基于发动机性能在线计算技术的发动机推力闭环控制技术

李堃

摘 要：系统依据飞机管理系统发出的推力需求指令，通过推进系统控制终端将推力需求转化为发动机供油需求从而对发动机供油进行控制，并根据发动机的热力学参数实时进行发动机性能在线计算技术，解算出实时推力修正发动机供油量，实现发动机推力闭环控制。

关键词：发动机性能在线计算 机载发动机模型 推力闭环控制 推力需求

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0028-01

1 推力控制技术介绍

像所有依赖动力装置运行的设备一样，动力装置的性能及其控制特性是设备设计的基础，在一定程度上，也是该设备性能的重要标志，汽车、机车、舰船等无一例外，飞行器也当然如此。因此，可以说发动机的性能及发动机控制技术，在一定程度上反映了行业的综合技术水平[1]。

推力控制技术中的推力矢量技术是当今世界最先进战斗机的典型技术，它通过控制矢量喷管的偏转来改变发动机尾喷流的方向，可补偿或取代常规飞行控制面产生的气动力来对飞机实施飞行控制，国外的大量应用充分表明，采用推力矢量技术可显著提升飞机的机动性和敏捷性。

2 推力控制系统发展趋势

随着机载计算机计算能力的不断增强，使直接使用部件级非线性模型作为机载模型成为可能。进入21世纪后，在IHPTET计划中包含的基于模型的智能数字发动机控制 MOBIDEC研究、VAATE计划中的智能发动机研究和欧盟开展的航空发动机在线辨识、故障诊断和控制OBIDICOTE计划，都已经把部件级非线性实时模型作为机载模型使用，并且逐步将机载控制器和机载故障诊断系统结合起来，两者共用同一模型，组成了基于模型的控制及故障诊断系统MBCD（Model-Based Controls and Diagnostics）。通过基于模型的在线故障诊断和控制，不仅能够在确保发动机安全工作的前提下最大程度的发挥发动机性能，而且通过在线故障诊断，估计发动机部件的实际退化情况，还有助于实现视情维修，降低发动机使用维修费用。

可见，随着机载计算机运算能力的不断进步，基于非线性模型的推力控制研究逐步成为当前研究的热点和未来的发展方向。

3 基于机载发动机模型的推力控制系统

3.1 基于模型的推力控制系统组成

基于模型的推力控制系统由机载自适应模型、跟踪滤波器和多变量控制器等部分组成。

（1）机载数学模型。由于在基于模型的控制中需要的反馈量是推力、失速裕度等参数，这些参数不能测量或测量系统非常复杂，因此需要在控制器回路中嵌入机载模型。通过机载模型计算得到推力或失速裕度值。对机载模型的要求是能够准确反映当前发动机的状态，且模型能够实时运行。

（2）跟踪滤波器。由于机载模型计算得到的推力或失速裕度作为反馈量进行闭环控制，因此要求机载模型能够准确反映当前发动机的状态。对于性能已经退化的发动机，仍然按照未退化的模型计算推力或失速裕度等参数显然不再合适。为了解决这种模型的不匹配问题，需要利用跟踪滤波器来估计这种性能差异，以修正机载模型，使机载模型匹配实际发动机的状态。

（3）多变量控制器。多变量控制器是数字发动机控制的核心部分，其控制性能的好坏直接决定了整个系统的性能。直接推力控制可采用的多变量控制方法主要有多变量PID、最优控制（KQ等）、鲁棒控制（LQG/LTR等）、智能控制（模糊控制、神经网络控制、专家系统）。

3.2 发动机推力闭环控制技术

发动机推力控制系统依据飞机管理系统发出的推力需求指令，通过推进系统控制终端将推力需求转化为发动机供油需求，从而对发动机供油进行控制，并根据发动机的热力学参数实时进行发动机性能在线计算技术，解算出实时推力修正发动机供油量，实现发动机推力闭环控制。发动机推力闭环控制实现过程如图1所示。

4 结语

常用的发动机推力估算方法主要包括直接推力估计法和间接推力估计法。基于发动机机载模型的推力控制系统主要由机载自适应模型、跟踪滤波器和多变量控制器等部分组成。利用发动机推力控制系统控制终端对发动机供油进行控制，并基于发动机性能性能在线计算技术，可实现发动机推力闭环控制。

参考文献

[1] 张强，邓小宝，张永峰，等.航空发动机推力直接测试技术试验与研究[J].测控技术，2011（30）：60-62.

