賀薇

航空工業(yè)直升機設計研究所

無人直升機在軍用和民用領域中占據(jù)著不可或缺的作用，而其動力系統(tǒng)的控制則是影響無人直升機性能的重要因素。本文針對不同類型無人直升機配裝的電動機、航空活塞發(fā)動機和渦軸發(fā)動機進行了介紹，并對各動力裝置的控制系統(tǒng)研究及其發(fā)展方向進行了分析。

無人機是在地面操控飛行或自主控制飛行，包含地面遙控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的無人飛行器。無人直升機作為無人機的一種，相較于固定翼無人機，具有可垂直起降、起降距離短、可空中懸停等優(yōu)勢，主要運用于偵察、目標截獲打擊、物資運輸?shù)溶娛掠猛荆约昂脚挠^光、農業(yè)植保、快遞物流、資源勘探等民用領域。

無人直升機主要采用電動機、活塞式航空發(fā)動機和航空渦軸發(fā)動機作為動力來源。電動無人直升機主要采用鋰電池、氫燃料電池等驅動，由于電池本身特點，存在續(xù)航能力弱、維護成本高等缺點，主要用于微小型無人直升機；航空活塞式發(fā)動機主要通過活塞壓縮氣體做功輸出動力帶動槳葉，具有經濟性好、低空性能好、功重比低等特點，廣泛用于低空較大重量的低速無人直升機上；航空渦輪軸發(fā)動機作為燃氣渦輪發(fā)動機的一種，通過自由渦輪連續(xù)做功輸出軸功率帶轉旋翼，具有輸出功率大、高空高速性能好等特點，主要配裝大型無人直升機。基于不同的動力裝置，其控制系統(tǒng)也存在顯著差異。本文將基于動力裝置及其控制系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展進行分析。

電動機

電動系統(tǒng)由電池、電機和電子調速器組成，直接驅動或通過傳動系統(tǒng)驅動主旋翼及尾槳。為電機提供能源的電池主要為鋰聚合物電池或氫燃料電池。其中，鋰電池功率密度高、能量密度低，目前廣泛應用于無人直升機動力系統(tǒng)中，而能量密度高的氫燃料電池則是有望提高電動無人機續(xù)航能力的利器。電機可采用無刷直流電機、永磁交流同步電機等，在運行過程中，電能的輸出功率或輸出效率由所需軸功率、轉速或扭矩以及其他運行環(huán)境條件決定，可通過分析手段得到較為精確的線性模型。

表1 無人直升機主要動力裝置類型及特點。

電機和控制器建模有兩種主要方法：功率損耗方法和等效電路方法。功率損耗方法是在電動機和控制器內基于其基礎物理模型或經驗模型，對每個物理功率損耗量進行建模，等效電路方法則是通過熟悉的電子元件組成簡化的電路代替電動機和控制器建模?；诓煌姍C控制系統(tǒng)有不同的控制方法，王書禮等專家提出對無刷直流電機采用電流和轉速的PID雙閉環(huán)控制方法，起動過程具有響應快、無超調、速度平穩(wěn)等特點。Bolognani等對永磁同步電機應用了電流和轉速組合控制的模型預測控制MPC算法，MPC在限制電流和電壓限制、限制扭矩擾動效應上表現(xiàn)出色，但也存在臨界狀態(tài)穩(wěn)定性差等不足。

對于電動機的控制主要是實現(xiàn)穩(wěn)定和高效的電能輸出。而電動無人直升機不僅需要穩(wěn)定的飛行性能，還需要更長航時、更遠航程及更高升限，電動無人直升機的發(fā)展將大程度基于電池技術的發(fā)展革新。

以色列Steadicopter公司研發(fā)的Black Eagle 50是由電動機驅動的無人直升機，可搭載的有效載荷為5kg，該無人系統(tǒng)已被以色列民航局 (CAAI) 授權在民用空域進行商業(yè)使用。在國內，D-50是由北航直升機研究所自主研發(fā)的電動共軸無人直升機，采用了12S鋰電池，已于2018年3月完成首飛，最大起飛重量達60kg。EH-3無人直升機由北方天途自主研發(fā)，采用鋰聚合物電池驅動，最大起飛重量16kg。

航空活塞式發(fā)動機

以色列Steadicopter 公司研發(fā)的Black Eagle 50 無人直升機。

AR500C無人直升機已完成高原首飛。

航空活塞式發(fā)動機具有經濟性高、油耗低、低速性能高等優(yōu)點，廣泛運用于各型動力設備中。航空活塞式發(fā)動機主要采用汽油或重油（輕質柴油或航空煤油）作為燃料。由航空工業(yè)直升機所研制設計的AR500C無人直升機采用汽油作為燃料，以活塞式航空發(fā)動機作為動力，最大起飛重量為500kg，最大起飛高度5000m，使用升限6700m，是國內首款高原型無人直升機?？?137是由俄羅斯卡莫夫飛機設計局研制的共軸雙旋翼多用途無人直升機，采用赫斯2706-R05活塞式發(fā)動機，功率50kW，升限5000m，續(xù)航時間4h，有效載荷80kg，可用于巡邏、偵察、應急、森林防火等軍用和民用領域。

廣泛使用的傳統(tǒng)活塞式汽油發(fā)動機，由于汽油閃點低、易揮發(fā)，易于在缸內點燃，一般采用化油器、火花塞點火等燃燒控制技術。因為重油相較于汽油，密度和閃點更高、高空性能更穩(wěn)定、安全性更高、通用性更強，活塞式重油發(fā)動機的應用前景更為廣闊，但同時重油也存在著霧化性能差、抗爆性較差、點火較為困難等問題。國內外學者針對以上問題開展了大量研究。重油航空活塞發(fā)動機通過采用空氣輔助噴射、缸內直噴等技術提高其點火性能；通過優(yōu)化控制器算法，控制起動油量，改善冷起動性能。

