变循环发动机完全分布式控制

谢振伟， 郭迎清,*， 姜彩虹， 田飞龙， 李睿超

1.西北工业大学 动力与能源学院， 西安　710129 2.中国航空发动机集团有限公司 沈阳发动机设计研究所， 沈阳　110015



变循环发动机完全分布式控制

谢振伟1， 郭迎清1,*， 姜彩虹2， 田飞龙1， 李睿超1

1.西北工业大学 动力与能源学院， 西安710129 2.中国航空发动机集团有限公司 沈阳发动机设计研究所， 沈阳110015

采用分布式控制架构可以降低变循环发动机控制系统的重量并有利于系统的开发和扩展。提出了一种完全分布式控制架构，控制算法的计算完全分布到智能执行机构中，计算所需的参数值由智能传感器通过串行数据总线发送到智能执行机构。变循环发动机完全分布式控制系统研发的主要工作是设计分散控制算法和总线通信方案。将控制回路的耦合当作总扰动的一部分，使用线性自抗扰控制器(ADRC)观测并在控制信号中消除总扰动，实现了分散控制。在CAN总线硬件的基础上，使用CANaerospace高层协议设计了时间触发的总线通信方案。从而实现了变循环发动机完全分布式控制。在MATLAB/Simulink环境下使用TrueTime工具箱搭建了仿真系统。使用TrueTime Kernel模块仿真智能执行机构与智能传感器的计算单元，使用TrueTime Network模块仿真CAN总线，并且将线性ADRC和CANaerospace协议写入到计算单元中。仿真结果表明：所建立的变循环发动机完全分布式控制系统能够适应发动机进气状况和健康状况的大范围变化，具有较好的鲁棒性。

变循环发动机； 完全分布式控制； 线性自抗扰控制； 分散控制； CANaerospace协议

分布式控制是航空发动机控制的发展方向[1-4]。与现有航空发动机集中式控制系统相比，分布式控制系统在结构设计上具有以下两个特征：① 控制系统的计算任务分散到多个计算节点；② 各节点之间使用串行数据总线进行通信。

当前，由于高温电子学技术和分散控制理论研究的限制，航空发动机分布式控制系统将先采用部分分布式架构[5-6]。在部分分布式架构中，在航空发动机的适当位置设置数据集中器，传感器和执行机构保留其模拟连接方式，连接到邻近的数据集中器；原集中式控制器中的信号的A/D、D/A转换任务和执行机构的小闭环控制算法计算任务分散到数据集中器完成。数据集中器通过串行数据总线与主控制器连接。与集中式控制架构相比，部分分布式控制架构减少了线缆用量，降低了控制系统重量。由于主控制器不再直接连接众多模拟线路，因而主控制器可以离开发动机，放置在飞机上环境理想的位置，降低了计算负担、热负担，并且不受发动机振动的影响。

未来随着航空发动机分散控制理论的工程化和高温电子技术、嵌入式技术的进步，航空发动机分布式控制系统将过渡到完全分布式架构。完全分布式架构包括智能执行机构、智能传感器和数据通信总线三部分。控制系统的开环和闭环控制功能完全分散并嵌入到各控制量对应的执行机构中，每个传感器也嵌入计算单元负责A/D、滤波等计算，所有的通信都使用总线。

完全分布式架构取消了模拟线缆，数据通信完全使用总线，进一步降低了控制系统重量；并且是一个开放式的架构，便于系统软件的开发、扩展与升级，减少了这些过程中的考核验证工作量，有利于系统的移植、发展与通用化。

与常规发动机相比，变循环发动机[7-10]增加了可变面积涵道引射器(Variable Area Bypass Injector， VABI)，有更多的可调几何装置，采用多变量闭环控制。智能传感器的A/D、滤波等计算的实现可以参考集中式控制中的相关方案。则设计其完全分布式控制系统的工作主要包括研究分散控制算法和设计总线通信方案两部分。

