第九章 航空发动机状态控制系统

航空发动机控制系统的实时仿真技术

张天宏

【期刊名称】《航空制造技术》

【年(卷),期】2015(000)012

【总页数】5页(P26-30)

【作者】张天宏

【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院

【正文语种】中文

随着航空发动机技术的发展，其对发动机控制系统的设计要求日益提高。全权限数字电子控制（Full Authority Digital Electronic Control，FADEC）是现代航空发动机的重要特征之一。FADEC系统是一种典型的复杂嵌入式控制系统，具有极高的可靠性要求。航空发动机控制系统设计正面临着控制任务多、复杂度高、难度大且需求多样化的技术挑战，传统的量体裁衣和基于经验的设计流程已经不能适应现代航空发动机控制技术的发展需求，迫切需要采用先进的设计理念和高效的研发手段加以应对。

美国英国等技术先进国家在航空、汽车等复杂嵌入式控制系统研制领域已广泛采用基于模型的设计（Model Based Design, MBD）理念。所谓MBD是指，在整个控制系统的开发过程中使用系统模型作为载体进行方案评估、验证和目标系统的发布，整个开发流程呈现一种从上至下的技术分解以及从下而上的系统综合过程，即所谓的“V”形体系结构。与传统的基于经验的设计方法相比，基于模型的设计方

法有助于更好地理解备选设计方案和权衡设计要素，从而能够对复杂系统进行高效的优化设计。设计师采用图形化的工具快速构建各种系统模型，将现有的C代码与标准控制模块库整合，实现基于代码复用的自动代码生成，使嵌入式控制系统设计效率大幅度提高。

军用航空发动机加力控制系统的研究和发展

摘要：

本文旨在介绍军用航空发动机加力控制系统的研究和发展。首先介绍军用航空发动机加力控制系统所需的基本设施，并介绍了参与其开发的人员的角色。接下来，我们详细介绍了各种可能的研究方法，例如实验、仿真和计算机模拟，以及通用的设计思想，为系统的发展提供了指导。紧接着，我们重点介绍了当前技术水平，包括采用先进计算技术的系统，以及现有的设计方法，以帮助设计者在追求发动机极致性能时提供有效的技术支持。最后，我们概述了发动机加力控制系统的未来研究发展趋势，以指导未来应用者更好地把握未来发动机加力控制系统技术和产品发展的思路。

关键词：军用航空发动机；加力控制系统；研究；发展；设计。

正文：

一、引言

随着最先进的计算技术的发展，军用航空发动机的研究和发展也取得了长足的进步。这是因为它们不仅可以提高发动机性能，而且还能够提高设计者在设计各种类型发动机时的效率。其中加力控制系统就显得尤为重要，它极大地改变了传统的发动机加力控制的方式，并提供了一些实用的设计方法来满足不同的发动机类型。

二、军用航空发动机加力控制系统的基本设施

加力控制系统的核心设施包括发动机性能参数的测量和感知，系统分析和计算，以及对加力系统的参数调节，可以精确有效

地控制发动机。这些设施包括但不限于发动机控制系统，加力控制模块，发动机监控系统，以及必要的测量装置。同时，由于加力控制系统涉及到多个技术领域，因此参与研究和开发的专业人员也有很大不同。例如，结构工程师，材料工程师，以及软件工程师可以负责设计发动机的结构，外观，以及安全性能，并负责确保系统的正确运行。

航空发动机控制系统设计与实现

随着航空事业的不断发展，现代航空机械的要求也越来越精密。而其中最关键的一部分便是航空发动机，其中的控制系统也是至关重要的组成部分。如何设计和实现一套高效的航空发动机控制系统成为了现代航空科技的一个重要研究领域，本文将对相关内容进行深入阐述。

一、航空发动机控制系统的基本原理

航空发动机是直接影响着航空器飞行性能和安全的核心组成部分，其控制系统则是保证整个航空器运行稳定和安全的基本保障。航空发动机控制系统主要由自矫正控制系统和人工干预控制系统组成。自矫正在起保持发动机稳定性和实现闭环控制作用的基础上，人工干预控制系统则可以根据实际运行情况采取一些主动措施来保证飞行安全性。

二、航空发动机控制系统的设计

航空发动机控制系统的设计过程主要包括以下几个步骤：

1. 确定系统控制对象

首先要明确控制系统的对象是哪些，在发动机控制系统中，涉及到的对象包括燃料系统、冷却系统、涡轮系统等组成部分。

2. 建立模型

建立准确的数学模型并进行模拟是航空发动机控制系统设计的基础，其中涉及到的数学知识包括微积分、控制论、概率论等多个学科。

3. 设计控制器

在了解系统模型的基础上，可以根据实际需求和控制目标设计不同类型的控制器，常见的控制器包括PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等。

