FADEC全權限數字發動機控制的未來發展趨勢

祁國棟

摘 要：隨著FADEC應用規模的擴大，其系統發展趨勢研究得到了人們的高度關注，本文對FADEC進行了簡單的介紹，重點探討了其發展所面對的挑戰及發展方向，具體包括主動控制、智能控制及分布式控制等。

關鍵詞：FADEC；挑戰；發展趨勢

隨著社會經濟的快速發展，航空航天事業發展規模不斷擴大，在其發展過程中，航空發動機扮演著重要的角色，在先進技術與設備支持下，其推力水平及能力不斷提高。

為了進一步提高其推進控制系統的經濟性與可靠性，本文介紹了全權限數字發動機控制的概況，分析了該系統發展所面臨的要求與挑戰，并重點闡述了其未來發展趨勢，主要從技術角度展開了探討，旨在借助先進的基礎，以此促進系統建設水平的提高。

1 FADEC（全權限數字發動機控制）的概況

FADEC作為航空發動機控制系統主要是利用計算機數字運算能力實現的，它主要是由壓氣機控制系統、間隙控制系統、啟動系統、傳感器等組成。在全權限數字電子控制技術支持下，我國航空發動機控制系統建設積極開展，并取得了一定的成績，特別是FADEC系統，使航空發動機性能大幅度提高。

與傳統控制系統相比，FADEC系統的優點主要表現在以下幾方面：其一，高性能，由于此系統擁有強大的計算能力，因此，保證了發動機最佳狀態的保持，同時也促進了發動機啟動、過渡等特性的改善，進而利于發動機作用的充分發揮；其二，低油耗，此系統結合動力需求，使發動機始終處于最佳狀態，以此避免了不必要運轉情況的出現，進而達到了節約燃油、降低消耗的目的；其三，低成本，此系統基本防止了發動機處于高溫、高速等情況運作，其故障發生幾率大幅度降低，同時結合故障輔助診斷，保證了維護的及時性與有效性，再者也控制了發動機維護成本。

2 FADEC所面對的要求與挑戰

在航空發動機控制系統發展過程中，為保證飛行的可靠性與穩定性，對推進系統的要求不斷增多，特別是對于未來軍用飛機而言，其多任務、多功能的要求，使飛機系統愈加復雜；同時民用飛機對發動機也提出了新的要求，如：經濟性、環保性、節能性、適用性與高效性等。在各異要求下，航空發動機設計水平需要不斷提高，其設計難度及復雜度也隨之增多，如：調節部位、參數數量、控制變量等均大幅度增加，同時，在日后設計與發展過程中，還應關注控制器的計算能力、邏輯能力及控制精度等。

在繁多與復雜飛行任務要求及高性能發動機支持下，控制系統的工作環境將日漸惡化，特別是在持續、高超聲速飛行條件下，發動機工作溫度可能達到650℃，再者，飛機結構中所選用的復合材料，將使控制系統面對愈加嚴峻的輻射環境。為了適應發展的需求，航空發動機控制系統應迎接挑戰，并積極運用現代化的技術，以此拓展自身的發展空間[ 1 ]。

3 FADEC的發展趨勢

對于FADEC系統而言，其未來發展主要應關注主動控制、智能控制及分布控制等系統，借助豐富的設計手段、先進的控制邏輯，使發動機各個系統的融合更加緊密與有效，進而利于發動機性能的提高及其控制品質的增強，同時，也利于此系統使用時間的延長。

為了滿足航空事業發展的需求，未來FADEC系統發展，應積極研制，其具體的發展內容如下：

3.1 主動控制

此系統是由壓氣機、燃燒室、間隙與振動等構成的，它直接關系著發動機的高效性、耐久性及使用壽命。主動控制技術不僅能提高高載荷渦輪機推重比及高涵道比，還可降低實現耗油率、生產及維修成本，同時也利于豐富核心機的功能，利于完善部件狀態的信息，如：診斷或監視等。

一方面，主動穩定控制。系統中壓氣機的穩定性直接決定著發動機的穩定程度，對于傳統控制方法而言，它是在被動控制理念下隨之形成的，此方法雖然保證了發動機工作點喘振裕度的充足性，但根據實踐可知，發動機的穩定裕度難以準確測量，進而難以利用模型對其進行精準的估算，造成上述情況的原因主要為發動機自身的一系列因素均會影響測量工作，如：氣場畸變、老化、制造偏差等。此時喘振邊界靠近發動機工作點，通常情況下，設計的喘振裕度均具有明顯的保守性，進而降低了發動機性能，影響了其推力與效率。而主動穩定控制借助預先探測，掌握了即將發生的喘振和失速，此時可根據失速征兆，采取及時與有效的應對方案，以失速征兆為例，在其發生初期，采取主動方法，即：向流場中加入反相擾動、調整放氣量與燃油流量等，在此類措施作用下，失速問題將得到有效的控制，同時壓氣機也將處于最佳工作狀態，進而利于提高發動機性能。國外學者對主動穩定控制進行了研究，借助兩臺地速軸流壓氣機試驗臺，其試驗結果顯示，經主動控制，失速邊界僅位移6%與10%，此結果表明，主動穩定控制的研究與發展，對發動機性能的提高有著積極的意義[ 2 ]。

