航空發動機控制系統發展概述

孫志巖

(中國航發控制系統研究所，江蘇 無錫 214063)

1 航空發動機控制系統組成和原理

1.1 航空發動機控制系統組成

發動機是飛機的重要系統，除了發動機本體單元體之外，還包括控制系統、傳動系統及潤滑系統等。其中控制系統是航空發動機的重要組成部分，現代航空發動機基本都采用全權限數字電子控制(FADEC)系統。

FADEC系統由感受航空發動機工作狀態和環境信息的傳感裝置、對信息進行邏輯判斷和控制運算的計算裝置、把計算結果施加給航空發動機的控制裝置，以及在它們之間傳遞信息的機械、電纜和管路等組成。FADEC系統一般可分為控制計算機子系統、燃油與作動子系統、傳感器子系統、電氣子系統等。圖1為某型發動機FADEC系統的組成圖。

控制計算機子系統分為電子控制器和嵌入式軟件兩部分。數字電子控制器(EEC)是FADEC系統的核心部件，它處理來自各種傳感器和開關裝置的信號，經模/數轉換為數字量，由其內部機載的控制軟件對輸入數字量進行診斷、處理，實現各種控制算法、控制邏輯的計算，產生輸出數字量，再經過數/模轉換成模擬信號，經放大處理，生成控制器輸出驅動信號，經電纜傳輸給相應的液壓機械裝置。燃油與作動子系統包括燃油子系統和伺服作動子系統。燃油子系統包括增壓泵、主燃油泵、燃油計量裝置、燃油濾、燃油管路、噴嘴等。伺服作動子系統包括伺服控制單元、伺服作動器及相應附件。傳感器子系統包括控制用傳感器和狀態監視用傳感器等。

1.2 航空發動機控制系統原理

圖1 航空發動機全權限控制系統組成

FADEC系統一般包括轉速、壓力、溫度等多個控制回路，每個控制回路根據相應的輸入閉環計算出控制輸出，進而實現控制發動機狀態的目的。

電子控制器根據發動機工作過程的轉速、溫度、壓力等參數及外部條件(如飛行高度、速度，發動機進口溫度、壓力，駕駛員指令等)和控制系統內部某些參數(如溫度、壓力、位移等)的變化，通過控制律計算，產生控制信號，經過電子控制器輸出處理電路，輸出給液壓機械裝置，將電信號轉換為液壓信號，驅動相應作動器，以改變燃油流量、導葉角度、放氣開度等，進而達到控制發動機的目的。

飛機油箱來油經過低壓泵增壓后，進入主燃滑油散熱器進行熱交換。經主燃滑油散熱器再回到燃油泵后通過主燃油濾進入高壓泵再次進行增壓。高壓泵出口油分為兩路：一路經自洗油濾和伺服燃油加熱器后進入液壓機械裝置(HMU)的伺服燃油系統，按照EEC指令控制燃油計量系統和作動部件；另一路進入液壓機械裝置(HMU)的燃油計量系統，計量后的燃油經過燃油流量傳感器和噴嘴油濾后進入噴嘴向燃燒室供油。

燃油系統原理框圖如圖2所示。

圖2 燃油系統原理框圖

2 航空發動機控制的發展歷程

航空發動機控制的發展歷程大致可分為初始、成長、電子化、綜合化等4個發展階段，如圖3所示。

發動機控制技術從20世紀50年代簡單的液壓機械控制，發展到現代的全權限數字電子控制技術，并向智能/分布式控制方向發展。

2.1 液壓機械控制

早期的航空發動機僅有一個燃油流量作為控制變量。由于其推力不大，飛機的飛行速度不高，航空發動機采用液壓機械式開環控制技術。飛行員根據飛行高度和速度要求，手動操作油門位置，直接驅動燃油計量閥，調節燃油流量，控制發動機的轉速在一定范圍內保持不變，使發動機產生所需要的推力，以控制飛機的飛行速度和飛行穩定性。液壓機械式開環控制的特點是系統結構簡單，較容易實現，缺點是控制系統的控制精度不高，適用于中低空使用的航空發動機控制。

