数字控制系统-航空发动机工程通论

3.9.3.1　数字控制系统的发展

随着飞机、发动机的发展，对发动机控制也提出了更高的要求，需要监视和控制的参数越来越多，控制回路不断增加。这些变量相互关联、相互影响，必须协调控制。而且，随着发动机控制和飞机系统之间联系的增加以及状态监视、故障诊断、参数显示等功能的扩充，飞机发动机一体化控制的水平要求不断提高。不论是三维凸轮计算元件还是膜盒计算元件，它们综合计算的参数是很有限的，参数的增多势必带来重量、体积、成本的增加，并且是难以实现的。

在20 世纪50—60年代，在发动机液压机械、气动机械式调节器中，一些电气、电子部件已得到了采用。但由于电子部件的可靠性等问题，一直未能得到广泛的推广应用。20 世纪70年代，由于计算机技术、大规模集成电路和微处理机的出现，为发动机数字电子控制奠定了基础。控制技术开始从传统的液压机械式控制向数字电子控制转变，数字电子控制从有限功能到全权控制。

现代飞机的发动机电子控制系统大体上可分为监控控制和全功能数字电子控制。监控控制是指在原有的液压机械控制器基础上再增加一个电子控制器，二者共同实施对发动机的控制。图3－41 所示为一个典型的航空发动机控制与健康监控系统。发动机控制的主要功能仍然由液压机械式控制器完成，如转速与起动、加速、减速控制等。发动机电子控制器的作用主要有两个方面：监控和限制，即保证精确的推力控制，同时不要超出发动机的工作限制。监控型控制也可以看成是液压机械控制向全权数字电子控制转变的过渡阶段。全功能或全权限数字电子控制（Full Authority Digital Electronic Control，FADEC）是目前研制的重点和发展的方向，它将过去由液压机械式控制器完成的计算功能完全由电子计算机来代替，液压机械装置只保留作为执行机构，在有的机型也用它作为电子控制失效后的备份控制（简单的安全控制）。

图3-41　航空发动机控制与健康监控系统

3.9.3.2　系统的组成及工作原理

航空发动机数字电子控制系统包括硬件和软件两大部分，硬件有电子控制器及其接口、执行机构和传感器等；软件则存储在电子控制器中支配控制系统完成实时测控功能，包括各类型信号的数据采集、控制规律和逻辑计算的处理、输出控制、系统监控与自诊断等。

根据发动机功能的不同，FADEC 系统的构成有一定的差别，但是其基本构成和工作原理是相同的。FADEC 系统通常由输入部分、电子控制器、执行机构和控制程序四部分组成。

1）输入部分：系统中的信号来自飞机和发动机，有飞机的高度、速度特性，有大气温度、压力；表征发动机各截面工作状态参数，即温度、压力、转速、位移等，这些都是由各类传感器来完成的。

2）电子控制器：电子控制器是系统的核心部件，由输入模块、CPU、输出模块和电源模块组成。

3）执行机构：系统中的执行机构也就是控制信号驱动的液压部件，包括主供油装置、加力供油装置、加力分配器、喷口作动筒、静叶导叶作动筒和间隙机构等。受控的电液转换装置有电磁阀、电液伺服阀、力矩马达等。

4）控制程序：控制程序是系统工作的核心。控制规律、控制算法、参数设定、逻辑判断、故障诊断都是由软件来完成的，控制程序是根据系统的要求及所选用的控制方法进行的，只有不断地进行修改、调试才能编制出高质量的控制程序。

航空发动机数字控制系统的工作原理是由电子控制器通过各类传感器采集发动机的转速、温度、压力、位移以及其他发动机工作状态信号，再根据驾驶员输入的油门杆角度以及飞机的飞行高度、速度等，在电子控制器内按给定的控制规律和设计的控制算法得到发动机应该工作的状态。此状态与发动机实际工作状态相比较，如果偏离了给定的工作状态，控制器就给出偏离控制信号，通过电液转换装置调节各执行机构，使发动机最终工作在所要求的工作状态上。故障诊断系统能及时发现故障，容错控制系统能使发动机更加安全可靠。

