第九章 航空发动机状态控制系统
航空发动机控制系统中的设计与模拟
航空发动机控制系统中的设计与模拟引言近年来，随着航空工业的快速发展，飞行器的性能需求不断提高，航空发动机在飞行器性能中起着至关重要的作用。
而航空发动机控制系统则是保证发动机安全、稳定、高效运行的核心组成部分。
本文将着重探讨航空发动机控制系统的设计与模拟，旨在为相关研究工作者提供一定的参考。
一、航空发动机控制系统概述航空发动机控制系统是指用于调节、控制、管理航空发动机运行的一系列控制装置。
主要功能是保证发动机在各种工况下高效、稳定、安全地运行，并满足对发动机性能、燃油消耗、环保等方面的需求。
航空发动机控制系统主要由以下几部分组成：1. 发动机控制这是控制航空发动机整个运行过程的主要设备。
如果控制系统调节不当，则可能会对飞机的飞行安全产生重大影响。
2. 燃油供给系统燃料供给系统包括燃油泵、控制器、喷油器等。
其主要任务是准确地控制燃油的喷射量和缺口。
3. 空气供给系统空气供给系统包括压气机、增压器、排气口等部分。
其主要作用是为燃料燃烧提供所需的氧气。
4. 维护系统维护系统负责监测发动机运行情况，并及时修复其故障。
维护系统不仅包括传感器，还包括数据处理单元和故障排除单元。
5. 数据传输系统数据传输系统的主要任务是将所有数据从发动机控制单元中传输到其他控制单元中。
这些单元包括飞行控制系统、救生系统、可靠性监测系统等。
二、航空发动机控制系统的设计在设计航空发动机控制系统时，需要根据不同型号、功率、使用环境等不同条件进行设计。
具体来说，航空发动机控制系统的设计需要考虑以下几个方面：1. 设计对目标性能的控制方案针对航空发动机的性能要求制定控制方案，并具体分析不同方案的影响因素及其优劣之处。
2. 控制系统的规范化和模块化设计对控制系统进行规范化、模块化设计，提高其可靠性和可维护性。
3. 软硬件资源的分配设计人员需要根据航空发动机的特征和使用条件对硬件、软件资源进行适当的分配。
4. 设定系统程序、接口和协议设计合理的系统程序，制定统一的接口和协议，实现各系统之间的数据共享、交换和互联。
航空发动机控制
燃气涡轮发动机控制系统介绍现代燃气涡轮发动机闭环控制系统大致分为控制器、传感器、执行器与附件。
最简单的发动机控制系统是通过调节燃油流量来产生期望的发动机推力的系统。
但是实际上，飞行过程中获取飞机的推力是不现实的，而发动机的转子转速n 与发动机的增压比（EPR ）是容易获取的且能够表征推力的变化，通常被选择为被控参数。
控制变量为燃油流量，或者执行器（燃油流量计量阀）的位移。
飞机包线：典型的飞机包线表示为飞行高度与飞行马赫数之间关系。
对于涡喷与涡扇发动机，还包括环境温度坐标，也即三维图像。
发动机控制包线是一个允许发动机的工作范围，是以主控制变量燃油流量与发动机转子转速（在EPR 控制的情况下是增压比）之间的关系。
由于燃油流量比（油气比）比燃油流量更适合做主控制变量。
燃油流量比定义为燃油流量Wf 与压气机出口压力p3的比值RU=Wf/p3。
发动机建模与仿真一、稳态发动机模型二、动态发动机模型燃气涡轮发动机的三个基本动力学方程：转子动态方程、压力动态方程与温度动态方程。
单轴发动机转子动力学：单轴发动机可以近似为一个一阶惯性环节。
从输入变量燃油流量至输出变量的传递函数为：Y(s)cb d Wf (s)s a=+-，其中1111Q Q y y a ,b ,c ,d J n J W f J n J W f∆∆∆∆====∆∆∆∆。
双轴发动机转子动力学：为二阶模型。
表示为状态空间为：[]1111212212221212n a a n n a a n n y c c dWf n ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦，其中参数与单轴类似，为偏导数，偏导数的值由标称点处偏导数值获得。
表示为传递函数为：12Y(s)k(s z)Wf (s)(s r )(s r )+=++ 压力动力学：压力变化为质量变化的积分。
0p(s)(PV/T)M(s)s =∆。
温度动力学：两种温度动力学：一是由于容积内空气或者燃气的热力学状态改变引起的温度变化（相对较快，快温度动力学），二是金属部件与燃气之间热传导引起的温度变化（相对变化慢，慢温度动力学）。
航空发动机控制状态维持系统研究
航空发动机控制状态维持系统研究在现代航空的发展中，航空发动机控制技术变得越来越重要。
这种技术不仅可以使航空发动机性能提高，而且可以保证安全、可靠运行。
与此同时，由于航空发动机运转状态的影响，加上一些外部干扰因素的影响，调节航空发动机的状态的维持系统也变得至关重要。
这篇文章中，将探讨航空发动机控制状态维持系统的研究情况。
1. 概述航空发动机控制状态维持系统是由多种技术和知识构成的。
例如，航空发动机控制技术、数字信号处理技术、电路设计技术、数据库管理技术、机械制造技术、测试技术等。
在实际应用中，航空发动机控制状态维持系统的效果将与多种因素相关，如传感器的质量、控制算法的设计、控制电路的稳定性等。
2. 传感器设计在航空发动机控制状态维持系统中，传感器的设计起着至关重要的作用。
传感器必须满足航空发动机运作环境的严厉条件，避免受到外部干扰。
这需要传感器能够抵御多种不利的环境因素，如高温、高压、高速等。
此外，传感器还必须能够快速、准确地采集数据，这对传感器的灵敏度和精度提出了更高的要求。
3. 控制算法设计航空发动机控制状态维持系统的控制算法的设计要求具有高精度和高稳定性。
这种算法需要根据航空发动机运行的实际情况，构建合适的数学模型，并根据模型来选择合适的控制策略。
同时，控制算法应该能够应对不同的工况条件，如高海拔、高温等。