2.2 液壓機械+電子控制

圖3 航空發動機控制技術發展歷程

發動機性能不斷提升及其控制系統功能不斷擴展，液壓機械式控制技術逐步發展到了極限，復雜的液壓機械式控制系統在發動機最大工作狀態時使用，給飛行員帶來越來越多的約束。迫切需要有一個裝置來監視發動機的工作，控制發動機在最大工作狀態時安全可靠地工作。20世紀70年代，人們設計出模擬或數字式電子控制裝置，用于發動機飛行包線內轉速和溫度的保護，并具有對發動機狀態的監視功能，如PW F100發動機的數字電子式發動機控制裝置，GE F101發動機的模擬電子式推力增強器風扇溫度控制裝置、АЛ-31Ф發動機的綜合電子調節器等。

2.3 全權限數字電子控制

20世紀70年代，美國制定了全權限數字電子控制技術研究計劃。在PW F100發動機監控用的數字電子式發動機控制裝置基礎上，用數字電路和軟件實現液壓機械裝置的全功能控制。經過系統實時仿真分析、發動機地面和高空臺試車驗證，于1981年安裝在F-15飛機上進行首次試飛，1983年完成了飛行驗證計劃，在發動機全部控制范圍內驗證了全權限數字電子控制技術取代機械液壓式控制技術的可行性，驗證了全權限數字電子控制技術相對于液壓機械式控制技術的優越性。相對液壓機械式控制系統，全權限數字電子控制系統可以使飛行員無約束的操作，并提供自我保護裝置，即電子控制器計算出所有控制發動機狀態和發動機運行極限、無油門手柄死區、最大功率狀態下產生的最大牽引力，自動調節推力，并通過一個可調節放氣帶實現快速無喘振加速。

到了20世紀90年代，雙通道FADEC系統已經成為航空發動機的標準控制系統，FADEC系統已經成為新研航空發動機的典型特征。

2.4 智能分布式控制

20世紀90年代，全權限數字電子控制的強大功能促進了智能分布式控制技術的發展，仿真分析和樣件試驗表明，相對于集中式控制系統，分布式控制系統具有提高系統可靠性、維修性，減輕系統重量，降低全壽命期內成本等優點。但智能分布式控制系統要投入工程應用還需要解決各種難題，如高溫電子元器件開發和大功率伺服電機小型化等技術難題。智能控制是將人工智能引入發動機控制，能實現智能故障診斷和發動機健康管理。發動機智能控制技術已在基于模型的直接力控制、自修復控制和損傷自適應修復控制、延壽控制、自主推進控制等多方面開展研究，并取得了一定技術成果。

3 航空發動機控制的發展趨勢

隨著飛機性能的提高，對現代航空發動機的性能要求也越來越高。在提高發動機性能的同時，還要求減少排放物、降低噪聲，因此，航空發動機將設計的更加復雜，可調的部件越來越多，發動機的控制變量在不斷增加，從當前的 10～12個增加到20多個。

圖4反映了發動機控制系統控制變量逐年增加的情況。控制變量的增加使得控制回路的耦合性更強，經典控制理論已無法適應發動機高性能的控制要求，必須采用新的控制理論和控制方法以適應發動機性能發展的要求。

圖4 發動機控制變量的變化

3.1 主動控制技術

航空發動機主動控制技術主要包含壓氣機主動穩定性控制、燃燒室主動燃燒控制以及渦輪主動間隙控制。主動控制技術可使高載荷的渦輪機械達到更高的推重比，提高涵道比和部件效率，減少耗油率，進而提高發動機的性能、耐久性和生存性。主動控制技術還提供部件狀態的診斷/監視信息，避免了失效，從而降低維修成本。

壓氣機的氣動穩定裕度直接關聯燃氣渦輪發動機的穩定工作范圍。主動穩定性控制可通過預先探測即將發生的喘振與失速，在剛出現失速征兆時采取措施(如在失速先兆發生的初期向流場中主動加入反相擾動或調整放氣量、燃油流量和導葉角度等)，抑制失速現象的產生和發展，從而達到控制失速的目的，使壓氣機始終處在最佳的狀態，從而提高級壓比和發動機的性能。

