航空发动机数字电子控制技术

机务英语 · 发表于 2009-11-3 21:06:35

——全权数字电子控制技术；航空发动机控制技术
——发动机；控制技术；电子控制技术
定义与概念：
航空发动机控制系统的作用是在整个飞行包线内，在发动机各个气动、热力和机械设计限制之内和在发动机所有功率范围内，根据外界干扰或油门杆指令，通过控制器改变可控变量（如供油量、尾喷口面积等），以保证发动机被控量（如转速、压力比等）等于常数或按预定的规律变化，使发动机安全、可靠、稳定的工作，并获得最佳性能。发动机控制任务有：
   （1）稳态控制：在外界条件变化时，保持既定的发动机稳定工作点。在各种工作状态和飞行条件下，最大限度发挥发动机的潜力，最有效地使用发动机，以满足飞机对推力（功率）的要求；
   （2）过度态控制：在油门杆从一个工作扎移到另一个工作扎时，能快速响应，并且不超过规定的喘振、熄火边界和高温控制；
   （3）极限控制：在各种工作状态和飞行条件下，保证发动机各主要参数不超过允许的安全极限值。
    航空发动机控制的内容包括主燃烧室和加力燃烧室燃油流量控制；风扇和压气机导叶和整流叶片角度控制；尾喷管面积及收/扩喷口面积比控制；压气机级间放气活门控制；压气机和涡轮叶尖间隙主动控制；矢量推力喷管控制；内、外涵变涵道控制；反推力控制；发动机冷却控制；失速/喘振保护控制；加/减速控制；超温、超速、超压保护控制；火焰探测器控制等。
航空发动机数字电子控制系统的主要部件是数字电子控制器。它一般由信号处理及转换电路、以微处理器为核心的数字电子计算机、输出信号转换及放大电路和电源等模块组成。微处理器通过运行程序，完成信号采集、控制运算和控制信号输出的功能；通过各种执行机构，实现对发动机的控制、监视和保护。它有发动机机载和飞机机载两种安装形式。为了确保控制器可靠工作，必须解决冷却、抗振动冲击和抗电磁干扰等问题。目前电子控制器一般都采取余度设计，使电子控制器的可靠性指标达到较高的水平。
国外概况：
早期的航空发动机仅要求对其油气比进行调节，采用较简单的机械液压装置即可实现。随着航空发动机技术的发展，要求控制的参数越来越多（目前已达6-10个，下世纪将增加到20个），这就要求控制器具有更强的计算能力、逻辑功能和控制精度。传统的机械液压控制器要实现这些要求显然过于复杂，采用电子控制在重量、成本和可靠性方面都有显著优势。
    早期的电子控制是简单的模拟式，主要用作极限控制。后来发展成多功能模拟式，已可用以控制主要发动机参数，机械液压系统只起超控保险和辅助作用。70年代初，数字式电子控制技术开始得到应用，首先作为监控系统使用，如在F100-PW-200TF30发动机上随着微处理机和大规模集成电路的发展，到80 年代中期，带液压机械备份的第一代全权数字电子控制系统在军民用发动机上得到应用，如F100-PW-220、PW2037等，F100-PW-220发动机上的数字电子控制系统能在变化的飞行条件下连续调节发动机压比，精确地控制推力和稳定性裕度，还具有故障检测和监控能力，发动机油门杆运动不受限制，也不会发生喘振。随着研究工作的深入和使用经验的增加，80年代末新研制的发动机几乎全部采用了全权数字电子控制，标志着这一技术已经实现了产业化和商品化。
    在电子技术领域中发展起来的SMT（表面安装）技术及先进控制理论的应用，使全权数字电子控制技术在90年代初实现了第一代到第二代的转变，如1991年初服役的改进型F100-PW-229发动机就装备了第二代全权数字电子控制系统，其功能较F100-PW-220上的第一代控制器更强，可以通过计算机与飞机直接实现信号交联，从而充分发挥推力潜力和耐久性，此外，体积、重量也有减少。
    美国研制的F119发动机上采用的第三代全权数字电子控制系统（FADEC）是在一项综合、可靠、容错控制计划下发展起来的，其控制参数多达12-13个，系统具有双-双余度和容错能力，可以进行模块重构。由于可靠性提高，已不设液压机械备份，系统能对发动机及矢量喷管实行故障诊断和处理，并能根据飞机推进系统一体化来确定发动机的最佳工作参数。

