航空發(fā)動機先進控制概念及進展

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2009-02-14 14:57:05點擊率：

摘要：本文介紹了航空發(fā)動機先進控制概念和設(shè)計思想的發(fā)展趨勢，著重分析了全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)，并對全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)的研究進展進行了探討。
　　關(guān)鍵詞: 全權(quán)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、發(fā)動機的發(fā)展，發(fā)動機控制領(lǐng)域的研究成果層出不窮。其中，飛機-推進系統(tǒng)控制一體化技術(shù)、全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）技術(shù)等無疑都代表著當前發(fā)動機控制技術(shù)的先進水平。由于FADEC有著眾多的優(yōu)點和發(fā)展?jié)摿?，許多國家都在研制。并且隨著新技術(shù)、新材料的應用，可靠性問題已得以解決，同時，成本也在不斷降低。
一、發(fā)動機先進控制概念
　　20世紀80年代，以美國NASA為首的多家研究機構(gòu)通過詳細評估鑒定出值得發(fā)展的先進控制概念。在篩選和排序工作中所選擇的比較基礎(chǔ)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(quán)衡因子和品質(zhì)因素。其中，權(quán)衡因子考慮不同尺寸、燃油及空氣流量、效率等影響；品質(zhì)因素包括起飛重量、耗油率、失速裕度、起動影響以及復雜性、風險、壽命期費用、診斷能力、解析余度等指標。根據(jù)評估結(jié)論，排在前4位的先進控制概念是：發(fā)動機智能控制（IEC）、性能尋優(yōu)控制（PSC）、穩(wěn)定性尋求控制（SSC）、主動失速/喘振控制（ASC）。
　　IEC采用的基本方法是進行渦輪發(fā)動機的模型仿真，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。目前，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(jié)果，證明了其實際應用的可能性。但跟蹤濾波器需調(diào)整的參數(shù)（部件特性、性能參數(shù)、傳感器誤差等）很多，給控制方法的實現(xiàn)帶來較大的困難。
　　PSC是一種以模型為基礎(chǔ)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(diào)整控制規(guī)律，優(yōu)化發(fā)動機性能。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，以使模型更貼切地反映發(fā)動機的性能。PSC算法已在F-15飛機上進行了飛行試驗，試驗結(jié)果表明推進系統(tǒng)的性能得到了改善。PSC所采用的控制算法包括三種控制模式：大推力模式、小耗油率模式、風扇渦輪進口溫度計算模式。
　　SSC利用控制算法減小對部件穩(wěn)定性裕度的要求。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(shè)計時假設(shè)的壞情況，即各種非穩(wěn)定因素影響的迭加），對風扇和壓氣機穩(wěn)定性進行在線評估，允許控制系統(tǒng)將喘振裕度減至小，從而提高發(fā)動機性能。
　　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(diào)整放氣量、燃油流量和導葉角度等）消除失速。過去用于失速控制的算法受到液壓機械控制技術(shù)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。采用這種方法能擴大發(fā)動機的穩(wěn)定工作范圍，使發(fā)動機在降低了對設(shè)計失速速度要求的狀態(tài)下仍能穩(wěn)定工作，從而獲得更高的性能。
二、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(wù)，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，是該領(lǐng)域的發(fā)展方向和研制重點。
　　FADEC系統(tǒng)包括燃油泵系統(tǒng)，主燃油、加力燃油計量裝置，放氣活門控制，變幾何位置作動，葉尖間隙主動控制，傳感器，專用電源發(fā)電機以及電子控制器等完整的控制系統(tǒng)。
　　2. FADEC的優(yōu)點
（1）提高發(fā)動機性能。FADEC的計算能力強、精度高，能夠在整個飛行范圍發(fā)揮發(fā)動機的性能；能夠改善發(fā)動機的啟動和過渡特性；能夠改善發(fā)動機安全保護。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，通過修改軟件就可以尋找控制性能。
　?。?）降低燃油消耗量。由于FADEC可實現(xiàn)發(fā)動機的控制，因此，發(fā)動機控制器更換時，可減少乃至不需要調(diào)整運轉(zhuǎn)，加之慢車轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制、引氣化，結(jié)合自動油門等措施，能夠減少燃油消耗。