4. 控制电路设计在控制算法的基础上，需要对航空发动机控制状态维持系统的控制电路进行设计。
设计提出的要求与传感器类似，控制电路需要具有稳定性和可靠性。
控制电路的性能直接影响了控制算法的实际应用效果。
为了保证航空发动机控制状态维持系统的正常运行，控制电路需要具有超高的抗干扰性能，能够快速地收集数据，实时地控制航空发动机的状态。
5. 现有研究目前，已经有很多团队开始研究航空发动机控制状态维持系统。
其中，一些企业正在根据航空发动机的性能要求，开发出专业的航空发动机控制状态维持系统。
一方面，他们研发有效的传感器，能够满足航空发动机运作环境的要求，实时监控航空发动机状态；另一方面，这些企业研究并优化控制算法和控制电路，以确保系统具有较高的性能和可靠性。
航空发动机控制系统纵论
航空发动机控制系统纵论发动机控制系统对于发动机而言犹如人的大脑对人体各器官的控制作用，是发动机的核心部件。
航空发动机动力学控制技术的主要目的，是通过对支承结构和质量分布的合理分配，保障发动机在全转速范围内无有害振动。
飞机要在不同的高度和速度下飞行，为了在飞行中保持发动机的给定工作状态，或者按照所要求的规律改变工作状态，都必须对发动机进行控制。
所有这些只有依靠自动控制系统来完成。
目前，我国正在结合高性能军用航空发动机的型号研制工作，开发符合中国国情的航空发动机数控系统，缩短与先进国家的技术差距，推动我国航空发动机技术的发展。
一、发动机控制系统的基本要求（一）穩定性高。
航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机。
作为飞机的心脏，被誉为"工业之花"，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。
航空发动机控制系统能够保障航空器的持续适航，技术具备强实时性、高稳定性及小巧便携等优势，能够在降低监测和诊断设备成本的同时，实现机载化的航空发动机监测与诊断系统的良好运行。
但是随着系统规模和复杂程度的不断提高，基于文档的系统工程面临的困难越来越突出，如信息表示不准确造成歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接（如软件、机械、电子等）。
于是基于模型的系统工程（MBSE）应运而生，这也是未来系统工程发展的必然趋势。
（二）精度高。
航空发动机的工作环境复杂，工作温度范围大（环境温度～2000 ℃），导致结构工艺特征参数和结构特征参数的变化范围大，引起发动机结构振动具有非线性时变特性。
同时，转静件间隙、支承刚度、同心度、不平衡量分布等动力学参数和气动流场气动力等，随发动机状态和温度场的变化而变化，造成各连接结构部件振动传递特性相差也较大。
在保证发动机可靠性的前提下，要求发动机的“寿命长”。
这是发动机经济性的另一项指标。
航空发动机控制系统设计与实现
航空发动机控制系统设计与实现随着航空事业的不断发展，现代航空机械的要求也越来越精密。
而其中最关键的一部分便是航空发动机，其中的控制系统也是至关重要的组成部分。
如何设计和实现一套高效的航空发动机控制系统成为了现代航空科技的一个重要研究领域，本文将对相关内容进行深入阐述。
一、航空发动机控制系统的基本原理航空发动机是直接影响着航空器飞行性能和安全的核心组成部分，其控制系统则是保证整个航空器运行稳定和安全的基本保障。
航空发动机控制系统主要由自矫正控制系统和人工干预控制系统组成。
自矫正在起保持发动机稳定性和实现闭环控制作用的基础上，人工干预控制系统则可以根据实际运行情况采取一些主动措施来保证飞行安全性。
二、航空发动机控制系统的设计航空发动机控制系统的设计过程主要包括以下几个步骤：1. 确定系统控制对象首先要明确控制系统的对象是哪些，在发动机控制系统中，涉及到的对象包括燃料系统、冷却系统、涡轮系统等组成部分。
2. 建立模型建立准确的数学模型并进行模拟是航空发动机控制系统设计的基础，其中涉及到的数学知识包括微积分、控制论、概率论等多个学科。
3. 设计控制器在了解系统模型的基础上，可以根据实际需求和控制目标设计不同类型的控制器，常见的控制器包括PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等。
4. 仿真测试通过基于数学模型的仿真测试，可以模拟实际控制系统的运行状况，评估系统的控制效果和性能是否达到预期目标。
三、航空发动机控制系统实现技术现代航空发动机控制系统的实现离不开高科技的支持，主要包括以下几个方面。
1. 传感器技术传感器是控制系统的基础，其可以对发动机运行状态进行实时监控，并标定出实际的控制参数。
2. 总线技术总线技术可以有效的降低系统的复杂性和维护成本，多发动机控制系统及其他传感器等设备之间的实时数据传输也离不开总线技术的支持。
3. 控制器技术随着硬件技术的不断提升和软件技术的不断发展，现代航空发动机控制系统所采用的控制器技术也越来越高效和精密。
航空发动机状态控制系统课件
系统发展历程与趋势
发展历程
航空发动机状态控制系统经历了从机械液压式到全权限数字电子控制（FADEC ）的发展过程，技术不断升级换代。
趋势
未来发展方向包括更加智能化的控制算法、更加精确的传感器技术以及更加可 靠的网络通信技术等。
02 航空发动机状态检测技术
传感器技术
01
02
03
传感器类型
温度、压力、振动、位移 等传感器用于监测航空发 动机的工作状态。
自适应鲁棒控制
自适应鲁棒控制是一种结合了自适应控制和鲁棒控制的算法，它 能够根据系统的不确定性和扰动情况，自动调整控制器参数，以
保证系统的稳定性和性能。
04 航空发动机状态控制系统设计
系统架构设计
系统架构概述
01
