航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概述

孫志巖

(中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063)

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成和原理

1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的重要系統(tǒng)，除了發(fā)動(dòng)機(jī)本體單元體之外，還包括控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)等。其中控制系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本都采用全權(quán)限數(shù)字電子控制(FADEC)系統(tǒng)。

FADEC系統(tǒng)由感受航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和環(huán)境信息的傳感裝置、對信息進(jìn)行邏輯判斷和控制運(yùn)算的計(jì)算裝置、把計(jì)算結(jié)果施加給航空發(fā)動(dòng)機(jī)的控制裝置，以及在它們之間傳遞信息的機(jī)械、電纜和管路等組成。FADEC系統(tǒng)一般可分為控制計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)、燃油與作動(dòng)子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、電氣子系統(tǒng)等。圖1為某型發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)的組成圖。

控制計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)分為電子控制器和嵌入式軟件兩部分。數(shù)字電子控制器(EEC)是FADEC系統(tǒng)的核心部件，它處理來自各種傳感器和開關(guān)裝置的信號(hào)，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由其內(nèi)部機(jī)載的控制軟件對輸入數(shù)字量進(jìn)行診斷、處理，實(shí)現(xiàn)各種控制算法、控制邏輯的計(jì)算，產(chǎn)生輸出數(shù)字量，再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)放大處理，生成控制器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)電纜傳輸給相應(yīng)的液壓機(jī)械裝置。燃油與作動(dòng)子系統(tǒng)包括燃油子系統(tǒng)和伺服作動(dòng)子系統(tǒng)。燃油子系統(tǒng)包括增壓泵、主燃油泵、燃油計(jì)量裝置、燃油濾、燃油管路、噴嘴等。伺服作動(dòng)子系統(tǒng)包括伺服控制單元、伺服作動(dòng)器及相應(yīng)附件。傳感器子系統(tǒng)包括控制用傳感器和狀態(tài)監(jiān)視用傳感器等。

1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限控制系統(tǒng)組成

FADEC系統(tǒng)一般包括轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等多個(gè)控制回路，每個(gè)控制回路根據(jù)相應(yīng)的輸入閉環(huán)計(jì)算出控制輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的目的。

電子控制器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)及外部條件(如飛行高度、速度，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度、壓力，駕駛員指令等)和控制系統(tǒng)內(nèi)部某些參數(shù)(如溫度、壓力、位移等)的變化，通過控制律計(jì)算，產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)過電子控制器輸出處理電路，輸出給液壓機(jī)械裝置，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)作動(dòng)器，以改變?nèi)加土髁?、?dǎo)葉角度、放氣開度等，進(jìn)而達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。

飛機(jī)油箱來油經(jīng)過低壓泵增壓后，進(jìn)入主燃滑油散熱器進(jìn)行熱交換。經(jīng)主燃滑油散熱器再回到燃油泵后通過主燃油濾進(jìn)入高壓泵再次進(jìn)行增壓。高壓泵出口油分為兩路：一路經(jīng)自洗油濾和伺服燃油加熱器后進(jìn)入液壓機(jī)械裝置(HMU)的伺服燃油系統(tǒng)，按照EEC指令控制燃油計(jì)量系統(tǒng)和作動(dòng)部件；另一路進(jìn)入液壓機(jī)械裝置(HMU)的燃油計(jì)量系統(tǒng)，計(jì)量后的燃油經(jīng)過燃油流量傳感器和噴嘴油濾后進(jìn)入噴嘴向燃燒室供油。

燃油系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 燃油系統(tǒng)原理框圖

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展歷程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展歷程大致可分為初始、成長、電子化、綜合化等4個(gè)發(fā)展階段，如圖3所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)從20世紀(jì)50年代簡單的液壓機(jī)械控制，發(fā)展到現(xiàn)代的全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)，并向智能/分布式控制方向發(fā)展。

2.1 液壓機(jī)械控制

早期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)僅有一個(gè)燃油流量作為控制變量。由于其推力不大，飛機(jī)的飛行速度不高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用液壓機(jī)械式開環(huán)控制技術(shù)。飛行員根據(jù)飛行高度和速度要求，手動(dòng)操作油門位置，直接驅(qū)動(dòng)燃油計(jì)量閥，調(diào)節(jié)燃油流量，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)保持不變，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生所需要的推力，以控制飛機(jī)的飛行速度和飛行穩(wěn)定性。液壓機(jī)械式開環(huán)控制的特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，較容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)的控制精度不高，適用于中低空使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制。

