石鑫

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院 江蘇省鎮(zhèn)江市 212134）

發(fā)動機(jī)是航空飛行器的核心設(shè)備，與飛行能力密切相關(guān)。為此，必須對發(fā)動機(jī)的控制予以高度重視。以往航空發(fā)動機(jī)基本上采用的都是集中控制系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)也能滿足發(fā)動機(jī)的控制需要。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，集中控制系統(tǒng)存在一些缺陷。而分布式控制系統(tǒng)以其自身所具備的諸多技術(shù)優(yōu)勢，在航空等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。下面重點(diǎn)對航空發(fā)動機(jī)分布式控制關(guān)鍵技術(shù)展開研究，皆在為了促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)控制水平的提升。

1 航空發(fā)動機(jī)分布式控制的技術(shù)優(yōu)勢

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)簡稱AE-DCS，該系統(tǒng)最為突出的特點(diǎn)是可以將一些級別較低的處理功能從中控直接轉(zhuǎn)給現(xiàn)場的傳感設(shè)備或是執(zhí)行裝置，由此使得中控不再需要處理級別較低的功能，主要完成級別較高的功能即可，如復(fù)雜的控制算法、與航空飛行器接口等等，中控的運(yùn)行效率隨之得到大幅度提升。通常情況下，中央處理器基本都集成于現(xiàn)場的傳感設(shè)備、執(zhí)行裝置當(dāng)中，從而使傳感和執(zhí)行兩大機(jī)構(gòu)具備了智能化的特點(diǎn)，能夠與中控進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。對于AE-DCS 而言，中控可以決定大部分智能設(shè)備的運(yùn)行方式，但卻并不會管理這些設(shè)備，從控制開始，智能設(shè)備的運(yùn)行方式會與中控始終保持協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并定時以數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较蛑锌貓蟾鎇1]。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

在航空發(fā)動機(jī)中，DCS（分布式控制系統(tǒng)）之所以得到越來越廣泛的應(yīng)用，與系統(tǒng)本身所具備的諸多技術(shù)優(yōu)勢有著密不可分的關(guān)聯(lián)，具體體現(xiàn)在如下幾個方面：

1.2.1 能夠使系統(tǒng)重量減輕

對于采用集控系統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)而言，其中的傳感設(shè)備、執(zhí)行裝置的數(shù)量約為20-50 個不等，中控電纜多達(dá)數(shù)百條。因需要對設(shè)備和裝置進(jìn)行可靠連接，所以電纜比較長，并且線纜的種類較多，如信號線、屏蔽線等等，由此使得整個集控系統(tǒng)的重量進(jìn)一步增大，約占航空發(fā)動機(jī)總重量的15-20%左右[2]。而在DCS 中，中控與傳感、執(zhí)行等機(jī)構(gòu)的通信是通過冗余電源和數(shù)據(jù)總線來完成，由此使得連線大幅度減少，發(fā)動機(jī)的重量隨之減輕。

1.2.2 可靠性更高

DCS 采用的是總線連接的方式，這種方式要比集控系統(tǒng)的連線可靠性更高，相應(yīng)的故障幾率隨之降低，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。DCS中的智能設(shè)備除了可以進(jìn)行自診斷之外，還能在故障發(fā)生時將之隔離出去，保持系統(tǒng)正常運(yùn)行。由此使得整個系統(tǒng)的可維護(hù)性大幅度提升，相應(yīng)的維護(hù)費(fèi)用隨之減少。

1.2.3 工作效率更高

DCS 的架構(gòu)具有層次性的特點(diǎn)，這種分層的結(jié)構(gòu)使中控只需要完成級別較高的功能即可，布設(shè)在現(xiàn)場的傳感裝置與執(zhí)行設(shè)備則可實現(xiàn)一些級別較低的功能。由此使得中控能夠?qū)?fù)雜的算法予以實現(xiàn)，由此能夠使航空發(fā)動機(jī)的性能得到大幅度提升。分層的結(jié)構(gòu)體系具有簡單的特性，由于高級別與低級別的功能全部分開，從而使得整個系統(tǒng)的工作效率變得更高，故障的發(fā)生幾率顯著降低。