活塞式發(fā)動機通過渦輪增壓、缸內直噴、動態(tài)點火控制等關鍵技術提高其燃燒特性、降低發(fā)動機耗油率，通過電控系統(tǒng)控制策略和控制參數(shù)的優(yōu)化，進一步提高活塞式發(fā)動機，尤其是燃用重油的動力性能。

航空渦軸發(fā)動機

波音的A160T“蜂鳥”無人直升機旨在為地面部隊提供戰(zhàn)場支持，升限達約9000m，配備一臺普惠PW207D渦軸發(fā)動機，該無人直升機在2002年首飛，2012年被美軍放棄。CL327“衛(wèi)士”無人直升機由加拿大龐巴迪研制，最大起飛重量為350kg，由一臺威廉姆斯WTS-125渦軸發(fā)動機提供動力，主要用于巡邏、偵察和信息傳輸。

渦軸發(fā)動機作為渦輪發(fā)動機中的一種，其氣動熱力過程、機體結構等同等復雜。發(fā)動機在全包線范圍運行時能否達到給定狀態(tài)最佳推力和耗油率，很大程度上取決與其控制計劃及控制系統(tǒng)。其控制系統(tǒng)有機械液壓式控制系統(tǒng)、機械電子混合控制系統(tǒng)和全權限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)（FADEC）三種類型。其中FADEC系統(tǒng)主要由電子控制器（EECU）、傳感器、執(zhí)行機構及被控對象等部分組成。EECU是FADEC的核心組成，EECU需實時獲取發(fā)動機參數(shù)，并通過內部算法和邏輯進行數(shù)據(jù)處理分析調整發(fā)動機狀態(tài)，從而實現(xiàn)對發(fā)動機功率的最優(yōu)控制。

由于發(fā)動機工作過程氣動熱力耦合且其工作環(huán)境差異大，其傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程復雜，發(fā)動機控制系統(tǒng)通過采用控制算法進行求解，從PID控制、最優(yōu)控制算法發(fā)展到模糊控制算法、神經網絡算法等智能控制方法，提高了發(fā)動機控制系統(tǒng)的魯棒性和實時性。同時，發(fā)動機控制系統(tǒng)高性能建模仿真平臺和技術也不斷進步，如MATLAB/SIMULINK、基于模型的設計（MBD）和快速控制原型（RCP）等，提高了發(fā)動機控制系統(tǒng)性能，降低發(fā)動機控制系統(tǒng)開發(fā)難度和設計成本。

隨著其他學科的發(fā)展及技術的進步，國內外學者針對發(fā)動機控制系統(tǒng)不同控制算法進行了改進。為優(yōu)化PID控制算法，提出了基于蟻群算法、神經網絡確定PID最優(yōu)控制參數(shù)，提高PID控制器設計和實現(xiàn)效率?；谀：刂扑惴ê投嗄繕诉z傳算法開發(fā)了包含慢車、巡航、大功率的全包線控制器，與原控制器相比減少了超調量和穩(wěn)定時間。

CL327“衛(wèi)士”無人直升機主要用于巡邏、偵察和信息傳輸。

當前航空發(fā)動機的控制系統(tǒng)還采用分布式控制、主動控制等，利用智能的控制算法和更先進的數(shù)據(jù)處理器，提高控制系統(tǒng)性能。數(shù)字信號處理器（DSP）是一種微型處理器芯片，可高速實時處理數(shù)值信號，廣泛運用于音頻信號處理、數(shù)字圖像處理等系統(tǒng)中。南京航空航天大學的張?zhí)旌甑忍岢鲆环N基于數(shù)字信號處理器(DSP)和控制器局域網(CAN)總線的電子控制器核心電路模塊的設計方案，采用相似PID算法，可作為飛/推綜合控制、分布式控制等核心電路模塊使用，具有靈活性好、計算能力強、運算速度快、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信可靠等特點。NASA格倫研究中心的Culley等提出了一種在渦軸發(fā)動機上使用部分分布式發(fā)動機控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式結構，其中FADEC、燃料輸送單元（FDU）、機上健康監(jiān)測系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)之間通過數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其余傳感器和執(zhí)行器連接到以上4個主要控制系統(tǒng)之一，減輕了設備重量，提高了系統(tǒng)模塊化和靈活性，降低了維護成本。

渦軸發(fā)動機控制的發(fā)展需通過先進的電子硬件、靈敏的作動器系統(tǒng)提高FADEC系統(tǒng)硬件的可靠性，并通過先進的控制邏輯和設計方法提高FADEC控制品質，實現(xiàn)發(fā)動機控制系統(tǒng)的智能化和綜合化。

總結與展望

無人直升機根據(jù)其多應用場景功能性能要求，采用電動、航空活塞式發(fā)動機及渦軸發(fā)動機驅動。隨著技術的發(fā)展，其動力裝置形式也將不斷豐富，如在固定翼無人機和載人直升機已有運用的混合動力，未來無人直升機也將在混合動力領域有所涉及，提高動力裝置的燃油經濟性、提高續(xù)航時間。而各型動力裝置的控制系統(tǒng)將隨著先進控制算法、高性能數(shù)據(jù)處理器的發(fā)展朝著更智能的趨勢發(fā)展。 ■