韩京清结合反馈控制与抗扰概念[11]，提出了将系统外部干扰和内部未建模部分视为总扰动，并将总扰动作为系统的一个状态，使用扩展状态观测器实时观测总扰动并在控制信号中将其消去的自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control， ADRC)理论[12]。ADRC已经成功地应用在国内外大量的工程实践中。为了解决非线性ADRC需要整定的参数多和参数整定复杂的问题。Cleveland州立大学的Gao教授将线性化和带宽的概念引入ADRC，提出了线性ADRC[13]。线性ADRC只有一个控制器带宽参数需要整定。线性ADRC通过了工业控制评估[14]，先后被Ti、Siemens和Freescale用在控制芯片中。

在航空发动机领域，文献[15]将ADRC应用于加力控制；文献[16]设计了基于非线性ADRC的限制保护控制器；文献[17]将涡扇发动机数学模型中不包括输入的 “动态耦合”部分看作回路总扰动的一部分，使用ADRC实现了解耦控制。

CANaerospace协议[18-19]是Stock Flight Systems公司提出的专用于航空航天领域的一个为机载微机系统使用CAN总线进行高可靠性通信而设计的非常轻量级的协议，对于它的执行只需用少量的资源即可。从1997年的最初定义起，CANaerospace就被设计成一种开放的标准。这个协议得到来自不同组织的使用者的补充，CANaerospace1.6版本标准被美国国家航空航天局(NASA)在2001年作为“先进的通用航空运输实验数据总线(AGATE DATA BUS)”来标准化。文献[20-21]探索了CANaerospace在无人飞行器系统中的应用。

本文首次研究了变循环发动机的完全分布式控制。首先进一步扩大了总扰动的范围，将变循环发动机某一闭环控制回路中输入、输出标准型之外的部分都看作总扰动，使用线性ADRC来实时观测和补偿总扰动，设计该组合的控制器，使得变循环发动机闭环控制的3组实际输入、输出之间解耦，以此作为分散控制算法；然后针对安全关键系统总线通信时间触发的要求，以CAN总线为基础在应用层参考CANaerospace协议设计了时间触发的通信方案，搭建了变循环发动机完全分布式控制系统；最后使用TrueTime工具箱[22]在Simulink环境下建立变循环发动机完全分布式控制系统仿真平台，对系统在不同进气条件和发动机健康状况下的工作情况进行了仿真，说明了系统的可用性。

1　完全分布式控制架构

变循环发动机的完全分布式控制架构如图1所示，包括智能执行机构(Smart Actuator， SA)模块、智能传感器(Smart Sensor， SS)模块和数据通信总线(Data Bus)三部分。

图1　变循环发动机(VCE)完全分布式控制架构Fig.1　Variable cycle engine (VCE) fully distributed control structure

图1中：α表示发动机可调静子；VABI表示可变面积涵道引射器；Wf和Wfa表示主燃油流量和加力燃油流量；PLA表示油门杆角度；A8表示尾喷管截面面积；pt、ps和Tt分别表示气流的总压、静压和总温。

控制系统的开环和闭环控制的计算完全分散并嵌入到各控制量对应的SA模块中，SS模块负责传感器数据的A/D、滤波等计算，然后通过数据通信总线将传感器数据发送到实现控制计算需要该数据的SA模块中。

2　分散控制算法

变循环发动机的闭环控制是用主燃油流量Wf、尾喷管截面面积A8和混合室外涵道入口的可变面积涵道引射器的面积AVABI 3来控制低压转子相对换算转速n1,cor,rel、发动机压比πeprs和混合室入口处外涵与内涵气流的压比πlepr。

(1)

πeprs=ps63/pt2

(2)

πlepr=pt163/pt63

(3)

式中：n1为低压转子转速；Tt2、pt2为风扇进口总温、总压；ps63、pt63为混合室入口内涵气流静压、总压；pt163为混合室入口外涵气流总压；下标dp表示设计点的数值；下标rel表示与设计点数据的比值。

将控制计算分散到各智能执行机构中需要将变循环发动机的闭环控制解耦为3个相互独立的回路。令x1=n1,cor,rel，x2=πeprs,rel，x3=πlepr,rel；u1=Wf,rel，u2=A8,rel，u3=AVABI 3,rel。变循环发动机可表示为如下状态方程组：

