航空发动机控制系统发展综述
(长沙航空职业技术学院,发动机
0901班 68号 陈俊南)
内容摘要：航空发动机的工作过程是及其复杂的气动热力过程。对这样一个复杂且编号多的过程如果不加以控制，航空发动机工作系统是根本不能正常工作的。航空发动机控制系统的工作目的就在于使其在任何环境条件和任何工作状态下都能稳定、可靠地运行，并且充分发挥其性能效益。
随着航空发动机工作系统的不断发展，其控制也在不断发展。这一发展可以大体归纳为：由基于经典控制理论的单变量控制系统发展到基于现代控制理论的多变量控制系统，由机械液压控制系统发展到数字式电子控制系统，由航空发动机各部分单独控制发展到各部分综合控制。
关键字：航空发动机 控制系统 综述
第一章 航空发动机控制系统的设计要求以及功能
1.1 控制系统的设计要求
航空发动机控制系统设计时必须满足四个方面的要求，即性能要求、可靠性要求、可维护性要求和质量要求。 １. 性能要求
从控制系统分析与设计角度考虑，这些要求即为系统的稳定性、动态性能、稳态性能要求。
（１）稳定性。与一般控制系统比较，航空发动机的稳定性问题更为突出。航空发动机的工作状态变化范围宽，环境条件变化大，因此它的特性变化很大。在某些情况下，例如高空低速飞行时，它的特性变得很差；当机动飞行、武器发射时，航空发动机又在极为不利的条件下工作。这些情况给控制系统设计带来了苛刻的要求。控制系统设计必须保证系统在任何环境条件下以及受到任何形式的干扰作用时都具有良好的稳定性。
（２）动态性能。控制系统设计应保证系统具有良好的动态品质，即响应要快、超调小、振荡少；由一种工作状态到另一种工作状态的过渡态控制，过渡时间要短，并且平稳与可靠。
航空发动机的动态性能取决于所采用的控制方法。例如，发动机的加速，如果采用沿着接近于喘振边界线进行加速的方法，则发动机的加速时间最短，这意味着发动机可在最短的时间
内获得最大的推力，然而加速过程又受到发动机工作必须绝对安全可靠的限制。因此，控制系统设计时不得不在高的动态性能指标与发动机安全工作要求之间进行折中。
（３）稳态性能。控制系统稳态性能要求即控制精度要求。控制系统设计时应保证系统有足够高的控制精度，以便保证航空发动机稳态性能的充分发挥和工作安全可靠，例如在发动机
其他参数不变时，发动机转速降低１％，则推力将减小３％，对于最大推力为４９ｋＮ的发动机，相当于减小了１?４７ｋＮ的推力，这对发动机性能是一个很大的损失。航空发动机控制系统
的控制性能取决于所选择的控制方法、控制参数和对这些参数控制的精度。
２.?可靠性要求
航空发动机控制系统运行时，由于工作状态和环境条件的不断变化，实际存在的各种随机干扰因素的影响以及元件、部件的老化等问题使系统出现各种各样的故障，这些故障将影响到系统的性能，甚至影响到系统的正常工作。对于机械液压式控制系统，由于其工作频带低，当即将出现故障时，多数情况下，驾驶员能及时发现并能及时处理。然而对数字式电子控制系统，由于工作频带宽、运行速度快，在故障情况下驾驶员来不及反应，更不可能及时处理，因此，就提出了数字式电子控制系统的可靠性问题。随着航空发动机性能要求的不断提高，数字式电子控制系统愈来愈复杂，出现故障的概率也就增加，因而控制系统的可靠性要求也就愈来愈高。可靠性是指系统及组成系统的元件和部件的功能在规定的时间内工作的稳定程度，也就是在规定的时间内，系统、元件、部件是否处于良好的工作状态，任何一个系统如果不具有可靠性或可靠性很差都是不能使用的。可靠性设计是控制系统设计极为重要的部分。