陳彥強(qiáng) 張淑瑞 薛超

【摘要】航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、時(shí)變、非線性、多功能的復(fù)雜系統(tǒng)，其性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)的性能。本文主要論述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程、相關(guān)技術(shù)及其技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，并預(yù)測了國際發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的未來發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng);機(jī)械液壓;FADEC;分布式;綜合控制

1.概述

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是極其復(fù)雜的氣動(dòng)熱力過程，在其工作范圍內(nèi)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件和工作狀態(tài)（如巡航、加速及減速等）的變化，它的氣動(dòng)熱力過程將發(fā)生很大的變化，對于這樣一個(gè)復(fù)雜而且多變的過程如果不加以控制，可以想象系統(tǒng)不但達(dá)不到設(shè)計(jì)的性能要求，而且根本無法正常工作。所以，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的目的就是使其在允許的環(huán)境條件和工作狀態(tài)下都能穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，充分發(fā)揮其性能效益。

2.發(fā)展歷程

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和性能不斷提高，其控制系統(tǒng)也由簡單到復(fù)雜。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展階段的分類方法有很多種，目前，按發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用階段大致分為以下4種，作簡要介紹：（1）機(jī)械液壓控制;（2）數(shù)字電子式控制;（3）分布式控制;（4）綜合控制。

2.1 機(jī)械液壓控制系統(tǒng)

機(jī)械液壓控制系統(tǒng)：是使用基于開環(huán)控制或單輸入單輸出（SISO）閉環(huán)反饋控制等經(jīng)典控制理論，采用由凸輪和機(jī)械液壓裝置組成的機(jī)械液壓控制器即可成功地對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

機(jī)械液壓控制系統(tǒng)典型應(yīng)用的機(jī)種：最典型的就是俄羅斯AN-*系列飛機(jī)。

這種簡單的單輸入單輸出控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：（1）方法簡單;（2）易于實(shí)現(xiàn);（3）能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在一定使用范圍內(nèi)具有較好的性能。因此這種控制方法目前仍然應(yīng)用于許多發(fā)動(dòng)機(jī)的控制中。目前，國內(nèi)運(yùn)輸機(jī)飛機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)控制仍然用的是凸輪和機(jī)械液壓裝置組成的機(jī)械液壓控制器。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能的增加，控制系統(tǒng)的復(fù)雜度也越來越大。這種簡單的液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)就顯現(xiàn)了出來：（1）僅適用于：飛行速度比較小、飛行高度比較低、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不大的飛機(jī)。（2）機(jī)械液壓流量控制和伺服部件變得越來越大、越來越重、越來越昂貴。

為了解決上述問題，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制研究人員借助于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，電子控制器的研究，并取得了較大的進(jìn)展。通用電氣將之稱為全權(quán)限數(shù)字電子式控制 （Full Authority Digital Electronic control簡稱FADEC）系統(tǒng)，也就是我們目前用的比較多的簡稱。這樣航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制發(fā)展到了第二個(gè)階段。

2.2 數(shù)字電子式控制

FADEC是集現(xiàn)代控制理論、微電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制中的綜合應(yīng)用。由于FADEC在國內(nèi)目前是一種發(fā)展的必然趨勢，在國外現(xiàn)役飛機(jī)上運(yùn)用最廣泛的控制系統(tǒng)，所以在此介紹的相對稍微多一點(diǎn)。

FADEC的典型應(yīng)用機(jī)種：1973年，美國制定研究計(jì)劃，對F100發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字電子式電子控制器（FADEC）開展研究，于1981年安裝在F15飛機(jī)上進(jìn)行了首次試飛，1983年完成了飛行試驗(yàn)。1985年在改型的F100發(fā)動(dòng)機(jī)F100一PW-220上裝備了數(shù)字電子控制器并投入了使用。之后該技術(shù)在F-15、F-16飛機(jī)中被廣泛應(yīng)用。民航Mill、A300、B767-400等飛機(jī)上的Pw4000系列發(fā)動(dòng)機(jī)和B767飛機(jī)上的CF6-80Cz發(fā)動(dòng)機(jī)均裝有全權(quán)限數(shù)字式電子控制器。F100發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字電子控制器（DEEC）是第一個(gè)試飛的全權(quán)限數(shù)字電子控制器。

FADEC的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以控制更多的參數(shù)、比較容易地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，改良控制策略、降低被控參數(shù)超調(diào)量;（2）可以使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更高的控制精度和工作效率;（3）可以大大簡化開發(fā)時(shí)間，把開發(fā)時(shí)間從幾個(gè)月縮短成幾天，同時(shí)，也說明了電子控制器對于提高整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期所起到的作用。