(4)

式中：bij为第i个状态变量xi的状态方程中第j个控制量uj的放大系数；hi,outer(i=1,2,3)为影响状态变化的外部扰动。

ADRC以串联积分器为标准型[23]。把输入输出标准型之外的部分看作总扰动，包括内扰和外扰。内扰是指标准型之外的系统内部未建模部分，外扰是指影响输出的外部扰动。由于这两者都对输出有影响，所以可以把总扰动当作系统的一个状态，使用系统的输入输出来观测总扰动。在这里把第i个状态方程等号右边biiui和hi,outer之外的部分看作第i个输入输出通道的内扰hi,inner，以第1个方程为例：

(5)

再考虑对第1个输出有影响的外部扰动h1,outer，则该通道的总扰动为

h1,all=h1,inner+h1,outer

(6)

于是

(7)

将总扰动h1,all看作这个输入输出通道的一个状态。令z1=y1，z2=h1,all，则有

(8)

图2　单个输入输出通道的线性自抗扰控制(ADRC)Fig.2　Linear active disturbance rejection controller (ADRC) of one input and one output channel

(9)

式中：l1、l2为观测器增益，将z1=y1代入并整理，可得

(10)

于是可得观测器系数矩阵为

将矩阵A的特征值都取为-wo，并称wo为观测器的带宽[13]。则有

(11)

(12)

在输入量中消去总扰动的影响，称u1,virtual为消去总扰动之前的虚拟控制量，构造

(13)

代入式(7)，可得

(14)

可见，虚拟控制量u1,virtual与输出y1之间的关系化为ADRC的标准型。对于这个简单的标准型，使用一个简单的比例控制即可：

(15)

则对于第1个输入输出通道，有

(16)

将控制器带宽和观测器带宽的关系选择为wo=2wc，则该回路控制器的设计仅需要知道b11，根据经验b11的精度在50%以上即可，故可以使用数据拟合的方法来获得。而需要整定的参数只有wc。

对于式(4)所示系统的3个输入输出通道，都按照上述示例对第1个通道的处理方法，把输入输出标准型之外的部分看作总扰动，使用LESO根据回路输入输出来观测总扰动，并在输入量中消去总扰动的影响，如图3所示，3个线性ADRC将系统解耦为3个控制回路。解耦后的系统为

(17)

可见，3个闭环控制回路之间已经解耦了。

图3　三输入三输出系统解耦控制Fig.3　Decoupling control of system with three inputs and three outputs

将3个线性ADRC分别嵌入到3个用于闭环控制的执行机构中：用Wf控制n1,cor,rel按期望值变化；用A8控制πeprs按期望值变化；用AVABI 3控制πlepr，保持πlepr=1.05。再将相应的开环控制算法分别嵌入到其他执行机构中。即实现了完全分布式控制系统智能执行机构的设计。

3　总线通信方案

CAN总线的高性能与低成本得到了广泛的认可，在国内外航空发动机分布式控制系统研究中也广为应用[24-29]，本文在变循环发动机完全分布式控制系统中也选用CAN总线。CAN的底层协议采用事件触发机制，有可能会导致报文碰撞，从而导致报文的接收有可能存在不可预知的延迟，尤其是当总线受到干扰使得报文发送或接收失败频繁出现时，某些低优先级的报文会由于高优先级报文长时间占用总线而被阻塞，使得整个系统性能遭到破坏，不满足航空发动机这样的安全关键系统的要求。CANaerospace协议将总线上的时间划分为一个个最小时间帧(MinorTimeFrame)。在最小时帧上设置参数的“传输插槽(TransmissionSlot)”。有些传输插槽用来在每一个最小时帧传输固定的周期性参数的报文；有些传输插槽用来在不同最小时帧轮流传输某些不同的周期性参数的报文；剩余的传输插槽用于传输非周期参数的报文。这样，每一个周期性传输参数的报文在总线上的传输情况都是确定的。

