摘要：本文介紹了航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)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)的最新研究進(jìn)展進(jìn)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(jī)
　　隨著飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)控制領(lǐng)域的研究成果層出不窮。其中，飛機(jī)-推進(jìn)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(dāng)前發(fā)動機(jī)控制技術(shù)的先進(jìn)水平。由于FADEC有著眾多的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿ΓS多國家都在研制。并且隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)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(jī)先進(jìn)控制概念
　　20世紀(jì)80年代，以美國NASA為首的多家研究機(jī)構(gòu)通過詳細(xì)評估鑒定出最值得發(fā)展的先進(jìn)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(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)的第4代高性能軍用戰(zhàn)斗機(jī)（MHPF）和馬赫數(shù)為2.4的高速民用運(yùn)輸機(jī)（HSCT）及其發(fā)動機(jī)；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(fù)雜性、風(fēng)險、壽命期費(fèi)用、診斷能力、解析余度等指標(biāo)。根據(jù)評估結(jié)論，排在前4位的先進(jìn)控制概念是：發(fā)動機(jī)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(jìn)行渦輪發(fā)動機(jī)的模型仿真，即將所建立的發(fā)動機(jī)模型加到推進(jìn)系統(tǒng)的控制中去，直接控制推力和發(fā)動機(jī)限制參數(shù)。這種方法首先需要正確建立發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型。目前，采用認(rèn)知工程理論和模糊控制方法處理復(fù)雜的發(fā)動機(jī)動態(tài)模型已取得一些仿真試驗結(jié)果，證明了其實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)帶來較大的困難。
　　PSC是一種以模型為基礎(chǔ)的自適應(yīng)控制算法，目的是通過實(shí)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(jī)性能。這種算法包括一條修正推進(jìn)模型的路徑和一條對模型預(yù)估性能進(jìn)行優(yōu)化的路徑。使用卡爾曼濾波器對非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)按實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行修正，以使模型更貼切地反映發(fā)動機(jī)的性能。PSC算法已在F-15飛機(jī)上進(jìn)行了飛行試驗，試驗結(jié)果表明推進(jìn)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：最大推力模式、最小耗油率模式、最低風(fēng)扇渦輪進(jìn)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(jī)控制邏輯中去，實(shí)時地計算非穩(wěn)定性影響（但不是設(shè)計時假設(shè)的最壞情況，即各種非穩(wěn)定因素影響的迭加），對風(fēng)扇和壓氣機(jī)穩(wěn)定性進(jìn)行在線評估，允許控制系統(tǒng)將喘振裕度減至最小，從而提高發(fā)動機(jī)性能。
　　ASC旨在對發(fā)動機(jī)喘振進(jìn)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(dǎo)葉角度等）消除失速。過去用于失速控制的算法受到液壓機(jī)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的新的控制算法。采用這種方法能擴(kuò)大發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，使發(fā)動機(jī)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(jī)發(fā)動機(jī)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(diǎn)。
　　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(jī)以及電子控制器等完整的控制系統(tǒng)。
　　2. FADEC的優(yōu)點(diǎn)
    （1）提高發(fā)動機(jī)性能。FADEC的計算能力強(qiáng)、精度高，能夠在整個飛行范圍發(fā)揮發(fā)動機(jī)的最佳性能；能夠改善發(fā)動機(jī)的啟動和過渡特性；能夠改善發(fā)動機(jī)安全保護(hù)。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(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制方案的變動，通過修改軟件就可以尋找最佳控制性能。 #p#分頁標(biāo)題#e#
　?。?） 降低燃油消耗量。由于FADEC可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的最佳控制，因此，發(fā)動機(jī)控制器更換時，可減少乃至不需要調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)，加之慢車轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制、引氣最佳化，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(fù)功能，而且減少了超溫、超轉(zhuǎn)、過應(yīng)力等情況，使發(fā)動機(jī)的可靠性提高。
　　（4） 降低成本。由于包括自測試、診斷、記憶等功能，可實(shí)施計算機(jī)輔助故障診斷，給維護(hù)帶來方便。加上更換控制裝置不需要調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)，使發(fā)動機(jī)維修成本降低。
　　（5） 易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)控，易于實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)控制的一體化。
　　3. FADEC的最新研究進(jìn)展
　　目前的發(fā)動機(jī)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(jìn)行，控制系統(tǒng)中最重的是引線和接頭。 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?jǐn)?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(dāng)?shù)毓δ?。為使溫升和功耗最小，還將采用變速和變流量泵。
　　除了降低發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量之外，分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還有：由于采用通用模塊和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)的改動最小甚至無需改動，設(shè)計和升級的靈活性大；FADEC可以遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)安裝，進(jìn)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(yùn)行模式；余度多路傳輸光纖總線；多余度數(shù)字處理機(jī)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(jī)狀態(tài)監(jiān)視和管理系統(tǒng)。
　　（1）靈巧傳感器和作動器。傳感器和作動器占發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)重量的相當(dāng)大一部分。所有的傳感器和作動器都需要某種形式的補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行閉環(huán)控制；提供與FADEC的簡單通信和接口。
　?。?）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(yīng)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(dá)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(diǎn)的耐溫能力擴(kuò)大到600℃。
　?。?）數(shù)據(jù)總線--發(fā)動機(jī)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(dǎo)線，用以在FADEC和靈巧裝置之間傳遞數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，還有一對加屏蔽的盤繞導(dǎo)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(dǎo)通信總線和光學(xué)接口，則大大消除這種電子干擾，進(jìn)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(jī)燃油泵結(jié)構(gòu)簡單、重量輕。發(fā)展耐高溫的有機(jī)基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料可進(jìn)一步減輕重量。 #p#分頁標(biāo)題#e#
三、結(jié)束語
　　從美國NASA等研究機(jī)構(gòu)對先進(jìn)控制概念的評估和篩選及最終排序可以看出發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)研制的發(fā)展趨勢。盡管出現(xiàn)了諸多的"先進(jìn)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(jī)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(yīng)用、微處理器能力的進(jìn)一步開發(fā)，F(xiàn)ADEC已進(jìn)入實(shí)用階段，并以它突出的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種新型發(fā)動機(jī)控制中。 
作者姓名： 金茂賢
作者單位： 空軍工程大學(xué)