段勇亮

中國直升機設計研究所

為拓展活塞式發(fā)動機全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)在小型無人直升機中的應用，本文詳細介紹活塞式發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)的原理和架構，并選擇某小型無人直升機為載機，實現(xiàn)了活塞式發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)在無人直升機上的工程應用。地面裝機試驗結果表明，數(shù)字控制系統(tǒng)具備良好的控制精度和加減速特性，在無人直升機中的應用具有廣闊前景。

無人直升機具有獨特的優(yōu)點及強大的功能，是目前技術領域的研究熱點之一。發(fā)動機為無人直升機提供動力，而發(fā)動機控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機及無人直升機的性能。隨著無人直升機對發(fā)動機綜合控制性能和動力系統(tǒng)多樣化功能提出了更高要求，典型無人直升機動力裝置渦軸發(fā)動機的控制系統(tǒng)已從傳統(tǒng)機械液壓式控制系統(tǒng)發(fā)展到全權限數(shù)字電子控制(FADEC）系統(tǒng)。

考慮到特定的使用需求，國內(nèi)外絕大多數(shù)小型無人直升機通常采用活塞式發(fā)動機提供動力。無人直升機飛控系統(tǒng)對發(fā)動機風門開度進行控制，來調(diào)節(jié)進入氣缸的空氣量，同時根據(jù)空氣量調(diào)節(jié)油門開度以達到適當?shù)挠蜌饣旌媳龋瑢崿F(xiàn)發(fā)動機功率狀態(tài)控制。與發(fā)動機全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)相比，飛控系統(tǒng)功率控制模式存在功率控制精度差、安全裕度不足及狀態(tài)監(jiān)視功能缺乏等問題。發(fā)動機全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)在活塞式發(fā)動機上的應用已成為當前的研究熱點。本文基于無人直升機和發(fā)動機控制理論，詳細介紹活塞式發(fā)動機全權限數(shù)字電子控制在無人直升機上的工程應用。

發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)

無人直升機對發(fā)動機控制系統(tǒng)的要求

發(fā)動機控制系統(tǒng)除按照發(fā)動機的要求進行控制調(diào)節(jié)外，還必須充分考慮無人直升機的使用特點，并滿足如下無人直升機的特定控制要求。

（1）恒轉(zhuǎn)速控制

發(fā)動機輸出軸與主旋翼傳動系統(tǒng)由機械部件聯(lián)結在一起，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速與主旋翼轉(zhuǎn)速存在確定的比例關系。無人直升機要求主旋翼保持恒定的轉(zhuǎn)速，因此要求發(fā)動機控制系統(tǒng)實現(xiàn)輸出軸恒轉(zhuǎn)速控制。

（2）總距前饋控制

無人直升機的需求功率隨主旋翼總距的變化而變化。在一定轉(zhuǎn)速下，總距越大，需求功率也越大。在飛行過程中，操控員在地面控制站快速提放總距時，為避免無人直升機發(fā)動機負載突然變化而引起主旋翼轉(zhuǎn)速發(fā)生較大的下垂或者超調(diào)，發(fā)動機控制系統(tǒng)應采集無人直升機總距信號，提前感知無人直升機功率的變化，進行預先加減油的前饋控制。

（3）快速響應控制

當無人直升機貼地飛行時遇到復雜地形，它必須快速改變姿態(tài)。為實現(xiàn)良好的機動飛行，發(fā)動機必須具有快速響應控制能力。

某型重油活塞式發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)

某型重油活塞式發(fā)動機采用高壓共軌燃油系統(tǒng)。該燃油系統(tǒng)由低壓燃油系統(tǒng)和高壓燃油系統(tǒng)組成。其中，低壓燃油系統(tǒng)由油箱、燃油濾清器組成；高壓燃油系統(tǒng)由高壓油泵、高壓油軌、噴油器、軌壓傳感器等部件組成。其中，高壓油泵自帶機械油泵。油箱中的低壓燃油經(jīng)燃油濾清器過濾后，被輸入至高壓油泵，高壓油泵將高壓燃油輸送到高壓油軌，再由噴油器噴入燃燒室燃燒。

圖1 某型重油活塞式發(fā)動機供油系統(tǒng)原理圖。

數(shù)字控制系統(tǒng)由傳感器、電子控制器、執(zhí)行器三部分組成。傳感器用于測量溫度、壓力等物理信號，并將物理信號轉(zhuǎn)化為相應的電信號。電子控制器接收傳感器輸出的電信號，同時接收無人直升機傳輸?shù)臓顟B(tài)信息。根據(jù)策略算法，數(shù)字控制系統(tǒng)對發(fā)動機需求功率進行計算，得出相應的控制參數(shù)。該系統(tǒng)控制高壓油泵上的燃油計量閥以調(diào)節(jié)進油閥開度，并控制壓力控制閥以調(diào)節(jié)回油閥開度，最終實現(xiàn)對高壓油軌油壓的精確控制。此外，按照恒轉(zhuǎn)速控制邏輯，數(shù)字控制系統(tǒng)驅(qū)動進氣增壓電磁閥、噴油器等執(zhí)行器運行，并對發(fā)動機進氣壓力和噴油量進行控制，達到控制發(fā)動機功率的目的。