如图1所示，共计12个SS模块和10个SA模块需要使用总线通信。由于控制计算分散到智能执行机构中，所以实现控制功能所需的参数值由SS模块通过总线发送到SA模块，如表1所示。

表1　通过总线传输的参数值

其中，Δn2等3个非周期传输的数据为传感器数值超出其限制的值，当传感器数值超限时，根据这个值的大小和超限持续时间，将这个超限量发送到PLA或所有执行结构，以拉低PLA值或直接调整控制量。

一个CANaerospace报文采用扩展标识符并使用数据段全部的8个字节，再加入帧间部分(3位)和一定数量的填充位(取最大18位)，这样一个报文长度为：108+3+18=129位。使用CAN总线的最大传输速率1 Mbit/s，则一个CANaerospace报文需要129 μs的传送时间。以20 ms为最小时帧，则每个最小时间帧可以传输155个报文，即每个最小时间帧可提供155个数据传输插槽。将这些数据传输插槽按图4进行设计。由图4可见周期性数据传输占有了155个传输插槽中的13个，考虑系统使用双余度热备份，总线负载约为16.77%，可见总线还有充足的剩余带宽(大于80%)可以用来传输非周期性的超限数据和其他诊断、管理数据。这说明在上述通信方案下，将采用CANaerospace高层协议的CAN总线作为变循环发动机完全分布式控制系统的通信总线是可行的。

图4　传输插槽的使用Fig.4　Use of transmission slots

4　仿真验证

图5为变循环发动机完全分布式控制仿真系统。如图5所示，使用TrueTime工具箱中的TrueTime Kernel模块仿真12个智能传感器和10个智能执行机构中的计算单元，使用TrueTime Network模块仿真通信总线。在总线类型中选择CAN总线，在计算单元的代码中实现线性ADRC和CANaerospace高层协议，在Simulink环境中建立了变循环发动机完全分布式控制系统。使用变循环发动机部件级模型[30]对系统进行仿真验证。

在高度H=0 km，马赫数Ma=0，油门杆角度PLA=55°，对应n1,cor,rel=0.9，πeprs,rel=0.9。通过变循环发动机部件级模型的仿真数据拟合[31]得到b11=0.62，b22=-15.39，b33=-1.39。将观测器带宽均取为控制器带宽的2倍，通过观察仿真效果整定了3个线性ADRC的控制器带宽：wc1=5，wc2=10，wc3=10。

对3种情况下变循环发动机控制系统的工作情况进行仿真。油门杆角度由55°上升到65°，对应n1,cor,rel与πeprs,rel的期望值由0.9上升到1.0，πlepr,rel的期望值保持不变。第1种情况为高度H=0 km，马赫数Ma=0，控制对象为新发动机；第2种情况为H=12 km，Ma=0.5，控制对象为新发动机；第3种情况为H=12 km，Ma=0.5，控制对象为工作较长时间后性能严重退化的发动机。性能退化情况如表2 所示。表2中：FAN表示风扇，CDFS表示核心机驱动风扇级，HPC表示高压压气机，HPT表示高压涡轮，LPT表示低压涡轮。风扇、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮的流量因子和效率因子的变化情况来自于涡扇发动机严重退化数据，在这里将核心机驱动风扇级的退化情况取为与风扇相同。

图5　变循环发动机完全分布式控制仿真系统Fig.5　Simulation of variable cycle engine fully distributed control system

表2　发动机部件的退化情况

图6给出了3种情况下的仿真输出曲线。可见，控制器工作正常，控制效果良好。这说明所设计的变循环发动机完全分布式控制系统可以在飞行状态较大变化以及发动机退化较为严重时，仍然能够正常工作。

图6　3种情况下n1,cor,rel,πeprs,rel和πlepr,rel的变化曲线Fig.6　Variation curves of n1,cor,rel,πeprs,reland πlepr,rel in three situations

图7为新发动机和性能退化发动机在仿真过程中的燃烧室出口总温变化曲线。可见，性能退化发动机的燃烧室出口总温高于新发动机的燃烧室出口总温，发动机性能退化后性能保证的代价是以牺牲其他气动热力参数而获得的。

