摘要：本文介紹了航空發動機先進控制概念和設計思想的發展趨勢，著重分析了全權限數字電子控制技術，并對全權限數字電子控制系統的最新研究進展進行了探討。
　　關鍵詞: 全權限數字電子控制　自動控制系統　航空發動機
　　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。由于FADEC有著眾多的優點和發展潛力，許多國家都在研制。并且隨著新技術、新材料的應用，可靠性問題已得以解決，同時，成本也在不斷降低。 
一、發動機先進控制概念
　　20世紀80年代，以美國NASA為首的多家研究機構通過詳細評估鑒定出最值得發展的先進控制概念。在篩選和排序工作中所選擇的比較基礎是裝有先進渦扇發動機的第4代高性能軍用戰斗機（MHPF）和馬赫數為2.4的高速民用運輸機（HSCT）及其發動機；所采用的評估判據包括權衡因子和品質因素。其中，權衡因子考慮不同尺寸、燃油及空氣流量、效率等影響；品質因素包括起飛重量、耗油率、失速裕度、起動影響以及復雜性、風險、壽命期費用、診斷能力、解析余度等指標。根據評估結論，排在前4位的先進控制概念是：發動機智能控制（IEC）、性能尋優控制（PSC）、穩定性尋求控制（SSC）、主動失速/喘振控制（ASC）。
　　IEC采用的基本方法是進行渦輪發動機的模型仿真，即將所建立的發動機模型加到推進系統的控制中去，直接控制推力和發動機限制參數。這種方法首先需要正確建立發動機數學模型。目前，采用認知工程理論和模糊控制方法處理復雜的發動機動態模型已取得一些仿真試驗結果，證明了其實際應用的可能性。但跟蹤濾波器需調整的參數（部件特性、性能參數、傳感器誤差等）很多，給控制方法的實現帶來較大的困難。
　　PSC是一種以模型為基礎的自適應控制算法，目的是通過實時修正飛行測量參數來調整控制規律，優化發動機性能。這種算法包括一條修正推進模型的路徑和一條對模型預估性能進行優化的路徑。使用卡爾曼濾波器對非標準發動機按實時狀態進行修正，以使模型更貼切地反映發動機的性能。PSC算法已在F-15飛機上進行了飛行試驗，試驗結果表明推進系統的性能得到了改善。PSC所采用的控制算法包括三種控制模式：最大推力模式、最小耗油率模式、最低風扇渦輪進口溫度計算模式。
　　SSC利用控制算法減小對部件穩定性裕度的要求。這種方法將穩定性檢查加入到發動機控制邏輯中去，實時地計算非穩定性影響（但不是設計時假設的最壞情況，即各種非穩定因素影響的迭加），對風扇和壓氣機穩定性進行在線評估，允許控制系統將喘振裕度減至最小，從而提高發動機性能。
　　ASC旨在對發動機喘振進行主動控制，即在剛出現失速的征兆時就采取措施（如調整放氣量、燃油流量和導葉角度等）消除失速。過去用于失速控制的算法受到液壓機械控制技術的限制，現在則可利用微處理器的能力來實現復雜的新的控制算法。采用這種方法能擴大發動機的穩定工作范圍，使發動機在降低了對設計失速速度要求的狀態下仍能穩定工作，從而獲得更高的性能。 
二、FADEC
　　1.FADEC概況
　　FADEC利用數字式電子控制系統的極限能力來完成系統所規定的全部任務，是高性能飛機發動機以及一體化控制必然采取的控制形式，是該領域的發展方向和研制重點。
　　FADEC系統包括燃油泵系統，主燃油、加力燃油計量裝置，放氣活門控制，變幾何位置作動，葉尖間隙主動控制，傳感器，專用電源發電機以及電子控制器等完整的控制系統。
　　2. FADEC的優點
    （1）提高發動機性能。FADEC的計算能力強、精度高，能夠在整個飛行范圍發揮發動機的最佳性能；能夠改善發動機的啟動和過渡特性；能夠改善發動機安全保護。FADEC的數值計算和邏輯判斷能力可在更合理的范圍選擇控制規律；容易實現發動機控制方案的變動，通過修改軟件就可以尋找最佳控制性能。 #p#分頁標題#e#
　　（2） 降低燃油消耗量。由于FADEC可實現發動機的最佳控制，因此，發動機控制器更換時，可減少乃至不需要調整運轉，加之慢車轉速的閉環控制、引氣最佳化，結合自動油門等措施，能夠減少燃油消耗。
　　（3） 提高可靠性。由于采用余度技術、故障診斷、恢復功能，而且減少了超溫、超轉、過應力等情況，使發動機的可靠性提高。
