浅谈全权数字式发动机控制系统

赵金涛

（91395部队，北京 102443）

0 引言

航空发动机作为飞机的动力系统，其安全、准确、高效的运行直接关系到飞行安全和运输效率。这样就要求发动机的控制必须朝自动化程度更高的方向发展，以避免人为操作误差带来的安全隐患。近年来已日渐成熟的全权数字式发动机控制（Full Authority Digital Engine Control）系统简称FADEC，可以实现复杂的控制规律和许多现代控制算法，满足现代航空发动机控制的需求。为了便于理解FADEC系统，下面就以通用的CF34-8C发动机为例，对FADEC系统的组成、功用和优势进行解析[1-2]。

1 FADEC系统的组成

FADEC系统主要由FADEC主机、永磁发电机（PMA）、燃油计量单元（FMU）、外围相关传感器组成。每台CF34-8C发动机上均安装有一台包含双通道微处理器的FADEC，两个通道之间互为备份。它是发动机的控制装置，提供推力管理，工作限制保护，起动，反推。除此之外FADEC还提供发动机指示和机组警告系统（EICAS）显示器上的信息显示[3]。PMA不但为FADEC提供N2转速，同时还能为其提供可靠的电源。FMU接收FADEC输出的电信号，并将电信号变成由燃油作为液压媒介的液压信号，来作动可操作引气活门和可变几何（VG）作动筒。外围相关传感器为FADEC提供发动机的各种参数，如：温度、压力、速度等，以便FADEC计算并发出各种控制指令[4]。

2 FAEDC的功用

FADEC的使用，不但能减少飞行机组的工作负担，能更有效的将发动机排温和机械操作保持在限制范围内，而且能使发动机达到最好的性能和最佳的燃油耗量，FADEC系统接口如图1。

在图上我们可以看到，FADEC接收以下输入信号：

（1）外界压力(P0)、压缩器压力(PS3)。

（2）内部涡轮温度(T45)、风扇进口温度(T2)。

（3）N1风扇转速、N2压缩器转速、永磁发电机（PMA）。

（4）燃油流量需求和反馈、可操作引气活门（OBV）反馈、VG作动筒反馈。

（5）油门杆位置、反推线性可变差动传感器（LVDT）的离散信号。

根据这些输入数据，FADEC通过内部运算可以实现以下功能：

控制可操作引气活门（OBV）的工作。OBV通过将高压压气机的10级引气释放到发动机外部来降低压气机的空气负载。它通常在在起动、熄火后重新恢复、突然减速或瞬时加速及飞机接近失速时工作，从而为发动机提供热保护。而OBV的工作都是由FADEC来控制的。当FADEC需要OBV作动时，前者会给OBV上的双线圈马达供电，通过电流的不断变化，使双线圈马达控制OBV开关端的燃油压力，从而控制OBV的开度。如果飞机即将出现失速，失速保护计算机将向FADEC提供一个信号，同时FADEC根据发动机实时功率来控制可操作引气活门的位置。当实际N1低于79%时，FADEC控制OBV打开到最大位置，去增加失速的临界值。当N1在81%以上时，FADEC控制OBV到完全关闭，用来在大功率下保持T45的极限值。同时，FADEC会接收来自OBV上的LVDT的位置反馈信号，从而精确监视和控制OBV的位置[5-6]。

调节可变几何静子叶片。可变几何静子叶片能防止压缩器前几级提供的压缩空气高于后几级，从而减少压缩器喘振的可能性。当FADEC把控制信号传输给FMU，FMU会通过控制燃油来作动VG作动筒，从而控制可变几何静子叶片的位置。当发动机在低转速时，可变几何静子叶片朝关闭的位置移动，只允许最小的空气通过压缩器。当发动机在高转速时，可变几何静子叶片朝打开的位置移动，允许最大的空气通过压缩器。同时，FADEC会接收来自VG动作筒上的LVDT的位置反馈信号，从而精确监视和控制可变几何静子叶片的位置[7]。

防止压缩器(N2)超速。当FADEC通道内的速度电门通过PMA和燃油泵N2传感器探测到核心的速度达到107%N2或更高时，超速保护系统就会工作。工作时，超速电磁线圈激励FMU内的超速关断活门。这就迫使位于FMU内部的增压关断活门（PSOV）关闭。PSOV关闭后，切断了到燃油总管的燃油。当转速下降到超速设定值以下时，超速电磁活门断电，燃油再次供给发动机，FADEC自动点火。

3 FADEC系统优势

通过以上对FADEC系统的介绍，我们不难看出它的优势非常明显。以前传统的液压控制系统实现控制规律算法主要依靠凸轮的空间曲面来完成，而这个空间曲面构型制造比较困难，因而液压控制系统控制精度不高。FADEC实现控制规律算法则简单的多，只需把公式变成代码进行处理即可，因此控制精度要高的多。他的优点可以总结为以下几点：

（1）FADEC系统通过高精度的数字计算，很容易实现对高性能的发动机的控制功能，并可以在整个飞机包线内发挥发动机的最佳性能。

（2）它更容易实现和机内其他系统的通信，以此实现飞机控制的一体化，从而提高飞机的整体性能。

（3）它采用多余度设计、容错控制技术，大大提高了系统的可靠性。

（4）它可以实现发动机自动启动，环境变化时自动补偿，以及推力限制，超转保护等，大大提高了飞行安全，同时也减轻了飞机驾驶员的负担[8-9]。

随着航空检测技术、新材料技术和航空发动机控制技术和不断提高，涡扇式发动机也在朝着更集成、更自动和更轻便节能的方向发展。FADEC将继续在系统硬件可靠性、先进的故障检测技术、准确一致的维护信息和新的控制规律等方面发展。未来可能会采用光导纤维进行数据通信，这样能大幅度降低甚至消除电力网噪声对通信数据的干扰；采用灵巧的光学传感器来增加可靠性；采用高温电子模块用来提高高温工作环境下的稳定性。其发展方向包括以下三点：一是减轻重量，二是增加控制性能，三是提高对不利环境的容限[10]。

4 结论

当前，我国航空发动机控制技术正处在从传统液压控制向数字控制的转变过程中，且经历了从单个部件到整体，从模拟式到数字式、从有限功能到全权控制的发展过程。我相信，随着国内航空工业的不断发展，不论在民用还是军用飞机上，FADEC系统会以其突出的优势普及开来并朝着更集成、更智能、更高效的方向飞速发展。