基于發動機性能在線計算技術的發動機推力閉環控制技術

李堃

摘 要：系統依據飛機管理系統發出的推力需求指令，通過推進系統控制終端將推力需求轉化為發動機供油需求從而對發動機供油進行控制，并根據發動機的熱力學參數實時進行發動機性能在線計算技術，解算出實時推力修正發動機供油量，實現發動機推力閉環控制。

關鍵詞：發動機性能在線計算 機載發動機模型 推力閉環控制 推力需求

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0028-01

1 推力控制技術介紹

像所有依賴動力裝置運行的設備一樣，動力裝置的性能及其控制特性是設備設計的基礎，在一定程度上，也是該設備性能的重要標志，汽車、機車、艦船等無一例外，飛行器也當然如此。因此，可以說發動機的性能及發動機控制技術，在一定程度上反映了行業的綜合技術水平[1]。

推力控制技術中的推力矢量技術是當今世界最先進戰斗機的典型技術，它通過控制矢量噴管的偏轉來改變發動機尾噴流的方向，可補償或取代常規飛行控制面產生的氣動力來對飛機實施飛行控制，國外的大量應用充分表明，采用推力矢量技術可顯著提升飛機的機動性和敏捷性。

2 推力控制系統發展趨勢

隨著機載計算機計算能力的不斷增強，使直接使用部件級非線性模型作為機載模型成為可能。進入21世紀后，在IHPTET計劃中包含的基于模型的智能數字發動機控制 MOBIDEC研究、VAATE計劃中的智能發動機研究和歐盟開展的航空發動機在線辨識、故障診斷和控制OBIDICOTE計劃，都已經把部件級非線性實時模型作為機載模型使用，并且逐步將機載控制器和機載故障診斷系統結合起來，兩者共用同一模型，組成了基于模型的控制及故障診斷系統MBCD（Model-Based Controls and Diagnostics）。通過基于模型的在線故障診斷和控制，不僅能夠在確保發動機安全工作的前提下最大程度的發揮發動機性能，而且通過在線故障診斷，估計發動機部件的實際退化情況，還有助于實現視情維修，降低發動機使用維修費用。

可見，隨著機載計算機運算能力的不斷進步，基于非線性模型的推力控制研究逐步成為當前研究的熱點和未來的發展方向。

3 基于機載發動機模型的推力控制系統

3.1 基于模型的推力控制系統組成

基于模型的推力控制系統由機載自適應模型、跟蹤濾波器和多變量控制器等部分組成。

（1）機載數學模型。由于在基于模型的控制中需要的反饋量是推力、失速裕度等參數，這些參數不能測量或測量系統非常復雜，因此需要在控制器回路中嵌入機載模型。通過機載模型計算得到推力或失速裕度值。對機載模型的要求是能夠準確反映當前發動機的狀態，且模型能夠實時運行。

（2）跟蹤濾波器。由于機載模型計算得到的推力或失速裕度作為反饋量進行閉環控制，因此要求機載模型能夠準確反映當前發動機的狀態。對于性能已經退化的發動機，仍然按照未退化的模型計算推力或失速裕度等參數顯然不再合適。為了解決這種模型的不匹配問題，需要利用跟蹤濾波器來估計這種性能差異，以修正機載模型，使機載模型匹配實際發動機的狀態。

（3）多變量控制器。多變量控制器是數字發動機控制的核心部分，其控制性能的好壞直接決定了整個系統的性能。直接推力控制可采用的多變量控制方法主要有多變量PID、最優控制（KQ等）、魯棒控制（LQG/LTR等）、智能控制（模糊控制、神經網絡控制、專家系統）。

3.2 發動機推力閉環控制技術

發動機推力控制系統依據飛機管理系統發出的推力需求指令，通過推進系統控制終端將推力需求轉化為發動機供油需求，從而對發動機供油進行控制，并根據發動機的熱力學參數實時進行發動機性能在線計算技術，解算出實時推力修正發動機供油量，實現發動機推力閉環控制。發動機推力閉環控制實現過程如圖1所示。

4 結語

常用的發動機推力估算方法主要包括直接推力估計法和間接推力估計法。基于發動機機載模型的推力控制系統主要由機載自適應模型、跟蹤濾波器和多變量控制器等部分組成。利用發動機推力控制系統控制終端對發動機供油進行控制，并基于發動機性能性能在線計算技術，可實現發動機推力閉環控制。

參考文獻

[1] 張強，鄧小寶，張永峰，等.航空發動機推力直接測試技術試驗與研究[J].測控技術，2011（30）：60-62.