[2] 李秋红，孙健国，王前宇.航空发动机推力估计新方法[J].控制理论与应用，2011，28（2）：185-191.

[3] 杨生发，樊丁，李元业.发动机推力测量新型校准装置研制[J].西北工业大学学报，1997，15（3）：338-342.

[4] 马静，陆军.航空发动机模型参考自适应控制[J].计算机仿真，2009，26（7）：69-72.

[5] 郭奔，李俊杰.采用模糊控制的推力测量系统自动检验装置[J].仪器仪表科学，2006，27（6）：1486-1488.

[6] 杨全廷，杨纪明，韩小全.一种高精度的发动机推力测量系统[J].传感器与微系统，2008，27（12）：82-84.

[7] 徐安生.F-15飞机数字电子发动机控制系统研制及飞行评估[M].沈阳：《飞机设计》编辑部，1997.

[8] 吴惠明，焦献瑞.发动机试车台推力测量系统中心加载现场校准技术研究[J].计量、测试与校准，2009，29（1）：28-30.endprint

摘 要：系统依据飞机管理系统发出的推力需求指令，通过推进系统控制终端将推力需求转化为发动机供油需求从而对发动机供油进行控制，并根据发动机的热力学参数实时进行发动机性能在线计算技术，解算出实时推力修正发动机供油量，实现发动机推力闭环控制。

关键词：发动机性能在线计算 机载发动机模型 推力闭环控制 推力需求

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0028-01

1 推力控制技术介绍

像所有依赖动力装置运行的设备一样，动力装置的性能及其控制特性是设备设计的基础，在一定程度上，也是该设备性能的重要标志，汽车、机车、舰船等无一例外，飞行器也当然如此。因此，可以说发动机的性能及发动机控制技术，在一定程度上反映了行业的综合技术水平[1]。

推力控制技术中的推力矢量技术是当今世界最先进战斗机的典型技术，它通过控制矢量喷管的偏转来改变发动机尾喷流的方向，可补偿或取代常规飞行控制面产生的气动力来对飞机实施飞行控制，国外的大量应用充分表明，采用推力矢量技术可显著提升飞机的机动性和敏捷性。

2 推力控制系统发展趋势

随着机载计算机计算能力的不断增强，使直接使用部件级非线性模型作为机载模型成为可能。进入21世纪后，在IHPTET计划中包含的基于模型的智能数字发动机控制 MOBIDEC研究、VAATE计划中的智能发动机研究和欧盟开展的航空发动机在线辨识、故障诊断和控制OBIDICOTE计划，都已经把部件级非线性实时模型作为机载模型使用，并且逐步将机载控制器和机载故障诊断系统结合起来，两者共用同一模型，组成了基于模型的控制及故障诊断系统MBCD（Model-Based Controls and Diagnostics）。通过基于模型的在线故障诊断和控制，不仅能够在确保发动机安全工作的前提下最大程度的发挥发动机性能，而且通过在线故障诊断，估计发动机部件的实际退化情况，还有助于实现视情维修，降低发动机使用维修费用。

可见，随着机载计算机运算能力的不断进步，基于非线性模型的推力控制研究逐步成为当前研究的热点和未来的发展方向。

3 基于机载发动机模型的推力控制系统

3.1 基于模型的推力控制系统组成

基于模型的推力控制系统由机载自适应模型、跟踪滤波器和多变量控制器等部分组成。

（1）机载数学模型。由于在基于模型的控制中需要的反馈量是推力、失速裕度等参数，这些参数不能测量或测量系统非常复杂，因此需要在控制器回路中嵌入机载模型。通过机载模型计算得到推力或失速裕度值。对机载模型的要求是能够准确反映当前发动机的状态，且模型能够实时运行。