渦輪葉尖間隙對壓氣機效率、渦輪效率、發動機功率和油耗影響極大。葉尖間隙過大會使發動機的性能降低，而間隙過小，又很可能會引起葉尖與機匣的碰撞或摩擦，嚴重危害發動機的安全，甚至導致嚴重的事故。主動葉尖間隙控制技術的執行機構目前主要有：主動熱控制、 主動機械和主動氣(氣壓)控制。

主動燃燒控制已經成為提高燃燒室性能、降低排氣污染的關鍵技術之一，通過快速改變燃燒的輸入實現對燃燒行為的調節。其有更好的靈活性，可改善發動機的性能，提高燃燒的效率、 降低耗油率和減少形狀因子(出口平面溫度剖面)，同時可降低污染排放、擴大工作包線并減少燃燒室的體積。

3.2 分布式控制技術

目前的發動機控制系統都采用集中式FADEC結構。控制系統復雜性的增加導致FADEC的重量、外形尺寸都大大增加。未來控制系統將是高度分布式控制系統，它由FADEC和多個智能裝置組成，中央處理器和各智能傳感器、智能執行機構組成了一個局域網。中央處理器與智能傳感器、智能執行機構之間通過數據總線進行通信，而不是集中式FADEC系統中的中央處理器與執行機構之間的點對點連接。采用分布式控制系統可以使控制器體積減少50%，從而減輕重量并提高發動機的推重比，通過采用智能傳感器和智能執行機構來提高傳感器系統精度并獲取更多系統信息，通過適應系統退化影響及故障隔離來增加系統可用性，通過功能模塊化和標準化來創建發動機標準組件和通用測試平臺，從而減少設計、生產、裝配和試驗成本，減少定期維修次數，從而達到備件減少、退化減弱和訓練減少的效果，縮短發動機壽命周期費用。采用一系列功能組件、通用接口、系統實現與系統功能相分離的方法，減少發動機控制系統設計周期。

3.3 多電/全電控制技術

圖5 分布式控制系統架構

FADEC系統中的燃油與作動附件仍采用傳統的機械液壓方式，存在泵轉速與發動機轉速耦合、燃油與作動機構控制回路耦合、能量利用率低、耐高溫能力差、抗污染能力差、全生命周期成本高等瓶頸，不能滿足更高性能、更高可靠的發動機控制需求。隨著電力電子技術的飛速發展，多電發動機(MEE)及航空發動機多電控制系統(MEFADEC)技術概念的提出和研究，為上述問題提供了解決途徑。

20世紀80年代起，歐美國家相繼投入巨大力量開展航空多電技術的研究和應用，涉及能量優化、發配電、電防冰、電剎車、電作動和多電發動機等多個技術領域。2002—2005年，歐盟實施了電力優化飛機(POA)技術驗證計劃，以遄達500發動機為平臺開展了多電航空發動機及其控制系統的研究和驗證。近年來，日本IHI、俄羅斯CAMCI等研究機構，希望通過開發新型控制系統改善燃油系統效率，利用高壓電氣化技術減小部件尺寸重量，重點在燃油與作動系統、電源系統和發動機控制系統方面開展研究，并在小推力發動機上進行了驗證。

MEFADEC是指采用電力驅動方式部分取代傳統系統中的液壓機械、氣動等驅動方式，實現對發動機的綜合控制，并對發電、配電、用電系統進行統一管理、集中控制，其主要特征在于以電的形式傳遞功率，電源功率的增加帶來了新的挑戰，未來需要重點突破大功率高功率密度電力作動機構，耐高溫高效功率驅動控制器，高精度高響應伺服控制算法，高壓電能的傳輸管理和電磁兼容，以及高溫振動環境的適應性等關鍵技術。

4 結束語

航空發動機是航空業發展的重要標志，而控制系統又是航空發動機的關鍵所在。經過幾十年的發展，航空發動機控制系統取得了很大的進步。國外航空強國已全面實現了全權限數字電子控制，國內部分發動機的控制系統也實現了全權限數字電子控制。未來，隨著航空技術的發展，航空發動機控制系統也將變得越來越重要。