介绍航空发动机状态控制系统的整体架构，包括各组成部分及
其功能。
分层架构设计
02
详细描述系统架构中的各层，包括感知层、控制层、执行层等
航空发动机状态控制系 统课件
目录
Contents
• 航空发动机状态控制系统概述 • 航空发动机状态检测技术 • 航空发动机状态控制算法 • 航空发动机状态控制系统设计 • 航空发动机状态控制系统实现与验
证 • 航空发动机状态控制系统案例分析
01 航空发动机状态控制系统概述
系统定义与功能
定义
航空发动机状态控制系统是用于监测 、控制和优化航空发动机性能的一套 综合系统。
功能
实时监测发动机状态参数，如温度、 压力、转速等；控制燃油流量、点火 时刻等关键参数；对发动机性能进行 优化，确保安全、高效运行。
系统重要性及应用领域
重要性
航空发动机状态控制系统是保障 飞行安全和提高飞行效率的关键 技术之一。
航空发动机控制系统的设计与优化
航空发动机控制系统的设计与优化随着科技的不断发展，航空领域也在不断地进步。
在飞机上，航空发动机起到了至关重要的作用，但仅有一款好的发动机还不足以保证飞机的安全性和高效性。
为了确保飞机的稳定性和性能，航空发动机控制系统的设计和优化非常重要。
一、航空发动机控制系统的基础概念航空发动机控制系统是由多个子系统组成的，其中包括可变推力调节系统、燃油控制系统、空气管理系统和电子控制系统等。
这些子系统相互协调工作，确保发动机的运转和性能符合既定要求。
1. 可变推力调节系统——可变推力调节系统是通过调节发动机的推力来适应不同的飞行状态和条件，这可以实现飞机在起飞、爬升、巡航和着陆等不同阶段的最佳工作状态。
当发动机处于强大推力状态时，油门位置大，燃油消耗量增加，但是可以提高飞机的速度和爬升性能。
相对而言，低推力状态下发动机的燃油消耗量较低。
2. 燃油控制系统——燃油控制系统集成了油箱、燃油喷嘴、油泵、和燃油调节器等部件，控制燃油流量、压力、温度和燃油进气量等参数，以满足飞行时不同的需要。
3. 空气管理系统——空气管理系统是控制发动机进气、压缩、燃烧和排放过程的重要组成部分。
空气管理系统中通常会包括差压计、温度计、气压计、涡轮增压器和中冷系统等部件，以确保发动机进气量符合要求。
4. 电子控制系统——电子控制系统是所有子系统的控制中枢，通过传感器、执行器和计算机系统等将各个子系统协调起来。
电子控制系统可以根据环境和操作条件调整和优化发动机的性能。
二、现代航空发动机控制系统的设计与优化要开发现代化的航空发动机控制系统，需要充分考虑发动机运转受到各种因素的影响，包括温度、压力、湿度、寿命和材料的特性等。
同时，设计人员还需要考虑飞机的安全性、可靠性和性能，以及燃油和维护成本等方面的因素。
在航空发动机控制系统设计中，一般会采用先进的计算机化建模和仿真技术，以便尽早评估和优化设计。
这种方法可以大大缩短飞机开发周期，降低开发成本，并且有助于设计师在更早的阶段发现可能的缺陷和优化设计方案。
航空发动机控制系统
• 如何通过调节油门给定转速 • 当推油门时，则通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力转速给定值改 变 • 控制器相应地调节供油量，将转速调到给定值 • 具体工作原理 • 思考
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• 闭环控制的优缺点 • 控制器感受的不是外界的干扰量，而是直接感受发动机（被控对象）的被控 参数（转速） • 当被控参数有了偏离后，才被控制器感受，再进行控制，使被控参数重新恢 复到给定值 • 由于它是按被控参数的偏离信号而工作的，故称闭环控制的工作原理为偏离 原理。 • 它的优点是控制比较准确，但控制不及时，滞后
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• 8.2 液压机械式发动机控制系统 • 发动机控制系统分类 • 液压机械式 • 监控型电子式 • 全功能数字电子式 • 液压机械式及气动机械式燃油控制器 • 目前为止民用航空发动机上使用最多的控制器 • 它有良好的使用经验和较高的可靠性 • 它除控制供往燃烧室的燃油外，还操纵控制发动机可变几何形状，例如 可调静子叶片、放气活门、放气带等，保证发动机工作稳定和提高发动 机性能
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• 开环控制 • 控制器与发动机的关系以及信号传递的关系形成一个开路,故称为开环控制 系统 • 被控对象的输出量是发动机的转速n，控制器的输入量是干扰量f; 而控 制器的输出量是qmf
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• 敏感元件（膜盒） • 感受进气总压; 进气总压是飞行高度和飞行马赫数的函数;
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• (1)容积式泵
• 容积式泵是依靠泵的抽吸元件作相对运动，交替改变元 件间的自由容积进行吸油、排油的
• 供油量取决于元件一次循环运动中自由容积变化的大小。 在一定的供油量下，泵根据出口处的液体流动阻力来建 立压力。这类泵在航空发动机上应用最广，如：柱塞泵、 齿轮泵、旋板泵（叶片泵）
航空发动机全权限数字电子控制系统概述
航空发动机全权限数字电子控制系统概述航空发动机全权限数字电子控制系统是现代飞机上不可或缺的重要组成部分之一，它可以监测并控制发动机的转速、温度、压力以及发动机其他重要参数，进而确保飞机的安全、可靠飞行。
本文将从系统结构、控制算法、优点等方面来概述一下航空发动机全权限数字电子控制系统。