　?。?）提高可靠性。由于采用余度技術(shù)、故障診斷、恢復功能，而且減少了超溫、超轉(zhuǎn)、過應力等情況，使發(fā)動機的可靠性提高。
　?。?）降低成本。由于包括自測試、診斷、記憶等功能，可實施計算機輔助故障診斷，給維護帶來方便。加上更換控制裝置不需要調(diào)整運轉(zhuǎn)，使發(fā)動機維修成本降低。
　?。?）易于實現(xiàn)發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控，易于實現(xiàn)與飛機控制的一體化。
　　3. FADEC的研究進展
　　目前的發(fā)動機控制系統(tǒng)是集中式余度FADEC，所有的控制規(guī)律處理和計算、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)中重的是引線和接頭。未來的FADEC將采用分布式控制系統(tǒng)，與集中式FADEC相比，引線數(shù)、接頭數(shù)和重量分別由2214kg、112kg和134kg減少到320kg、80kg和50kg。在分布式控制系統(tǒng)中，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，或一個作動器，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，可以執(zhí)行所要求的當?shù)毓δ堋槭箿厣凸?小，還將采用變速和變流量泵。
　　除了降低發(fā)動機控制系統(tǒng)的復雜性和重量之外，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%）；通過對每個靈巧裝置進行自檢和診斷，降低了維修成本；采用新的元件級技術(shù)，對中央處理計算機的改動小甚至無需改動，設(shè)計和升級的靈活性大；FADEC可以遠離發(fā)動機安裝，進一步降低重量，改善可靠性和控制系統(tǒng)的總和。
　　分布式控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：分布式控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運行模式；余度多路傳輸光纖總線；多余度數(shù)字處理機和并行處理技術(shù)；耐高溫的靈巧傳感器和作動器；重量輕的變速、變流量電動燃油泵；發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視和管理系統(tǒng)。
　?。?）靈巧傳感器和作動器。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，即它們自己的控制系統(tǒng)。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。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；信號調(diào)制和轉(zhuǎn)換；故障診斷、超限檢查和自檢，對FADEC工作狀態(tài)提出建議；對作動器進行閉環(huán)控制；提供與FADEC的簡單通信和接口。
　　（2）高溫電子裝置。靈巧傳感器和作動器中的電子模塊在高溫環(huán)境下工作，并且不能用燃油來冷卻，因此，需要發(fā)展高溫電子裝置。目前，常規(guī)的電子裝置的耐溫能力125℃，通過應用砷化鎵材料，并采用集成注射邏輯(I2L)電路設(shè)計技術(shù)，可使集成電路的工作環(huán)境溫度達到300℃。I2L是一種雙極構(gòu)型的大規(guī)模集成邏輯電路，由于這種設(shè)計的晶體管體積較小，從而可以減小漏電。漏電隨溫度按指數(shù)上升，并且會引起許多系統(tǒng)、裝置故障，因此，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。利用黃金可以把電阻接觸點的耐溫能力擴大到600℃。
　?。?）數(shù)據(jù)總線--發(fā)動機局域網(wǎng)（EAN）。EAN是連接靈巧裝置和FADEC的通信網(wǎng)和電網(wǎng)。在EAN內(nèi)，每一通道有一條或兩條纜線。每一條纜線有一對加屏蔽的盤繞導線，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，用以從FADEC向靈巧裝置通電。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。若使用光導通信總線和光學接口，則大大消除這種電子干擾，進一步減輕重量。
　?。?）變速、變流量電動燃油泵。采用電力驅(qū)動的變速、變流量電動燃油泵能夠使發(fā)動機燃油泵結(jié)構(gòu)簡單、重量輕。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。
三、結(jié)束語
　　從美國NASA等研究機構(gòu)對先進控制概念的評估和篩選及終排序可以看出發(fā)動機控制系統(tǒng)研制的發(fā)展趨勢。盡管出現(xiàn)了諸多的"先進控制"、"主動控制"等概念，但要解決的主要技術(shù)問題不外乎美國高性能渦輪發(fā)動機綜合技術(shù)（IHPTET）計劃中歸納的三個方面，即：增加控制性能；減輕重量；提高對不利環(huán)境的容限。隨著輕重量材料的應用、微處理器能力的進一步開發(fā)，F(xiàn)ADEC已進入實用階段，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。
作者姓名：金茂賢
作者單位：空軍工程大學

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