智能航空發動機綜合優化控制的應用及發展

王勃，劉美山

（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

0 引言

復雜的航空發動機系統需要按照設定的控制程序嚴格地、有條不紊地進行工作，但是在智能化的控制上存在一定欠缺，無法根據環境變換主動做出改變，執行一些相關響應，因此這也一定程度上限制了航空發動機的設計、應用和維修方面的智能化發展。所謂智能化，要做到既可以按照規定的完整流程去執行也可根據環境的變化做出思維上的正確反應，航空發動機的智能化、自動化發展將是航空發動機現在和未來的主流發展趨勢，綜合控制技術的優化與改進是推動航空發動機技術發展的有效途徑[1]。

1 智能航空發動機概述

發動機控制技術作為航空事業關鍵技術，掌握著綜合的控制能力，智能化航空發動機的大體工作流程是通過發動機健康管理系統和主動控制系統，根據對傳感器所示數據和專家模型分析，可以全面、實時地監控和掌握發動機和元器件所處的外界環境以及運行狀態，依據這些反饋信息和環境信息隨時改變發動機的運行模式，對發動機狀態和性能進行積極的自我管理，最大化發揮發動機的運行效率，提升對航空發動機的智能化操縱性，全面增強航空系統整體可靠性和安全性，減少發動機故障的產生，同時減少維修保養成本。隨著現代航空對對飛機無論是在可靠性、安全性、經濟性還是在受環境影響性方面，都提出了日益嚴格的要求和標準，智能航空飛機的發動機設計與控制技術研發給相關研究人員帶來諸多挑戰，智能發動機的控制技術，例如，主動控制技術、分布式控制技術、傳感器和作動器技術等關鍵技術，這些技術的優化和改進要科技研究人員的不斷努力，以提升智能發動機可靠性、綜合控制能力以及健康管理[2]。

2 現代航空發動機關鍵技術

隨著科學技術的發展，我國對現代發動機的要求越來越高。除了發動機自身的安全性、操縱性和成本負擔外，還對發動機排放能力有了更高層次的要求，詳情見圖1。大自然生態環境的變化使現代發動機系統不斷更新優化，給研發人員帶來了新的挑戰。智能化發動機的研發技術主要體現在發動機控制、健康管理、數據融合以及故障診斷等，這只是其中的一部分，同時，還有飛機的地面維修技術。因此，為了保證智能發動機的研發順利進行，除了要對發動機的各項關鍵技術熟練掌握外，還有對其性能充分了解。

圖1 現代飛機發動機需求

2.1 FADEC技術

全權限數字電子控制（FADEC）技術采用了先進的容錯技術、光纖技術以及控制模態和邏輯，未來會主要向智能控制、綜合控制、分布式控制以及多變量控制方向進行研發與應用。FADEC技術以更好地滿足智能航空發動機的運行特點為目標進行改進，在未來智能航空發動機全權限數字電子控制技術的研發中，類似光纖傳感器、高溫電子裝置、復合材料以及高溫電子驅動和作動器等這些技術都有很大的可能性能夠發展為FADEC系統中的關鍵技術。當下，全權限數字電子控制系統的關鍵技術包括：

（1）精確的記載發動機實時建模技術；（2）智能電子控制器設計技術；（3）抗惡劣環境控制器技術；（4）二次集成和專用芯片設計技術；（5）先進控制模型設計；（6）智能的應用軟件設計技術；（7）先進解析余度技術與傳感器余度設計；（8）狀態監視、故障診斷及處理技術；（9）質量輕、速度快的燃油泵及計量裝置設計[3]。

2.2 主動控制技術

主動控制的作用是綜合考慮發動機的設計與結構、航空飛機飛行狀態、氣動力變化、環境改變等多種因素，進行協調和控制，充分發揮發動機的優勢、飛機控制主動性和飛行控制潛力，使智能航空以最佳性能進行任務的執行，保障飛行的安全性，避免故障的產生，延長智能航空飛機的使用壽命，有效減少智能航空飛機的維修與保養費用。涉及到智能航空發動機主動控制技術改進與優化控制的領域，有微處理器技術、控制理論、傳感器和作動器技術以及部件動態響應特性等。如今，微處理器技術和控制理論已經得到廣泛的應用，主動控制技術在傳感器和作動器技術的研發方面具有較大的發展空間與挑戰力度，傳感器要適應外界高溫環境的同時具備較高的穩定性，作動器要擁有高帶寬和高頻響應，而在主動控制技術的穩定性控制、燃燒控制以及間隙控制方面，都需要應用到高頻響作動技術，因此，高頻響作動技術作為主動控制技術研發與應用中的關鍵技術，作動系統需要具備較高的應用特性，帶寬充足、質量輕、耐久性好等成為今后的主要研究反向。