首先，航空发动机全权限数字电子控制系统的结构是非常复杂的，它包括一个由多个控制单元组成的控制器和与发动机相连的多个传感器、执行器等。
这些传感器可以监测发动机的运行状态，包括发动机的功率、温度、压力等，然后将这些信息传输到控制器中进行处理。
控制器则根据这些信息对发动机进行控制，调节发动机内部的各种参数。
比如，在发动机需要降温时，控制器会通过执行器将冷却剂喷入发动机内部，从而降低发动机的温度。
此外，控制器还可以根据不同的操作模式调节发动机输出的功率、节省燃料等。
其次，航空发动机全权限数字电子控制系统采用的是一套基于先进算法的控制技术。
主要有三种算法：PID控制算法、模糊控制和神经网络控制。
PID控制算法是最基础的算法之一，它采用比例、积分、微分这三个因素来调节发动机输出的功率，是一种比较稳定的算法。
模糊控制是一种强化的控制算法，它可以适应发动机不同输出状态，发挥最大功效。
神经网络控制则是一种类似于大脑的控制算法，通过不断学习和改进，对发动机输出做出最优的调整。
最后，航空发动机全权限数字电子控制系统的优点非常显著。
首先，它可以实时地监测发动机的状态，及时地进行调整。
其次，它的数据精确性很高，能够减少因误差造成的漏检或误判。
再次，它的智能化和自主化程度较高，不仅可以自动调节发动机，还可以自主诊断问题。
总之，航空发动机全权限数字电子控制系统的重要性不言而喻，它是飞机运作的关键之一。
随着技术的不断提升，这个系统也在不断发展，以达到更高效、更精确、更安全的目标。
航空发动机控制系统设计及其优化研究
航空发动机控制系统设计及其优化研究航空发动机控制系统作为现代化飞机的关键部件之一，承担着决定飞机飞行性能、燃油消耗、排放等方面的重要任务。
因此，航空发动机控制系统的设计和优化研究显得尤为重要。
航空发动机控制系统组成航空发动机控制系统一般由电子控制器、传感器、执行机构和相关供电系统等组成。
其中，电子控制器是航空发动机控制系统的核心部分，它可以监测并控制发动机转速、温度、压力等多种参数，对飞机的性能和安全起到了至关重要的作用。
传感器则负责采集各种发动机参数信息，将其处理成电信号送至电子控制器。
执行机构一般由喷油器、电磁阀等组成，通过电子控制器的控制，调整发动机的工作状态。
航空发动机控制系统优化为了使航空发动机控制系统发挥最大的效能，需要对系统进行优化。
航空发动机控制系统的优化可以从以下几个方面入手：1. 增加反馈控制机制航空发动机控制系统的反馈控制机制是指控制系统实时监测发动机的工作状态，并根据监测结果对控制信号进行调整。
通过增加反馈控制机制，可以大大提高控制系统的精度和稳定性，减少发动机的能耗和排放量。
2. 引入智能算法智能算法可以提高航空发动机控制系统的自适应性和自学习能力，从而使系统更加智能化和高效化。
例如，可以利用神经网络算法对飞机的多种工况进行分析，根据分析结果调整发动机的工作状态。
3. 采用先进的材料技术航空发动机控制系统中的各种零部件需要具有高强度、高温度等特殊性能，为此，需要采用先进的材料技术。
例如，采用高强度陶瓷材料可以大大提高发动机的承载能力和热稳定性；采用金属陶瓷复合材料可以减轻发动机的重量。
4. 加强数据管理和信息安全随着航空发动机控制系统的升级和智能化，对数据管理和信息安全的要求也越来越高。
为此，需要加强对数据采集、存储、传输过程中的安全防护，保护系统的机密性和完整性。
航空发动机控制系统的设计与优化研究一直是工程技术领域的热点问题。
只有在不断优化系统的同时，才能为飞机的飞行带来更加高效和安全的保障。
航空发动机控制系统
发动机控制系统分类
（1）液压机械式
液压机械式及气动机械式燃油控制器仍然是目前为止民用航空发动机上使用最多的控制器。它有良好的使用 经验和较高的可靠性。除控制供往燃烧室的燃油外，还可操纵控制发动机可变几何形状，例如可调静子叶片、放 气活门、放气带等，保证发动机工作稳定和提高发动初性能。
（2）监控型电子式
（1）燃油流量控制
根据发动机的不同状态(包括起动、加速、稳态、减速、反推等)，将清洁的，无蒸气的、经过增压的、计量 好的燃油供给燃烧室。在控制中要求：不能喘振;不能超温;不能超转;不能富油熄火;不能贫油熄火。这就是所谓 的推力控制、过渡控制和安全限制。
（2）空气质量流量控制
对流经发动机的空气质量流量进行控制，以保证压气机工作的稳定性。它包括可调静子叶片(VSV)和放气活 门(VBV)等。
当飞行高度增加时，进入发动机的空气质量流量减少，控制器和膜盒同时感受到这一干扰量的变化，于是膜 盒膨胀，通过杠杆使档板活门的开度增大，随动活塞上腔的放油量增大，使随动活塞上移，并带动柱塞泵的斜盘 角变小，供油量减少与空气质量流量的减少相适应，从而保持转速不变。
复合控制
复合控制系统是开环和闭环控制的组合控制系统。这种控制系统兼有开环和闭环控制系统的优点，即控制及 时(响应快)又准确(精度高)，工作稳定，但控制器的结构较复杂。
发动机的控制系统由控制系统和被控对象组成，控制系统的主要元件有敏感元件、放大元件、执行元件、供 油元件等。
闭环控制系统
闭环控制系统的被控对象的输出量就是控制器的输入量；而控制器的输出量是被控对象的输入量，在结构方 块图上，信号传递的途径形成一个封闭的回路。
敏感元件是离心飞重，其功用是感受发动机的实际转速;指令机构是油门杆，它通过传动臂，齿轮，齿套等来 改变调准弹簧力，确定转速的给定值;推力杆经钢索、连杆联到燃油控制器上的功率杆。
航空发动机控制系统课件
通过检测发动机进气、排气和 燃油系统的压力和流量，判断
是否存在故障。
维护与保养
定期更换润滑油和滤清器
保持发动机内部清洁，防止磨损和堵塞。
定期检查涡轮和压气机
确保发动机的空气流动畅通无阻。
