智能航空发动机综合优化控制的应用及发展

王勃，刘美山

（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）

0 引言

复杂的航空发动机系统需要按照设定的控制程序严格地、有条不紊地进行工作，但是在智能化的控制上存在一定欠缺，无法根据环境变换主动做出改变，执行一些相关响应，因此这也一定程度上限制了航空发动机的设计、应用和维修方面的智能化发展。所谓智能化，要做到既可以按照规定的完整流程去执行也可根据环境的变化做出思维上的正确反应，航空发动机的智能化、自动化发展将是航空发动机现在和未来的主流发展趋势，综合控制技术的优化与改进是推动航空发动机技术发展的有效途径[1]。

1 智能航空发动机概述

发动机控制技术作为航空事业关键技术，掌握着综合的控制能力，智能化航空发动机的大体工作流程是通过发动机健康管理系统和主动控制系统，根据对传感器所示数据和专家模型分析，可以全面、实时地监控和掌握发动机和元器件所处的外界环境以及运行状态，依据这些反馈信息和环境信息随时改变发动机的运行模式，对发动机状态和性能进行积极的自我管理，最大化发挥发动机的运行效率，提升对航空发动机的智能化操纵性，全面增强航空系统整体可靠性和安全性，减少发动机故障的产生，同时减少维修保养成本。随着现代航空对对飞机无论是在可靠性、安全性、经济性还是在受环境影响性方面，都提出了日益严格的要求和标准，智能航空飞机的发动机设计与控制技术研发给相关研究人员带来诸多挑战，智能发动机的控制技术，例如，主动控制技术、分布式控制技术、传感器和作动器技术等关键技术，这些技术的优化和改进要科技研究人员的不断努力，以提升智能发动机可靠性、综合控制能力以及健康管理[2]。

2 现代航空发动机关键技术

随着科学技术的发展，我国对现代发动机的要求越来越高。除了发动机自身的安全性、操纵性和成本负担外，还对发动机排放能力有了更高层次的要求，详情见图1。大自然生态环境的变化使现代发动机系统不断更新优化，给研发人员带来了新的挑战。智能化发动机的研发技术主要体现在发动机控制、健康管理、数据融合以及故障诊断等，这只是其中的一部分，同时，还有飞机的地面维修技术。因此，为了保证智能发动机的研发顺利进行，除了要对发动机的各项关键技术熟练掌握外，还有对其性能充分了解。

图1 现代飞机发动机需求

2.1 FADEC技术

全权限数字电子控制（FADEC）技术采用了先进的容错技术、光纤技术以及控制模态和逻辑，未来会主要向智能控制、综合控制、分布式控制以及多变量控制方向进行研发与应用。FADEC技术以更好地满足智能航空发动机的运行特点为目标进行改进，在未来智能航空发动机全权限数字电子控制技术的研发中，类似光纤传感器、高温电子装置、复合材料以及高温电子驱动和作动器等这些技术都有很大的可能性能够发展为FADEC系统中的关键技术。当下，全权限数字电子控制系统的关键技术包括：

（1）精确的记载发动机实时建模技术；（2）智能电子控制器设计技术；（3）抗恶劣环境控制器技术；（4）二次集成和专用芯片设计技术；（5）先进控制模型设计；（6）智能的应用软件设计技术；（7）先进解析余度技术与传感器余度设计；（8）状态监视、故障诊断及处理技术；（9）质量轻、速度快的燃油泵及计量装置设计[3]。

2.2 主动控制技术

主动控制的作用是综合考虑发动机的设计与结构、航空飞机飞行状态、气动力变化、环境改变等多种因素，进行协调和控制，充分发挥发动机的优势、飞机控制主动性和飞行控制潜力，使智能航空以最佳性能进行任务的执行，保障飞行的安全性，避免故障的产生，延长智能航空飞机的使用寿命，有效减少智能航空飞机的维修与保养费用。涉及到智能航空发动机主动控制技术改进与优化控制的领域，有微处理器技术、控制理论、传感器和作动器技术以及部件动态响应特性等。如今，微处理器技术和控制理论已经得到广泛的应用，主动控制技术在传感器和作动器技术的研发方面具有较大的发展空间与挑战力度，传感器要适应外界高温环境的同时具备较高的稳定性，作动器要拥有高带宽和高频响应，而在主动控制技术的稳定性控制、燃烧控制以及间隙控制方面，都需要应用到高频响作动技术，因此，高频响作动技术作为主动控制技术研发与应用中的关键技术，作动系统需要具备较高的应用特性，带宽充足、质量轻、耐久性好等成为今后的主要研究反向。