4. 仿真测试

通过基于数学模型的仿真测试，可以模拟实际控制系统的运行状况，评估系统

的控制效果和性能是否达到预期目标。

三、航空发动机控制系统实现技术

现代航空发动机控制系统的实现离不开高科技的支持，主要包括以下几个方面。

Electromechanical maintenance机电与维修

0　引言

由于航空发动机所处的运行环境非常恶劣，航空发动机的整体构造非常复杂，在出现设备故障之后，如果不能够在第一时间进行故障排除很容易影响航空发动机的运行效率，导致航空发动机运行陷于停止，这会引起严重的安全事故。在这样的情况下，必须提高对航空发动机故障检修的准确率，保证燃油和控制系统得到稳定运行。传统的发动机故障诊断中具有明显的主观因素，诊断方法效率比较低，存在明显的误差。通过对航空发动机运行过程中发动机的环境进行检测，并且判断传感器的位置设置，才能够确保航空发动机故障检测的准确性。

1　机械故障燃油与控制系统的应用设计

1.1　燃油与控制系统的介绍

随着科学技术的快速发展，测量技术的应用范围也越来越广泛，包括自动控制技术、质量控制技术、生物医学工程技术等，但是传统的接触式测量技术效率比较慢，必须要进行补偿测量，存在明显的局限性，无法适应现代化产业的发展。随着非接触式测量技术的兴起，通过运用光学原理能够保证非接触测量技术的效率更高，而且不会对产品造成破坏、工作距离比较大，能够对物体进行动态或者静态的测量，所以非接触式测量技术可以在产品质量检测以及工艺控制中广泛的应用能够极大的节约生产的成本，保证产品的质量水平得到有效提高[1]。燃油与控制系统具有自动化、易于操作、检测精度高的优点，能够取代传统的检测技术，可以缩短操作的流程，减少操作时间，而且也能够实现智能化的操作。燃油与控制系统还能够充分对声音、声调、音色和音频等相关的听觉性来完善故障诊断模型的评判标准，通过对声信号的传感器异常捕捉，判断航空发动机整体的故障类型。

28

航空发动机控制技术作为航空发动机稳定运行的核心技术,在整个航空事业发展中发挥着非常重要的作用。全权限数字电子控制技术是发动机控制领域的一项新技术,其通过计算机控制取代传统的机械控制,不但发挥了计算机强大的数字运算和处理能力,而且充分挖掘出了航空发动机的性能。

1 航空发动机全权限数字电子控制系统优点分析

1.1 能够提高发动机性能

航空发动机全权限数字电子控制系统利用了计算机强大的数字处理能力,能够使航空发动机长时间保持在最佳状态,提高了航空发动机的稳定性,充分挖掘出了航空发动机的性能。

1.2 能够降低燃油消耗量

航空发动机全权限数字电子控制系统可以根据航空发动机的动力需要,自动将发动机调整到最佳状态,并自动关闭发动机不必要的运转,因此大大地降低了发动机的油耗量。

1.3 能够降低日常的维修成本

航空发动机全权限数字电子控制系统能够在航空发动机温度或荷载过高的情况下自动将发动机关闭,使航空发动机的故障发生率大大降低,还能根据系统反馈及时地对航空发动机进行诊断和维修,有效地降低了发动机的日常维修成本。

1.4 提高发动机运行的可靠性

航空发动机全权限数字电子控制系统能够维持航空发动机的稳定运行,避免航空发动机过高负荷运行,并且一旦航空发动机出现故障,就会及时反馈给计算机,使发动机故障得到及时修复,提高了发动机运行的可靠性。

2 发动机全权限数字电子控制系统构成及实现

航空发动机全权限数字电子控制系统主要包括燃油供应装置、电子控制装置、燃油泵系统和各类传感器等,为了保证航空发动机全权限数字电子控制系统的可靠运行,必须将控制系统设计成双通道或者双余度的形式。

收稿日期：

２０２２－０６－０６引用格式：廖鹏程，李昂，王骁，等．航空发动机状态监控和预测性维护应用研究［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（５）：８５－９０．ＬＩＡＯＰＣ，ＬＩＡ，ＷＡＮＧＸ．ＡｐｐｌｉｅｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｔａｔｕｓＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅｆｏｒＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（５）：

