FADEC全权限数字发动机控制的未来发展趋势

祁国栋

摘 要：随着FADEC应用规模的扩大，其系统发展趋势研究得到了人们的高度关注，本文对FADEC进行了简单的介绍，重点探讨了其发展所面对的挑战及发展方向，具体包括主动控制、智能控制及分布式控制等。

关键词：FADEC；挑战；发展趋势

随着社会经济的快速发展，航空航天事业发展规模不断扩大，在其发展过程中，航空发动机扮演着重要的角色，在先进技术与设备支持下，其推力水平及能力不断提高。

为了进一步提高其推进控制系统的经济性与可靠性，本文介绍了全权限数字发动机控制的概况，分析了该系统发展所面临的要求与挑战，并重点阐述了其未来发展趋势，主要从技术角度展开了探讨，旨在借助先进的基础，以此促进系统建设水平的提高。

1 FADEC（全权限数字发动机控制）的概况

FADEC作为航空发动机控制系统主要是利用计算机数字运算能力实现的，它主要是由压气机控制系统、间隙控制系统、启动系统、传感器等组成。在全权限数字电子控制技术支持下，我国航空发动机控制系统建设积极开展，并取得了一定的成绩，特别是FADEC系统，使航空发动机性能大幅度提高。

与传统控制系统相比，FADEC系统的优点主要表现在以下几方面：其一，高性能，由于此系统拥有强大的计算能力，因此，保证了发动机最佳状态的保持，同时也促进了发动机启动、过渡等特性的改善，进而利于发动机作用的充分发挥；其二，低油耗，此系统结合动力需求，使发动机始终处于最佳状态，以此避免了不必要运转情况的出现，进而达到了节约燃油、降低消耗的目的；其三，低成本，此系统基本防止了发动机处于高温、高速等情况运作，其故障发生几率大幅度降低，同时结合故障辅助诊断，保证了维护的及时性与有效性，再者也控制了发动机维护成本。

2 FADEC所面对的要求与挑战

在航空发动机控制系统发展过程中，为保证飞行的可靠性与稳定性，对推进系统的要求不断增多，特别是对于未来军用飞机而言，其多任务、多功能的要求，使飞机系统愈加复杂；同时民用飞机对发动机也提出了新的要求，如：经济性、环保性、节能性、适用性与高效性等。在各异要求下，航空发动机设计水平需要不断提高，其设计难度及复杂度也随之增多，如：调节部位、参数数量、控制变量等均大幅度增加，同时，在日后设计与发展过程中，还应关注控制器的计算能力、逻辑能力及控制精度等。

在繁多与复杂飞行任务要求及高性能发动机支持下，控制系统的工作环境将日渐恶化，特别是在持续、高超声速飞行条件下，发动机工作温度可能达到650℃，再者，飞机结构中所选用的复合材料，将使控制系统面对愈加严峻的辐射环境。为了适应发展的需求，航空发动机控制系统应迎接挑战，并积极运用现代化的技术，以此拓展自身的发展空间[ 1 ]。

3 FADEC的发展趋势

对于FADEC系统而言，其未来发展主要应关注主动控制、智能控制及分布控制等系统，借助丰富的设计手段、先进的控制逻辑，使发动机各个系统的融合更加紧密与有效，进而利于发动机性能的提高及其控制品质的增强，同时，也利于此系统使用时间的延长。

为了满足航空事业发展的需求，未来FADEC系统发展，应积极研制，其具体的发展内容如下：

3.1 主动控制

此系统是由压气机、燃烧室、间隙与振动等构成的，它直接关系着发动机的高效性、耐久性及使用寿命。主动控制技术不仅能提高高载荷涡轮机推重比及高涵道比，还可降低实现耗油率、生产及维修成本，同时也利于丰富核心机的功能，利于完善部件状态的信息，如：诊断或监视等。

一方面，主动稳定控制。系统中压气机的稳定性直接决定着发动机的稳定程度，对于传统控制方法而言，它是在被动控制理念下随之形成的，此方法虽然保证了发动机工作点喘振裕度的充足性，但根据实践可知，发动机的稳定裕度难以准确测量，进而难以利用模型对其进行精准的估算，造成上述情况的原因主要为发动机自身的一系列因素均会影响测量工作，如：气场畸变、老化、制造偏差等。此时喘振边界靠近发动机工作点，通常情况下，设计的喘振裕度均具有明显的保守性，进而降低了发动机性能，影响了其推力与效率。而主动稳定控制借助预先探测，掌握了即将发生的喘振和失速，此时可根据失速征兆，采取及时与有效的应对方案，以失速征兆为例，在其发生初期，采取主动方法，即：向流场中加入反相扰动、调整放气量与燃油流量等，在此类措施作用下，失速问题将得到有效的控制，同时压气机也将处于最佳工作状态，进而利于提高发动机性能。国外学者对主动稳定控制进行了研究，借助两台地速轴流压气机试验台，其试验结果显示，经主动控制，失速边界仅位移6%与10%，此结果表明，主动稳定控制的研究与发展，对发动机性能的提高有着积极的意义[ 2 ]。