　　（4） 降低成本。由于包括自測試、診斷、記憶等功能，可實施計算機輔助故障診斷，給維護帶來方便。加上更換控制裝置不需要調整運轉，使發動機維修成本降低。
　　（5） 易于實現發動機狀態監控，易于實現與飛機控制的一體化。
　　3. FADEC的最新研究進展
　　目前的發動機控制系統是集中式余度FADEC，所有的控制規律處理和計算、余度管理以及輸入/輸出信號的濾波和處理都經由FADEC進行，控制系統中最重的是引線和接頭。 未來的FADEC將采用分布式控制系統，與集中式FADEC相比，引線數、接頭數和重量分別由2214kg、112kg和134kg減少到320kg、80kg和50kg。在分布式控制系統中，靈巧裝置通過一條余度的高速數字數據總線和FADEC通信。靈巧裝置可以是一個傳感器，或一個作動器，或是兼有傳感和作動功能的裝置。每個靈巧裝置有自己的處理元件，可以執行所要求的當地功能。為使溫升和功耗最小，還將采用變速和變流量泵。
　　除了降低發動機控制系統的復雜性和重量之外，分布式控制系統的優點還有：由于采用通用模塊和標準接口，縮短了研制周期和降低了成本（60%）；通過對每個靈巧裝置進行自檢和診斷，降低了維修成本；采用新的元件級技術，對中央處理計算機的改動最小甚至無需改動，設計和升級的靈活性大；FADEC可以遠離發動機安裝，進一步降低重量，改善可靠性和控制系統的總和。
　　分布式控制系統的關鍵技術有：分布式控制系統的總體結構和運行模式；余度多路傳輸光纖總線；多余度數字處理機和并行處理技術；耐高溫的靈巧傳感器和作動器；重量輕的變速、變流量電動燃油泵；發動機狀態監視和管理系統。
　　（1）靈巧傳感器和作動器。傳感器和作動器占發動機控制系統重量的相當大一部分。所有的傳感器和作動器都需要某種形式的補償，即它們自己的控制系統。在分布式控制系統中，傳感器和作動器與電子模塊組裝在一起。該電子模塊為傳感器和作動器提供如下功能：主動補償環境條件（如溫度）的影響；信號調制和轉換；故障診斷、超限檢查和自檢，對FADEC工作狀態提出建議；對作動器進行閉環控制；提供與FADEC的簡單通信和接口。
　　（2）高溫電子裝置。靈巧傳感器和作動器中的電子模塊在高溫環境下工作，并且不能用燃油來冷卻，因此，需要發展高溫電子裝置。目前，常規的電子裝置的耐溫能力125℃，通過應用砷化鎵材料，并采用集成注射邏輯(I2L)電路設計技術，可使集成電路的工作環境溫度達到300℃。I2L是一種雙極構型的大規模集成邏輯電路，由于這種設計的晶體管體積較小，從而可以減小漏電。漏電隨溫度按指數上升，并且會引起許多系統、裝置故障，因此，減小漏電非常重要。
　　提高溫度可靠性的金屬化其他嘗試還包括金屬化系統和漫射障板。利用黃金可以把電阻接觸點的耐溫能力擴大到600℃。
　　（3）數據總線--發動機局域網（EAN）。EAN是連接靈巧裝置和FADEC的通信網和電網。在EAN內，每一通道有一條或兩條纜線。每一條纜線有一對加屏蔽的盤繞導線，用以在FADEC和靈巧裝置之間傳遞數字數據，還有一對加屏蔽的盤繞導線，用以從FADEC向靈巧裝置通電。如果用改善屏蔽的辦法還不能消除電力網噪聲對數據網的干擾，就需要改變電源頻率和波形。若使用光導通信總線和光學接口，則大大消除這種電子干擾，進一步減輕重量。
　　（4）變速、變流量電動燃油泵。采用電力驅動的變速、變流量電動燃油泵能夠使發動機燃油泵結構簡單、重量輕。發展耐高溫的有機基復合材料和金屬基復合材料可進一步減輕重量。 #p#分頁標題#e#
三、結束語
　　從美國NASA等研究機構對先進控制概念的評估和篩選及最終排序可以看出發動機控制系統研制的發展趨勢。盡管出現了諸多的"先進控制"、"主動控制"等概念，但要解決的主要技術問題不外乎美國高性能渦輪發動機綜合技術（IHPTET）計劃中歸納的三個方面，即：增加控制性能；減輕重量；提高對不利環境的容限。隨著輕重量材料的應用、微處理器能力的進一步開發，FADEC已進入實用階段，并以它突出的優點廣泛應用于各種新型發動機控制中。 
作者姓名： 金茂賢
作者單位： 空軍工程大學