８５－９０．航空发动机状态监控和预测性维护应用研究

廖鹏程，李　昂，王

　骁（航空工业陕西千山航空电子有限责任公司，陕西西安　７１００６５）

摘要：为了深化飞参数据的应用价值，通过研究发动机转动件故障预测、剩余寿命预测以及气路健康等，

为发动机保障决策和预测性维护提供参考。采用经验模态分解（ＥＭＤ）结合相对向量机（ＲＶＭ）、灰度模型（ＧＭ）用于发动机转动件、气路监测的状态监控和故障预测，选取波音某型飞机故障数据验证了模型的准确性，平均绝对百分比误差（ＭＡＰＥ）能达到８．４６％；采用卡尔曼滤波（ＫＦ）结

合梯度提升决策树（ＧＢＤＴ）的方法对数据进行降噪并预测剩余寿命，通过美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）的

航空发动机仿真数据集验证了模型能达到９１ ３％的

准确率；采用核主成分分析（ＫＰＣＡ）结合深度置信网络（ＤＢＮ）的方法建立发动机气路健康监控模型，经过大量ＱＡＲ数据验证和测试，预测相对误差为０ ４３％。针

对基于数据挖掘的航空发动机故障诊断算法开展研究，设计了相应的算法，开展了实验验证，

通过有效的数据预处理和模型参数调节，使得故障诊断性能达到较高水准，为航空发动机的预测性维护提供了重要参考。关键词：特征提取；深度学习；故障预测；健康管理；

航空发动机控制策略研究

一、引言

航空发动机是飞行器的核心，控制系统是其性能特性的决定因素。发动机控制系统的优化设计能够显著地提高发动机的能效性、动力学特性、寿命等，从而使整个飞行器具有更好的性能和更高

的安全性。

二、发动机控制策略的分类

发动机控制策略的分类有多种方式，常见的分类方式有以下几类：

1. 根据控制器的类型：分为电子式控制和机械式控制两类。

2. 根据控制参数的种类：分为机械参数控制和液压参数控制两类。

3. 根据控制目标的不同：分为功率控制、推力控制、速度控制

和燃油经济性控制等控制策略。

4. 根据控制系统的结构：分为复杂的全数字式控制系统和简单

的机械式或者液压式控制系统。

5. 根据控制理论的不同：分为PID控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等控制策略。

三、发动机控制策略的优化设计

为了使发动机能够具有更高效率、更好的动力学特性和更高的安全性，控制策略需要进行优化设计。一般而言，优化设计需要遵循如下几个步骤：

1. 确定优化目标和优化变量。

优化目标是指希望达到的最优状态，优化变量是指控制策略的关键参数。在发动机控制系统的优化设计中，优化目标往往是最大化飞行器的性能或者最小化发动机的耗能率。优化变量包括控制参数、模型参数等。

2. 构建数学模型，量化优化目标和优化变量。

建立发动机控制系统的数学模型是优化设计的核心，数学模型需要基于物理学原理和实验数据，并且需要将发动机的马达耦合机电系统、燃油供应系统和其他机械硬件以及控制系统中的控制逻辑进行有效的整合。

3. 选择优化算法，进行参数调整和优化。

2019 年《航空发动机控制》复习提纲

1.理解航空动力装置在地面条件下的安全工作范围。

它的工作受到慢车转速、最大转速、贫油熄火、涡轮前最高温度以及压气机喘振边界的限制。

2.理解航空动力装置在空中飞行时受到的各种限制。

高空低速时受燃烧室高空熄火的限制。因为高空空气稀薄，燃油雾化质量差，难以稳定燃烧。低空高速时受压气机

超压限制。因为压气机后压力过高，可能会损坏压气机、燃烧室等薄壁部件。图中右边为最大飞行马赫数 MH 限制线。右上方为进气道、飞机蒙皮承受的气动热限制，或称为超载边界。发动机在空中熄火后，一般只能在空中起动

区这一狭小范围内，利用发动机风车状态所造成的燃烧室压力而重新点火、起动。

3.理解航空发动机对控制装置的要求。（P22）

1 保证最有效地使用发动机、

2 稳定工作，控制精度高、

3 良好的动态品质、

4 可靠性高，维护性好、

5 可更改

性好，满足先进发动机对控制不断增加的要求。

4.掌握可控变量的概念。

能影响被控对象的工作过程，用来改变被控参数大小的因素称为可控变量，如供往发动机的燃油流量Wf，涡桨发

动机上螺旋桨的桨叶角β。通常选择油气比（Wf /p3）作为主要的可控变量（原因在28题处也有）：

（1）因其与主燃烧室油气比的正比关系，油气比可以很好地控制涡轮燃气温度；（2）当发动机喘振时提供了自

恢复的特征；（3）由于减少了控制器收益限制的变化，简化了控制规律，就如同使用修正参数来降低发动机性能

参数的变化。

5.掌握被控参数的概念。

能表征被控对象的工作状态而又被控制的参数。原则上能表征发动机推力大小的参数均可选作被控参数，如转速、涡轮前温度、涡轮后温度、增压比等，当然也包括推力本身。现代民用航空发动机通常用N1和EPR作为被控参数。