检查电气线路和传感器
确保发动机控制系统的正常工作和信号传输 。
调整燃油和点火系统
保证发动机的正常燃烧和功率输出。
涡轮增压器
涡轮增压器是航空发动机控制系统中 用于提高发动机进气压力的执行器。
涡轮增压器的工作温度和压力很高， 因此需要采用耐高温、耐磨损的材料 制造，同时需要定期进行维护和更换 易损件。
涡轮增压器通过将废气排出发动机后 驱动涡轮，涡轮再带动压气机将空气 压缩并送入发动机，从而提高发动机 的进气压力和密度。
喷油嘴
喷油嘴是航空发动机控制系统 中控制燃油喷射的关键执行器
。
喷油嘴通过精确控制燃油的喷 射量和喷射时间，实现发动机 的燃油供给和燃烧过程的控制
。
喷油嘴通常由针阀和喷嘴组成 ，针阀用于控制燃油的流动， 喷嘴则将燃油雾化成微小颗粒 ，以便更好地与空气混合燃烧 。
喷油嘴的性能直接影响发动机 的燃烧效率和性能，因此需要 定期检查和维护，以确保其正 常工作和良好的性能。
具有输出力矩大、响应速度快的特点，适用于 大负载的场合。
气动执行器
利用压缩气体驱动，具有结构简单、可靠性高的优点。
控制算法的优化与改进
自适应控制算法
根据系统参数变化，自动调整控制参数，提 高控制精度。
鲁棒控制算法
针对不确定性因素，设计鲁棒控制器，提高 系统稳定性。
滑模控制算法
通过滑模面的设计，实现快速响应和抗干扰 能力。
航空小知识——航空发动机控制系统和主要附件的介绍
航空小知识——航空发动机控制系统和主要附件的介绍航空发动机控制系统民航发动机的控制技术在近年来有着惊人的发展。
为了适应高性能和高精度的要求，民航发动机控制技术经过了从传统的液压机械式控制向数字电子控制的转变阶段，并且经历了从单个部件到整体、从模拟式到数字式、从有限功能到全权控制的发展过程。
液压机械式及气动机械式燃油控制器液压机械式及气动机械式燃油控制器是从早期飞机上单一的功能发展起来的。
从简单的开环控制到后来的多回路开、闭环复合控制。
液压机械式及气动机械式燃油控制器由液压机械式调节器、启动机械式调节器和燃油控制器等组成。
除控制燃油流量外还可以控制发动机的可变几何形状如可调静子叶片、放气活门等。
液压机械式调节器，其计算是由凸轮、杠杆、滚轮、弹簧、活门等机械元件组合实现的，液压油作为伺服介质。
气动机械式调节器的计算则是由膜盒和连杆等气动元件组合进行的，空气作为伺服介质。
燃油控制器是发动机燃油系统的主要部件。
燃油控制器分为计量部分和计算部分，或者说是供油部分和控制部分。
计量部分按照飞行员的要求的推力（功率），在发动机工作限制内，根据计算部分提供的数据向发动机提供燃油。
计算部分通过感受各个部分的参数，控制计量部分输出的燃油。
监控型电子控制器监控型发动机电子控制器是在原有的液压机械式控制器HMU（或者称为FCU）基础上，再增加一个发动机电子控制器EEC（或者称为ECU），两者共同工作实施对发动机的控制。
在这类型发动机控制中，液压机械式控制控制器为主控制器，发动机电子控制器具有监督能力。
前者负责发动机的完全控制，包括启动、加速、减速控制和转速控制；后者负责对推力进行精确的控制，以及对发动机的主要工作参数进行安全限制、状态监控和故障诊断。
全功能数字电子控制全功能（或者称为全权限）数字电子控制FADEC是当今发动机研究的主要方向。
它使发动机的控制技术、控制精度和控制范围达到了新的高度在FADEC控制中，发动机电子控制器EEC（或ECU）是它的核心，FADEC系统是管理发动机控制的所有控制装置的总称。
航空发动机过渡状态控制系统
新型材料如碳纤维、陶瓷等在高温度、高强度环 境下具有优异性能，将有助于提升航空发动机的 性能和稳定性。
健康监测与管理
通过实时监测和预测发动机状态，实现预防性维 护和智能决策，提高航空器的安全性和可靠性。
研究方向与重点领域
01
过渡态建模与控制策略研究
针对航空发动机过渡状态的特点，研究精确的数学模型和控制策略，以
发展趋势
随着传感器技术、计算机技术和人工智能技术的不断发展，未来的航空发动机 过渡状态控制系统将更加智能化、自适应和可靠。同时，系统将更加注重环保 和节能，以降低航空发动机对环境的影响。
02 航空发动机过渡状态控制 系统的组成与原理
组成部件
传感器
用于监测发动机的工作状态，如温度、压力、转速等。
控制器
精度评估
评估系统在过渡状态下的控制精 度，确保发动机的工作参数能够 精确控制。
性能优化策略与实施
算法优化
优化控制算法，提高系统对各种工况的适应性。
硬件配置优化
根据系统性能需求，合理配置硬件资源，提高系统整体性能。
参数调整
根据实际运行情况，调整系统参数，以达到更好的控制效果。
性能改进的潜力与方向
智能化控制
系统定义与功能
系统定义
航空发动机过渡状态控制系统是 用于控制航空发动机从启动、加 速、稳定运行到减速停车等过渡 状态的一系列软硬件设备。
系统功能
该系统的主要功能是确保航空发 动机在过渡状态下能够安全、稳 定、快速地达到预定状态，并提 高发动机的可靠性和使用寿命。
系统的重要性
安全保障
在航空发动机的过渡状态下，各 种动态参数变化剧烈，控制系统 能够确保发动机在各种工况下的 安全运行，防止超温和超速等危
航空发动机控制系统共41页文档
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
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29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
航空发动机控制系统
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ห้องสมุดไป่ตู้
