在推进系统综合控制研究方面,美国于 1973——1976年利用 安 装 在 F111飞 机 上 的 进 气 道 和 TF30发动机进行了研究,研究结果证明了采用推进系统综合控制所带 来的 效益,包括飞 行 范围的扩大、快速节流响应的提 高 以 及 推 力 的 加 大 等。1978年 在 YF12C飞 机 上 采 用 推 进 系 统综合控制提高了进气道稳定性,在保证推力的情况下降低了涡轮进口温度。
4.1.4 航空发动机 FADEC集中式控制与分布式控制
当前航空发动机 FADEC均 采用 集 中式 控制系统,即将数字式电 子控制器集中放置在 专 门设计的机箱中。传感器测量的信号通过导线传送 至 数 字 式 电 子 控 制 器,数 字 式 电 子 控 制 器 按照 一 定 的 算 法 计 算 后,将 输 出 信 号 再 通 过 导 线 传 送 至 执 行 机 构。信 号 处 理、控 制 算 法 的 执 行、通信、存储、余度管理完全由一台数字式电子 控 制 器 完 成。这 样 的 控 制 系 统 称 为 集 中 式 控 制系统。
采用集中式控制系统存在的主要问题如下: (1)传感器分布在发动机的不同位置,传感器测 量 的 信 号 通 过 导 线 传 送 至
电 子 控 制 器,电子控制器的信号再通过导线将信号传送至发动机 不 同 的 执 行 机 构。为 消 除 电 磁 信 号 干 扰,导 线还需要屏蔽,这样的结构中导线的重量非常可观,它约占系统总重量的1
6%
。
(2)集中式控制系统的大部分工作主要由一台计算机完成。随着发动机控制参数的增加, 控制算法愈来愈复杂,容错控制要求的提高,使系统 复 杂 程 度 增 加,计 算 机 的 工 作 负 荷 将 越 来 越大,对 CPU的要求越来越高,这将使数字控制系统研制难度增加,成本提高。
航空发动机 FADEC未来的发展将可能采用分布式控制系统。分布式控制 系统由一台 计 算机(对有冗余备份的可以是多台计算机)、智 能化传 感 器 和 智 能 化 执 行 机 构 组 成。这 些 智 能 化传感器和智能化执行机构本 身 带 有 CPU,具 有 部 分 信 号 处 理 与 计 算 的 功 能,在 工 作 过 程 中可以独立完成部分控制任务。
分布式控制系统的优点如下: (1)由于智能化传感器和执行构
能独立完成部分控制任务,因而可以大大减少与计算机之间的连接
导线,这将使控制系统的重量大大降低。
(2)由于智能化传感器与执行机构具有信号处 理 与 转 换、故 障 诊 断、超 限 检 查 和 自 检 以 及 计算功能,大大减轻了计算机的负担。
(3)智能化传感器和智能化执行机构均可以模块化,即传感器和执行机构与电子模块组装 在一起,构成标准化电子模块。系统设计时可根据需要选择不同的模块,这将使数控系统的设 计与研制难度降低,并使系统的可靠性和可维护性提高。
由于智能化传感器和智能化执行机构须直接安装在发动机上,它们的工作环境恶劣,尤其 是处于高温下的电子模块,还需要解决模块耐高温的问题,而当前使用的硅芯片还满足不了这 样的要求,这是分布式控制在实际应用中需要解决 的 核 心 技 术 之 一。为 解 决 这 一 问 题 需 要 研 究耐高温的半导体材料,例如,砷化镓和铝化镓等,它们都是很有前途的耐高温半导体材料。
光纤技术在发动机控制中有着广泛的应用 前 景。光纤电缆极 轻极薄,信 号 能 够 在 光 纤 中 双向同时传播,无须接地回 路 和 没 有 产 生 电 火 花 的 危 险,光 纤 电 缆 不 受 外 界 电 磁 等
干 扰 的 影 响。所有这些优点对于提高发动机的推重比、控制算法实时计算、安全可靠工作都起着十分关 键的作用。
一旦耐高温半导体材料的计算机芯片研制成功,将会使发动机分布式控制得以实现,同时 将光纤技术应用于发动机控制系统,这将促进 发 动 机 控 制、飞 行/推 进 系 统 综 合 控 制 技 术 的 应 用获得巨大的发展。
4.2 航空发动机控制系统在国内的发展概况 4.2.1机械液压式控制系统发展概况
我国在航空发动机控制研究方面已有50多年的历史。20世纪 50年代中 期,国内某发 动 机控制器设计与制造工厂即开始了机械液压式控制器的研制,之后,不断地改进、改型,并先后 不断地研制了各种新型号的发动机控制器。几十年 的 发 展,使 我 国 对 机 械 液 压 式 控 制 器 的 研 制经验积累丰富,技术水平已较高。目前我国正在使用的大部分型号的发动机,其控制器均为 国内研制。对于高性能发动机的控制器,其中转 速 高、流 量 大 而 重 量 轻 的 燃 油 泵,精 度 高 的 燃 油计量装置以及实现复杂控制规律的关
键部件的设计技术,正在开展进一步研究。
4.2.2 数字式电子控制系统发展概况
国内对于航空发动机数字式电子 控 制 的 研 究 开 始 于
20世 纪 70年 代。1997年 西 北 工 业 大学首先开展了该项研究 工作,并在发动机试验台上对 PT20发动机进 行了 数字控制试 验, 取得了成功,这是国内对航空发 动 机 数 字 式 电 子 计 算 机 控 制 的 开 创 性 研 究。20世 纪 80年 代中期,该校又对JT15D涡 轮 风 扇 发 动 机 开 展 了 进 一 步 的 数 字 式 电 子 控 制 试 验 研 究。与 此 同 时,某研究所对某型发动机也进行了数字式电子控制试验研究。
20世纪80年代后期,国内有关研究所、工厂及学校合作开展了航 空发动机数字式电子 控 制系统研究,为全面突破航空发动机全权限数字式电子控制系统各项关键技术,制订了研究与 发展计划。该计划确定以某型发动机为验证机,研 制 数 字 式 电 子 控 制 系 统样 机。经过各单位 的努力与合作在完成了样机研制后,进行了发动机地面台架试验。