    美国目前正在实施一项未来先进控制技术研究（FACTS）计划，其目的是进一步实现动力控制系统的小型化、综合化及高性能和高可靠性。该计划准备在下列几方面来改进未来推进控制系统：
    （1）小型化：通过采用先进轻质材料和先进系统（分布式、光纤、电驱动泵）结构，大幅度减轻控制系统的重量和体积，最终目标是使系统重量减少50%。
    （2）综合化：采用超高速集成电路及并行技术，提高系统的处理能力，实现动力控制，状态监视综合，进而实现飞行/推进综合控制。
    （3）高性能：通过研究先进的进气道、发动机、矢量喷管的控制模态和逻辑，采用先进的控制理论和综合控制提高动力装置的性能。并随发动机技术的发展，增加新的控制功能，闭环叶尖间隙控制、风扇和压气机失速及喘振主动控制、燃烧室出口流场主动控制、噪声主动控制和磁性轴承控制等。其目标是使燃油消耗率减少5%，推力增大10%。
    （4）高可靠性：采用分布式系统降低控制系统的复杂性，改善维修性和可靠性；把控制器安装在远离发动机的地方；采用砷化镓和碳化硅器件制造电子控制器，采用复合材料制造油泵和计量部件，提高系统的耐高温、耐振动和抗电磁干扰能力。目标是使耐温能力达220℃。

目前水平的发动机控制系统的特点是一种中央余度FADEC处理机。所有控制规律处理、余度管理和输入/输出信号波形处理都由FADEC进行。结果，系统中最重的部件是导线束和接头。未来发动机控制器将进一步缩小体积，增加容量、提高运算速度，以适应日益增加的对控制功能的需求。数字控制技术的发展方向是综合控制、分布式控制、多变量控制和智能控制，采用先进控制模态和先进的光纤控制技术、容错技术、复合材料和耐高温的电子设备。
    综合控制
飞机上多个控制系统的设计传统上是独立设计的，不考虑相互间的耦合作用。实际上，飞机作为一个整体，其各系统间的耦合作用都是显而易见的，过去是驾驶员用控制输入来综合各个分系统，解决耦合问题，但由于现代飞机的多任务、高性能要求，驾驶员已无暇顾及各个分系统的综合，各个分系统孤立进行的方法已不能满足现代飞机的要求，这在客观上对各分系统提出了综合设计及自动综合控制的要求，数字控制技术的日趋成熟为综合控制奠定了基础。典型的综合控制如飞行/推进综合控制系统在技术先进的国家已逐步进入实用阶段，它采用各种优化控制模式，使飞机达到整体性能优化，在飞机巡航时采用最小油耗模式，可提高经济性；在飞机爬高或平飞加速时采用最大推力模式可增加推力10%以上，从而大幅度增加飞机爬高或平飞加速度。当增加发动机寿命为主要考虑因素时，采用最小涡轮温度模式，可在推力不变的前提下，减少涡轮温度；在进入和推出目标区时，采用减少发动机可观测性特征例如红外、凝结尾迹或声学讯号的控制模式，飞/推综合控制的上述效益是在不改变硬件，主要依靠软件的改变而获得的。推力矢量/反推力喷管的的应用，使推进系统直接参加飞行控制，对提高飞机的敏捷性、过失速、大机动飞行能力，缩短起飞滑跑距离，提高飞机生存力都有很大效益。此外，火力/飞行综合控制，火力/飞行/推进综合控制都将大大提高飞机的作战能力，综合控制技术在今后仍有很大的发展空间。
    分布式控制
未来控制系统的一个发展趋势是采用分布式控制系统，其特点是采用一个多余度数字处理机，该处理机起到飞行和主推进控制器的界面作用。控制器可根据用途和系统要求不装在发动机上，但传感器和作动器安装在发动机上，通过一条余度高速数据总线相连。为使温升和功率消耗量小，将采用变速和变流量燃油泵。发动机控制将与飞机共用电源和液压源。采用这种分布式控制系统的结果可降低控制系统的复杂性，从而改善维修性和可靠性。这种途径可使FADEC成为一个共用处理单元体，实现标准化，结果大大降低成本和重量。为使此途径成为现实，必须在若干关键技术方面取得进展，它们包括燃油处理系统、光纤技术、传感器和作动器、电子处理机和数据通信、控制模态和逻辑、轻重量材料以及与飞机其他分系统的综合。
    多变量控制
    随着发动机性能的提高，其控制变量也在增加，过去液压机械式的发动机控制系统，一般只对发动机转速一个变量实行闭环控制，是单输入单输出系统，而现代发动机控制控制变量数目的增加是惊人的，例如装有PW1128发动机的F-16XL飞机的飞行/推进综合控制系统有24个控制变量，其中有17个控制变量属推进系统，因此该航空发动机控制系统是一个典型的复杂的多变量控制系统。现在适用于多变量系统的控制规律、控制算法很多，如LQG/LTR、H∞等多变量鲁棒控制，各种自适应控制，还有采用神经网络、模糊理论等用人工智能技术的智能控制。但目前真正用于发动机控制的仍然是经典的PID控制，美国NASA、美国空军PW公司联合研制的数字-电子发动机控制器（DEEC），其基本控制算法也是变增益的PI控制，在早期美国曾开展过将线性二次最优控制用于发动机控制的研究计划，但却未见到实际应用的报道。据报道，美国空军与多家公司签约执行的飞/推综合控制中的综合控制系统设计方法（DMICS）研究计划中采用LQG/LTR方法，各种先进的多变量控制规律之所以不能在发动机上得到普遍应用的原因是多方面的，其中重要原因之一是：目前一些先进的控制规律大多建立在线性系统理论的基础上，把它们用于发动机这样的强非线性对象仍然显得软弱无力。因此，如何将先进的多变量控制规律有效地用于象发动机这样复杂的、强非线性的多变量系统仍然是21世纪发动机控制要研究的问题。