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
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27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
航空发动机控制系统发展概述
航空发动机控制系统发展概述摘要：发动机作为飞机的心脏为飞机提供前进的动力，而动力来自于发动机通过进气道、压气机、燃烧室、涡轮及尾喷管共同工作提供的推力。
但是这些部分的工作参数是无法通过自身进行调节的，需要采用智能调控系统进行控制，这就是航空发动机的控制系统。
本文主要就航空发动机控制系统发展进行探讨。
关键词：航空发动机；控制系统；发展1航空发动机控制系统组成和原理1.1航空发动机控制系统组成发动机是飞机的重要系统，除了发动机本体单元体之外，还包括控制系统、传动系统及润滑系统等。
其中控制系统是航空发动机的重要组成部分，现代航空发动机基本都采用全权限数字电子控制（FADEC）系统。
FADEC系统由感受航空发动机工作状态和环境信息的传感装置、对信息进行逻辑判断和控制运算的计算装置、把计算结果施加给航空发动机的控制装置，以及在它们之间传递信息的机械、电缆和管路等组成。
FADEC系统--般可分为控制计算机子系统、燃油与作动子系统、传感器子系统、电气子系统等。
图1为某型发动机FADEC系统的组成图。
控制计算机子系统分为电子控制器和嵌入式软件两部分。
数字电子控制器（EEC）是FADEC系统的核心部件，它处理来自各种传感器和开关装置的信号，经模/数转换为数字量，由其内部机载的控制软件对输入数字量进行诊断、处理，实现各种控制算法、控制逻辑的计算，产生输出数字量，再经过数/模转换成模拟信号，经放大处理，生成控制器输出驱动信号，经电缆传输给相应的液压机械装置。
燃油与作动子系统包括燃油子系统和伺服作动子系统。
燃油子系统包括增压泵、主燃油泵、燃油计量装置、燃油滤、燃油管路、喷嘴等。
伺服作动子系统包括伺服控制单元、伺服作动器及相应附件。
传感器子系统包括控制用传感器和状态监视用传感器等。
1.2航空发动机控制系统原理FADEC系统-般包括转速、压力、温度等多个控制回路，每个控制回路根据相应的输入闭环计算出控制输出，进而实现控制发动机状态的目的。
航空发动机控制
航空发动机控制航空发动机控制简介航空发动机是播种机器可以失去，基于我们都清楚的事情。
发动机的控制是保证发动机工作状况良好、安全、可靠的前提。
航空发动机控制系统是综合应用传感、信号处理、微处理、电子技术等先进技术的高精度、高可靠的复杂系统，不仅具有高度的自控能力，还能根据飞机任务要求进行定制。
一、航空发动机控制的目的及其所要完成的任务航空发动机控制的目的，就是保证发动机安全、可靠地运行。
它可以保证发动机始终处于最优的运行状态，避免因操作错误或外部因素梭差（如高温、湿度和压力等）而导致的事故发生。
航空发动机控制所要完成的任务，主要包括以下几个方面：1、实现对发动机的启动、工作转速、停车手续和故障检测等控制。
2、通过监视发动机的工作情况，及时发现故障并采取相应的态势，防止故障引起事故。
3、为飞机提供满足特定任务要求的最优发动机参数（如燃油消耗、发动机功率、噪声和排放等）。
4、实现自适应控制，适应飞行任务和高、低温、高刹地区等不同环境条件。
二、航空发动机控制系统的组成航空发动机控制系统由的组成部分：发动机传感器、控制与数据处理器、执行器和人机接口等。
1、发动机传感器发动机传感器是架设在发动机地方的装置，用于监视发动机各部位的状况，以取得发动机的运行状态。
常用的发动机传感器有：（1）压力传感器——用于测量燃气流动的压力和燃油领付压力等。
（2）温度传感器——用于测量各部位的温度和排气温度等。
（3）速度传感器——用于测量高压涡轮和低压涡轮转速等，以控制发动机的工作转速。
（4）加速度传感器——用于测量振动、震荡和冲击力等。
（5）流量传感器——用于测量燃油流量和气体流量等。
（6）位置传感器——用于测量晶圆位置、调节器位置和排气门位置等。
2、控制与数据处理器控制与数据处理器是发动机控制系统的主要部分，其功能包括数据处理、故障检测、反馈控制等，它可以通过接收传感器的信号来监测发动机状态，并通过执行器实现相应的控制。
一个典型的控制器包括处理器、存储器和输入/输出功能，同时也能够对发动机进行智能判断，划分故障级别和预警。
航空发动机控制系统课件
案例三：某型飞机发动机控制系统的设计优化
设计优化目标
设计优化方案
优化效果评估
总结
提高某型飞机发动机控制系统 的性能和可靠性，降低故障率 。
对发动机控制系统的电路和控 制算法进行优化，采用更加先 进的传感器和执行器，提高系 统的自动化程度和智能化水平 。
经过优化后，发动机控制系统 的性能和可靠性得到了显著提 高，故障率大幅降低。同时， 系统的自动化和智能化水平也 得到了提升，提高了飞机的整 体性能。
REPORTING
日常维护与保养
01
02
03
每日检查
检查控制系统的外观是否 正常，各部件连接是否紧 固，线路是否完好等。
清洁与除尘
定期清洁航空发动机控制 系统的表面，去除灰尘和 污垢，保持清洁的工作环 境。
功能测试
对控制系统的各个功能进 行测试，确保其正常工作 。
定期维护与保养
定期更换磨损部件
01
供应量减少。
气动控制系统的工作原理
气动控制系统是利用空气作为工作介质来控制发动机的各种参数，如进气压力、进 气温度和进气流量等。
气动控制系统通常由空气压缩机、气瓶、调节阀和传感器等组成。
当发动机需要增加进气压力时，调节阀会打开，使更多的空气进入发动机；反之， 当发动机需要减小进气压力时，调节阀会关闭，使空气供应量减少。
