航空发动机控制系统浅析

陈彦强 张淑瑞 薛超

【摘要】航空发动机控制系统是一个多变量、时变、非线性、多功能的复杂系统，其性能的优劣直接影响发动机及飞机的性能。本文主要论述了航空发动机控制系统的发展历程、相关技术及其技术优缺点，并预测了国际发动机控制技术的未来发展。

【关键词】航空发动机控制系统;机械液压;FADEC;分布式;综合控制

1.概述

发动机的工作过程是极其复杂的气动热力过程，在其工作范围内随着发动机的工作条件和工作状态（如巡航、加速及减速等）的变化，它的气动热力过程将发生很大的变化，对于这样一个复杂而且多变的过程如果不加以控制，可以想象系统不但达不到设计的性能要求，而且根本无法正常工作。所以，航空发动机控制系统的目的就是使其在允许的环境条件和工作状态下都能稳定、可靠地运行，充分发挥其性能效益。

2.发展历程

随着航空发动机技术的不断进步和性能不断提高，其控制系统也由简单到复杂。航空发动机控制系统发展阶段的分类方法有很多种，目前，按发动机控制技术的发展和应用阶段大致分为以下4种，作简要介绍：（1）机械液压控制;（2）数字电子式控制;（3）分布式控制;（4）综合控制。

2.1 机械液压控制系统

机械液压控制系统：是使用基于开环控制或单输入单输出（SISO）闭环反馈控制等经典控制理论，采用由凸轮和机械液压装置组成的机械液压控制器即可成功地对发动机进行控制。

机械液压控制系统典型应用的机种：最典型的就是俄罗斯AN-*系列飞机。

这种简单的单输入单输出控制系统优点：（1）方法简单;（2）易于实现;（3）能保证发动机在一定使用范围内具有较好的性能。因此这种控制方法目前仍然应用于许多发动机的控制中。目前，国内运输机飞机上，发动机控制仍然用的是凸轮和机械液压装置组成的机械液压控制器。

随着发动机控制功能的增加，控制系统的复杂度也越来越大。这种简单的液压机械控制系统的缺点就显现了出来：（1）仅适用于：飞行速度比较小、飞行高度比较低、发动机的推力不大的飞机。（2）机械液压流量控制和伺服部件变得越来越大、越来越重、越来越昂贵。

为了解决上述问题，航空发动机控制研究人员借助于电子技术、计算机技术和现代控制理论的发展，电子控制器的研究，并取得了较大的进展。通用电气将之称为全权限数字电子式控制 （Full Authority Digital Electronic control简称FADEC）系统，也就是我们目前用的比较多的简称。这样航空发动机控制发展到了第二个阶段。

2.2 数字电子式控制

FADEC是集现代控制理论、微电子、计算机等技术在航空发动机控制中的综合应用。由于FADEC在国内目前是一种发展的必然趋势，在国外现役飞机上运用最广泛的控制系统，所以在此介绍的相对稍微多一点。

FADEC的典型应用机种：1973年，美国制定研究计划，对F100发动机全权限数字电子式电子控制器（FADEC）开展研究，于1981年安装在F15飞机上进行了首次试飞，1983年完成了飞行试验。1985年在改型的F100发动机F100一PW-220上装备了数字电子控制器并投入了使用。之后该技术在F-15、F-16飞机中被广泛应用。民航Mill、A300、B767-400等飞机上的Pw4000系列发动机和B767飞机上的CF6-80Cz发动机均装有全权限数字式电子控制器。F100发动机的数字电子控制器（DEEC）是第一个试飞的全权限数字电子控制器。

FADEC的优点：（1）可以控制更多的参数、比较容易地实现复杂的控制算法，改良控制策略、降低被控参数超调量;（2）可以使发动机获得更高的控制精度和工作效率;（3）可以大大简化开发时间，把开发时间从几个月缩短成几天，同时，也说明了电子控制器对于提高整个发动机的研制周期所起到的作用。

