航空发动机分布式控制关键技术研究

2020-11-25石鑫

电子技术与软件工程 2020年22期

石鑫

（江苏航空职业技术学院航空工程学院江苏省镇江市 212134）

发动机是航空飞行器的核心设备，与飞行能力密切相关。为此，必须对发动机的控制予以高度重视。以往航空发动机基本上采用的都是集中控制系统，虽然该系统也能满足发动机的控制需要。但在实际应用中发现，集中控制系统存在一些缺陷。而分布式控制系统以其自身所具备的诸多技术优势，在航空等领域得到越来越广泛的应用。下面重点对航空发动机分布式控制关键技术展开研究，皆在为了促进航空发动机控制水平的提升。

1 航空发动机分布式控制的技术优势

1.1 系统结构

航空发动机分布式控制系统简称AE-DCS，该系统最为突出的特点是可以将一些级别较低的处理功能从中控直接转给现场的传感设备或是执行装置，由此使得中控不再需要处理级别较低的功能，主要完成级别较高的功能即可，如复杂的控制算法、与航空飞行器接口等等，中控的运行效率随之得到大幅度提升。通常情况下，中央处理器基本都集成于现场的传感设备、执行装置当中，从而使传感和执行两大机构具备了智能化的特点，能够与中控进行数据通讯。对于AE-DCS 而言，中控可以决定大部分智能设备的运行方式，但却并不会管理这些设备，从控制开始，智能设备的运行方式会与中控始终保持协调统一，并定时以数据传输的方式向中控报告[1]。

1.2 系统优势

在航空发动机中，DCS（分布式控制系统）之所以得到越来越广泛的应用，与系统本身所具备的诸多技术优势有着密不可分的关联，具体体现在如下几个方面：

1.2.1 能够使系统重量减轻

对于采用集控系统的航空发动机而言，其中的传感设备、执行装置的数量约为20-50 个不等，中控电缆多达数百条。因需要对设备和装置进行可靠连接，所以电缆比较长，并且线缆的种类较多，如信号线、屏蔽线等等，由此使得整个集控系统的重量进一步增大，约占航空发动机总重量的15-20%左右[2]。而在DCS 中，中控与传感、执行等机构的通信是通过冗余电源和数据总线来完成，由此使得连线大幅度减少，发动机的重量随之减轻。

1.2.2 可靠性更高

DCS 采用的是总线连接的方式，这种方式要比集控系统的连线可靠性更高，相应的故障几率随之降低，系统运行更加稳定。DCS中的智能设备除了可以进行自诊断之外，还能在故障发生时将之隔离出去，保持系统正常运行。由此使得整个系统的可维护性大幅度提升，相应的维护费用随之减少。

1.2.3 工作效率更高

DCS 的架构具有层次性的特点，这种分层的结构使中控只需要完成级别较高的功能即可，布设在现场的传感装置与执行设备则可实现一些级别较低的功能。由此使得中控能够对复杂的算法予以实现，由此能够使航空发动机的性能得到大幅度提升。分层的结构体系具有简单的特性，由于高级别与低级别的功能全部分开，从而使得整个系统的工作效率变得更高，故障的发生几率显著降低。

2 航空发动机分布式控制系统的设计方法

在对AE-DCS 进行设计开发前，总体规划是非常重要的一项工作，与系统各项功能的设计密切相关。通过总体规划，可以对硬件结构、单元功能加以明确，从而使整个系统的设计更加明了。本次开发的AE-DCS 主要包括以下几个部分：EEC（发动机电子控制）、CAN（数据总线）、传感设备、执行装置等。各部分的设计方法与过程如下：

2.1 EEC设计要点

2.1.1 总线接口

为在现有的基础上进一步降低设计难度，决定采用工控机对EEC 进行模拟，并在工控机上对相关的控制器程序进行运行，以此来实现EEC 的功能，从而达到控制目的。在硬件方面对总线接口进行实现的过程中，可以采用插入CAN 适配卡的方法[3]。经过比较，最终选定国内某公司研发的一款适配卡，在该适配卡的内部，有两条相互独立的CAN 接口，两路接口能够同时进行操作，彼此之间不会相互影响。

2.1.2 控制程序设计

在EEC 设计中，控制程序是重中之重，归属于软件开发的范畴，是一项较为复杂的工作。在具体设计中，应当对以下情况加以考虑：控制要求以及控制特点等。包括控制周期、与飞行器座舱进行实时通讯和信号显示、与大气采集系统通讯、与传感和执行两大机构相连接。可以按照上述控制要求，并结合控制特点，将EEC 的控制程序设计为前台加后台的形式[4]。

（1）EEC控制程序可以采用无限循环模式，并在循环的过程中，对相应的函数进行调用，以此来完成自检、故障诊断、通讯等功能，以上均可由前台来予以实现。

（2）EEC 的控制周期实质上就是系统的中断周期，由于系统会定时产生中断，所以EEC 也会定时完成控制。中断程序对实时事件进行处理时，会先从CAN 总线上对传感设备回传的信号进行获取，然后按控制规律完成相关计算，并向执行装置下发控制指令，以此来实现对故障的处理。

在此需要着重阐明的一点是，在航空发动机上安装的EEC 受到体积、功耗等多方面因素的影响，其本身的性能要比模拟工控机的水平低一些。不仅如此，可视化操作无法在控制器上运行，实际中的EEC 为实操系统。因此，为保证在工控机开发的EEC 控制程序具有高度的可移植性，在开发过程中，可选用C++作为软件开发工具，这样便可使开发出来的控制程序能够直接移植到航空发动机上。