[2] 李秋紅，孫健國，王前宇.航空發動機推力估計新方法[J].控制理論與應用，2011，28（2）：185-191.

[3] 楊生發，樊丁，李元業.發動機推力測量新型校準裝置研制[J].西北工業大學學報，1997，15（3）：338-342.

[4] 馬靜，陸軍.航空發動機模型參考自適應控制[J].計算機仿真，2009，26（7）：69-72.

[5] 郭奔，李俊杰.采用模糊控制的推力測量系統自動檢驗裝置[J].儀器儀表科學，2006，27（6）：1486-1488.

[6] 楊全廷，楊紀明，韓小全.一種高精度的發動機推力測量系統[J].傳感器與微系統，2008，27（12）：82-84.

[7] 徐安生.F-15飛機數字電子發動機控制系統研制及飛行評估[M].沈陽：《飛機設計》編輯部，1997.

[8] 吳惠明，焦獻瑞.發動機試車臺推力測量系統中心加載現場校準技術研究[J].計量、測試與校準，2009，29（1）：28-30.endprint

摘 要：系統依據飛機管理系統發出的推力需求指令，通過推進系統控制終端將推力需求轉化為發動機供油需求從而對發動機供油進行控制，并根據發動機的熱力學參數實時進行發動機性能在線計算技術，解算出實時推力修正發動機供油量，實現發動機推力閉環控制。

關鍵詞：發動機性能在線計算 機載發動機模型 推力閉環控制 推力需求

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0028-01

1 推力控制技術介紹

像所有依賴動力裝置運行的設備一樣，動力裝置的性能及其控制特性是設備設計的基礎，在一定程度上，也是該設備性能的重要標志，汽車、機車、艦船等無一例外，飛行器也當然如此。因此，可以說發動機的性能及發動機控制技術，在一定程度上反映了行業的綜合技術水平[1]。

推力控制技術中的推力矢量技術是當今世界最先進戰斗機的典型技術，它通過控制矢量噴管的偏轉來改變發動機尾噴流的方向，可補償或取代常規飛行控制面產生的氣動力來對飛機實施飛行控制，國外的大量應用充分表明，采用推力矢量技術可顯著提升飛機的機動性和敏捷性。

2 推力控制系統發展趨勢

隨著機載計算機計算能力的不斷增強，使直接使用部件級非線性模型作為機載模型成為可能。進入21世紀后，在IHPTET計劃中包含的基于模型的智能數字發動機控制 MOBIDEC研究、VAATE計劃中的智能發動機研究和歐盟開展的航空發動機在線辨識、故障診斷和控制OBIDICOTE計劃，都已經把部件級非線性實時模型作為機載模型使用，并且逐步將機載控制器和機載故障診斷系統結合起來，兩者共用同一模型，組成了基于模型的控制及故障診斷系統MBCD（Model-Based Controls and Diagnostics）。通過基于模型的在線故障診斷和控制，不僅能夠在確保發動機安全工作的前提下最大程度的發揮發動機性能，而且通過在線故障診斷，估計發動機部件的實際退化情況，還有助于實現視情維修，降低發動機使用維修費用。

可見，隨著機載計算機運算能力的不斷進步，基于非線性模型的推力控制研究逐步成為當前研究的熱點和未來的發展方向。

3 基于機載發動機模型的推力控制系統

3.1 基于模型的推力控制系統組成

基于模型的推力控制系統由機載自適應模型、跟蹤濾波器和多變量控制器等部分組成。

（1）機載數學模型。由于在基于模型的控制中需要的反饋量是推力、失速裕度等參數，這些參數不能測量或測量系統非常復雜，因此需要在控制器回路中嵌入機載模型。通過機載模型計算得到推力或失速裕度值。對機載模型的要求是能夠準確反映當前發動機的狀態，且模型能夠實時運行。

