航空发动机先进控制概念及最新进展

它突出的优点广泛应用于各种
新型发动机控制中。
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万方数据
·航空科学技术·２００５年第１期·国◆
航空发动机先进控制概念及最新进展
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
金茂贤 空军工程大学
航空科学技术 AERONAUTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 2005(1) 4次
（６０％）；通过对每个灵巧装置 烧室的发动机上。该技术可使
进行自检和诊断，降低了维修 传感器更小、更轻，在高温范围
成本；采用新的元件级技术，对 内有更可靠的火焰检测功能，
中央处理计算机的改动最小甚 而且不需要冷却。
至无需改动，设计和升级的灵
（２）高温电子装置。灵巧
活性大；ＦＡＤＥｃ可以远离发动 传感器和作动器中的电子模块
２．ＦＡＤＥＣ的优点 （１）提高发动机性能。
ＦＡＤＥｃ的计算能力强、精度 高，能够在整个飞行范围发挥 发动机的最佳性能；能够改善 发动机的启动和过渡特性；能 够改善发动机安全保护。 ＦＡＤＥｃ的数值计算和逻辑判 断能力可在更合理的范围选择 控制规律；容易实现发动机控 制方案的变动，通过修改软件 就可以寻找最佳控制性能。
机安装，进一步降低重量，改善 在高温环境下工作，并且不能
可靠性和控制系统的总和。
用燃油来冷却，因此，需要发展
分布式控制系统的关键技 高温电子装置。目前，常规的电
术有：分布式控制系统的总体 结构和运行模式；余度多路传
子装置的耐温能力１２５℃，通过 应用砷化镓材料，并采用集成
输光纤总线；多余度数字处理 注射逻辑（１２Ｌ）电路设计技术，可
制系统研制的发展趋势。尽管
出现了诸多的“先进控制”、 “主动控制”等概念，但要解决
的主要技术问题不外乎美国高 性能涡轮发动机综合技术
（ＩＨｆｒｒＥＴ）计划中归纳的三个
方面，即：增加控制性能；减轻
重量；提高对不利环境的容限。
随着轻重量材料的应用、微处
理器能力的进一步开发，
ＦＡＤＥｃ已进入实用阶段，并以
二、ＦＡＤＥＣ １．ＦＡＤＥＣ概况 ＦＡＤＥｃ利用数字式电子
控制系统的极限能力来完成系
万方数据
统所规定的全部任务，是高性 能飞机发动机以及一体化控制 必然采取的控制形式，是该领 域的发展方向和研制重点。
ＦＡＤＥｃ系统包括燃油泵 系统，主燃油、加力燃油计量装 置，放气活门控制，变几何位置 作动，叶尖间隙主动控制，传感 器，专用电源发电机以及电子 控制器等完整的控制系统。如 图ｌ所示。
ｓｓＣ利用控制算法减小对
部件稳定性裕度的要求。这种 方法将稳定性检查加入到发动 机控制逻辑中去，实时地计算 非稳定性影响（但不是设计时 假设的最坏情况，即各种非稳 定因素影响的迭加），对风扇和 压气机稳定性进行在线评估， 允许控制系统将喘振裕度减至
最小，从而提高发动机陛能。 Ａｓｃ旨在对发动机喘振进
控制系统重量的相当大一部 分。所有的传感器和作动器都
多系统、装置故障，因此，减小 漏电非常重要。
需要某种形式的补偿，即它们
提高温度可靠性的金属化
自己的控制系统。在分布式控 其他尝试还包括金属化系统和
制系统中，传感器和作动器与 漫射障板。利用黄金可以把电
电子模块组装在一起。该电子 阻接触点的耐温能力扩大到
行主动控制，即在刚出现失速 的征兆时就采取措施（如调整 放气量、燃油流量和导叶角度 等）消除失速。过去用于失速控
图１ ＦＡＤＥＣ系统基本组成