2.2 传感设备设计

对于航空发动机而言，温度是关键参数，而涡轮后燃气温度是涡轮控温的主要依据。故此在AE-DCS 开发中，需要使用温度传感设备。具体的设计方法要点如下：

2.2.1 传感设备硬件

温度传感设备的芯片选用的是MAX319 和AD595，前者为单芯片集成模拟式开关，后者会为热电偶冷结补偿器，它的特点是具备放大与补充功能，功耗比较低，在1mV 以下，可作为摄氏温度传感器使用等[5]。对于智能温度传感设备而言，电路设计是硬件设计的重点内容。热电偶冷结补偿器采用的是单电源供电，当其对1200℃左右的温度进行测量时，能够输出大约50mV 的电势，通过计算可得到输出端的电压为12V。但是DSP 在进行A/D 转换时，最大的输入电压为3V，与热电偶冷结补偿器输出端的电压不匹配，无法进行直连。为此，可加装分路电阻，然后再与电压跟随器进行连接，最终接入相应通道[6]。

2.2.2 传感设备软件

在对温度传感设备的软件进行设计时，应当明确该传感设备需要完成的基本功能，具体包括上电自检、数字滤波、信号采集、故障检测以及通讯等。为使软件的运行更加稳定、可靠，采用主程序+辅助程序的形式。其中主程序会在上电后进行自检，确认无任何异常状况后，会自行进入到循环等待状态，并始终保持在这个状态，直至接到从CAN 传来的命令为止。辅助程序包括两个中断服务，用A 和B 表示，其中A 主要负责响应热电偶冷结补偿器发出的掉线报警，而B 则负责响应CAN 传递过来的控制信号。这样DSP 便会对信号进行采集，完成数字滤波。

2.3 总线设计

AE-DCS 采用的是CAN 总线，下面重点对其硬件接口和软件设计要点进行分析。

2.3.1 硬件接口

本次开发设计的AE-DCS 中，CAN 有两种接口，一个为适配卡接口，另一个为DSP 接口。

（1）对于适配卡接口的操作实质上是对寄存器的操作，具体方法如下：对适配卡上的基址进行拨动，以此来选定相应的段址，然后加上偏址便可对寄存器进行访问，从而实现度控制器的驱动，完成数据收发[7]。

（2）DSP 接口采用的是内嵌式模块，为高级CAN 控制器，其能够对相关的通讯标准进行兼容，数据收发全部是基于可独立控制的油箱来完成，功耗低，可通过编程的方式唤醒总线活动，能够提供具有虚拟特性的相应信息。

2.3.2 通讯软件

（1）在对通讯软件进行设计的过程中，需要对总线通讯协议进行合理设定。由于在CAN 总线上的任意节点均可随时发送报文，当两个或是以上的节点在同一时间内对报文进行发送，可能会产生冲突，对此可在通讯软件设计中引入逐位仲裁规则，以标识符ID的大小来解决冲突问题，即标识符越小，与之相对应的节点优先级越高[8]。当优先级高的报文与低的报文相遇时，应先发送优先级高的，然后再发送优先级低的报文。对于网络通信而言，不同的事件优先级存在一定的差别，其中优先级最大的事件为故障信号，而故障信号中执行装置的优先级最高，传感设备次之。

（2）可在中断服务程序中对工控机的通讯程序进行内置，当进入中断服务后，EEC 会向温度传感设备发出信号采集的要求，并在工控机中开辟出存储信号的单元，按预先设定好的控制方式，向执行装置发出控制指令，如果接收到的信号为故障信号，那么会自动转入到故障处理程序。在对数据进行收发时，可以采取查询和中断两种方式，与中断的方式对数据进行接收能够防止数据丢失的情况发生。为确保数据能够成功接收，应使接收中断高于定时中断的优先级。

（3）由于工控机并不能对温度传感设备的信号进行实时获取，所以需要对EEC 的控制帧周期进行调整，具体方法如下：将周期设定为T，在t 时刻，依托CAN 向温度传感设备发出信号，当传感器接到请求后，便开始对相关数据进行采集，然后发给EEC，该数据会被存放置新开辟出来的内存单元当中。这样一来，EEC 便不会处于等待信号的状况，从而不会浪费时间，并消耗功率，能更加专注于算法和逻辑控制。

2.4 执行装置设计

2.4.1 位置控制器硬件

在对位置控制器进行设计时，硬件的选择是重点。在航空发动机数字控制系统中较为常用的驱动执行机构有电液伺服阀、伺服电机、高速电磁阀等。为简化设计过程，并进一步降低设计难度，经过研究后，最终决定选用伺服电机，以此作为执行机构。伺服电机采用的是交流电源，本身的功率并不是很大，为620W，额定转速为3000r/min，在其尾部配有编码器，可反馈位置信息[9]。同时伺服电机还配有驱动器，采用四倍频技术，控制精度高，能够满足航空发动机的位置控制需要。

2.4.2 软件设计

在对位置控制器的软件进行设计的过程中，为简化设计，将之设计为主、辅结合的形式。其中主程序的控制与温度传感设备的控制程序基本相同，上电后会进行自检，确认无异常情况后，会先向伺服电机发出确定位置的信号，当伺服电机接收到信号后，会作出响应，并由尾部的编码器将响应后的位置信号反馈给DSP；而DSP接收到反馈信号，会作出判断，看这个位置是否处理合理的范围内，如果在则表明电路处于正常状态，若是超出，则会将故障信号传给EEC，等待处理。中断服务程序会对故障进行监测，并且还能对电机的位置与实际位置之间存在的偏差进行判断，当超限时，便认定存在故障，会发出报警。