陶瓷复合材料
陶瓷复合材料具有耐高温、耐磨损等特性，可用于制造高温部件， 提高发动机的工作温度和效率。
金属基复合材料
金属基复合材料具有高刚性和轻量化特点，可用于制造发动机的旋 转部件，提高发动机的稳定性和可靠性。
新技术的应用
人工智能技术
人工智能技术可用于航空发动机 控制系统的故障诊断和预测，提 高发动机的可靠性和安全性。
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（2）数学模型
间接作用式转速控制器框图
间接作用式转速控制系统结构图
（3）性能分析 间接作用式转速系统的主要优点是稳态精度高，即阶跃输入 响应无静差，若控制器时间常数T1小，则系统动态特性差， 振荡次数多，超调量大，且过渡过程时间太长，不能满足航 空发动机过渡过程时间2~3s、振荡次数不超过1次、超调量 不超过2%的要求，若控制器时间常数取得较大，可以保证 系统响应为单调，但过渡时间仍然不能满足要求。因此这种 控制器不经改进，一般不采用。
带速度反馈的转速 控制器
（2）数学模型
带速度反馈的转速控制系统的结构图
反馈装置的数学模型是一个准速度反馈，但国内习惯上称速 度反馈。这种控制器既有比例控制器响应速度快，又有积分 控制器无静差的优点。 （3）性能分析 由稳定性判据知，这种发动机转速控制系统是稳定的。
复合转速控制系统
前面讨论的控制系统都是按偏差原理进行调节的反馈控制系 统。不论是什么干扰引起被控制量的变化，反馈控制在一定 程度上均可以满足给定的性能指标要求。然而，如果控制系 统中存在强扰动，特别是低频强扰动，或者系统的响应精度 和响应速度要求较高，一般的反馈控制方法难以满足要求。 为此，在航空发动机转速控制系统中，还广泛采用一种把前 馈控制和反馈控制有机结合起来的控制方法，这就是复合转 速控制方法。 工作原理
复合转速控制系统的结构如图所示。
在反馈控制中，信号传递形成了一个闭环系统，而在前反馈 控制系统中，则是一个开环系统。闭环控制系统存在一个稳 定性的问题，而稳定性问题对于开环系统来说是不存在的。 补偿器的设计，主要是考虑如何取得最好的补偿效果。在理 想情况下，可以把补偿器设计到完全补偿扰动的影响，即在 扰动作用下，被控制量始终不变，或者说实现了“不变性” 原理。
复合转速控制系统框图
系统分析和设计 （1）性能指标 通常用性能指标评价发动机转速控制系统的性能，包括系统的稳定性、 动态品质和控制精度等要求。 （2）分析和设计方法 设计发动机单输入-单输出转速控制系统常常采用试探法，就是出不确定 控制方案、选择控制器结构以及参数，进行系统设计。然后，设计人员 检查设计出来的系统是否满足全部性能指标。 （3）设计步骤 ①分析技术要求和性能指标；②初步确定系统控制方案； ③选择控制器的元件及部件，并分析其性能； ④ 建立包括控制对象和控制器的系统数学模型； ⑤选择控制器动态参数； ⑥对所建立的控制系统在整个飞行范围内的各 种工作状态进行性能分析及计算机仿真，实验系统对各种输入的响应及 干扰对系统性能的影响，检查所设计系统是否能在各种使用条件下满足 规定的性能指标； ⑦建立物理系统的样机，确定物理系统的结构及参数 ，并进行实物在回路（HIL）仿真试验； ⑧进行发动机控制系统半物理 仿真试验； ⑨进行发动机控制系统试验。
闭环转速控制系统框图
（3）复合转速控制系统 在闭环控制回路的基础上，复合控制系统增加干扰补偿的顺 馈通路，是系统具有综合闭环控制系统和开环控制系统的优 点，在干扰量对系统产生不利影响之前，就能通过补偿消除 即将产生的不利影响。当外界干扰改变时，复合控制系统由 于顺馈补偿作用可以使被控量不发生过大偏离；调节过程结 束时，它又能由闭环控制作用使被控量较准确地保持给定值 。随着航空发动机性能要求的提高，复合控制系统在航空发 动机控制系统中得应用亦逐渐广泛。
发动机转速控制方式 在航空发动机控制系统中应用的控制方式有开环、闭环和复 合的控制方式： （1）开环转速控制系统 在开环控制系统中，信号传递的途径不构成闭合回路，调节 器测量元件不感受被控量的变化，而是直接感受外界干扰量 的变化，或感受由外界干扰引起的发动机其他参数的变化， 利用补偿原理对被控量进行控制。所谓补偿原理就是根据测 量元件感受的干扰量的大小，调节控制量，使其消除干扰量 对被控量的影响，以保持被控量不变。
数字式PID控制器的设计
数字式PID转速控制系统
增量型算法和位置型算法性比，具有以下优点： ①增量型算法不需要作累加，控制量增量的确定仅与最近几次 误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算 影响较小，而位置型算法要用到过去的误差的累加值，容易 产生大的累加误差。 ②增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，必要时 通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工 作，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响 大。 ③采用增量型算法，易于实行手动到自动的无冲击切换。
带速度反馈的转速控制系统 （1）工作原理 比例反馈的转速控制系统动态特性得到明显改善，但存在较 大静差。为了消除静差，在飞行高度或速度改变引起的调节 过程结束后，必须使反馈套筒回到调节过程开始时位置，这 种控制器如图所示，它与比例反馈控制器比较，除了增加反 馈活塞9，反馈阀10，反 馈活塞与随动活塞中间有 一条油路d和油路上装有 层板节流器11外，其他与 比例反馈控制器的相同。