（2）跟踪滤波器。由于机载模型计算得到的推力或失速裕度作为反馈量进行闭环控制，因此要求机载模型能够准确反映当前发动机的状态。对于性能已经退化的发动机，仍然按照未退化的模型计算推力或失速裕度等参数显然不再合适。为了解决这种模型的不匹配问题，需要利用跟踪滤波器来估计这种性能差异，以修正机载模型，使机载模型匹配实际发动机的状态。

（3）多变量控制器。多变量控制器是数字发动机控制的核心部分，其控制性能的好坏直接决定了整个系统的性能。直接推力控制可采用的多变量控制方法主要有多变量PID、最优控制（KQ等）、鲁棒控制（LQG/LTR等）、智能控制（模糊控制、神经网络控制、专家系统）。

3.2 发动机推力闭环控制技术

发动机推力控制系统依据飞机管理系统发出的推力需求指令，通过推进系统控制终端将推力需求转化为发动机供油需求，从而对发动机供油进行控制，并根据发动机的热力学参数实时进行发动机性能在线计算技术，解算出实时推力修正发动机供油量，实现发动机推力闭环控制。发动机推力闭环控制实现过程如图1所示。

4 结语

常用的发动机推力估算方法主要包括直接推力估计法和间接推力估计法。基于发动机机载模型的推力控制系统主要由机载自适应模型、跟踪滤波器和多变量控制器等部分组成。利用发动机推力控制系统控制终端对发动机供油进行控制，并基于发动机性能性能在线计算技术，可实现发动机推力闭环控制。

参考文献

[1] 张强，邓小宝，张永峰，等.航空发动机推力直接测试技术试验与研究[J].测控技术，2011（30）：60-62.

[2] 李秋红，孙健国，王前宇.航空发动机推力估计新方法[J].控制理论与应用，2011，28（2）：185-191.

[3] 杨生发，樊丁，李元业.发动机推力测量新型校准装置研制[J].西北工业大学学报，1997，15（3）：338-342.

[4] 马静，陆军.航空发动机模型参考自适应控制[J].计算机仿真，2009，26（7）：69-72.

[5] 郭奔，李俊杰.采用模糊控制的推力测量系统自动检验装置[J].仪器仪表科学，2006，27（6）：1486-1488.

[6] 杨全廷，杨纪明，韩小全.一种高精度的发动机推力测量系统[J].传感器与微系统，2008，27（12）：82-84.

[7] 徐安生.F-15飞机数字电子发动机控制系统研制及飞行评估[M].沈阳：《飞机设计》编辑部，1997.

[8] 吴惠明，焦献瑞.发动机试车台推力测量系统中心加载现场校准技术研究[J].计量、测试与校准，2009，29（1）：28-30.endprint

摘 要：系统依据飞机管理系统发出的推力需求指令，通过推进系统控制终端将推力需求转化为发动机供油需求从而对发动机供油进行控制，并根据发动机的热力学参数实时进行发动机性能在线计算技术，解算出实时推力修正发动机供油量，实现发动机推力闭环控制。

关键词：发动机性能在线计算 机载发动机模型 推力闭环控制 推力需求

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0028-01

1 推力控制技术介绍

像所有依赖动力装置运行的设备一样，动力装置的性能及其控制特性是设备设计的基础，在一定程度上，也是该设备性能的重要标志，汽车、机车、舰船等无一例外，飞行器也当然如此。因此，可以说发动机的性能及发动机控制技术，在一定程度上反映了行业的综合技术水平[1]。

推力控制技术中的推力矢量技术是当今世界最先进战斗机的典型技术，它通过控制矢量喷管的偏转来改变发动机尾喷流的方向，可补偿或取代常规飞行控制面产生的气动力来对飞机实施飞行控制，国外的大量应用充分表明，采用推力矢量技术可显著提升飞机的机动性和敏捷性。