2 航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計方法

在對AE-DCS 進(jìn)行設(shè)計開發(fā)前，總體規(guī)劃是非常重要的一項工作，與系統(tǒng)各項功能的設(shè)計密切相關(guān)。通過總體規(guī)劃，可以對硬件結(jié)構(gòu)、單元功能加以明確，從而使整個系統(tǒng)的設(shè)計更加明了。本次開發(fā)的AE-DCS 主要包括以下幾個部分：EEC（發(fā)動機(jī)電子控制）、CAN（數(shù)據(jù)總線）、傳感設(shè)備、執(zhí)行裝置等。各部分的設(shè)計方法與過程如下：

2.1 EEC設(shè)計要點(diǎn)

2.1.1 總線接口

為在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低設(shè)計難度，決定采用工控機(jī)對EEC 進(jìn)行模擬，并在工控機(jī)上對相關(guān)的控制器程序進(jìn)行運(yùn)行，以此來實現(xiàn)EEC 的功能，從而達(dá)到控制目的。在硬件方面對總線接口進(jìn)行實現(xiàn)的過程中，可以采用插入CAN 適配卡的方法[3]。經(jīng)過比較，最終選定國內(nèi)某公司研發(fā)的一款適配卡，在該適配卡的內(nèi)部，有兩條相互獨(dú)立的CAN 接口，兩路接口能夠同時進(jìn)行操作，彼此之間不會相互影響。

2.1.2 控制程序設(shè)計

在EEC 設(shè)計中，控制程序是重中之重，歸屬于軟件開發(fā)的范疇，是一項較為復(fù)雜的工作。在具體設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)對以下情況加以考慮：控制要求以及控制特點(diǎn)等。包括控制周期、與飛行器座艙進(jìn)行實時通訊和信號顯示、與大氣采集系統(tǒng)通訊、與傳感和執(zhí)行兩大機(jī)構(gòu)相連接。可以按照上述控制要求，并結(jié)合控制特點(diǎn)，將EEC 的控制程序設(shè)計為前臺加后臺的形式[4]。

（1）EEC控制程序可以采用無限循環(huán)模式，并在循環(huán)的過程中，對相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，以此來完成自檢、故障診斷、通訊等功能，以上均可由前臺來予以實現(xiàn)。

（2）EEC 的控制周期實質(zhì)上就是系統(tǒng)的中斷周期，由于系統(tǒng)會定時產(chǎn)生中斷，所以EEC 也會定時完成控制。中斷程序?qū)崟r事件進(jìn)行處理時，會先從CAN 總線上對傳感設(shè)備回傳的信號進(jìn)行獲取，然后按控制規(guī)律完成相關(guān)計算，并向執(zhí)行裝置下發(fā)控制指令，以此來實現(xiàn)對故障的處理。

在此需要著重闡明的一點(diǎn)是，在航空發(fā)動機(jī)上安裝的EEC 受到體積、功耗等多方面因素的影響，其本身的性能要比模擬工控機(jī)的水平低一些。不僅如此，可視化操作無法在控制器上運(yùn)行，實際中的EEC 為實操系統(tǒng)。因此，為保證在工控機(jī)開發(fā)的EEC 控制程序具有高度的可移植性，在開發(fā)過程中，可選用C++作為軟件開發(fā)工具，這樣便可使開發(fā)出來的控制程序能夠直接移植到航空發(fā)動機(jī)上。

2.2 傳感設(shè)備設(shè)計

對于航空發(fā)動機(jī)而言，溫度是關(guān)鍵參數(shù)，而渦輪后燃?xì)鉁囟仁菧u輪控溫的主要依據(jù)。故此在AE-DCS 開發(fā)中，需要使用溫度傳感設(shè)備。具體的設(shè)計方法要點(diǎn)如下：

