更換時份帐，可減少乃至不需要調整運轉璃吧，加之慢車轉速的閉環(huán)控制、引氣最佳化捎霍，結合自動油門等措施忌颠，能夠減少燃油消耗。
　≈改！（3） 提高可靠性祖修。由于采用余度技術、故障診斷枝玩、恢復功能，而且減少了超溫揽仔、超轉覆厦、過應力等情況，使發(fā)動機的可靠性提高琅戏。
　∶峭唷（4） 降低成本必工。由于包括自測試、診斷堰怜、記憶等功能球垂，可實施計算機輔助故障診斷，給維護帶來方便钻蔑。加上更換控制裝置不需要調整運轉啥刻，使發(fā)動機維修成本降低。
　∵湫Α（5） 易于實現(xiàn)發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控可帽，易于實現(xiàn)與飛機控制的一體化。
　　3. FADEC的最新研究進展
　　目前的發(fā)動機控制系統(tǒng)是集中式余度FADEC窗怒，所有的控制規(guī)律處理和計算映跟、余度管理以及輸入/輸出信號的濾波和處理都經(jīng)由FADEC進行，控制系統(tǒng)中最重的是引線和接頭扬虚。 未來的FADEC將采用分布式控制系統(tǒng)努隙，與集中式FADEC相比，引線數(shù)辜昵、接頭數(shù)和重量分別由2214kg荸镊、112kg和134kg減少到320kg、80kg和50kg路鹰。在分布式控制系統(tǒng)中贷洲，靈巧裝置通過一條余度的高速數(shù)字數(shù)據(jù)總線和FADEC通信。靈巧裝置可以是一個傳感器议幻，或一個作動器诀次，或是兼有傳感和作動功能的裝置。每個靈巧裝置有自己的處理元件薯荷，可以執(zhí)行所要求的當?shù)毓δ艿蚀取槭箿厣凸淖钚。€將采用變速和變流量泵戒舆。
　　除了降低發(fā)動機控制系統(tǒng)的復雜性和重量之外氨缅，分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點還有：由于采用通用模塊和標準接口，縮短了研制周期和降低了成本（60%）睦柏；通過對每個靈巧裝置進行自檢和診斷妖局，降低了維修成本；采用新的元件級技術赶馍，對中央處理計算機的改動最小甚至無需改動细企，設計和升級的靈活性大；FADEC可以遠離發(fā)動機安裝摘甜，進一步降低重量屯掖，改善可靠性和控制系統(tǒng)的總和玄柏。
　　分布式控制系統(tǒng)的關鍵技術有：分布式控制系統(tǒng)的總體結構和運行模式；余度多路傳輸光纖總線贴铜；多余度數(shù)字處理機和并行處理技術粪摘；耐高溫的靈巧傳感器和作動器；重量輕的變速绍坝、變流量電動燃油泵徘意；發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和管理系統(tǒng)。
　∠葑臁（1）靈巧傳感器和作動器映砖。傳感器和作動器占發(fā)動機控制系統(tǒng)重量的相當大一部分。所有的傳感器和作動器都需要某種形式的補償灾挨，即它們自己的控制系統(tǒng)邑退。在分布式控制系統(tǒng)中，傳感器和作動器與電子模塊組裝在一起劳澄。該電子模塊為傳感器和作動器提供如下功能：主動補償環(huán)境條件（如溫度）的影響地技；信號調制和轉換；故障診斷秒拔、超限檢查和自檢墅纲，對FADEC工作狀態(tài)提出建議；對作動器進行閉環(huán)控制恐呢；提供與FADEC的簡單通信和接口游淆。
　　如圖2所示的靈巧光學"火焰"傳感器，事實上可以應用在任何具有加力或低NOx 燃燒室的發(fā)動機上节婶。該技術可使傳感器更小擎丘、更輕，在高溫范圍內有更可靠的火焰檢測功能享积，而且不需要冷卻边久。
　　（2）高溫電子裝置履岂。靈巧傳感器和作動器中的電子模塊在高溫環(huán)境下工作遏治，并且不能用燃油來冷卻，因此函强，需要發(fā)展高溫電子裝置鸵安。目前，常規(guī)的電子裝置的耐溫能力125℃反璃，通過應用砷化鎵材料区转，并采用集成注射邏輯(I2L)電路設計技術，可使集成電路的工作環(huán)境溫度達到300℃版扩。I2L是一種雙極構型的大規(guī)模集成邏輯電路废离，由于這種設計的晶體管體積較小，從而可以減小漏電礁芦。漏電隨溫度按指數(shù)上升蜻韭，并且會引起許多系統(tǒng)、裝置故障柿扣，因此肖方，減小漏電非常重要。
　　提高溫度可靠性的金屬化其他嘗試還包括金屬化系統(tǒng)和漫射障板未状。利用黃金可以把電阻接觸點的耐溫能力擴大到600℃俯画。
　　（3）數(shù)據(jù)總線--發(fā)動機局域網(wǎng)（EAN）司草。EAN是連接靈巧裝置和FADEC的通信網(wǎng)和電網(wǎng)艰垂。在EAN內，每一通道有一條或兩條纜線埋虹。每一條纜線有一對加屏蔽的盤繞導線吭辛，用以在FADEC和靈巧裝置之間傳遞數(shù)字數(shù)據(jù)，還有一對加屏蔽的盤繞導線驳辖，用以從FADEC向靈巧裝置通電嘴净。如果用改善屏蔽的辦法還不能消除電力網(wǎng)噪聲對數(shù)據(jù)網(wǎng)的干擾，就需要改變電源頻率和波形体咽。若使用光導通信總線和光學接口护狠，則大大消除這種電子干擾，進一步減輕重量飒迅。
　⊥臁（4）變速、變流量電動燃油泵沦靖。采用電力驅動的變速喂交、變流量電動燃油泵能夠使發(fā)動機燃油泵結構簡單、重量輕防偿。發(fā)展耐高溫的有機基復合材料和金屬基復合材料可進一步減輕重量察夕。
　　如圖3所示為一臺變排量旋板式燃油泵。該燃油泵采用魯棒設計窗悯，在高關閉度（即小流量）狀態(tài)具備較低的溫升区匣，可以滿足未來飛機熱管理方面的苛刻要求。
　　三蒋院、結束語
　　從美國NASA等研究機構對先進控制概念的評估和篩選及最終排序可以看出發(fā)動機控制系統(tǒng)研制的發(fā)展趨勢亏钩。盡管出現(xiàn)了諸多的"先進控制"、"主動控制"等概念欺旧，但要解決的主要技術問題不外乎美國高性能渦輪發(fā)動機綜合技術（IHPTET）計劃中歸納的三個方面姑丑，即：增加控制性能蛤签；減輕重量；提高對不利環(huán)境的容限栅哀。隨著輕重量材料的應用震肮、微處理器能力的進一步開發(fā)，F(xiàn)ADEC已進入實用階段留拾，并以它突出的優(yōu)點廣泛應用于各種新型發(fā)動機控制中戳晌。

作者姓名： 金茂賢
作者單位： 空軍工程大學

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