航空發動機控制系統研究

張玉寶

摘 要：航空發動機控制系統是發動機的大腦和神經系統，控制系統的優劣直接關系到航空發動機的性能和可靠性。隨著航空技術的發展，要求不斷地提高，控制系統也由最初活塞式發動機改變螺旋槳槳距的轉速自動調節器發展到燃氣渦輪發動機的轉速、溫度、油量、起動、加速等控制系統，以及保證發動機安全工作的防喘裝置，超溫、超轉限制器等。因此，控制系統對保證發動機性能和安全都起著關鍵性的作用。

關鍵詞：航空;發動機;控制;系統;

發動機控制系統對于發動機而言猶如人的大腦對人體各器官的控制作用，是發動機的核心部件。航空發動機動力學控制技術的主要目的，是通過對支承結構和質量分布的合理分配，保障發動機在全轉速范圍內無有害振動。發動機自動控制的意義十分重要，發動機的各種特性要靠它來實現，發動機的可靠性要由它來保證，而且發動機試車及外場維護工作中遇到的問題及性能故障大部分與它有關。因此，控制系統對保證發動機性能和安全都起著關鍵性的作用。飛機要在不同的高度和速度下飛行，為了在飛行中保持發動機的給定工作狀態，或者按照所要求的規律改變工作狀態，都必須對發動機進行控制。所有這些只有依靠自動控制系統來完成。

一、發動機控制系統的基本要求

（一）穩定性高。航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，為航空器提供飛行所需動力的發動機。作為飛機的心臟，被譽為"工業之花"，它直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。航空發動機控制系統能夠保障航空器的持續適航，技術具備強實時性、高穩定性及小巧便攜等優勢，能夠在降低監測和診斷設備成本的同時，實現機載化的航空發動機監測與診斷系統的良好運行。通過分析和確認每個對象所經歷的狀態序列、在特定狀態下的行為、引起狀態轉移的條件、因狀態轉移而伴隨的動作、以及對異常做出的響應等內容，確立系統在其生命周期內的完整動態行為。這無論對提高航空發動機性能潛力，減輕重量，增加可靠性，縮短研制周期，還是易于改變控制方案和控制規律，以及實現飛機推進綜合控制等方面都會帶來顯著的效益。

（二）精度高。航空發動機的工作環境復雜，工作溫度范圍大（環境溫度～2000 ℃），導致結構工藝特征參數和結構特征參數的變化范圍大，引起發動機結構振動具有非線性時變特性。同時，轉靜件間隙、支承剛度、同心度、不平衡量分布等動力學參數和氣動流場氣動力等，這種控制系統兼有開環和閉環控制系統的優點，即控制及時（響應快）又準確（精度高），工作穩定，但控制器的結構較復雜。隨發動機狀態和溫度場的變化而變化，造成各連接結構部件振動傳遞特性相差也較大。在保證發動機可靠性的前提下，要求發動機的“壽命長”。這是發動機經濟性的另一項指標。壽命長，可以降低使用成本、節約原材料。具有直觀、準確唯一、結構化的優點，實現了從航空動力系統到子系統到部件的系統工程迭代，可以準確統一地描述系統的各個方面，對整個系統內部的各個細節形成統一的理解。

（三）體積小、重量輕。由于飛行包線的擴展，使發動機的特性變化很大。在此范圍內，要高性能地滿足飛機在各種飛行條件下的需要，可控變量就要多，控制系統也很復雜，不同類型，不同用途的發動機對控制系統的要求也不盡相同。一般來講，確定發動機個數的首要原則就是重量，輕型飛機或超輕型飛機由于起飛重量較小，多采用1～2臺發動機，而大型飛機則一般裝有2～4臺發動機，甚至更多。設計飛機的任何部件，都應在滿足使用要求的前提下，盡量減輕其重量。對發動機來說，就是要保證足夠大的功率而自重又很輕。衡量發動機功率大、重量輕的標準是“功率重量比”。即發動機所發出的功率與發動機重量之比值。“功率重量比”越大，表示在有相同功率的情況下，發動機越輕。發動機是否省油，是飛機使用的重要經濟指標。評定發動機的經濟性，常用“燃油消耗率”作標準。“燃油消耗率”是指單位功率（一牛頓或一馬力）在一小時內所消耗油料的重量。燃油消耗率越小，說明發動機越省油。例如，通過核心技術可以適當減少零件數目，既減輕了重量又提高了推力，如此有利于提高推重比的整體葉盤自然也不是容易摘得的“明珠”。除了因為輪盤和葉片成為一體，鎖緊裝置的減少也是重要原因。航空發動機對可靠性的要求極為嚴苛，簡化的轉子結構對提高可靠性有很大作用。