另一方面，主动间隙控制。随着航空事业的发展，现代飞机的性能日渐提高，如：可靠性、安全性与高效性等，但其发展仍未能满足人们的需求，为了进一步挖掘发动机的性能，其叶尖间隙控制得到了广泛的关注。叶尖间隙主要是指发动机转子叶片与机匣间的距离，其直接影响着发动机性能，如果此距离过大，则会降低发动机性能，而过小也会造成不利影响，极易导致叶片与机匣摩擦、碰撞，进而威胁发动机的安全性，严重情况下，便会造成安全事故，因此，叶尖间隙应得到有效的控制，以此保证发动机性能、提高压气机与涡轮效率，并降低飞机油耗。为了达到上述目标，主动间隙控制吸引了国内外学者的目光，经研究显示[ 3 ]，此技术的执行机构主要有主动热控制、主动机械与主动气控制，其根据控制回路，还可以分为两种，一种为闭环叶尖间隙主动控制，另一种为开环叶尖间隙主动控制，前者借助先进的间隙传感器，对某工况时的叶尖间隙值进行检测，并经过反馈，以此保证控制间隙维持在最佳值；后者主要是根据叶尖间隙变化的规律，利用计算机对间隙大小进行计算，此后对外部所需空气量进行调整，最终保证了间隙控制的最佳值。

3.2 智能控制

在航空事业未来发展过程中，其发动机控制系统的主要发展方向便是智能化，智能控制主要是借助人工智能方法实现了对控制目标的达成，此系统涉及的技术主要有智能自修复控制技术与延寿控制技术等。

第一种技术主要是对发动机进行在线故障诊断，使飞机推力输出具有一致性，在实际应用过程中应对所涉及的性能参数进行实时估计，如：系统推力，同时，所设计的方案应积极利用神经网络等非线性智能动静态映射技术，在此基础上，构建的机载模型才能够具有自适应性、自诊断与自修复等能力[ 4 ]。

第二种技术不仅保证了发动机响应的可接受性，还控制了零部件的损耗，延寿控制主要是通过对瞬态时最高温度的控制，以此延长了零部件的使用时间。此技术属于多目标控制，其应满足多个指标，如：系统动静态性能指标、发动机安全及使用时间指标等[ 5 ]。

3.3 分布式控制

当前，航空发动机普遍应用FADEC结构，在此技术作用下，控制系统的复杂性进一步增加，主要是由于FADEC的重量、功能、尺寸等均有所增加，为了保证系统稳定与有效，相关的软件愈加复杂与庞大，在此情况下，其可靠性有所降低。同时，集中式结构，使控制的传感器、执行机构等均保持着较远的距离，再者对三绞线或双绞线等进行了运用，进而增加了重量，而控制系统重量与成本呈正比。为了提高控制系统的控制能力，降低研制、生产与维护成本，需要采用先进的控制系统。

在未来发展过程中，应对分布式控制系统进行积极的利用，此系统的构成包括FADEC与智能装置，其中局域网是由中央处理器、智能传感器及智能执行机构构成的。此系统大幅度降低了控制器的体积及重量，利于发动机推重比的提高，同时，采用模块化与标准化设计、生产与装配，保证了设计质量，提高了生产效率，同时也延长了发动机使用时间[ 6 ]。

4 总结

综上所述，全权限数字发动机控制技术作为新型的控制技术，在其作用下，促进了发动机控制性能的提高，同时也保证了其可靠性、操纵性的增强。

为了适应社会发展的需求，本文介绍FADEC的概念及优点，同时结合其发展所面对的要求与挑战，重点探讨了其发展趋势，相信，在现代技术支持下，我国航空事业发展成效将更加显著。

参考文献：

[1] 姚华，王国祥.航空发动机全权限数控系统研究和试飞验证[J].航空动力学报，2015，02：247-253.

[2] 张绍基.航空发动机控制系统的研发与展望[J].航空动力学报，2014，03：375-382.

[3] 王林林.航空发动机全权限数字电子控制系统研究[J].科技经济市场，2014，12：10.

[4] 高昆.航空发动机全权限数字电子控制系统概述[J].数字技术与应用，2015，06：28.

[5] 王兢.军用发动机控制系统技术分析及改进研究[J].国防科技，2014，03：36-39+46.

[6] 佘云峰，杨坤，王偎蕲.全权限数字电子发动机控制系统闪电防护符合性验证流程研究[J].民用飞机设计与研究，2013，S2：73.