（2）跟蹤濾波器。由于機載模型計算得到的推力或失速裕度作為反饋量進行閉環控制，因此要求機載模型能夠準確反映當前發動機的狀態。對于性能已經退化的發動機，仍然按照未退化的模型計算推力或失速裕度等參數顯然不再合適。為了解決這種模型的不匹配問題，需要利用跟蹤濾波器來估計這種性能差異，以修正機載模型，使機載模型匹配實際發動機的狀態。

（3）多變量控制器。多變量控制器是數字發動機控制的核心部分，其控制性能的好壞直接決定了整個系統的性能。直接推力控制可采用的多變量控制方法主要有多變量PID、最優控制（KQ等）、魯棒控制（LQG/LTR等）、智能控制（模糊控制、神經網絡控制、專家系統）。

3.2 發動機推力閉環控制技術

發動機推力控制系統依據飛機管理系統發出的推力需求指令，通過推進系統控制終端將推力需求轉化為發動機供油需求，從而對發動機供油進行控制，并根據發動機的熱力學參數實時進行發動機性能在線計算技術，解算出實時推力修正發動機供油量，實現發動機推力閉環控制。發動機推力閉環控制實現過程如圖1所示。

4 結語

常用的發動機推力估算方法主要包括直接推力估計法和間接推力估計法。基于發動機機載模型的推力控制系統主要由機載自適應模型、跟蹤濾波器和多變量控制器等部分組成。利用發動機推力控制系統控制終端對發動機供油進行控制，并基于發動機性能性能在線計算技術，可實現發動機推力閉環控制。

參考文獻

[1] 張強，鄧小寶，張永峰，等.航空發動機推力直接測試技術試驗與研究[J].測控技術，2011（30）：60-62.

[2] 李秋紅，孫健國，王前宇.航空發動機推力估計新方法[J].控制理論與應用，2011，28（2）：185-191.

[3] 楊生發，樊丁，李元業.發動機推力測量新型校準裝置研制[J].西北工業大學學報，1997，15（3）：338-342.

[4] 馬靜，陸軍.航空發動機模型參考自適應控制[J].計算機仿真，2009，26（7）：69-72.

[5] 郭奔，李俊杰.采用模糊控制的推力測量系統自動檢驗裝置[J].儀器儀表科學，2006，27（6）：1486-1488.

[6] 楊全廷，楊紀明，韓小全.一種高精度的發動機推力測量系統[J].傳感器與微系統，2008，27（12）：82-84.

[7] 徐安生.F-15飛機數字電子發動機控制系統研制及飛行評估[M].沈陽：《飛機設計》編輯部，1997.

[8] 吳惠明，焦獻瑞.發動機試車臺推力測量系統中心加載現場校準技術研究[J].計量、測試與校準，2009，29（1）：28-30.endprint

摘 要：系統依據飛機管理系統發出的推力需求指令，通過推進系統控制終端將推力需求轉化為發動機供油需求從而對發動機供油進行控制，并根據發動機的熱力學參數實時進行發動機性能在線計算技術，解算出實時推力修正發動機供油量，實現發動機推力閉環控制。

關鍵詞：發動機性能在線計算 機載發動機模型 推力閉環控制 推力需求

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0028-01

1 推力控制技術介紹

像所有依賴動力裝置運行的設備一樣，動力裝置的性能及其控制特性是設備設計的基礎，在一定程度上，也是該設備性能的重要標志，汽車、機車、艦船等無一例外，飛行器也當然如此。因此，可以說發動機的性能及發動機控制技術，在一定程度上反映了行業的綜合技術水平[1]。

推力控制技術中的推力矢量技術是當今世界最先進戰斗機的典型技術，它通過控制矢量噴管的偏轉來改變發動機尾噴流的方向，可補償或取代常規飛行控制面產生的氣動力來對飛機實施飛行控制，國外的大量應用充分表明，采用推力矢量技術可顯著提升飛機的機動性和敏捷性。