二、發動機控制相關技術

（一）全權限數字電子控制技術。發動機研究和發展工作的特點是技術難度大、耗資多、周期長，發動機對飛機的性能以及飛機研制的成 敗和進度有著決定性的影響，而且發動機技術具有良好的軍民兩用特性，對國防和國民經濟有重要意義。隨著飛機、發動機的發展，發動機控制領域的研究成果層出不窮。其中，飛機-推進系統控制一體化技術、全權限數字電子控制（FADEC）技術等無疑都代表著當前發動機控制技術的先進水平。通過發動機一體化設計，提供了一個覆蓋全生命周期的完整的、信息一致且可追溯的系統設計方案，避免各組成部分間的設計沖突，降低風險。成熟型號的知識是以系統模型的形式表示和存儲的，便于捕獲、查詢、理解和重用，而且重用的級別可以大幅度提高。具有經濟可承受性的全天候、遠程、多用途的飛機設計需求，給發動機設計提出了新的要求，除了具有更高的推重比外，還要求發動機既要有亞聲速巡航所需的低油耗和良好的巡航效率，又要有跨聲速加速以及超聲速沖刺所需的大推力。

（二）數字電子控制技術。要想使航空發動機獲得更大的推重比，就必須提高發動機渦輪前的進口溫度，因此對航空發動機燃燒室、渦輪葉片等熱端部件的抗高溫能力的要求相應提高。航空發動機被譽為工業皇冠上的明珠，有航空器“心臟”的美譽。通過電子控制技術，建立多個對象之間的動態協作和行為順序關系以及不同對象之間的消息傳遞，明確了起動過程中的系統與外部角色之間的交互關系，從而確定系統與外部的接口和端口關系。目前，我國航空發動機整體水平與美、英、俄三巨頭相比存在明顯落差，中國航空的“心臟病”問題一直是制約我國自主航空工業的瓶頸。發達國家都將發動機數字電子控制技術作為航空技術中的重要內容來發展，花費巨資（占發動機研制費25%-34%）研究，以保證航空發動機工作穩定并充分發揮其性能潛力。在發動機控制系統工程初期階段，系統產生的信息均以文檔形式描述和記錄。但是隨著系統規模和復雜程度的不斷提高，基于文檔的系統工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準確造成歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領域的設計相銜接（如軟件、機械、電子等）。

三、結束語

航空工業是一個國家軍用和民用技術的核心產業之一，具有用途廣泛，科技含量高，產業鏈長，回報率高的特點，受到了各個大國的巨大的重視，而航空發動機則是航空產品最特殊的一種，被稱為王冠上的珍寶，航空發動機需要做到輕重量，高推力，低油耗，高可靠，容易維修，長壽命等要求，開發制造難度為所有航空部件之最。航空發動機控制系統是發動機的重要組成部分，從屬于發動機但又有其自身特點，又獨立于主機優先發展。如今，航空發動機是制約我國航空產業發展的瓶頸，在強軍目標引領下我軍將加速補齊動力短板。航空發動機控制系統的發展是一個由單變量控制發展到多變量控制、由機械液壓式控制發展到數字式電子控制、由獨立控制發展到飛發綜合控制、由集中式控制發展到分布式控制的過程。

參考文獻：

[1]徐魯兵;面向對象的航空發動機性能仿真系統設計與實現[D];西北工業大學;2007年

[2]王鑫;航空發動機數學模型與控制規律研究[D];西北工業大學;2007年