对于数字式电子控制系统，还需要考虑传感器损坏、信号传输线路断路、执行机构损坏、传感器因较强的外界干扰而引起的信号波动等硬故障和传感器飘移、随机噪声引起的信号变化等软故障。因此，系统设计时必须采取故障检测与隔离措施，并采用容错控制及余度控制技术，以保证系统的正常工作。在航空航天领域内，控制系统的可靠性尤其重要，有时极其微小的故障也会带来灾难性的后果。美国“挑战者号”航天飞机空中爆炸，欧洲“阿利亚娜号”火箭发射失败，以及世界各国飞 机的飞行事故都说明了系统可靠性的重要。只有成功地解决了可靠性问题，才能避免事故的发生。 ３.?可维护性要求
可维护性是航空发动机控制系统设计的重要要求之一，发动机状
态监控与故障诊断即是对维护性的重大发展。控制系统设计时必须把系统的可维护性放在首要位置考虑。在外场使用时必须便于检查，而在返修时必须便于分解，便于对有故障零部件和老化零部件的更换，便于重新安装与调试。不具有可维护性的系统实际上是降低了它的使用寿命，在经济上是一种损失。 ４.?重量要求
控制系统的重量应尽可能轻，以满足发动机推重比要求，而推重比是发动机最重要的性能指标。为此，控制系统设计时应选择性能好的轻质元器件和材料。控制系统结构尽可能简单。为了提高航空发动机的性能必须采用更为先进的控制模式和控制方法，然而先进的控制模式和控制方法的实际应用绝非一项轻而易举的工作，需要经过方案拟定、航空发动机数学模型研究、控制软件研究、硬件设计、控制系统仿真试验、台架试验、高空台试验、飞行试验等各个阶段的研究，最后才能对所设计的控制系统进行评估。其中每一阶段都需要进行大量的工作。在可靠性要求的实现方面必须经过可靠性设计、元部件可靠性试验及系统可靠性试验等。总之，先进的航空发动机控制系统设计是一项庞大的系统工程，涉及许多研究机构、从事各方面工作的研究人员以及他们协调一致的工作，从开始研制到投入使用往往需要几年，乃至十几年的时间。
1.2 控制系统的功能
航空发动机的工作过程是极其复杂的气动 热 力 过 程，它 的 工 作 范 围 是 如 图 1.1所 示 的 整 个飞行包线，图中横坐标表示飞行马赫数 MA，纵坐标表示飞行高度 H，在飞行 包线内，航空 发 动机随着其环境条件和工作状态（如最大状态、巡 航状 态、加 力 状 态、加 速 及 减 速 状 态 等）的 变 化，它的气动热力过程将发
生很大的变化。对这样一个复杂且变化多的过程如不加以控制，航
空发动机是根本不能正常工作的。航空发动机控制系统的功能和目的就在于使其在任何环境条件和任何 工作状态下都能稳定、可靠地运行，并且充分发挥其性能效益。
以下对进气道、发动机及喷管控制的功能分别作简要介绍。 1.进气道
早期的飞机由于飞行速度不高，进气道均采用亚声速进气道，对这种进气道一般不需要控 制。飞行马赫数 MA>1.5的飞机必须采 用 超 声 速 进 气 道。超 声 速 进 气 道 的 性 能 受 进 口 条 件 的影响很大，飞机飞行速度和飞行高度的变化、飞行姿态的变化以及武器发射等都将引起进气 道气动阻力、总压损失发生很大的变化，甚至导致进气道工作不稳定。为保证超声速进气道在 任何条件下都能处于良好的工作状态，必须对其进行控制。
对超声速进气道的控制就是当进口条件变化时，调节进气道的通道几何面积，以调节通过 进气道的空气流量，使其与通过发动机的空气流量相匹配，减小进气道外阻力和总压损失。
2.发动机
随着飞行条件和发动机工作状态的变化，发动机特性将发生很大的变化，在一定的条件下