制的算法受到液压机械控制技 术的限制，现在则可利用微处 理器的能力来实现复杂的新的 控制算法。采用这种方法能扩 大发动机的稳定工作范围，使 发动机在降低了对设计失速裕 度要求的状态下仍能稳定工 作，从而获得更高的性能。
换；故障诊
断、超限检查
和自检，对
ＦＡＤＥｃ工作
状态提出建
议；对作动器
进行闭环控
图２灵巧的光学“火焰”传感器
制；提供与
除了降低发动机控制系统
ＦＡＤＥｃ的简
的复杂性和重量之外，分布式 单通信和接口。
控制系统的优点还有：由于采
如图２所示的灵巧光学
用通用模块和标准接口，缩短
“火焰”传感器，事实上可以应
了研制周期和降低ｒ成本 用在任何具有加力或低Ｎｏ。燃
将所建立的发动机模型加到推
一、发动机先进控制概念
进系统的控制中去，直接控制
２０世纪８０年代，以美国
推力和发动机限制参数。这种
ＮＡｓＡ为首的多家研究机构通 方法首先需要正确建立发动机
过详细评估鉴定出最值得发展 数学模型。目前，采用认知工程
的先进控制概念。在筛选和排 理论和模糊控制方法处理复杂
序工作中所选择的比较基础是 的发动机动态模型已取得一些
不同尺寸、燃油及空气流量、效
Ｐｓｃ是一种以模型为基础
·宦◆ 万·方航数空据科学技术·２００５年第１期
的自适应控制算法，目的是通 过实时修正飞行测量参数来调 整控制规律，优化发动机性能。 这种算法包括一条修正推进模 型的路径和一条对模型预估性 能进行优化的路径。使用卡尔 曼滤波器对非标准发动机按实 时状态进行修正，以使模型更 贴切地反映发动机的性能。Ｐｓｃ 算法已在Ｆ—１５飞机上进行了 飞行试验，试验结果表明推进 系统的性能得到了改善。Ｐｓｃ 所采用的控制算法包括三种控 制模式：最大推力模式、最小耗 油率模式、最低风扇涡轮进口 温度计算模式。
要改变电源频
率和波形。若
使用光导通信
总线和光学接
口，则大大｝肖
除这种电子干
扰，进一步减
图３变排量旋板式燃油泵
轻重量。 （４）变ｊ墓、
巧装置和ＦＡＤＥｃ的通信网和 变流量电动燃油泵。采用电力
电网。在ＥＡＮ内，每一通道有 一条或两条缆线。每一条缆线
驱动的变速、变流量电动燃油 泵能够使发动机燃油泵结构简
有一对加屏蔽的盘绕导线，用 以在ＦＡＤＥｃ和灵巧装置之间 传递数字数据，还有一对加屏
黼空发动柳先进控制概意及最颥进展
ＡｄＶａｎＣｅｄ Ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＣｏｎＣｅｐｔＳ
ａｎｄ Ｉｔ－Ｓ ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ
空军工程大学 金茂贤
摘要：本文介绍了航空发动机先进控制概念和设计思想的发
展趋势，着重分析了全权限数字电子控制技术，并对全权限数字
电子控制系统的最新研究进展进行了探讨。
单、重量轻。发展耐高温的有机 基复合材料和金属基复合材料 可进一步减轻重量。
如图３所示为一台变排量 旋板式燃油泵。该燃油泵采用 鲁棒设计，在高关闭度（即小流 量）状态具备较低的温升，可以 满足未来飞机热管理方面的苛 刻要求。
三、结束语
从美国ＮＡｓＡ等研究机构
对先进控制概念的评估和筛选
及最终排序可以看出发动机控
究 2007(2)
4.邹品文 某型产品实验器设计[学位论文]硕士 2005
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hkkxjs200501008.aspx
随薹蒜嚣燃 关键词：全权限数字电子控制 自动控制系统航空发动机 率等影响；品质因素包括起飞 重量、耗油率、失速裕度、起动
成果层出不穷。其中，飞机一推 影响以及复杂性、风险、寿命期
进系统控制一体化技术、全权 费用、诊断能力、解析余度等指
