一种基于无线网络的航空发动机分布式控制系统方案

冀晓翔　李江红　吴亚锋　任娇　王可

摘要：本文介绍了一种基于无线网络的航空发动机分布式控制系统的系统结构，其特点是控制系统不存在核心控制节点，无线网络中节点作为系统分布式控制器;分析了系统相关的无线通信、无线传感、电子、电源等支撑技术的研究现状及进展，并对基于无线网络的航空发动机分布式控制系统的优势进行了总结。

Abstract： This paper introduces the system structure of an aero-engine distributed control system based on wireless networks， which is characterized by the absence of core control nodes in the control system and the nodes in the wireless network as the system's distributed controllers. The research status and progress of supporting technologies related to wireless communication， wireless sensing， electronics， and power supply are analyzed， and the advantages of the distributed control system for aero-engine based on wireless network are summarized.

关键词：航空发动机;分布式控制器;无线网络;无线传感器

Key words： aero-engine;distributed controller;wireless network;wireless sensor

中图分类号：V231.3                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）05-0286-05

0  引言

早期的航空发动机主要采用机械液压控制（Hydraulic Mechanic Control，HMC），随着电子技术的发展，集中式全权限数字电子控制（Full Authority Digital Electronics Control，FADEC）逐渐取代机械液压控制，其在性能及重量方面比传统的机械液压控制有明显的优势[1]。随着飞机性能的提升，对航空发动机的推重比的要求在不断提升，比如美国提出的综合高性能航空发动机技术（Integrated High Performance Turbine Engine Technology，IHPTET）计划以及通用的经济可承受的先进涡轮发动机（Versatile Affordable Advanced Turbine Engines，VAATE）计划，对航空发动机在经济性、推重比等方面提出具体要求;此外，随着控制任务复杂度的提升，控制系统主控制器的任务量不断提升，集中式FADEC在性能、质量、经济性等方面的缺陷，对航空推进系统的发展造成了一定的限制。20世纪80年代末，研究人员开始了航空发动机分布式控制方向的研究，相对于集中式控制，分布式控制可进一步降低控制系统重量，增加系统可靠性。在航空发动机分布式控制方案提出的将近30年中，主要经历了部分分布式控制（Partially Distributed Control，PDCS）、完全分布式控制（Fully Distributed Control，FDCS）等阶段。目前航空发动机分布式控制依然面临如下挑战：系统中大量存在线缆和连接器，其重量较大，线缆在全寿命周期基本遵循威布尔模型，失效概率波动较大，不利于后期维护，由于发动機振动，连接器易出现机械和电气故障;除了智能装置的测试、识别等简单功能外，控制系统大部分功能依然由核心控制器完成，核心控制器的性能和可靠性对控制系统起很大影响，同时，随着航空发动机性能和可靠性要求的提升，控制系统软件系统变得越来越复杂，给核心控制单元的软件可靠性带来巨大挑战[2]。

由上述现状可以得出，系统控制器分布式设计以及无线通信技术的使用是解决现代航空发动机控制系统所面临问题的可行性方案。在工业控制领域，随着低成本传感、计算和无线通信技术的发展，出现了无线网络化控制系统（Wireless Networked Control System，WNCS），该系统中，无线网络主要被用作通信介质而承担网络节点之间的通信任务，其大量减少了控制器、传感机构、执行机构之间线缆的使用[3];文献[4]基于无线网络，提出了一种基于无线网络的分布式控制概念，其特点是用无线网络替代了传统控制方案中的核心控制单元，无线网络节点充当系统分布式反馈控制器;文献[5]在航空发动机领域基于无线网络进行了频域分布式控制器原理性探索，并进行了简单的稳定性验证。

本文针对航空发动机无线网络控制方案的系统架构、供电、通信、传感等进行分析，并对该控制方案的潜在优势、研究可行性和必要性进行总结，以期为新型航空发动机控制系统的发展提供一种参考。