2.2.1 傳感設(shè)備硬件

溫度傳感設(shè)備的芯片選用的是MAX319 和AD595，前者為單芯片集成模擬式開關(guān)，后者會為熱電偶冷結(jié)補(bǔ)償器，它的特點(diǎn)是具備放大與補(bǔ)充功能，功耗比較低，在1mV 以下，可作為攝氏溫度傳感器使用等[5]。對于智能溫度傳感設(shè)備而言，電路設(shè)計是硬件設(shè)計的重點(diǎn)內(nèi)容。熱電偶冷結(jié)補(bǔ)償器采用的是單電源供電，當(dāng)其對1200℃左右的溫度進(jìn)行測量時，能夠輸出大約50mV 的電勢，通過計算可得到輸出端的電壓為12V。但是DSP 在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時，最大的輸入電壓為3V，與熱電偶冷結(jié)補(bǔ)償器輸出端的電壓不匹配，無法進(jìn)行直連。為此，可加裝分路電阻，然后再與電壓跟隨器進(jìn)行連接，最終接入相應(yīng)通道[6]。

2.2.2 傳感設(shè)備軟件

在對溫度傳感設(shè)備的軟件進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)明確該傳感設(shè)備需要完成的基本功能，具體包括上電自檢、數(shù)字濾波、信號采集、故障檢測以及通訊等。為使軟件的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠，采用主程序+輔助程序的形式。其中主程序會在上電后進(jìn)行自檢，確認(rèn)無任何異常狀況后，會自行進(jìn)入到循環(huán)等待狀態(tài)，并始終保持在這個狀態(tài)，直至接到從CAN 傳來的命令為止。輔助程序包括兩個中斷服務(wù)，用A 和B 表示，其中A 主要負(fù)責(zé)響應(yīng)熱電偶冷結(jié)補(bǔ)償器發(fā)出的掉線報警，而B 則負(fù)責(zé)響應(yīng)CAN 傳遞過來的控制信號。這樣DSP 便會對信號進(jìn)行采集，完成數(shù)字濾波。

2.3 總線設(shè)計

AE-DCS 采用的是CAN 總線，下面重點(diǎn)對其硬件接口和軟件設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.3.1 硬件接口

本次開發(fā)設(shè)計的AE-DCS 中，CAN 有兩種接口，一個為適配卡接口，另一個為DSP 接口。

（1）對于適配卡接口的操作實質(zhì)上是對寄存器的操作，具體方法如下：對適配卡上的基址進(jìn)行撥動，以此來選定相應(yīng)的段址，然后加上偏址便可對寄存器進(jìn)行訪問，從而實現(xiàn)度控制器的驅(qū)動，完成數(shù)據(jù)收發(fā)[7]。

（2）DSP 接口采用的是內(nèi)嵌式模塊，為高級CAN 控制器，其能夠?qū)ο嚓P(guān)的通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行兼容，數(shù)據(jù)收發(fā)全部是基于可獨(dú)立控制的油箱來完成，功耗低，可通過編程的方式喚醒總線活動，能夠提供具有虛擬特性的相應(yīng)信息。

2.3.2 通訊軟件

（1）在對通訊軟件進(jìn)行設(shè)計的過程中，需要對總線通訊協(xié)議進(jìn)行合理設(shè)定。由于在CAN 總線上的任意節(jié)點(diǎn)均可隨時發(fā)送報文，當(dāng)兩個或是以上的節(jié)點(diǎn)在同一時間內(nèi)對報文進(jìn)行發(fā)送，可能會產(chǎn)生沖突，對此可在通訊軟件設(shè)計中引入逐位仲裁規(guī)則，以標(biāo)識符ID的大小來解決沖突問題，即標(biāo)識符越小，與之相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級越高[8]。當(dāng)優(yōu)先級高的報文與低的報文相遇時，應(yīng)先發(fā)送優(yōu)先級高的，然后再發(fā)送優(yōu)先級低的報文。對于網(wǎng)絡(luò)通信而言，不同的事件優(yōu)先級存在一定的差別，其中優(yōu)先級最大的事件為故障信號，而故障信號中執(zhí)行裝置的優(yōu)先級最高，傳感設(shè)備次之。

