第四章 航空发动机控制系统的发展以及国内发展概况
4.1 航空发动机控制系统的发展
随着航空发动机的不断发展，航空发动机控制也在不断发展。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 液压式控制系统发展到数字式电子控制系统，由进气道、发动机及喷管各部分单独控制发展到 由三者组成的推进系统综合控制以及飞行／推进 系 统 综 合 控 制。未 来 的 航 空 发 动 机 控 制 将 会 由集中式控制系统发展为分布式控制系统。
4.1.1 航空发动机单变量控制和多变量控制
早期的航空发动机，由于飞机的飞行速度不 高，发 动 机 的 推 力 不 大，所 以 在 航 空 推 进 系 统 中采用亚声速进气道和收
敛喷管，并且不需要对进 气 道 和 喷 管 控 制。这 时 的 航 空 发 动 机 采 用 的控制方案是当飞行条件变化时，根据测量的发动 机 进 口 压 力，调 节 燃 油 流 量，保 持 发 动 机 转 速基本不变的开环控制方案。由于这种控制方案的 控 制 精 度 不 高，因 此 在 以 后 的 发 动 机 控 制 中不再作为主要的控制方案。
随着对发动机性能要求的提高和经典控制理论的完善，到２０世纪50年代初，在发动机控 制中应用了经典控制理论的闭环反馈控制原理，并成功 地 设 计 与 实 现 了 发 动 机 转 速 反 馈 的 闭 环控制，使控制系统的控制精度和动态性能得到了很大的改善，发动机性能有了较大的提高。
经典的反馈控制理论在发动机控制中的应用是发动机研制与发展的一个重要阶段 。虽然 这种控制理论仅解决了单输入／单输出控制系统的设计，但这种设计方法简单，易于实现，并能 保证发动机在一定使用范围内有较好的性能，因此，这种控制方法仍然应用于目前的许多发动机控制中。
现代航空发动机的工作范围在不断扩大，并要求在全飞行包线内都具有最佳性能，如高的 控制精度，良好的稳定性，大的推力，低的耗油率，飞行条件变化或发动机工作状态变化时的动 态过程时间尽可能短等。在这种情况下，仅用一个控制量控制发动机的一个参数的单输入／单输出控制系统是不可能实现这些要求的，为此，必须采用更多的控制变量以控制发动机更多的 参数，这就构成了多输入／多输出的多变量控制系统。控制参数越多，控制回路就越多，在多回 路控制系统中，任何一个回路中参数的变化，都将影响到其他回路，因此，各回路之间的交互影 响成为多变量系统设计中的一个重要问题。利用经典的反馈控制理论虽然也可以设计多个单 一反馈回路组成的多回路系统，然而这种多回路系统不仅结构十分复杂，而且难以解决多回路 的交互影响，也就不可能保证系 统 的 稳 定 性 及 动 态 性 能。20世 纪 60年 代 以 来 发 展 的 现 代 控 制理论为解决多变量控制系统设计奠定了理论基础，并且很快地 在 发 动 机 控 制 中 进 行 了 应 用 研究。
20世纪70年代初，美国对 F100发动机进行了多变量控制系统研究。为了 保证控制精 度 和发动机最佳性能，选择了5个需要控制
的发动机参数。这5个参数是风扇转速、高压压气机 转速、主燃烧室进口压力、加力燃烧室进口压力和主燃烧室燃油需用油量。在非加力状态下相 应地选择了5个控制输入量，即主燃烧室燃油供油流量、喷口面积、风扇导流叶片弯度、高压压气机静子叶片 安 装 角 和 高 压 压 气 机 放 气 活 门 放 气 面 积 （控 制 放 气 量 ）。美 国 的 四代 发 动 机F119有14个控制回路。
如果希望发动机在起飞和超声速飞行时能产生最大推力，而在飞行时耗油率最小，最好的方案是改变发动机的热力循环过程，使其在巡航飞行时按涡轮风扇发动机原理工作，以降 低耗油率，而在起飞和超声速飞行时，通过改变发动 机 的 几 何 通 道 面 积 来 改 变 内、外 涵 的 流 量 比（即涵道比），转为涡轮喷气发动机的工作状态，以 产 生 最 大 推 力，这 就 是 变 循 环 发 动 机。这 种发动机的被控参数往往在20个以上，相应的控制变量也大大增加。仅仅作为控制变量的几 何通道可调参数就包括尾喷管喉部面积及出口面 积、涡 轮 导 向 器 面 积、外 涵 道 出 口 面 积、压 气 机放气活门面积、压气机静子叶片安装角、风扇导流叶片弯度等，还包括主燃油流量、加力燃油 流量、涡轮间隙冷却空气量等。整个系统是异常复杂的多变量控制系统。
4.1.2 航空发动机机械液压式控制器和数字式电子控制器
1.机械液压式控制器的发展及局限性
航空发动机问世以来，一直采用机械液压式控制器。随着航空发动机的不断发展，机械液 压式控制器的设计与制造技术也在不断发展，由于对控制功能要求的不断扩大与提高，使控制 器的结构不断完善，目前机械液压式控制器已发展为能 够 实 现 比 较 复 杂 的 发 动 机 控 制 规 律 和 具有较高控制精度的“计算装置”。此外，机械液压式控制器还具有抗电子干扰能力强的优点。 当前正在应用的许多航空发动机，其控制系统仍然采用机械液压式控制器，因此这种控制器目 前仍然有着重要作用。
机械液压式控制器在实现航空发动机单变 量 控 制 中 具 有 一 定 的 优 越 性。但 是，正 如 前 文所讲的，现代航空发动机要求控制更多的参数（变 量），以 提 高 其 性 能，若 仍 利 用 机 械 液 压 式 控 制器实现多变量控制，其结构将十分复杂，并且无法 实 现