1  航空发动机无线分布式控制系统结构

航空发动机无线分布式控制系统示意图如图1所示，其中传感器（图中所示WT、WP）和执行器WA具有无线通信能力，除此之外，无线传感器还具有AD转换和信号调理功能，无线执行器根据接收的控制器信号，确定相应的物理量输出。无线传感器和控制器周期性向控制器发送自身状态信息，并且具有补偿、故障测试与诊断等功能。图中除传感器、执行器以外的无线节点组成系统控制器，控制任务虚拟化为多个分布式子任务映射到无线网络节点上，整个无线网络节点执行系统控制功能。

如图2所示为航空发动机集中式控制、分布式控制、无线分布式控制结构框图，图中虚线箭头代表采用无线方式进行通信。对于集中式控制，核心控制器除执行控制任务以外，还要实现信号采集、信号处理、控制信号输出以及状态监测、故障诊断等功能;对于分布式控制，智能传感器完成信号处理、AD转换等任务，将温度、压比等物理量信号转换为标准数字信号输出至核心控制器，智能执行器接受从核心控制器发来的位置信号以完成相关控制功能，智能装置具有状态自检测和故障自诊断功能，控制器执行系统的核心控制任务。

无线分布式控制系统中，系统控制器由无线网络中多个分布式节点组成，每个节点都具有计算、存储和无线通信功能。所有智能传感器和智能执行器内部集成微处理器，并且具有无线通信能力，可以与无线网络节点组成的分布式控制器通过无线方式进行通信。无线智能传感器除完成物理量测量的基本功能外，还完成信号调理、AD转换、故障自检、故障自诊等功能，此外，其还以无线通信的方式向控制器发送测量信号和自身状态信息。无线智能执行器接收系统控制器发送的无线位置指令信号，完成执行机构内部闭环控制，具有故障自检与自诊断功能，并向控制器发送自身状态信息。无线分布式控制器执行系统高级控制任务、无线智能装置状态获取、无线网络节点状态判断、虚拟化子任务与无线节点动态映射、全网拓扑结构动态调整等功能。

2  无线通信方案

无线分布式控制目前处于理论探索阶段，尚无特定的针对其开发的无线通信方案，目前主要考虑已成熟商用的通信方案。目前存在的无线移动网络主要分两种，无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）和自组织网（Ad-Hoc Networks），如图3所示。无线局域网依赖固定的网络基础设施，比如图3中的访问接入点（Access Point，AP），节点通过无线AP与网络连接;自组织网由一组具有无线收发功能的节点组成，网络中的每个节点地位相等，是一个多跳、自组织、无中心、不依赖基础设施的网络。无线分布式控制系统的特点是要求无线网络组成一个无中心的分布式控制器，系统不存在核心节点，充当系统控制器的无线网络节点可采用Ad-hoc组网类型，避免AP等核心节点的损坏对控制系统性能的影响。

常用的自组织网技术标准有Zigbee、蓝牙和Wi-Fi，表1所示为上述三种技术的性能特点。

2.1 蓝牙技术

蓝牙技术是瑞典电信公司Ericsson于1994年研发的，现在由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）管理。蓝牙支持若干设备之间的无线数据交换，并且支持移动的连接和通信;系统工作于2.4GHz 工业科学医疗（Industrial Scientific Medical，ISM）频段，起止频率分别为2.402GHz和2.480GHz;采用分时双工传输，在不同时间间隔发送和接收信号，在宏观上实现全双工数据传输。

2.2 Zigbee

Zigbee采用IEEE 802.15.4协议标准，是一种适用于短距离、低速率、低功耗、短延时的无线通信技术，系统使用ISM频段，其中美国为915MHz，欧洲为868MHz，全球范围内为2.4GHz，目前Zigbee技术在工业自动化、物联网等领域应用较为广泛。