图7　新发动机和性能退化发动机的Tt4变化曲线Fig.7　Tt4 variation curves of new engine and aging engine

5　结　论

1) 基于线性自抗扰控制器(ADRC)解耦的分散控制算法结构简单，需要的已知信息和待整定参数少，便于工程实现，适用于航空发动机完全分布式控制。

2) 采用CANareospace高层协议的CAN总线可以满足变循环发动机完全分布式控制的通信需求，并且有较多余量可以用于系统未来扩展。

3) 在地面、高空和发动机健康严重退化的情况下的仿真结果显示，所设计的变循环发动机完全分布式控制系统具有较好的鲁棒性，有一定的工程应用前景。

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谢振伟男， 博士研究生。主要研究方向： 变循环发动机建模与分布式控制。

Tel: 029-88431121

E-mail: xzw2008200916@mail.nwpu.edu.cn

郭迎清男， 博士， 教授， 博士生导师。主要研究方向： 航空发动机控制与健康管理。

Tel: 029-88431121

E-mail: yqguo@nwpu.edu.cn

姜彩虹女， 博士， 研究员。主要研究方向： 航空发动机控制与健康管理。

E-mail: henry.lucent@163.com

田飞龙男， 硕士研究生。主要研究方向： 航空发动机分布式控制。

E-mail: tianfeilong0@mail.nwpu.edu.cn

李睿超男， 博士研究生。主要研究方向： 航空发动机分布式控制。

E-mail: herohere@mail.nwpu.edu.cn

Fully distributed control of variable cycle engine

XIE Zhenwei1, GUO Yingqing1,*, JIANG Caihong2, TIAN Feilong1, LI Ruichao1

1. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an710129, China 2. Shenyang Aeroengine Design and Research Institute, Aero-Engine Corporation of China, Shenyang110015, China

Adopting distributed control architecture can reduce the weight of the variable cycle engine control and conducive to the development and expansion of the system. A fully distributed control architecture is proposed. The calculations of control algorithm are completely distributed to the smart actuators. And the parameter values required for the calculation are sent to the smart actuator by smart sensors through a serial data bus. The main work of developing fully distributed control for variable cycle engine is to design decentralized control algorithm and the bus communication program. The coupling of control loops is considered part of the total disturbance. Through estimating the total disturbance and cancelling it in the control signal by linear active disturbance rejection controller (ADRC), decentralized control is realized. Based on the CAN bus hardware, a time triggered bus communication program is designed using the CANaerospace higher layer protocol. Thus the fully distributed control system of variable cycle engine is realized. A simulation system is built in the MATLAB/Simulink environment with TrueTime toolbox. TrueTime Kernel modules are used to simulate computing units of smart actuators and smart sensors. TrueTime Network module is used to simulate CAN bus. The linear ADRC and CANaerospace protocol are written to the computing unit. The simulation results show that the established variable cycle engine fully distributed control system could adapt to a wide range of intake status and changes in health status of the engine and has strong robustness.

variable cycle engine; fully distributed control; linear active disturbance rejection control; decentralized control; CANaerospace protocol

2015-04-17； Revised： 2015-05-12； Accepted： 2015-12-29； Published online： 2016-01-2611:49

s： Advanced Aeroengine Technology Research Program; Project Funded by Science and Technology on Scramjet Laboratory

. Tel.： 029-88431121E-mail: yqguo@nwpu.edu.cn

2015-04-17； 退修日期： 2015-05-12； 录用日期： 2015-12-29；

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国家先进航空发动机技术研究计划； 高超声速冲压发动机技术重点实验室技术资助项目

.Tel.： 029-88431121E-mail: yqguo@nwpu.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0361

V231

A

1000-6893(2016)06-1809-10

引用格式： 谢振伟, 郭迎清, 姜彩虹, 等. 变循环发动机完全分布式控制[J]． 航空学报, 2016, 37(6): 1809-1818. XIE Z W, GUO Y Q, JIANG C H, et al. Fully distributed control of variable cycle engine[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(6): 1809-1818.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

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