賈淑芝，吳 新 ，李 斌

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

多電發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)總體方案研究

賈淑芝，吳 新 ，李 斌

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

多電發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，需要采用分布式控制。分布式結(jié)構(gòu)易于從部件級到子系統(tǒng)級再到系統(tǒng)級進(jìn)行試驗，同時大多數(shù)試驗可通過仿真程序同步進(jìn)行。基于某型發(fā)動機(jī)技術(shù)平臺的分布式控制系統(tǒng)總體方案，在保留原平臺的控制功能和控制規(guī)律基本不變的情況下，按多電發(fā)動機(jī)控制要求，大量采用電介質(zhì)替代燃油介質(zhì)實現(xiàn)控制功能，并按分布式控制方式進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計。重點(diǎn)驗證了新增控制功能、新原理控制元件和控制方法以及分布式控制總體運(yùn)行模式，使其能在現(xiàn)有發(fā)動機(jī)平臺上進(jìn)行多電發(fā)動機(jī)分布式控制關(guān)鍵技術(shù)驗證。

多電發(fā)動機(jī)；分布式控制；電力驅(qū)動；渦扇發(fā)動機(jī)

0 引言

多電航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件和系統(tǒng)主要包括磁懸浮軸承、備用軸承、內(nèi)置式起動/發(fā)電機(jī)和分布式控制系統(tǒng)等，其關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展主要取決于這些部件技術(shù)的突破和其一體化設(shè)計技術(shù)的完善。

多電發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是大量控制附件采用電力驅(qū)動替代了液壓驅(qū)動，采用裝在發(fā)動機(jī)內(nèi)部的內(nèi)置式起動/發(fā)電機(jī)和磁浮軸承等?？刂葡到y(tǒng)和其分系統(tǒng)均很復(fù)雜。采用分布式控制方式可以使發(fā)動機(jī)復(fù)雜性降低，質(zhì)量減輕，可靠性提高，維修性和故障隔離特性改善，全壽命成本降低；還可以大大減輕中央控制器的計算負(fù)擔(dān)，為采用復(fù)雜的控制規(guī)律和先進(jìn)的控制算法提供保證。同時，由于每個智能裝置均可以進(jìn)行自檢和診斷，從而降低了維修成本，并在采用新的元件級技術(shù)時對中央處理計算機(jī)的改動最小，設(shè)計和升級的靈活性大。因而，對渦扇發(fā)動機(jī)應(yīng)用多電技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行研究很有必要。

1 控制系統(tǒng)總體方案

該控制系統(tǒng)以某型渦扇發(fā)動機(jī)為技術(shù)平臺，取消了發(fā)動機(jī)中央傳動機(jī)構(gòu)和回油管路等附件，控制附件由原來機(jī)械傳動改為由電力驅(qū)動。保持原有發(fā)動機(jī)的主要控制功能和控制規(guī)律不變，增加磁浮軸承控制和內(nèi)置式起動/發(fā)電機(jī)的控制。

本方案主要驗證多電發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式及電力驅(qū)動和磁浮軸承的控制功能。因此，涉及的發(fā)動機(jī)工作模式不包括加力狀態(tài)和噴口控制。分布式控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，包括供油系統(tǒng)控制器、狀態(tài)控制器、中央控制器、起動/發(fā)電機(jī)控制器、主動磁浮軸承控制器、低壓壓氣機(jī)導(dǎo)向器調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制器、高壓壓氣機(jī)導(dǎo)向器調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制器、噴口調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制器、主點(diǎn)火系統(tǒng)控制和參數(shù)采集與處理系統(tǒng)9部分。通過核心控制單元中央控制器和各子控制器共同工作，在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)和過渡態(tài)工作時實現(xiàn)各種控制和狀態(tài)監(jiān)控等功能。

以下重點(diǎn)敘述分布式控制系統(tǒng)在原控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上需要改變的控制功能。

1.1 中央控制器功能

中央控制器通過帶余度的高速數(shù)據(jù)總線與安裝在發(fā)動機(jī)上的新型智能傳感器和多個子控制器相連，每個子控制器都具有一定的數(shù)字處理能力，可完成當(dāng)?shù)乜刂乒δ?；中央控制器作為飛機(jī)通訊總線上的1個節(jié)點(diǎn)，與飛機(jī)控制器共享數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)與飛機(jī)的綜合控制。

中央控制器根據(jù)來自飛機(jī)的操縱指令，控制發(fā)動機(jī)各子控制器完成發(fā)動機(jī)的起動控制、狀態(tài)控制和發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)視功能。除中央控制器完成整機(jī)的監(jiān)視外，發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)各子系統(tǒng)完成各自的監(jiān)視、故障診斷和隔離功能。