    近年来，由于人工智能技术的迅速发展，将人工智能技术用于发动机控制的初步研究已经表明发动机智能控制具有强大的生命力，象神经网络控制、模糊智能控制技术特别适合象发动机这样的发展的多变量强非线性系统，21世纪，智能控制必定是一个发展方向，随着非线性理论的发展，发动机控制也有可能直接应用非线性算法。
目前水平的发动机控制系统的特点是一种中央余度FADEC处理机。所有控制规律处理、余度管理和输入/输出信号波形处理都由FADEC进行。结果，系统中最重的部件是导线束和接头。未来发动机数字控制系统将是高度分布式的，其特点是采用一个多余度数字处理机，该处理机起到飞行和主推进控制器的界面的作用。控制器可根据用途和系统要求不装在发动机上，但传感器和作动器安装在发动机上，通过一条余度高速数据总线相连。为使温升和功率消耗最小，将采用变速和变流量燃油泵。发动机控制将与飞机功用电源和液压源。采用这种分布式控制系统的结果可降低控制系统的复杂性，从而改善维修性和可靠性。这种途径可使FADEC成为一个功用处理单元体，它可以做成标准化，结果大大降低成本，也有可能大大降低重量。为使此途径成为现实，必须在若干关键技术方面取得进展，它们包括燃油处理系统、传感器和作动器、电子处理机、控制模态和逻辑以及与飞机其他分系统的综合。
    光纤技术
光纤技术用于推进控制具有抗电磁干扰、抗电磁脉冲和抗雷击能力强，重量轻，便于实施余度电路因而可靠性高等特点。目前，光纤技术在推进系统中的应用落后于在飞机其他分系统中的应用，其主要原因是发动机控制系统的工作条件恶劣。要求提高光纤部件的耐温和抗振能力。未来的光纤推进/飞行控制综合系统包括传感器、操纵装置、波导管、连接器、光源和检测器。将光纤技术用于发动机控制系统将是21世纪重要的研究方向。
    容错技术
    发动机数控系统之所以有很高的可靠性，甚至比液压机械式控制系统具有更高的可靠性，除了提高数控系统中元件本身的可靠性外，还在于数控系统能使用各种容错技术，即使系统中某些元件发生故障，系统仍能安全工作，甚至正常工作。
    数控系统的容错包括对传感器、执行机构及数字电路故障的容错，对于不同的元件的故障采用的容错方法是不同的，但为了提高可靠性直接的方法是采用硬件余度，即采用多通道控制系统，但硬件余度的缺点是很显著的，增加了系统的重量、尺寸，对安装空间提出更高的要求，因此在传感器及执行机构的容错技术中采用解析余度的方法，用最优估计更现代理论，将输出量的最优估计来代替故障传感器的测量值，这样不需要增加硬件，而是用解析的方法，用软件来提供解析余度，而对电路故障、计算机芯片中的故障普遍采用BIT技术，在技术先进的国家，基于卡尔曼滤波的传感器解析余度的方法，所谓FICA系统还在多种发动机数控系统中应用，它能诊断传感器硬故障，并提供解析余度，在传感器有硬故障知，数控系统仍能正常工作。但对于传感器软故障的容错技术尚未达到成熟阶段，对执行机构故障的容错难度更大。