航空发动机总资料

第⼀章概论

航空发动机可以分为活塞式发动机（⼩型发动机、直升飞机）和空⽓喷⽓发动机两⼤类型。P3

空⽓喷⽓发动机中⼜可分为带压⽓机的燃⽓涡轮发动机和不带压⽓机的冲压喷⽓发动机(构造简单，推⼒⼤，适合⾼速飞⾏。不能在静⽌状态及低速性能不好，适⽤于靶弹和巡航导弹)。涡轮发动机包括：涡轮喷⽓发动机WP，涡轮螺旋桨发动机WJ,涡轮风扇发动机WS,涡轮轴发动机WZ，涡轮桨扇发动机JS。在航空器上应⽤还有⽕箭发动机（燃料消耗率⼤，早期超声速实验飞机上⽤过，也曾在某些飞机上⽤作短时间的加速器）、脉冲喷⽓发动机（⽤于低速靶机和航模飞机）和航空电动机（适⽤于⾼空长航时的轻型飞机）。P4

燃⽓涡轮发动机是由进⽓装置、压⽓机、燃烧室、涡轮和尾喷管等主要部件组成。

由压⽓机、燃烧室和驱动压⽓机的涡轮这三个部件组成的燃⽓发⽣器，它不断输出具有⼀定可⽤能量的燃⽓。涡桨发动机的螺桨、涡扇发动机的风扇和涡轴发动机的旋翼，它们的驱动⼒都来⾃燃⽓发⽣器。按燃⽓发⽣器出⼝燃⽓可⽤能量的利⽤⽅式不同，对燃⽓涡轮发动机进⾏分类：将燃⽓发⽣器获得的机械能全部⾃⼰⽤就是涡轮喷⽓发动机；将燃⽓发⽣器获得的机械能85%~90%⽤来带动螺旋桨，就是涡桨发动机；将获得的机械能的90%以上转换为轴功率输出，就是涡轮轴发动机；将⼩于50%的机械能输出带动风扇，就是⼩涵道⽐涡扇发动机（涵道⽐1:1)；将⼤于80%的机械能输出带动风扇，就是⼤涵道⽐涡轮风扇发动机（涵道⽐⼤于4:1）。P5

航空燃⽓涡轮发动机的主要性能参数：1.推⼒，我国⽤国际单位制N或dan,1daN=10N，美国和欧洲采⽤英制磅

航空发动机控制

航空发动机控制简介

航空发动机是播种机器可以失去，基于我们都清楚的事情。发动机的控制是保证发动机工作状况良好、安全、可靠的前提。

航空发动机控制系统是综合应用传感、信号处理、微处理、电子技术等先进技术的高精度、高可靠的复杂系统，不仅具有高度的自控能力，还能根据飞机任务要求进行定制。

一、航空发动机控制的目的及其所要完成的任务

航空发动机控制的目的，就是保证发动机安全、可靠地运行。它可以保证发动机始终处于最优的运行状态，避免因操作错误或外部因素梭差（如高温、湿度和压力等）而导致的事故发生。

航空发动机控制所要完成的任务，主要包括以下几个方面：

1、实现对发动机的启动、工作转速、停车手续和故障检测等

控制。

2、通过监视发动机的工作情况，及时发现故障并采取相应的

态势，防止故障引起事故。

3、为飞机提供满足特定任务要求的最优发动机参数（如燃油

消耗、发动机功率、噪声和排放等）。

4、实现自适应控制，适应飞行任务和高、低温、高刹地区等不同环境条件。

二、航空发动机控制系统的组成

航空发动机控制系统由的组成部分：发动机传感器、控制与数据处理器、执行器和人机接口等。

1、发动机传感器

发动机传感器是架设在发动机地方的装置，用于监视发动机各部位的状况，以取得发动机的运行状态。

常用的发动机传感器有：

（1）压力传感器——用于测量燃气流动的压力和燃油领付压力等。

（2）温度传感器——用于测量各部位的温度和排气温度等。

（3）速度传感器——用于测量高压涡轮和低压涡轮转速等，以控制发动机的工作转速。

（4）加速度传感器——用于测量振动、震荡和冲击力等。