另一方面，主動間隙控制。隨著航空事業的發展，現代飛機的性能日漸提高，如：可靠性、安全性與高效性等，但其發展仍未能滿足人們的需求，為了進一步挖掘發動機的性能，其葉尖間隙控制得到了廣泛的關注。葉尖間隙主要是指發動機轉子葉片與機匣間的距離，其直接影響著發動機性能，如果此距離過大，則會降低發動機性能，而過小也會造成不利影響，極易導致葉片與機匣摩擦、碰撞，進而威脅發動機的安全性，嚴重情況下，便會造成安全事故，因此，葉尖間隙應得到有效的控制，以此保證發動機性能、提高壓氣機與渦輪效率，并降低飛機油耗。為了達到上述目標，主動間隙控制吸引了國內外學者的目光，經研究顯示[ 3 ]，此技術的執行機構主要有主動熱控制、主動機械與主動氣控制，其根據控制回路，還可以分為兩種，一種為閉環葉尖間隙主動控制，另一種為開環葉尖間隙主動控制，前者借助先進的間隙傳感器，對某工況時的葉尖間隙值進行檢測，并經過反饋，以此保證控制間隙維持在最佳值；后者主要是根據葉尖間隙變化的規律，利用計算機對間隙大小進行計算，此后對外部所需空氣量進行調整，最終保證了間隙控制的最佳值。

3.2 智能控制

在航空事業未來發展過程中，其發動機控制系統的主要發展方向便是智能化，智能控制主要是借助人工智能方法實現了對控制目標的達成，此系統涉及的技術主要有智能自修復控制技術與延壽控制技術等。

第一種技術主要是對發動機進行在線故障診斷，使飛機推力輸出具有一致性，在實際應用過程中應對所涉及的性能參數進行實時估計，如：系統推力，同時，所設計的方案應積極利用神經網絡等非線性智能動靜態映射技術，在此基礎上，構建的機載模型才能夠具有自適應性、自診斷與自修復等能力[ 4 ]。

第二種技術不僅保證了發動機響應的可接受性，還控制了零部件的損耗，延壽控制主要是通過對瞬態時最高溫度的控制，以此延長了零部件的使用時間。此技術屬于多目標控制，其應滿足多個指標，如：系統動靜態性能指標、發動機安全及使用時間指標等[ 5 ]。

3.3 分布式控制

當前，航空發動機普遍應用FADEC結構，在此技術作用下，控制系統的復雜性進一步增加，主要是由于FADEC的重量、功能、尺寸等均有所增加，為了保證系統穩定與有效，相關的軟件愈加復雜與龐大，在此情況下，其可靠性有所降低。同時，集中式結構，使控制的傳感器、執行機構等均保持著較遠的距離，再者對三絞線或雙絞線等進行了運用，進而增加了重量，而控制系統重量與成本呈正比。為了提高控制系統的控制能力，降低研制、生產與維護成本，需要采用先進的控制系統。

在未來發展過程中，應對分布式控制系統進行積極的利用，此系統的構成包括FADEC與智能裝置，其中局域網是由中央處理器、智能傳感器及智能執行機構構成的。此系統大幅度降低了控制器的體積及重量，利于發動機推重比的提高，同時，采用模塊化與標準化設計、生產與裝配，保證了設計質量，提高了生產效率，同時也延長了發動機使用時間[ 6 ]。

4 總結

綜上所述，全權限數字發動機控制技術作為新型的控制技術，在其作用下，促進了發動機控制性能的提高，同時也保證了其可靠性、操縱性的增強。

為了適應社會發展的需求，本文介紹FADEC的概念及優點，同時結合其發展所面對的要求與挑戰，重點探討了其發展趨勢，相信，在現代技術支持下，我國航空事業發展成效將更加顯著。

參考文獻：

[1] 姚華，王國祥.航空發動機全權限數控系統研究和試飛驗證[J].航空動力學報，2015，02：247-253.

[2] 張紹基.航空發動機控制系統的研發與展望[J].航空動力學報，2014，03：375-382.

[3] 王林林.航空發動機全權限數字電子控制系統研究[J].科技經濟市場，2014，12：10.

[4] 高昆.航空發動機全權限數字電子控制系統概述[J].數字技術與應用，2015，06：28.

[5] 王兢.軍用發動機控制系統技術分析及改進研究[J].國防科技，2014，03：36-39+46.

[6] 佘云峰，楊坤，王偎蘄.全權限數字電子發動機控制系統閃電防護符合性驗證流程研究[J].民用飛機設計與研究，2013，S2：73.