（2）可在中斷服務(wù)程序中對工控機(jī)的通訊程序進(jìn)行內(nèi)置，當(dāng)進(jìn)入中斷服務(wù)后，EEC 會向溫度傳感設(shè)備發(fā)出信號采集的要求，并在工控機(jī)中開辟出存儲信號的單元，按預(yù)先設(shè)定好的控制方式，向執(zhí)行裝置發(fā)出控制指令，如果接收到的信號為故障信號，那么會自動轉(zhuǎn)入到故障處理程序。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)時，可以采取查詢和中斷兩種方式，與中斷的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收能夠防止數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。為確保數(shù)據(jù)能夠成功接收，應(yīng)使接收中斷高于定時中斷的優(yōu)先級。

（3）由于工控機(jī)并不能對溫度傳感設(shè)備的信號進(jìn)行實時獲取，所以需要對EEC 的控制幀周期進(jìn)行調(diào)整，具體方法如下：將周期設(shè)定為T，在t 時刻，依托CAN 向溫度傳感設(shè)備發(fā)出信號，當(dāng)傳感器接到請求后，便開始對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后發(fā)給EEC，該數(shù)據(jù)會被存放置新開辟出來的內(nèi)存單元當(dāng)中。這樣一來，EEC 便不會處于等待信號的狀況，從而不會浪費(fèi)時間，并消耗功率，能更加專注于算法和邏輯控制。

2.4 執(zhí)行裝置設(shè)計

2.4.1 位置控制器硬件

在對位置控制器進(jìn)行設(shè)計時，硬件的選擇是重點(diǎn)。在航空發(fā)動機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中較為常用的驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電液伺服閥、伺服電機(jī)、高速電磁閥等。為簡化設(shè)計過程，并進(jìn)一步降低設(shè)計難度，經(jīng)過研究后，最終決定選用伺服電機(jī)，以此作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。伺服電機(jī)采用的是交流電源，本身的功率并不是很大，為620W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，在其尾部配有編碼器，可反饋位置信息[9]。同時伺服電機(jī)還配有驅(qū)動器，采用四倍頻技術(shù)，控制精度高，能夠滿足航空發(fā)動機(jī)的位置控制需要。

2.4.2 軟件設(shè)計

在對位置控制器的軟件進(jìn)行設(shè)計的過程中，為簡化設(shè)計，將之設(shè)計為主、輔結(jié)合的形式。其中主程序的控制與溫度傳感設(shè)備的控制程序基本相同，上電后會進(jìn)行自檢，確認(rèn)無異常情況后，會先向伺服電機(jī)發(fā)出確定位置的信號，當(dāng)伺服電機(jī)接收到信號后，會作出響應(yīng)，并由尾部的編碼器將響應(yīng)后的位置信號反饋給DSP；而DSP接收到反饋信號，會作出判斷，看這個位置是否處理合理的范圍內(nèi)，如果在則表明電路處于正常狀態(tài)，若是超出，則會將故障信號傳給EEC，等待處理。中斷服務(wù)程序會對故障進(jìn)行監(jiān)測，并且還能對電機(jī)的位置與實際位置之間存在的偏差進(jìn)行判斷，當(dāng)超限時，便認(rèn)定存在故障，會發(fā)出報警。

3 結(jié)論

綜上所述，航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計是一項較為復(fù)雜且系統(tǒng)的工作，在具體設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)明確總體規(guī)劃，據(jù)此對其中的各個部分進(jìn)行設(shè)計，從而構(gòu)成一個功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的分布式控制系統(tǒng)，以此來對航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，提升航空飛行器的整體性能。