    对航空电子系统的BIT技术的研究也受到重视，如F-16C/D、F-15E等新型好看电子系统中BIT的应用取得惊人的效果，保证了这两种飞机在海湾战争中的执行任务率高达95%。研究也表明，采用神经网络、模糊理论等人工智能容错技术具有潜在的优势，特别是随着大规模集成电路制造技术的发展，神经网络芯片的出现，它们在航空发动机控制中的应用具有十分广阔的前景，下个世纪，发动机数控系统的容错技术也是重要研究方向。
由于航空发动机控制技术发展所依赖的技术基础与发动机有所不同，设计研制手段也有较大差异。因而国外有专门的研究发展机构，如美国的Hamilton、Woodward，英国的Lucas，法国的Elecma，俄罗斯的ЭГА、STAP等都是集预先研究、设计和小批量制造的科研生产联合体。
    先进控制模态和逻辑
尽管推进控制在过去20年中已经实现了数字化，但控制模态与过去机械液压式没多大变化。未来发动机将采用先进控制模态，这种模态将自动调整发动机工作点，以使整个飞行包线内性能（推力、耗油率、寿命和可观测性）最佳。这种自适应控制模态包括三个功能：（1）故障-适应和重构；（2）诊断和状态监控；（3）任务或模态自适应最佳化。控制系统逻辑将知道发动机当时的性能能力，并进行故障探测、隔离和适应，提供发动机诊断信息，用于指导飞行后维修和预测性能趋势。实现先进控制逻辑的关键是建立实时发动机模型。
    复合材料
把先进复合材料用于发动机控制和附件部件，还需要做大量的研究，以获得材料的电磁屏蔽特性，热沉能力，以及长期暴露于滑油、液压油、燃油、压力循环、高温和振动环境下所受影响的数据。目前，在用有机复合材料制造电子控制器机匣、作动器和油泵方面已经取得一定进展。例如，美国艾利逊公司用复合材料制造的油泵和计量部件，耐温能力高达204℃，重量比金属制造的约轻50%。
    高温电子设备
目前，军用电子设备的温度限制为125℃，发动机控制系统采用空气和燃油冷却尚能符合要求。但是，随着飞行速度和发动机工作温度的提高，发动机控制系统的工作环境温度将进一步提高，而用于冷却的热沉将越来越小。现在，已经设计了一些特殊用途的硅电路，它可以在300℃下长期工作。用碳化硅基片加工的金属氧化物半导体场效应晶体管和金属半导体场效应晶体管电路已经实现了在650℃下短时工作。其他一些耐高温芯片材料油砷化稼和鳞化镓，它们的耐温能力分别为390℃和450℃。
关键技术：
    （1）精确的机载发动机实时模型建模技术；
    （2）高性能电子控制器设计技术；
    （3）二次集成和专用芯片设计技术；
    （4）控制器抗恶劣环境技术（冷却、电磁兼容性）；
    （5）先进的应用软件设计技术（实现软件的非相似余度）；
    （6）先进控制模态设计（多变量控制算法，各种自适应控制算法）；
    （7）传感器余度设计及先进的解析余度技术；
    （8）高速、大流量、高压力、轻重量的燃油泵及计量装置设计；
    （9）状态监视，软、硬件故障诊断及处理技术。
应用与影响：
如今航空发动机控制系统已是一个多变量、时变、非线性、多功能的复杂系统，其性能的优劣直接影响发动机及飞机的性能，发达国家都将发动机数字电子控制技术作为航空技术中的重要内容来发展，花费巨资（占发动机研制费15%-30%）来研究，以保证航空发动机工作稳定并充分发挥其性能潜力，使飞机获得最佳的战术技术或经济性能。

llshzr · 发表于 2009-11-3 22:38:00

这网站的好东西好多啊！我喜欢！
就是现在没有FTP币，我哭啊！

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