1.2 發(fā)動機(jī)起動控制

發(fā)動機(jī)由電動機(jī)起動。起動控制點(diǎn)火時序保持不變，供油則是按起動供油控制規(guī)律進(jìn)行控制。同時，增加了磁浮控制程序和起動連鎖。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)之前，要保證磁浮軸承懸浮起來。對內(nèi)置式起動/發(fā)電機(jī)還要有起動與發(fā)電功能轉(zhuǎn)換的控制。起動控制原理如圖2所示。

1.3 發(fā)動機(jī)幾何調(diào)節(jié)控制

發(fā)動機(jī)的幾何調(diào)節(jié)包括低壓、高壓壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片角度控制和噴口的收放控制。α1控制的原理如圖3所示（α2控制的原理與此相同）。通過來自中央控制器的低壓、高壓壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片角度給定信號與來自發(fā)動機(jī)低壓、高壓壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片角度實測反饋信號比較的差值，控制步進(jìn)電機(jī)帶動渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和葉片導(dǎo)向器傳動機(jī)構(gòu)達(dá)到設(shè)定位置；通過來自中央控制器的高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速，控制步進(jìn)電機(jī)帶動渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和噴口收放裝置達(dá)到預(yù)定位置。噴口控制原理如圖4所示。

1.4 發(fā)動機(jī)狀態(tài)控制

發(fā)動機(jī)狀態(tài)控制原理如圖5所示。

發(fā)動機(jī)狀態(tài)控制主要完成發(fā)動機(jī)節(jié)流、中間和過渡狀態(tài)的發(fā)動機(jī)控制功能。

在發(fā)動機(jī)節(jié)流和過渡狀態(tài)下，通過控制主燃油流量來實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。燃油流量的控制由電動燃油泵按發(fā)動機(jī)的控制規(guī)律要求，直接按需供油，與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速沒有直接關(guān)系，無需回油。來自油門桿的操縱信號通過中央控制器解算出對應(yīng)的主燃油流量需求，輸出控制信號給電動燃油泵控制器（質(zhì)量流量）。由電動燃油泵控制器采集流量傳感器的反饋信號（體積流量），根據(jù)燃油溫度反饋信號對燃油流量進(jìn)行修正，計算出齒輪泵供出的質(zhì)量流量，輸出控制信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電動燃油泵帶有轉(zhuǎn)速閉環(huán)。電機(jī)驅(qū)動齒輪泵按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，齒輪泵輸出的燃油經(jīng)過液壓管路和噴嘴到達(dá)發(fā)動機(jī)的主燃燒室。

與節(jié)流狀態(tài)不同，在發(fā)動機(jī)中間狀態(tài)，主燃油流量控制增加了n1、n2和T6調(diào)節(jié)通道的增量最小值選擇器。

通過中央控制器內(nèi)部n1、n2和T6限制值控制規(guī)律，求取相應(yīng)各參數(shù)設(shè)定值、增量和增量最小值。

為保證在發(fā)動機(jī)中間狀態(tài)下主燃油流量控制計劃的實現(xiàn)，最小值選擇器選擇n1、n2和T6三者偏差最小的信號作為主燃油調(diào)節(jié)通道的控制信號，由控制器將其轉(zhuǎn)換成主燃油流量的變化，通過電動燃油泵控制系統(tǒng)去完成主燃油流量的調(diào)節(jié)。

1.5 主動磁浮軸承控制

在接到來自中央控制器的發(fā)動機(jī)起動指令后，由發(fā)動機(jī)主動磁浮軸承系統(tǒng)進(jìn)行主動磁懸浮的控制。對控制系統(tǒng)的要求是：磁軸承系統(tǒng)在整個發(fā)動機(jī)工作過程中要保證具有良好的穩(wěn)定性，在發(fā)動機(jī)相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速下要有足夠的阻尼，同時要有良好的抗突加載荷能力。單自由度磁浮軸承控制系統(tǒng)原理如圖6所示。磁浮軸承控制系統(tǒng)組成包括電磁鐵、轉(zhuǎn)子、控制器、功率放大器、轉(zhuǎn)子位移傳感器和位置控制器等。其中，位置控制器有電流控制器和電壓控制器2種。電流控制算法簡單，易于實現(xiàn)PD或PID控制，適于小型系統(tǒng)；電壓控制模型更為精確，魯棒性好，適于大型或超大型系統(tǒng)。功率放大器一般采用開關(guān)功放，優(yōu)點(diǎn)是功耗小、效率高、體積小。位移傳感器目前應(yīng)用最多的是電渦流式傳感器，具有靈敏度高、線性測量范圍大且成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