2.3 分布式控制技術

航空發動機系統是一個復雜、綜合的控制系統，在智能航空領域，集中式的控制系統無法高效施展，需要耗費較大的資源和能源。相比來看，分布式的控制方式反而較為適合智能航空發動機系統在方法、結構、測量執行元件等方面的綜合控制，能夠有效提高系統可靠性、發揮系統優勢性能。分布式控制技術在智能航空發動機系統中的應用優勢眾多，例如可以使控制系統輕量化、減少綜合控制系統的設計與開發周期、增強執行機構和傳感器技術的兼容性等；另外，可以實現航空發動機每個智能裝置中測試、識別功能設備與裝置的統一化、標準化應用，大幅度降低了故障維修難度和維護成本。如圖2所示，介紹了分布式控制技術發展的關鍵技術[4]。

圖2 分布式控制技術發展藍圖的關鍵技術

2.4 智能控制和健康監視技術

2.4.1 基于模型控制

基于模型的控制技術在現代智能航空發動機綜合控制方面應用較為廣泛，此技術可分為兩種控制形式：多輸入多輸出(MIMO)控制和單輸入單輸出(SISO)控制。單輸入單輸出控制較易實現，對各方面的控制沒有非常嚴格，但也達不到多重作動器發動機的使用要求，因此相對適合主燃油控制常規發動機的使用。而基于模型的多輸入多輸出(MIMO)控制與SISO控制相比，控制結構更加完善、功能更加先進，不僅可適用于常規發動機的使用，在軍用或者商用的發動機上也能發揮良好使用效果，間隙控制作動器、變幾何等幾乎全部類型的控制作動器都可應用多輸入多輸出控制完成轉速調節、溫度限制、壓力限制等多種任務[5]。

2.4.2 狀態/健康監視

地面系統和機載系統相互協作，才能完成發動機狀態/健康監視（ECM）。通常主要從航空發動機氣路性能和機械狀態兩方面進行發動機的狀態監視，同時輔以氣路或機械部件的幾乎無損害的探測檢查。發動機振動監視（EVM）是航空發動機機械狀態監視的重要環節。振動監視的作用是全面監測發動機的運行狀態，及時檢查并發現異常和故障的出現，避免危險狀態下運行導致的更嚴重的傷害。發動機振動監視技術常被用來監視轉子系統的設備運行狀態。另外，滑油監視技術在航空發動機機械狀態監視方面應用也較為成熟，利用光譜分析、磁塞監測以及鐵譜分析等技術，評判航空發動機各元器件和設備之間的磨損狀態。

2.4.3 自適應控制

模型預算控制也可稱之為一種新穎的自適應控制技術，“MPC”。最早之前發動機控制邏輯是依托發動機平均模型對其增益進行固定控制，這種控制方法較為傳統。MPC可以使發動機的性能和飛行壽命保持在最佳狀態。而這種最佳控制操作往往是在飛行發動機性能退化時，通過自適應發動接控制邏輯延伸開展。自適應控制技術在解決飛機發動機控制器設計方面的問題，與其他控制算法存在一定的優勢。該技術可以直接對發動機所發出的溫度、速度以及邊速邊界的規定參數進行處理。同時，自適應控制技術為了及時解決發動機在工作時出現的故障問題，可以對系統參數進行簡單修改，其主要目的是降低或提高發動機的抗變性。MPC自適應控制技術可以在飛機作業期間對其耗油指數和排放量進行在線修改，這樣可以有效提高發動機的使用壽命。每次樣本對當前工作點的非線性發動機模型線性化，并且得到的線性狀態空間模型被用來闡明和解決有限范圍內約束的最優化問題。同時，還可以在超出范圍時加強所有輸入量和輸出量約束。只有這種優化控制分布的首次采樣被執行，并且在下次相應地改變控制、預測范圍的采樣時重復整個過程。

2.5 傳感器和作動器技術

傳感器和作動器技術的改進在航空發動機的智能化研發上具有重要意義，對傳感器和作動器的智能化設計提出較高要求。目前，在航空發動機的傳感器運行上主要采用電容傳感技術、電磁式傳感技術以及磁性-光學探測技術等。隨著智能航空發動機綜合控制技術的優化與改進，出現了一些創新形式的關鍵傳感器技術，例如，信號傳輸技術、光學MEMS技術和頻譜和激光診斷技術等一些列的先進傳感器技術。作動器的主要發展方向不在技術上，而是在制作材料上，通過對先進材料的研發和應用提高作動器的運行效果，例如，壓力電陶瓷、形狀記憶材料以及電活性材料等通常具備顯著應用優勢和功能性的先進材料。傳感器要能夠適應外界復雜多變的環境因素，收集數據并將相關信息反饋到發動機控制系統，通過對數據的分析與規劃后，發布對應的控制命令，通過作動器完成各項指標和任務，完成一整個計劃與執行過程[6-7]。航空智能發動機控制和健康監視對傳感器的各項要求如表1所示。

表1 智能控制和健康監視的傳感器要求

3 結語

航空智能發動機相關控制技術的不斷改進與優化是推動我國航空航天事業發展的重要因素，一些關鍵技術的應用與開發使得航空發動機的綜合性能以及智能控制效果得到提升[8]。提出了高性能的全權限數字電子控制技術、氣路內部件主動控制技術、系統結構分布式控制技術、智能控制和健康監視技術以及高可靠性的傳感器和作動器技術，以全面促進智能航空發動機的綜合優化控制。