2.3 分布式控制技术

航空发动机系统是一个复杂、综合的控制系统，在智能航空领域，集中式的控制系统无法高效施展，需要耗费较大的资源和能源。相比来看，分布式的控制方式反而较为适合智能航空发动机系统在方法、结构、测量执行元件等方面的综合控制，能够有效提高系统可靠性、发挥系统优势性能。分布式控制技术在智能航空发动机系统中的应用优势众多，例如可以使控制系统轻量化、减少综合控制系统的设计与开发周期、增强执行机构和传感器技术的兼容性等；另外，可以实现航空发动机每个智能装置中测试、识别功能设备与装置的统一化、标准化应用，大幅度降低了故障维修难度和维护成本。如图2所示，介绍了分布式控制技术发展的关键技术[4]。

图2 分布式控制技术发展蓝图的关键技术

2.4 智能控制和健康监视技术

2.4.1 基于模型控制

基于模型的控制技术在现代智能航空发动机综合控制方面应用较为广泛，此技术可分为两种控制形式：多输入多输出(MIMO)控制和单输入单输出(SISO)控制。单输入单输出控制较易实现，对各方面的控制没有非常严格，但也达不到多重作动器发动机的使用要求，因此相对适合主燃油控制常规发动机的使用。而基于模型的多输入多输出(MIMO)控制与SISO控制相比，控制结构更加完善、功能更加先进，不仅可适用于常规发动机的使用，在军用或者商用的发动机上也能发挥良好使用效果，间隙控制作动器、变几何等几乎全部类型的控制作动器都可应用多输入多输出控制完成转速调节、温度限制、压力限制等多种任务[5]。

2.4.2 状态/健康监视

地面系统和机载系统相互协作，才能完成发动机状态/健康监视（ECM）。通常主要从航空发动机气路性能和机械状态两方面进行发动机的状态监视，同时辅以气路或机械部件的几乎无损害的探测检查。发动机振动监视（EVM）是航空发动机机械状态监视的重要环节。振动监视的作用是全面监测发动机的运行状态，及时检查并发现异常和故障的出现，避免危险状态下运行导致的更严重的伤害。发动机振动监视技术常被用来监视转子系统的设备运行状态。另外，滑油监视技术在航空发动机机械状态监视方面应用也较为成熟，利用光谱分析、磁塞监测以及铁谱分析等技术，评判航空发动机各元器件和设备之间的磨损状态。

2.4.3 自适应控制

模型预算控制也可称之为一种新颖的自适应控制技术，“MPC”。最早之前发动机控制逻辑是依托发动机平均模型对其增益进行固定控制，这种控制方法较为传统。MPC可以使发动机的性能和飞行寿命保持在最佳状态。而这种最佳控制操作往往是在飞行发动机性能退化时，通过自适应发动接控制逻辑延伸开展。自适应控制技术在解决飞机发动机控制器设计方面的问题，与其他控制算法存在一定的优势。该技术可以直接对发动机所发出的温度、速度以及边速边界的规定参数进行处理。同时，自适应控制技术为了及时解决发动机在工作时出现的故障问题，可以对系统参数进行简单修改，其主要目的是降低或提高发动机的抗变性。MPC自适应控制技术可以在飞机作业期间对其耗油指数和排放量进行在线修改，这样可以有效提高发动机的使用寿命。每次样本对当前工作点的非线性发动机模型线性化，并且得到的线性状态空间模型被用来阐明和解决有限范围内约束的最优化问题。同时，还可以在超出范围时加强所有输入量和输出量约束。只有这种优化控制分布的首次采样被执行，并且在下次相应地改变控制、预测范围的采样时重复整个过程。

2.5 传感器和作动器技术

传感器和作动器技术的改进在航空发动机的智能化研发上具有重要意义，对传感器和作动器的智能化设计提出较高要求。目前，在航空发动机的传感器运行上主要采用电容传感技术、电磁式传感技术以及磁性-光学探测技术等。随着智能航空发动机综合控制技术的优化与改进，出现了一些创新形式的关键传感器技术，例如，信号传输技术、光学MEMS技术和频谱和激光诊断技术等一些列的先进传感器技术。作动器的主要发展方向不在技术上，而是在制作材料上，通过对先进材料的研发和应用提高作动器的运行效果，例如，压力电陶瓷、形状记忆材料以及电活性材料等通常具备显著应用优势和功能性的先进材料。传感器要能够适应外界复杂多变的环境因素，收集数据并将相关信息反馈到发动机控制系统，通过对数据的分析与规划后，发布对应的控制命令，通过作动器完成各项指标和任务，完成一整个计划与执行过程[6-7]。航空智能发动机控制和健康监视对传感器的各项要求如表1所示。

表1 智能控制和健康监视的传感器要求

3 结语

航空智能发动机相关控制技术的不断改进与优化是推动我国航空航天事业发展的重要因素，一些关键技术的应用与开发使得航空发动机的综合性能以及智能控制效果得到提升[8]。提出了高性能的全权限数字电子控制技术、气路内部件主动控制技术、系统结构分布式控制技术、智能控制和健康监视技术以及高可靠性的传感器和作动器技术，以全面促进智能航空发动机的综合优化控制。