2.2 液壓機(jī)械+電子控制

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)展歷程

發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提升及其控制系統(tǒng)功能不斷擴(kuò)展，液壓機(jī)械式控制技術(shù)逐步發(fā)展到了極限，復(fù)雜的液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作狀態(tài)時(shí)使用，給飛行員帶來越來越多的約束。迫切需要有一個(gè)裝置來監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)的工作，控制發(fā)動(dòng)機(jī)在最大工作狀態(tài)時(shí)安全可靠地工作。20世紀(jì)70年代，人們設(shè)計(jì)出模擬或數(shù)字式電子控制裝置，用于發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線內(nèi)轉(zhuǎn)速和溫度的保護(hù)，并具有對發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)視功能，如PW F100發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字電子式發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置，GE F101發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬電子式推力增強(qiáng)器風(fēng)扇溫度控制裝置、АЛ-31Ф發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合電子調(diào)節(jié)器等。

2.3 全權(quán)限數(shù)字電子控制

20世紀(jì)70年代，美國制定了全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)研究計(jì)劃。在PW F100發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控用的數(shù)字電子式發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置基礎(chǔ)上，用數(shù)字電路和軟件實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械裝置的全功能控制。經(jīng)過系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真分析、發(fā)動(dòng)機(jī)地面和高空臺(tái)試車驗(yàn)證，于1981年安裝在F-15飛機(jī)上進(jìn)行首次試飛，1983年完成了飛行驗(yàn)證計(jì)劃，在發(fā)動(dòng)機(jī)全部控制范圍內(nèi)驗(yàn)證了全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)取代機(jī)械液壓式控制技術(shù)的可行性，驗(yàn)證了全權(quán)限數(shù)字電子控制技術(shù)相對于液壓機(jī)械式控制技術(shù)的優(yōu)越性。相對液壓機(jī)械式控制系統(tǒng)，全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)可以使飛行員無約束的操作，并提供自我保護(hù)裝置，即電子控制器計(jì)算出所有控制發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行極限、無油門手柄死區(qū)、最大功率狀態(tài)下產(chǎn)生的最大牽引力，自動(dòng)調(diào)節(jié)推力，并通過一個(gè)可調(diào)節(jié)放氣帶實(shí)現(xiàn)快速無喘振加速。

到了20世紀(jì)90年代，雙通道FADEC系統(tǒng)已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)已經(jīng)成為新研航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型特征。

2.4 智能分布式控制

20世紀(jì)90年代，全權(quán)限數(shù)字電子控制的強(qiáng)大功能促進(jìn)了智能分布式控制技術(shù)的發(fā)展，仿真分析和樣件試驗(yàn)表明，相對于集中式控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)具有提高系統(tǒng)可靠性、維修性，減輕系統(tǒng)重量，降低全壽命期內(nèi)成本等優(yōu)點(diǎn)。但智能分布式控制系統(tǒng)要投入工程應(yīng)用還需要解決各種難題，如高溫電子元器件開發(fā)和大功率伺服電機(jī)小型化等技術(shù)難題。智能控制是將人工智能引入發(fā)動(dòng)機(jī)控制，能實(shí)現(xiàn)智能故障診斷和發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理。發(fā)動(dòng)機(jī)智能控制技術(shù)已在基于模型的直接力控制、自修復(fù)控制和損傷自適應(yīng)修復(fù)控制、延壽控制、自主推進(jìn)控制等多方面開展研究，并取得了一定技術(shù)成果。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢

隨著飛機(jī)性能的提高，對現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求也越來越高。在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)，還要求減少排放物、降低噪聲，因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)將設(shè)計(jì)的更加復(fù)雜，可調(diào)的部件越來越多，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制變量在不斷增加，從當(dāng)前的 10～12個(gè)增加到20多個(gè)。

圖4反映了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)控制變量逐年增加的情況?？刂谱兞康脑黾邮沟每刂苹芈返鸟詈闲愿鼜?qiáng)，經(jīng)典控制理論已無法適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)高性能的控制要求，必須采用新的控制理論和控制方法以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)展的要求。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)控制變量的變化

3.1 主動(dòng)控制技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)主要包含壓氣機(jī)主動(dòng)穩(wěn)定性控制、燃燒室主動(dòng)燃燒控制以及渦輪主動(dòng)間隙控制。主動(dòng)控制技術(shù)可使高載荷的渦輪機(jī)械達(dá)到更高的推重比，提高涵道比和部件效率，減少耗油率，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、耐久性和生存性。主動(dòng)控制技術(shù)還提供部件狀態(tài)的診斷/監(jiān)視信息，避免了失效，從而降低維修成本。

壓氣機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定裕度直接關(guān)聯(lián)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。主動(dòng)穩(wěn)定性控制可通過預(yù)先探測即將發(fā)生的喘振與失速，在剛出現(xiàn)失速征兆時(shí)采取措施(如在失速先兆發(fā)生的初期向流場中主動(dòng)加入反相擾動(dòng)或調(diào)整放氣量、燃油流量和導(dǎo)葉角度等)，抑制失速現(xiàn)象的產(chǎn)生和發(fā)展，從而達(dá)到控制失速的目的，使壓氣機(jī)始終處在最佳的狀態(tài)，從而提高級(jí)壓比和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