磁浮軸承控制系統(tǒng)可通過調(diào)整控制參數(shù)來改變磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承的剛度和阻尼，改善磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)性能，實現(xiàn)主動控制。

2 多電發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 控制系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

（1）由于大量采用電力驅(qū)動，對系統(tǒng)抗電磁干擾能力要求更高。

（2）控制器、智能傳感器、作動器安裝位置工作環(huán)境苛刻（溫度高、振動大）。

（3）輕質(zhì)量的變速、變流量電動燃油泵和高精度可控步進(jìn)電機(jī)制造技術(shù)。

（4）磁浮軸承控制系統(tǒng)可靠性和耐高溫、輕質(zhì)量、小型化硬件設(shè)計技術(shù)。

（5）分布式控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式。（6）余度多路傳輸光纖總線。

（7）多余度數(shù)字處理機(jī)和并行處理技術(shù)。

2.2 技術(shù)措施和研究方向

（1）采用高速數(shù)據(jù)傳輸總線、光導(dǎo)通信總線、光學(xué)接口和光纖傳感器；

（2）發(fā)展能在350～400℃高溫下長期工作的耐高溫半導(dǎo)體器件、絕緣技術(shù)和絕緣材料；

（3）研究以砷化鎵等材料為基礎(chǔ)的能與光纖總線一起工作的集成電路設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)工藝；

（4）采用高功率密度（高頻響）的電動機(jī)和工作效率較為穩(wěn)定的齒輪泵，發(fā)展耐高溫有機(jī)基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料；

（5）開展以冗余設(shè)計為主要途徑的容錯技術(shù)、電子元器件的集成化/微型化/低功耗技術(shù)研究；

（6）開展高溫電子設(shè)備的熱管理技術(shù)研究。

3 結(jié)束語

多電分布式控制的采用，將簡化控制結(jié)構(gòu)，提高控制系統(tǒng)的可靠性。多電發(fā)動機(jī)不僅將改變傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)布局，而且將引進(jìn)采用新的控制功能、控制模式、控制原理的控制元件和控制方法，從而引起發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的重大改革。

基于渦扇發(fā)動機(jī)多電技術(shù)控制系統(tǒng)可以與其它多電發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)并行開展研究，其系統(tǒng)的驗證通過半物理模擬試驗進(jìn)行。目前，磁浮軸承、內(nèi)置式起動/發(fā)電機(jī)的研究已經(jīng)突破理論研究階段，開始工程化應(yīng)用研究；分布式控制系統(tǒng)的研究還處于理論研究階段，在數(shù)字式控制系統(tǒng)逐漸成熟的基礎(chǔ)上，盡早開展其試驗研究，以推動控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

[1]Clark D J,Jansen MJ,Montague G T.An overviewof magnetic bearing technology for gas turbine engines [R].N20040110826XSP.

[2]AlbertF K.High-temperaturemagneticbearingsbeingdeveloped for gas turbine engines[R].N2005017721.

[3]David J P,Geraint W J,Jason D E.An integrated starter generator for a large civil aero-engine[C]//3rd International Energy Conversion Engineering Conference.San Francisco,California,2005.

[4]Thomas R E.Performance and weight impact of electric environmental control system and more electric engine on citation CJ2[R].AIAA-2007-1395.

[5]Canova M,Sevel K,Guezennec Y,et al.Control of the start/stop of a diesel engine in a parallel HEV with a belted starter/alternator[R].SAE-2007-24-0076.

[6]胡業(yè)發(fā).磁力軸承的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:1-225.

[7]汪希平，謝建華，朱禮進(jìn)，等.電磁軸承在航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用中的設(shè)計問題分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2002（1）:4-8.

[8]張剛，汪希平.實驗用航空發(fā)動機(jī)磁懸浮軸承樣機(jī)的穩(wěn)定性分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2002（2）：1-5.

Concept Research on Distributed Control System of More Electric Engine

JIA Shu-zhi,WU Xin,LI Bin
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The distributed control was required to adopte for the control system of the more-electric technology due to its complexity.The control system can be easily validated by simulation from parts,subsystems to systems,and most validation can be simultiniously conducted.An overall design proposal of distributed control system was proposed based on a technical platform ofturbofan engine.According to MEE（More Electric Engine）demands,the proposal was designed using electrodynamic based on the original control functions and laws.The MEE key technologies,such as new control functions,new control elements,new control methodologies and overall operation modules can be validated on this platform.

more electric engine； distributed control； electrodynamic； turbofan engine

賈淑芝（1965），女，自然科學(xué)研究員，主要從事航空發(fā)動機(jī)控制與預(yù)先研究工作。