限数字电子控制（ＦＡＤＥｃ）技 标。根据评估结论，排在前４位
术等无疑都代表着当前发动机 的先进控制概念是：发动机智
（４）降低成本。由于包括 自测试、诊断、记忆等功能，可 实施计算机辅助故障诊断，给 维护带来方便。加上更换控制 装置不需要调整运转，使发动 机维修成本降低。
（５）易于实现发动机状态 监控，易于实现与飞机控制的 一体化。
３．ＦＡＤＥＣ的最新研究进 展
目前的发动机控制系统是 集中式余度ＦＡＤＥｃ，所有的控 制规律处理和计算、余度管理以 及输入／输出信号的滤波和处 理都经由ＦＡＤＥｃ进行，控制系 统中最重的是引线和接头。未 来的ＦＡＤＥｃ将采用分布式控 制系统，与集中式ＦＡＤＥｃ相 比，引线数、接头数和重量分别 由２２１４ｋｇ、１１２ｋｇ和１３４ｋｇ减 少到３２０ｋｇ、８０ｋｇ和５０蚝。在分 布式控制系统中，灵巧装置通过 一条余度的高速数字数据总线 和ＦＡＤＥｃ通信。灵巧装置可以 是一个传感器，或—个作动器， 或是兼有传感和作动功能的装 置。每个灵巧装置有自己的处理 元件，可以执行所要求的当地功 能。为使温升和功耗最小，还将 采用变速和变流量泵。
机和并行处理技术；耐高温的 使集成电路的工作环境温度达
灵巧传感器和作动器；重量轻 的变速、变流量电动燃油泵；发
到３００ｃＣ。Ｉ觅是一种双极构型 的大规模集成逻辑电路，由于
动机状态监视和管理系统。
这种设计的晶体管体积较小，
（１）灵巧传感器和作动 从而可以减小漏电。漏电随温
器。传感器和作动器占发动机 度按指数上升，并且会引起许
模块为传感器和作动器提供如
６００℃。
下功能：主动补偿环境条件（如
（３）数据总线——发动机
Baidu Nhomakorabea
温度）的影响；信号调制和转 局域网（ＥＡＮ）。ＥＡＮ是连接灵
●》· 万航方空数科据学技术·２００５年第１期
蔽的盘绕导
线，用以从
ＦＡＤＥｃ向灵
巧装置通电。
如果用改善屏
蔽的办法还不
能消除电力网
噪声对数据网
的干扰，就需
（２）降低燃油消耗量。由 于ＦＡＤＥＣ可实现发动机的最 佳控制，因此，发动机控制器更
·航空科学技术·２００５年第１期●爹
换时，可减少乃至不需要调整 运转，加之慢车转速的闭环控 制、引气最佳化，结合自动油门 等措施，能够减少燃油消耗。
（３）提高可靠性。由于采 用余度技术、故障诊断、恢复功 能，而且减少了超温、超转、过 应力等情况，使发动机的可靠 性提高。
装有先进涡扇发动机的第４代 仿真试验结果，证明了其实际
高性能军用战斗机（ＭＨＰＦ）和
应用的可能性。但跟踪滤波器
马赫数为２．４的高速民用运输 需调整的参数（部件特性、性能
机（ＨｓｃＴ）及其发动机；所采 参数、传感器误差等）很多，给
用的评估判据包括权衡因子和 控制方法的实现带来较大的困
品质因素。其中，权衡因子考虑 难。
引证文献(4条)
1.李秋红.李业波.王前宇 航空发动机直接推力控制[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2010(5) 2.姚华廷.王曦.苏三买 航空发动机数控系统综合仿真平台设计[期刊论文]-航空动力学报 2010(9) 3.周云涛.丁凯峰.李冬兰.雷宇鹏 航空发动机全权限数控系统飞行演示试验及分析[期刊论文]-燃气涡轮试验与研
控制技术的先进水平。由于 能控制（Ⅲｃ）、性能寻优控制
ＦＡＤＥｃ有着众多的优点和发
（ＰＳｃ）、稳定性寻求控制
展潜力，许多国家都在研制。并 （ｓｓｃ）、主动失速／喘振控制
且随着新技术、新材料的应用，
（ＡＳＣ）。
可靠性问题已得以解决，同时，
ＩＥＣ采用的基本方法是进
成本也在不断降低。
行涡轮发动机的模型仿真，即