3.9.3.3　主要技术

（1）发动机建模技术

在航空发动机数字控制系统的研究和设计过程中，发动机数学模型是很重要的，无论是数字仿真、半物理仿真还是先进控制理论的应用研究都离不开发动机的数学模型。数字控制系统中应用的发动机数学模型通常要适当简化，同时又具有一定的运算精度，并能够代表真实发动机的各种工作状态。

（2）多变量控制技术

随着发动机性能的提高，其控制变量数目也在不断增加。早期的J－47 发动机仅有燃油流量一个控制变量，到F100 这样高性能的加力涡扇发动机有7 个控制变量，而新一代的变循环发动机有更多的控制变量。液压机械式控制器难以甚至无法完成多变量控制任务，发动机数控技术的应用为多变量控制的应用开辟了道路。(www.xing528.com)

（3）容错技术

FADEC 系统的容错设计可分为硬件容错和软件容错两种。硬件容错的关键是容错度的确定，这关系到研制成本和可靠性的最佳折中。软件容错设计可以减轻硬件设计负担、降低系统成本，所增加的开销仅仅是存储空间和运算时间，因此，软件容错设计技术越来越受到重视。

（4）仿真技术

随着电子技术日益发展和数字控制系统日趋复杂，数字仿真技术和半物理仿真技术得到普遍应用。系统仿真可以缩短研制周期、降低研制成本。运用系统模型和控制程序进行仿真运行，可以发现系统设计和软件设计错误，通过修改设计并进行调试可以使系统最优化。

（5）电子控制器设计技术

电子控制器是FADEC 的核心部件。先进、高可靠性的电子控制器是系统的基本保障。电子控制器应具有抗震、耐高温、抗振动的能力，并满足尺寸小、重量轻、运算精度高及有一定容错能力的要求。

（6）控制软件设计技术

航空发动机数字控制系统中软件的成功设计是系统中十分重要也是最基本的因素。软件设计必须完成发动机控制要求的全部功能。

（7）执行机构设计技术

航空发动机FADEC 系统只能代替原液压机械装置中复杂的计算机构，而系统中的燃油泵、计量机构是必不可少的。如果系统中设计有液压机械备份，则还需要一个简单完整的执行机构。这些都需要一些新型元件、新的设计思想，使系统能够计量精确、结构简化、重量减轻和可靠性提高。

（8）其他技术

航空发动机FADEC 系统设计中除了以上关键技术外，还涉及其他一些重要技术，如系统总体设计技术，温度、压力、转速、位移等传感器技术，系统监控和故障诊断技术，数据界面显示技术，试验及台架试车技术，评价技术，测量技术等。

3.9.3.4　FADEC 的未来先进技术

随着航空发动机性能的日益提高，航空发动机控制系统必须满足日益严格的功能和运行要求，系统设计者必须利用新的技术、新的方法来达到这些要求。新的设计所应用的先进技术包括高温电子学、光纤技术、轻质材料以及先进的控制概念等各个方面。

目前工作温度在－55～300 ℃的半导体材料已经研制成功，有的高温电子器件在FADEC 系统中已经过试验验证，在300 ℃时具有长期的使用寿命。高温电子技术可以使电子控制器工作更可靠、体积更小，在发动机高温环境中不用考虑冷却的问题，从而使设计简单、重量更轻。

航空发动机数字控制系统中信号传输的导线重量占系统很大的比重，而且由于导线长、接口多，故严重影响着系统的可靠性。系统中的电子/磁性传感器也受到环境和性能的限制。光纤重量仅是电线重量的七分之一，不受任何辐射和电磁干扰，故光纤技术是一种极具吸引力的技术。

在航空发动机控制系统部件设计中采用复合材料可以大大减轻重量。复合材料在控制系统中的应用有复合材料控制器机箱、复合材料的执行机构以及复合材料燃油泵等。

航空发动机全权限数字控制系统中采用的控制算法及控制概念不断发展，目前被广泛研究和采用的有数字PID 控制算法、自适应控制和多变量控制。

这些新先进技术的出现进一步提高了发动机的性能。