2.3 Wi-Fi

Wi-Fi是一个无线通信技术品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所有，其解决了基于IEEE 802.11标准的无线产品之间的连通性。802.11的第一个版本定义了工作在2.4GHz ISM频段的无线传输方式，传输速率为2Mbps;802.11a增加了工作在5GHz频段的无线传输方式，传输速率可达54Mbps;802.11b增加定义了工作在2.4GHz ISM频段，传输速率达11Mbps的传输方式;802.11g增加了工作在2.4GHz ISM频段，传输速率高达54Mpbs的无线传输方式。

3  無线智能传感系统

国外已经展开航空发动机相关的无线传感器的研究工作，2012年，在美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的Passive Wireless Sensor Technology Workshop中针对当时适应恶劣环境的无源无线传感器的研究现状进行了总结[6]。随后展开了无线多路声表面波传感器项目（Wireless Multiplexed Surface Acoustic Wave Sensor Project），其计划是开发可长期稳定工作的无电源或半导体的无线传感器，其能够工作在极寒或者高达几百摄氏度的恶劣环境中，并且在合理的距离范围内进行物理参数测量。其目的是减少航空器或航天器中线缆的使用，同时允许对旋转部件内部的各种物理量进行测量。

以美国国家航空航天局格伦研究中心（NASA Glenn Research Center）为主的研究机构，正在进行集合电子、通信、传感等综合系统的研发工作，经过验证，以SiC为基础的晶体管技术可以在500摄氏度高温下连续运行2000多个小时，证明其可在恶劣环境中长期稳定工作，基于SiC电子技术的高温无线通信技术正在不断发展[7]。此外，NASA还通过其先进飞行器计划（Advanced Air Vehicle Program，AAVP）等计划，展开空天飞行器无源无线传感器的研究[8]。

适用于航空发动机恶劣环境的无线传感器已经取得一定的成果，NASA Glenn Research Center 和 Case Western Reserve University联合研发的高温环境应用的电容式压力传感器，工作温度在25到300摄氏度，可用于航空发动机恶劣环境。无线压力系统将电容式MEMS压力传感装置至于LC谐振电路中，组成Clapp型谐振器，利用航空发动机压力发生变化时，传感系统输出变化的谐振频率进行测量。实验证实其在0到100psi范围内具有良好的线性性能[9]。

近年来，利用La3Ga5SiO14（LGS）晶体的大压电常数机电耦合系数、高使用温度（高达1400摄氏度）、小声表面波速以及优良的温度稳定性，结合声表面波传感器技术，进行了高温高压恶劣环境下无线传感器的研究，现已研发出一套包括温度、压力、振动、应变传感器等一系列适用于航空发动机恶劣环境使用的无源无线传感器。在美国空军、美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）支持下，传感器制造商Environetix公司进行了LGS无线声表面波传感器的性能和可靠性验证工作，用于发动机制造商使用该类型传感器系统来改进美国空军现有发动机以及下一代涡轮发动机的设计[10]。

4  系统供电

无线分布式控制系统的电源系统可以直接应用传统分布式控制系统中成熟应用的机载分布式电源系统，由于无源无线传感器的使用，相对于传统分布式控制系统，大量减少了供电线缆的使用。此外，由于航空发动机是一个热力机械，发动机工作过程中产生大量的热量，近年来，研究人员针对基于温差发电技术的航空发动机电源系统进行了大量的研究并取得一定的成果。

温差发电技术在热力机械的一个早期应用是汽车发动机的废气能量回收，发电装置的热源来自发动机高温废气，冷源采取风冷或水冷方式降温，利用冷热两端的能量差，将热能转换为电能。研究表明，一台3.0L排气量的发动机在60km/h等速爬坡工况之下，热转换效率可以达到11%左右，在轻型卡车上应用HZ-20温差发电装置，装置产生的电功率大概330W[11]。

