国外航空推进控制技术的发展_王曦

1引言

航空发动机从20世纪40年

代的涡喷发动机诞生以来，已从简单的液压机械式控制发展为现代的全权限数字式电子控制系统（FADEC ），从单变量控制发展为多变量控制，并进一步将集中式控制向分布式控制发展。以F22飞机装备的F119发动机为典型代表的现代先进发动机控制系统，采用了机载实时自适应优化控制、主动控制、容错控制、健康管理、延寿控制等先进的发动机控制技术。

为了配合性能优越的现代航

空发动机发挥其性能潜力，发动机控制系统的研制要求越来越高，也变得越来越复杂。本文从国外发动机控制系统的4个发展阶段对控制系统的关键技术进行了跟踪和剖析。

2起步阶段(1942～1950

年)

1942年,美国GE 公司第1架

GE I-A 喷气式发动机问世。其控制装置为单变量液压机械式转速闭环控制系统，根据偏差消除原理，按比例控制供给燃烧室的燃油流量；燃油计量装置有最小最大流量限制，用以防止发动机熄火和超温。1948年，GE 公司第1

架带加力燃烧室的涡轮喷气发动机J47问世，其控制律设计采用了频率响应技术和时域阶跃响应分析方法，解决了转速传感器噪声与高增益转速回路的耦合问题。

通过部件测试所得的部件特性图，以及连续气动热力特性、流量连续方程和能量平衡方程的迭代计算，发动机稳态模型得以建立。稳态模型的高空点计算采用了基于白金汉π定律动态相似原理的修正参数法，减少了在发动机飞行包线范围内的计算点数。NASA 刘易斯实验室于1948年，对单转子发动机转子转速动态性能作了研究，解决了测量推

王曦（1961），男，博士，北京航空航天大学教授、博士生导师，本刊编委，研究领域为航空发动机控制、建模、仿真、鲁棒容错控制等。

收稿日期：2008-06-25

国外航空推进控制技术的发展

王

曦,程

茵

(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083)

摘要:按起步、成长、数字化和综合4个阶段，论述了国外发动机控制技术的发展历

程和先进的控制技术，对其中的关键技术进行了重点描述。

关键词：智能发动机;多变量控制;FADEC

Development of Thrust Control Technology for Foreign Aeroengine

WANG Xi,CHENG Yin

(School of Jet Propulsion,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,

Beijing 100083,China)

Abstract:The development course of control technology for the foreign aeroengine and

the advanced control technology were discussed based on the phases of starting,growing,digitize and integration.The key technologies were described emphatically.

Key words:intelligent engine;multivariable control;FADEC

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力的问题；结果表明,涡喷发动机动态特性(如燃油输入量对发动机转速输出量的传递函数)可表示为1个带时间常数的1阶惯性环节。3成长阶段(1951～1969年)

1951年，PW公司第1架双转子涡喷发动机J57装在YF-100飞机上，进行了超声速飞行试验。J57发动机控制系统由液压机械式主燃油控制器、加力燃油控制器和防冰控制器组成。

随着高增压比、大涵道比发动机技术的不断成熟，控制系统要求对几何通道进行控制，如压气机静子叶片控制、进气道和喷管控制等，如GE公司的J79和F101发动机，PW公司的TF30和F100发动机均采用了这些技术。同时，从军用发动机成功转型到商用发动机的代表型是：PW公司用于波音B-707飞机的JT3(J57的改进型)发动机，用于B-727飞机的JT8D(J52的改进型)发动机，用于B-747的JT9D(TF30的改进型)发动机；GE公司用于DC-10飞机的CF6(TF-39的改进型)发动机和用于B-737-300飞机的CMF56(F10l的改进型)发动机。

这个时期控制系统的设计技术主要采用了经典控制理论，即基于增益裕度和相角裕度频率响应分析法对闭环控制系统的设计参数进行稳定性求解。

20世纪60年代，现代控制理论已经趋于成熟，线性状态空间分析方法为多变量控制设计方法的研究拉开了序幕，但真正应用多变量控制技术设计发动机控制器是在70年代以后开展起来的。

与此同时，发动机建模和仿

真技术随着计算机的快速发展和

数值分析的一系列研究成果而成

为可能。美国空军航空推进实验

室(AFAPL)建立了以部件级为单

元的发动机动态模型，采用了有

效的牛顿拉夫逊法数值解法，大

大提高了发动机模型的实时运算

速度；以此为基础建立了发动机

控制系统半物理动态仿真试验平

台，全飞行包线动态仿真试验包

括频率响应、稳态抗干扰响应、加

减速过渡态响应、起动、加力接通

和关闭、压气机失速和燃烧室熄

火等研究分析内容。

4数字化阶段(1970～1989

年)

20世纪70年代，为了提高发

动机控制系统的监控能力，开始

采用模拟和数字电子控制技术

（ECU）。1972年首台研制成功的

全权限电子控制器，是由盖瑞

特／空气研究所(现霍尼韦尔的分

公司)完成的，并装备在TFE731

发动机上。从安全性出发，电子控

制器具有当发动机出现故障或者

飞行员误操作时自动切换到备份

的液压机械控制系统（HM U）的能

力，其特点在于：减少了飞行员操

纵负担，故障时自动转入备份装

置安全运行；在所有的飞行条件

和工作状态下，完成全部的控制

计划、功率设定及发动机极限状

态保护；在加减速过程中，通过开

关放气阀来实现快速消喘。1973

年，首次在F111E发动机上对飞

行推进综合控制系统进行了飞行

验证。

随着数字电子控制研究技术

的不断深入，促进了多变量控制

理论技术在航空发动机控制中的

工程化应用。美国飞行研究实验

室(现为美国技术研究中心)，首次

在发动机控制器设计中采用了

LQR多变量控制技术。美国空军

莱特航空试验室(现为空军研究实

验室)于1973年开始将这一技术

应用到J85发动机上，并从1975

年到1978年，和NASA刘易斯实

验室共同研制多变量控制计划，

在LQR控制器中加入简单的过

渡态逻辑技术和极值参数限制技

术，有效地实现了大过渡态控制，

研制的多变量数字电子控制器装

备在F-15飞机上的F100发动机

上，在美国航天局高空试验台上

成功验证，促进了以高度综合数

字电子控制(HIDEC)为核心，包括

综合飞行推进控制、发动机自适

应控制、发动机延长寿命控制和

进气道一体化控制在内的综合控

制技术的发展。

从全权限数字电子控制的功

能要求出发，20世纪80年代初，

刘易斯实验室在F100发动机上，

首次配备了机载事件历史记录器

(EHR)，并采用了发动机数字电子

控制(DEEC)和发动机诊断单元

(EDU)组合控制监控技术，实现了

发动机监控系统(EMS)功能。

DEEC不断对自身和系统的信号

进行完整性测试(如机内自测试

BIT)，并传输给EDU诊断系统，识

别出控制系统故障，进行数据记

录；同时EDU负责检测发动机状

态、数据记录和发动机与飞机的

通讯，并通过发动机与飞机的接

口和传感器接收数据，EDU独立

于DEEC进行数据记录和故障检

测系统。

传感器是可靠性最低的控制

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