2 推力控制系统发展趋势

随着机载计算机计算能力的不断增强，使直接使用部件级非线性模型作为机载模型成为可能。进入21世纪后，在IHPTET计划中包含的基于模型的智能数字发动机控制 MOBIDEC研究、VAATE计划中的智能发动机研究和欧盟开展的航空发动机在线辨识、故障诊断和控制OBIDICOTE计划，都已经把部件级非线性实时模型作为机载模型使用，并且逐步将机载控制器和机载故障诊断系统结合起来，两者共用同一模型，组成了基于模型的控制及故障诊断系统MBCD（Model-Based Controls and Diagnostics）。通过基于模型的在线故障诊断和控制，不仅能够在确保发动机安全工作的前提下最大程度的发挥发动机性能，而且通过在线故障诊断，估计发动机部件的实际退化情况，还有助于实现视情维修，降低发动机使用维修费用。

可见，随着机载计算机运算能力的不断进步，基于非线性模型的推力控制研究逐步成为当前研究的热点和未来的发展方向。

3 基于机载发动机模型的推力控制系统

3.1 基于模型的推力控制系统组成

基于模型的推力控制系统由机载自适应模型、跟踪滤波器和多变量控制器等部分组成。

（1）机载数学模型。由于在基于模型的控制中需要的反馈量是推力、失速裕度等参数，这些参数不能测量或测量系统非常复杂，因此需要在控制器回路中嵌入机载模型。通过机载模型计算得到推力或失速裕度值。对机载模型的要求是能够准确反映当前发动机的状态，且模型能够实时运行。

（2）跟踪滤波器。由于机载模型计算得到的推力或失速裕度作为反馈量进行闭环控制，因此要求机载模型能够准确反映当前发动机的状态。对于性能已经退化的发动机，仍然按照未退化的模型计算推力或失速裕度等参数显然不再合适。为了解决这种模型的不匹配问题，需要利用跟踪滤波器来估计这种性能差异，以修正机载模型，使机载模型匹配实际发动机的状态。

（3）多变量控制器。多变量控制器是数字发动机控制的核心部分，其控制性能的好坏直接决定了整个系统的性能。直接推力控制可采用的多变量控制方法主要有多变量PID、最优控制（KQ等）、鲁棒控制（LQG/LTR等）、智能控制（模糊控制、神经网络控制、专家系统）。

3.2 发动机推力闭环控制技术

发动机推力控制系统依据飞机管理系统发出的推力需求指令，通过推进系统控制终端将推力需求转化为发动机供油需求，从而对发动机供油进行控制，并根据发动机的热力学参数实时进行发动机性能在线计算技术，解算出实时推力修正发动机供油量，实现发动机推力闭环控制。发动机推力闭环控制实现过程如图1所示。

4 结语

常用的发动机推力估算方法主要包括直接推力估计法和间接推力估计法。基于发动机机载模型的推力控制系统主要由机载自适应模型、跟踪滤波器和多变量控制器等部分组成。利用发动机推力控制系统控制终端对发动机供油进行控制，并基于发动机性能性能在线计算技术，可实现发动机推力闭环控制。

参考文献

[1] 张强，邓小宝，张永峰，等.航空发动机推力直接测试技术试验与研究[J].测控技术，2011（30）：60-62.

[2] 李秋红，孙健国，王前宇.航空发动机推力估计新方法[J].控制理论与应用，2011，28（2）：185-191.

[3] 杨生发，樊丁，李元业.发动机推力测量新型校准装置研制[J].西北工业大学学报，1997，15（3）：338-342.

[4] 马静，陆军.航空发动机模型参考自适应控制[J].计算机仿真，2009，26（7）：69-72.

[5] 郭奔，李俊杰.采用模糊控制的推力测量系统自动检验装置[J].仪器仪表科学，2006，27（6）：1486-1488.

[6] 杨全廷，杨纪明，韩小全.一种高精度的发动机推力测量系统[J].传感器与微系统，2008，27（12）：82-84.

[7] 徐安生.F-15飞机数字电子发动机控制系统研制及飞行评估[M].沈阳：《飞机设计》编辑部，1997.

[8] 吴惠明，焦献瑞.发动机试车台推力测量系统中心加载现场校准技术研究[J].计量、测试与校准，2009，29（1）：28-30.endprint