温差发电技术在航空领域尚无成熟应用，但随着航空发动机性能极大程度的提升，通过已知概念对其进行改进变得比较重要。为了实现减少飞行器燃油消耗，以及抑制热红外辐射等目的，溫差发电技术在航空发动机中的应用得到广泛关注[12]，Boeing、United Technologies、Airbus等公司开始布局相关专利。温差发电具有重量轻、易安装、无旋转机械结构等特点，多个热电组件可置于发动机整个热段，每个热电组件可以从发动机热段捕获废热，并将其转化为电能，适用于航空发动机无线分布式控制系统的应用。

5  无线分布式控制的潜在优势

5.1 控制器分布式化

传统集中式及分布式控制器都包括一个核心控制单元，该核心控制单元是整个控制系统性能、可靠性、稳定性的瓶颈。无线分布式控制系统中，控制器由无线网络中多个分布式节点组成，系统不包含核心控制单元，任意节点的损坏都不会对控制系统功能造成大的影响。同时，随着控制系统功能的增加，其软件代码量迅速提升，其给具有核心控制单元的控制系统的软件可靠性带来巨大挑战，对于无线分布式控制系统，每个节点上运行的是虚拟化的子任务，单个节点软件代码量远小于传统控制系统中核心单元中的软件代码量，在完成相同功能的前提下，提升了软件系统的可靠性。同时，由于每个节点都具有计算、存储能力，整个无线网络组成一个具有强大分布式计算和存储能力的控制器，可以解决航空发动机日益强大的性能对控制器计算、存储性能的挑战。

5.2 大量减少线缆的使用

传统集中式和分布式控制系统中，控制器、传感器、执行机构之间通过线缆连接，线缆一般比较长，线缆与各部件之间通过连接器连接，这些线缆和连接器大大增加了控制系统的重量。在无线分布式控制系统中，基于线缆的通信方式被无线通信方式取代，极大的减少了控制系统内部线缆及连接器的数量和重量。

5.3 自愈能力

虚拟化的子任务与无线网络节点之间具有动态的映射关系，无线网络中节点出现损坏或网络拓扑结构发生变化时，虚拟化的子任务可以在节点之间进行迁移，保证控制系统正常运行，使控制系统具有较强的故障自愈能力。

5.4 无线传感器的使用

传统控制系统中，由于线缆的使用，传感器只能布置于静止部件上，发动机旋转部件上的物理量是无法直接测量的。随着恶劣环境适用的无源无线传感器技术的发展，传感装置可不再需要通信及供电线缆，发动机内部旋转部件的物理量可以直接测量，从而获得更高的传感测量精度和更加简单的控制系统实现方案。

5.5 研发、升级的便利性

无线分布式控制方案可以很容易扩展从而适应新系统、新设备的加入。可以更加简单的利用现有控制系统实现多发动机协同控制、推进系统综合控制、飞行/推进系统综合控制等综合控制方案，降低了新系统研发及老系统升级的难度。

6  总结与展望

本文对航空发动机基于无线网络的分布式控制系统在系统结构、无线通信、无线智能传感器、系统供电等相关技术的研究现状作了简要分析和介绍，可以得出，在现有技术条件下，基于无线网络的航空发动机控制系统具有很大的研究价值，并且具备可行性，尤其随着无线通信技术、高温电子材料的飞速发展，给无线分布式控制系统在航空发动机上的应用提供了有力的支撑。国外目前已经在航空发动机上开展基于无线网络的电子系统的研究工作，无线传感器网络在航空发动机上的应用已经取得一定的成果，在此基础之上进一步开展航空发动机无线分布式控制系统的研究具备很强的可行性。

此外，无线分布式控制不仅给航空发动机控制系统带来减轻重量、提升性能、及故障自愈等优势，同时也可以缩短研发周期、降低研发费用和风险，给相关航空发动机企业甚至飞机制造企业的老型号升级和新型号研发带来便利。

参考文献：

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