FADEC的缺點(diǎn)：在二十世紀(jì)80年代后，為滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，世界各航空大國對軍用飛機(jī)提出了更高要求的大背景下。一方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜?？烧{(diào)節(jié)變量增加;另一方面，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制已不只局限于對自身進(jìn)行控制，還要對進(jìn)氣道和尾噴管進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的集中式控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)也暴露了出來：（1）可靠性降低。系統(tǒng)中的全權(quán)限數(shù)字電子控制器（FADEC）除了要實(shí)現(xiàn)所有的信號采集、處理、控制算法運(yùn)算、控制信號輸出等主要功能以外，還要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測、安全保護(hù)功能，這使得FADEC中的軟件龐大而復(fù)雜，且系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)利用率高，計(jì)算機(jī)一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)都不能工作;（2）控制系統(tǒng)重量過大。為了滿足安全要求，F(xiàn)ADEC和控制系統(tǒng)中的各傳感器、伺服裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間是雙絞線或是三絞線連接且相距較遠(yuǎn)，所以連接電纜及其絕緣層、保護(hù)層、連接器以及接頭的重量占控制系統(tǒng)重量的很大部分;（3）集中式控制結(jié)構(gòu)不利于發(fā)動(dòng)機(jī)改型時(shí)控制系統(tǒng)的擴(kuò)展。（4）不利于維護(hù)。系統(tǒng)中電纜數(shù)目很多，有很多連接器和接頭，因此系統(tǒng)的大部分問題與電氣元件之間的機(jī)械連接故障有關(guān)，而且沒有標(biāo)準(zhǔn)化的接口導(dǎo)致設(shè)備多樣化、復(fù)雜。

為了解決上述FADEC實(shí)際使用的問題，各國航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制研究人員又研制出了分布式控制系統(tǒng)。

2.3 分布式控制

分布式控制系統(tǒng)是一種帶有高度一體化數(shù)據(jù)總線的全智能分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它采用智能傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些智能傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身帶有補(bǔ)償器或控制器，并通過一條有余度的高速數(shù)據(jù)總線與飛行控制器相連。（如圖1所示）

圖1 分布式控制系統(tǒng)組成

分布式控制系統(tǒng)典型應(yīng)用機(jī)種：如美國的F/A-18，F(xiàn)-117，歐洲的“狂風(fēng)”、法國的“幻影”，蘇聯(lián)的米格-29、蘇-27等。這些飛機(jī)均對尾噴管進(jìn)行控制。

分布式控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：（1）降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而改善維修性和可靠性;（2）可使FADEC成為一個(gè)共同處理單元體，它可以做成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備，用于一系列發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)果使成本大大降低;（3）與現(xiàn)在的系統(tǒng)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的重導(dǎo)線系統(tǒng)幾乎都取消了;（4）若使用光導(dǎo)總線（光纖），且大量使用光學(xué)接口還可以大大消除電磁干擾，并可進(jìn)一步減輕重量。

2.4 綜合控制

按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，飛機(jī)上的多個(gè)控制系統(tǒng)都是獨(dú)立設(shè)計(jì)，不考慮相互間的耦合作用，實(shí)際上，飛機(jī)作為一個(gè)整體，其各系統(tǒng)間的相互耦合作用都是顯而易見的，過去是由駕駛員用控制輸入來綜合各個(gè)分系統(tǒng)，解決其耦合問題，但由于現(xiàn)代飛機(jī)的多任務(wù)、高性能要求，駕駛員無暇顧及各分系統(tǒng)的綜合，各個(gè)分系統(tǒng)孤立進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法已不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)的要求，這在客觀上對各分系統(tǒng)提出了綜合設(shè)計(jì)及自動(dòng)綜合控制的要求。

綜合控制主要應(yīng)用的技術(shù)和理論有：光纖技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和高溫材料等。（如圖2所示）

圖2 綜合控制主要應(yīng)用的技術(shù)和理論

綜合控制主要采用先進(jìn)的控制模式、控制算法，并與其他機(jī)載系統(tǒng)（進(jìn)氣道控制系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)等）相綜合，以獲得更好的系統(tǒng)性能和提高控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)的使用壽命，降低系統(tǒng)的研制和使用成本。

綜合控制目前還沒有應(yīng)用的機(jī)種。但目前美國實(shí)施的一項(xiàng)未來先進(jìn)控制技術(shù)研究計(jì)劃（FACTS），其目的是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)力控制系統(tǒng)的小型化、綜合化（飛/推綜合）及提高性能和可靠性。

3.目前存在問題

綜合控制的優(yōu)越性已成為同行專家的共識，綜合控制作為飛機(jī)上各控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是確定無疑的，但這種科研項(xiàng)目本身的綜合性與管理上的分散性之間存在著矛盾。

4.發(fā)展展望

在20世紀(jì)后期，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)最令人鼓舞的革命性變化無疑是由液壓機(jī)械式控制向數(shù)字電子式控制的發(fā)展，這一發(fā)展趨勢在本世紀(jì)中對發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展仍將具有深遠(yuǎn)的影響，展望21世紀(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，在技術(shù)上向數(shù)字、綜合、分布、光纖、多變量、容錯(cuò)及智能控制等方向發(fā)展，其達(dá)到的效益是提高性能（推力或功率），提高可靠性，減輕重量，降低耗油率。

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