渦輪葉尖間隙對壓氣機(jī)效率、渦輪效率、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和油耗影響極大。葉尖間隙過大會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能降低，而間隙過小，又很可能會(huì)引起葉尖與機(jī)匣的碰撞或摩擦，嚴(yán)重危害發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。主動(dòng)葉尖間隙控制技術(shù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)目前主要有：主動(dòng)熱控制、 主動(dòng)機(jī)械和主動(dòng)氣(氣壓)控制。

主動(dòng)燃燒控制已經(jīng)成為提高燃燒室性能、降低排氣污染的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過快速改變?nèi)紵妮斎雽?shí)現(xiàn)對燃燒行為的調(diào)節(jié)。其有更好的靈活性，可改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，提高燃燒的效率、 降低耗油率和減少形狀因子(出口平面溫度剖面)，同時(shí)可降低污染排放、擴(kuò)大工作包線并減少燃燒室的體積。

3.2 分布式控制技術(shù)

目前的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)都采用集中式FADEC結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)復(fù)雜性的增加導(dǎo)致FADEC的重量、外形尺寸都大大增加。未來控制系統(tǒng)將是高度分布式控制系統(tǒng)，它由FADEC和多個(gè)智能裝置組成，中央處理器和各智能傳感器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成了一個(gè)局域網(wǎng)。中央處理器與智能傳感器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，而不是集中式FADEC系統(tǒng)中的中央處理器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接。采用分布式控制系統(tǒng)可以使控制器體積減少50%，從而減輕重量并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，通過采用智能傳感器和智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)來提高傳感器系統(tǒng)精度并獲取更多系統(tǒng)信息，通過適應(yīng)系統(tǒng)退化影響及故障隔離來增加系統(tǒng)可用性，通過功能模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化來創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)組件和通用測試平臺(tái)，從而減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配和試驗(yàn)成本，減少定期維修次數(shù)，從而達(dá)到備件減少、退化減弱和訓(xùn)練減少的效果，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)壽命周期費(fèi)用。采用一系列功能組件、通用接口、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)功能相分離的方法，減少發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。

3.3 多電/全電控制技術(shù)

圖5 分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)

FADEC系統(tǒng)中的燃油與作動(dòng)附件仍采用傳統(tǒng)的機(jī)械液壓方式，存在泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速耦合、燃油與作動(dòng)機(jī)構(gòu)控制回路耦合、能量利用率低、耐高溫能力差、抗污染能力差、全生命周期成本高等瓶頸，不能滿足更高性能、更高可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)控制需求。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，多電發(fā)動(dòng)機(jī)(MEE)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)多電控制系統(tǒng)(MEFADEC)技術(shù)概念的提出和研究，為上述問題提供了解決途徑。

20世紀(jì)80年代起，歐美國家相繼投入巨大力量開展航空多電技術(shù)的研究和應(yīng)用，涉及能量優(yōu)化、發(fā)配電、電防冰、電剎車、電作動(dòng)和多電發(fā)動(dòng)機(jī)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。2002—2005年，歐盟實(shí)施了電力優(yōu)化飛機(jī)(POA)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃，以遄達(dá)500發(fā)動(dòng)機(jī)為平臺(tái)開展了多電航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究和驗(yàn)證。近年來，日本IHI、俄羅斯CAMCI等研究機(jī)構(gòu)，希望通過開發(fā)新型控制系統(tǒng)改善燃油系統(tǒng)效率，利用高壓電氣化技術(shù)減小部件尺寸重量，重點(diǎn)在燃油與作動(dòng)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)方面開展研究，并在小推力發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。

MEFADEC是指采用電力驅(qū)動(dòng)方式部分取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的液壓機(jī)械、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合控制，并對發(fā)電、配電、用電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理、集中控制，其主要特征在于以電的形式傳遞功率，電源功率的增加帶來了新的挑戰(zhàn)，未來需要重點(diǎn)突破大功率高功率密度電力作動(dòng)機(jī)構(gòu)，耐高溫高效功率驅(qū)動(dòng)控制器，高精度高響應(yīng)伺服控制算法，高壓電能的傳輸管理和電磁兼容，以及高溫振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，而控制系統(tǒng)又是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵所在。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步。國外航空強(qiáng)國已全面實(shí)現(xiàn)了全權(quán)限數(shù)字電子控制，國內(nèi)部分發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了全權(quán)限數(shù)字電子控制。未來，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也將變得越來越重要。