FADEC的缺点：在二十世纪80年代后，为满足现代化战争的需要，世界各航空大国对军用飞机提出了更高要求的大背景下。一方面，航空发动机自身结构更加复杂。可调节变量增加;另一方面，航空发动机控制已不只局限于对自身进行控制，还要对进气道和尾喷管进行控制，控制系统更加复杂。目前航空发动机采用的集中式控制系统的缺点也暴露了出来：（1）可靠性降低。系统中的全权限数字电子控制器（FADEC）除了要实现所有的信号采集、处理、控制算法运算、控制信号输出等主要功能以外，还要实现状态监控、故障检测、安全保护功能，这使得FADEC中的软件庞大而复杂，且系统对计算机利用率高，计算机一旦出现故障，整个系统都不能工作;（2）控制系统重量过大。为了满足安全要求，FADEC和控制系统中的各传感器、伺服装置、执行机构之间是双绞线或是三绞线连接且相距较远，所以连接电缆及其绝缘层、保护层、连接器以及接头的重量占控制系统重量的很大部分;（3）集中式控制结构不利于发动机改型时控制系统的扩展。（4）不利于维护。系统中电缆数目很多，有很多连接器和接头，因此系统的大部分问题与电气元件之间的机械连接故障有关，而且没有标准化的接口导致设备多样化、复杂。

为了解决上述FADEC实际使用的问题，各国航空发动机控制研究人员又研制出了分布式控制系统。

2.3 分布式控制

分布式控制系统是一种带有高度一体化数据总线的全智能分布系统结构，它采用智能传感器和执行机构，这些智能传感器和执行机构本身带有补偿器或控制器，并通过一条有余度的高速数据总线与飞行控制器相连。（如图1所示）

图1 分布式控制系统组成

分布式控制系统典型应用机种：如美国的F/A-18，F-117，欧洲的“狂风”、法国的“幻影”，苏联的米格-29、苏-27等。这些飞机均对尾喷管进行控制。

分布式控制系统优点：（1）降低了控制系统的复杂性，从而改善维修性和可靠性;（2）可使FADEC成为一个共同处理单元体，它可以做成标准化的设备，用于一系列发动机，结果使成本大大降低;（3）与现在的系统相比，发动机的重导线系统几乎都取消了;（4）若使用光导总线（光纤），且大量使用光学接口还可以大大消除电磁干扰，并可进一步减轻重量。

2.4 综合控制

按传统的设计方法，飞机上的多个控制系统都是独立设计，不考虑相互间的耦合作用，实际上，飞机作为一个整体，其各系统间的相互耦合作用都是显而易见的，过去是由驾驶员用控制输入来综合各个分系统，解决其耦合问题，但由于现代飞机的多任务、高性能要求，驾驶员无暇顾及各分系统的综合，各个分系统孤立进行设计的方法已不能满足现代飞机的要求，这在客观上对各分系统提出了综合设计及自动综合控制的要求。

综合控制主要应用的技术和理论有：光纤技术、神经网络、模糊控制和高温材料等。（如图2所示）

图2 综合控制主要应用的技术和理论

综合控制主要采用先进的控制模式、控制算法，并与其他机载系统（进气道控制系统、飞控系统、火控系统等）相综合，以获得更好的系统性能和提高控制品质，提高系统的使用寿命，降低系统的研制和使用成本。

综合控制目前还没有应用的机种。但目前美国实施的一项未来先进控制技术研究计划（FACTS），其目的是进一步实现动力控制系统的小型化、综合化（飞/推综合）及提高性能和可靠性。

3.目前存在问题

综合控制的优越性已成为同行专家的共识，综合控制作为飞机上各控制系统的发展方向是确定无疑的，但这种科研项目本身的综合性与管理上的分散性之间存在着矛盾。

4.发展展望

在20世纪后期，航空发动机控制系统最令人鼓舞的革命性变化无疑是由液压机械式控制向数字电子式控制的发展，这一发展趋势在本世纪中对发动机控制技术的发展仍将具有深远的影响，展望21世纪航空发动机控制系统的发展，在技术上向数字、综合、分布、光纤、多变量、容错及智能控制等方向发展，其达到的效益是提高性能（推力或功率），提高可靠性，减轻重量，降低耗油率。

参考文献

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