数字式PID控制器的参数整定 （1）简易工程法 在连续控制系统中，模拟式控制器的参数整定方法较多，但 简单易行的方法还是简易工程法。这种方法最大的优点在于 ，整定参数时不必依赖被控对象的数学模型，虽然稍微粗糙 一点，但是简单易行，适于现场应用。 ①扩充临界比例度法 ②扩充响应曲线法 ③归一参数整定法 （2）优选法 （3）凑试法确定PID参数
开环转速控制系统框图
（2）闭环转速控制系统 闭环控制系统是按偏差原理进行控制的。所谓偏差原理就是 根据被控量的实际值与给定值的偏差进行调节的原理，按这 一原理工作的控制系统尽管在调节过程中被控量相对给定值 产生了偏差，但在过程结束时这一偏差的数值就变得很小（ 稳态误差）。由于控制准确度较高，闭环控制系统在航空发 动机控制中得到了广泛的应用。如图所示闭环转速控制系统 中，当发动机转速n偏离油门操纵杆选定的转速给定值nr时 ，转速测量元件感受转速偏差e=nr-n,经控制元件输出信号m ，以驱动执行元件，调节发动机供油量Wf，从而减小转速偏 差。
涡喷发动机复合控制示意图
如图所示的转速控制系统是一种结构简单的复合控制系统。 在该系统中，带速度反馈的转速调节器和Pt2扰动补偿器共同 工作，调节供油量。
涡喷发动 机复合控 制示意图
该系统中的闭环转速调节器的原理前面已做过介绍，这里只 对前反馈控制作简单介绍。前馈控制又称扰动补偿，是按照 引起被控制量变化的干扰大小进行控制的，它要直接测量负 载干扰量的变化。当干扰刚刚出现且能测出时，控制器就能 发出控制信号使控制量作相应的变化，以抵消扰动引起的被 控制量的变化。例如，发动机进口总压Pt2发生变化，发动机 转速就会发生偏差。扰动补偿器根据发动机进口总压的测量 信号来直接控制调节阀，调节供油量。
第九章 航空发动机状态控制系统
从“航空发动机原理”我们知道，航空发动机控制的任务是 实现各种控制规律，包括状态控制规律、过渡态控制规律等 。状态控制包括稳态控制和加力控制等，过渡态控制包括起 动控制、加减速控制、加力接通和断开控制等。航空发动机 控制任务通常要由一套复杂的控制系统来完成。为了便于学 习，从本章开始将分两章分别介绍典型的发动机控制系统。 通过学习了解它们是如何实现各种控制规律的，并了解各种 控制系统的基本结构、工作原理和性能分析方法。
转速控制系统概述
转速控制是发动机控制中最基本又是最重要的控制。因为发动机推力近 似与转速的三次方成正比，控制了发动机转速也就控制了发动机推力； 发动机转速大小也决定了发动机的叶片强度和涡轮前温度大小，因此控 制发动机转速也就控制了发动机的叶片强度，这对于保证发动机安全运 行具有十分重要的意义；同时也因为发动机转速具有易测量、结构上易 实现的特点。因此，转速控制系统在航空发动机控制中得到了广泛的应 用。 选择转速作为被控量的发动机，其工作状态也以转速表征，如发动机的 最大状态就是转速为最大转速的工作状态，发动机的其他工作状态依此 类推。这时油门杆角度PLA与发动机转速n相对应，改变油门杆角度则改 变发动机转速，即改变发动机的工作状态。 转速控制系统一般以燃油量Wf为控制量，以发动机转速被控量，其任务 是：当油门杆位置不变而发动机外界条件发生变化时，自动调节燃油量 ，保持发动机转速不变；当油门杆位置改变时，自动调节燃油量，使发 动机转速随油门杆位置的变化而变化。油门杆角度对转速控制系统来说 ，相当于转速控制系统的输入给定值。转速控制系统由被控对象（发动 机）和转速控制器组成，控制器一般包括测量元件、控制元件、放大元 件、执行元件、和供油元件（燃油泵）。
（2）数学模型
带比例反馈的液压 放大器结构图
当系统工作频率比较低时，带比例反馈转速控制器可以视为 比例控制器，简称为P控制器。 （3）性能分析 带比例反馈的转速控制系统的主要优点是改善了系统的动态 特性。增加比例反馈系数，控制系统的超调量减小，减小比 例反馈系数，控制系统的响应速度加快。适应调节比例反馈 系数，可以得到满意的动态性能，但系统的静态性能变差， 且反馈系数增大，静差会增大。纯比例控制器是一种简单的 控制器，它对控制作用和干扰作用的响应都很迅速，由于比 例控制器只有一个参数，故调整方便，适用于调节对象（ ԏ /T）小、负荷变化不大、精度要求不高的系统。
数字式闭环转速控制系统
数字式闭环转速控制系统是发动机数字式电子控制器产生后 的一种新的发动机转速控制系统。数字式电子控制器为数字 控制算法的应用提供了条件，也使得各种先进控制方法和多 变量控制的应用成为可能。 控制系统的结构 传感器测量发动机转速，输出模拟信号和频率信号，经A/D 或F/D转换后进入数字式电子控制器。 数字式控制技术可分为常规控制技术和复杂控制技术。 数字式控制 器的连续化 设计是忽略 数字式转速控制系统框图 回路中所有的零阶保持器和采样器，在s域中按连续系统进 行初步设计，求出连续控制器，然后将连续控制器离散化为 数字式控制器，并由计算机来实现。
间接作用式转速控制系统 间接作用式转速控制系统如图所示。在这种控制系统中，测量元件（飞重 ）输出量不是直接去推动执行元件（柱塞式油泵斜盘），而是经液压放 大器（随动活塞）放大后再去推动执行元件（柱塞式油泵斜盘），这样 的控制系统称为间接作用式转速控制系统。 （1）工作原理 如图所示，间接作用式转速控 制器由测量元件（飞种）1，分 油阀2，随动活塞3，柱塞泵4， 操纵手柄5和调整弹簧6等组成。 将操纵手柄放在一定位只，即转 速给定值nr0一定，系统处于平衡 状态时，分油阀的凸肩关闭了通 往随动活塞的油路，随动活塞处于一定的位置m0,供油量Wf一点，发动机稳 态转速n0等于给定值nr0，此时油泵供油量等于发动机需油量。 如操纵手柄位置不变，飞行条件改变，转速控制器可以保持发动机转速 不变。