發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)在無人直升機中的應用

發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)利用兩路全雙工RS-422接口與無人直升機飛控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)和機載測控系統(tǒng)沒有直接交聯(lián)，測控系統(tǒng)將無人直升機的控制指令傳輸至飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)再將與發(fā)動機控制有關的指令發(fā)送至數(shù)字控制系統(tǒng)。無人直升機與發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)之間的所有控制指令均由飛控系統(tǒng)傳輸。發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)與機載系統(tǒng)的控制交聯(lián)架構如圖2所示。

無人直升機發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能。

（1）發(fā)動機功率狀態(tài)控制

無人直升機地面控制站的操作臺設置了停車、地慢、飛行三個按鍵。按鍵操作可實現(xiàn)發(fā)動機功率狀態(tài)控制。無人直升機收到地面控制站發(fā)送的發(fā)動機控制指令后，數(shù)字控制系統(tǒng)自動啟動起動機并對發(fā)動機功率狀態(tài)進行控制。指令信號由“停車”轉(zhuǎn)換為“地慢”或從“停車”轉(zhuǎn)換為“飛行”，數(shù)字控制系統(tǒng)均能自動啟動發(fā)動機；指令由“地慢”轉(zhuǎn)換為“飛行”時，數(shù)字控制系統(tǒng)可將發(fā)動機加速到“飛行”狀態(tài)；指令由“飛行”或“地慢”轉(zhuǎn)換為“停車”時，數(shù)字控制系統(tǒng)均可執(zhí)行發(fā)動機停車。

（2）總距—負載前饋控制

飛控系統(tǒng)將總距位置信號發(fā)送給數(shù)字控制系統(tǒng)。當總距位置變化時，數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)無人直升機提供的主旋翼總距—負載曲線進行預先補償，提前調(diào)節(jié)發(fā)動機功率，減少因功率突然變化引起的主旋翼轉(zhuǎn)速超調(diào)或下垂。

（3）恒轉(zhuǎn)速控制

圖2 發(fā)動機控制系統(tǒng)交聯(lián)架構圖。

當發(fā)動機成功啟動后，數(shù)字控制系統(tǒng)即可調(diào)節(jié)發(fā)動機功率狀態(tài)，使得發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)速保持恒定。穩(wěn)態(tài)控制誤差范圍控制在-0.5%～+0.5%之間，瞬態(tài)控制誤差范圍控制在-4%～+4%之間。無人直升機需求功率變化后，發(fā)動機從瞬態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)所須時間一般不超過10s。

（4）發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視、健康診斷

數(shù)字控制系統(tǒng)可將發(fā)動機的工作參數(shù)和預警指示信號發(fā)送給飛控系統(tǒng)用于發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視。此外，數(shù)字控制系統(tǒng)可自動診斷自身故障，并將該故障數(shù)字信號傳輸給飛控系統(tǒng)。

發(fā)動機電調(diào)應安裝獨立存儲模塊，在發(fā)動機故障、超限等任何異常情況發(fā)生前后30min的時間段，記錄所有工作參數(shù)。

圖3 發(fā)動機工作穩(wěn)定性試驗結果。

發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)的裝機試驗

為了驗證發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)裝機后的控制性能，某型無人直升機配裝數(shù)字控制系統(tǒng)活塞式發(fā)動機，開展發(fā)動機工作穩(wěn)定性和加減速檢查等裝機試驗。

發(fā)動機工作穩(wěn)定性檢查

操作員調(diào)節(jié)發(fā)動機總距（CLP）來調(diào)節(jié)發(fā)動機功率狀態(tài)，使總距從-1°依次階梯升至5°。操作員控制發(fā)動機在每個總距下穩(wěn)定工作3min，并對發(fā)動機工作穩(wěn)定性進行檢查。

在試驗過程中，發(fā)動機工作穩(wěn)定，且在總距掃描過程中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速動態(tài)超調(diào)范圍為-1.5%～+1.5%，滿足-4%～+4%的范圍要求。發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)超調(diào)范圍為-0.27%～+0.27%，滿足-0.5%～+0.5%的范圍要求。

圖4 總距操作過程圖。

發(fā)動機加減速特性檢查

操作員分別在3～5s、2～3s、0.5～1.5s的時間范圍內(nèi)將總距從-1°增加到3°和5°，再分別在3～5s、2～3s、0.5～1.5s的時間范圍內(nèi)將總距由3°和5°減小到-1°，總距操作過程如圖4所示。

圖5 加減速試驗過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化圖。

在試驗過程中，發(fā)動機正確響應無人直升機的功率需求，各工作參數(shù)正常，未發(fā)生異常情況。在發(fā)動機加減速試驗過程中，操作員即使在0.5～1.5s的時間范圍內(nèi)，調(diào)整總距在-1°～5°范圍內(nèi)變換，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速超調(diào)量也在-3.34%～+3.34%范圍內(nèi)，滿足-4%～+4%的范圍要求，說明發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)速控制能力，試驗結果如圖5所示。