2 推力控制系統發展趨勢

隨著機載計算機計算能力的不斷增強，使直接使用部件級非線性模型作為機載模型成為可能。進入21世紀后，在IHPTET計劃中包含的基于模型的智能數字發動機控制 MOBIDEC研究、VAATE計劃中的智能發動機研究和歐盟開展的航空發動機在線辨識、故障診斷和控制OBIDICOTE計劃，都已經把部件級非線性實時模型作為機載模型使用，并且逐步將機載控制器和機載故障診斷系統結合起來，兩者共用同一模型，組成了基于模型的控制及故障診斷系統MBCD（Model-Based Controls and Diagnostics）。通過基于模型的在線故障診斷和控制，不僅能夠在確保發動機安全工作的前提下最大程度的發揮發動機性能，而且通過在線故障診斷，估計發動機部件的實際退化情況，還有助于實現視情維修，降低發動機使用維修費用。

可見，隨著機載計算機運算能力的不斷進步，基于非線性模型的推力控制研究逐步成為當前研究的熱點和未來的發展方向。

3 基于機載發動機模型的推力控制系統

3.1 基于模型的推力控制系統組成

基于模型的推力控制系統由機載自適應模型、跟蹤濾波器和多變量控制器等部分組成。

（1）機載數學模型。由于在基于模型的控制中需要的反饋量是推力、失速裕度等參數，這些參數不能測量或測量系統非常復雜，因此需要在控制器回路中嵌入機載模型。通過機載模型計算得到推力或失速裕度值。對機載模型的要求是能夠準確反映當前發動機的狀態，且模型能夠實時運行。

（2）跟蹤濾波器。由于機載模型計算得到的推力或失速裕度作為反饋量進行閉環控制，因此要求機載模型能夠準確反映當前發動機的狀態。對于性能已經退化的發動機，仍然按照未退化的模型計算推力或失速裕度等參數顯然不再合適。為了解決這種模型的不匹配問題，需要利用跟蹤濾波器來估計這種性能差異，以修正機載模型，使機載模型匹配實際發動機的狀態。

（3）多變量控制器。多變量控制器是數字發動機控制的核心部分，其控制性能的好壞直接決定了整個系統的性能。直接推力控制可采用的多變量控制方法主要有多變量PID、最優控制（KQ等）、魯棒控制（LQG/LTR等）、智能控制（模糊控制、神經網絡控制、專家系統）。

3.2 發動機推力閉環控制技術

發動機推力控制系統依據飛機管理系統發出的推力需求指令，通過推進系統控制終端將推力需求轉化為發動機供油需求，從而對發動機供油進行控制，并根據發動機的熱力學參數實時進行發動機性能在線計算技術，解算出實時推力修正發動機供油量，實現發動機推力閉環控制。發動機推力閉環控制實現過程如圖1所示。

4 結語

常用的發動機推力估算方法主要包括直接推力估計法和間接推力估計法。基于發動機機載模型的推力控制系統主要由機載自適應模型、跟蹤濾波器和多變量控制器等部分組成。利用發動機推力控制系統控制終端對發動機供油進行控制，并基于發動機性能性能在線計算技術，可實現發動機推力閉環控制。

參考文獻

[1] 張強，鄧小寶，張永峰，等.航空發動機推力直接測試技術試驗與研究[J].測控技術，2011（30）：60-62.

[2] 李秋紅，孫健國，王前宇.航空發動機推力估計新方法[J].控制理論與應用，2011，28（2）：185-191.

[3] 楊生發，樊丁，李元業.發動機推力測量新型校準裝置研制[J].西北工業大學學報，1997，15（3）：338-342.

[4] 馬靜，陸軍.航空發動機模型參考自適應控制[J].計算機仿真，2009，26（7）：69-72.

[5] 郭奔，李俊杰.采用模糊控制的推力測量系統自動檢驗裝置[J].儀器儀表科學，2006，27（6）：1486-1488.

[6] 楊全廷，楊紀明，韓小全.一種高精度的發動機推力測量系統[J].傳感器與微系統，2008，27（12）：82-84.

[7] 徐安生.F-15飛機數字電子發動機控制系統研制及飛行評估[M].沈陽：《飛機設計》編輯部，1997.

[8] 吳惠明，焦獻瑞.發動機試車臺推力測量系統中心加載現場校準技術研究[J].計量、測試與校準，2009，29（1）：28-30.endprint