航空发动机全权限数控系统研究和试飞验证

以某型发动机为控制对象,研究航空发动机全权限数字电子控制系统(FADEC)。对数控系统的总体结构、控制规律、故障诊断及余度设计、电子控制器、液压机械装置、控制软件开发等关键技术分别进行了讨论。通过试飞,验证了该数控系统功能和性能及其关键技术。试飞结果表明,使用全权限数字电子控制系统取代传统的液压机械调节器不仅扩展了发动机控制系统的控制功能,同时也更有效地发挥了航空发动机的性能,改善了发动机的操纵性、维护性和可靠性。      

航空发动机部件级模型硬件在回路实时性验证

为了验证航空发动机部件级模型作为机载模型的实时性,开展部件级模型的硬件在回路试验。根据AIR4548A燃气涡 轮发动机实时建模标准,建立了单轴涡喷发动机部件级实时Simulink模型;基于模型设计方法和自动代码生成技术,将该模型集 成到全数字仿真平台FWorks;将验证后的模型代码集成到硬件在回路平台的电子控制器实物中。进行了全数字仿真和硬件在回 路仿真验证。结果表明：全数字仿真结果验证了部件级模型的准确性和代码生成的正确性;在硬件在回路的开环仿真结果中,该 部件级实时模型单步最大运行时间不超过2.7 ms,可以作为模型基控制、故障诊断、健康管理和性能寻优控制等技术的机载模型。     

面向FADEC系统BIT验证的综合故障注入器研究

为了评价航空发动机数字电子控制器机内自测试检测能力,提出了一种面向全权限数字电子控制(FADEC)系统机内自测试(BIT)验证的综合故障注入器的设计思想。综合故障注入器采用ARM处理器作为核心控制器;基于数模混合电路,分别通过后驱动技术和电压求和技术实现对数字电路节点和模拟电路节点的故障注入;针对各种传感器和执行机构的电气特征,设计了具有良好逼真度的接口模拟电路,从而与电子控制器(EEC)构成FADEC系统运行环境。通过对具有BIT功能的电子控制器原理样机的故障注入实验,证明该综合故障注入器作为航空发动机FADEC系统BIT设计和应用研究的工具是非常有效的。      

弹用涡喷发动机数控实时仿真系统设计及试验

以弹用小型涡喷发动机为研究对象，在充分考虑了发动机数字控制系统设计过程中的实时仿真、数控台架试车、数控系统成型装备飞机与导弹等实际情况的基础上，采用PC／104为数控系统控制器，以计算机模型替代真实发动机，设计了发动机数控含实物实时仿真系统。具体介绍了系统硬件设计；自适应预测控制器设计及其试验研究等。仿真结果表明：系统能实时地反映在控制系统作用下发动机的运行情况，为发动机全权限数字电子控制（FADEC）系统研究提供了良好的试验手段。     

基于MBD的商用航空发动机控制软件架构设计

发动机全权限数控技术（FADEC）在商用航空发动机中广泛应用,软件是核心。基于模型设计（MBD）是FADEC软件开发的趋势,但考虑发动机电子控制器（EEC）硬件资源、扩展性等因素,对软件结构设计、MBD与非MBD接口定义等架构问题带来新挑战。在大客发动机验证机电子控制器先期试验平台上,对基于MBD的发动机控制软件设计问题进行了研究,开展了基于MBD的软件架构设计、集成工作,验证结果表明,软件架构设计方案合理可行。     

航空发动机控制逻辑设计

以成功设计的航空发动机液压机械控制系统和模拟电子控制系统为基础,从中抽取出了相应的控制逻辑,并将它们应用到了数字电子控制系统设计当中。仿真表明,控制逻辑设计的应用是成功的,它可以大大简化控制系统结构,为鲁棒控制器等高阶控制器在航空发动机数字电子控制系统中的应用奠定了基础。     

基于数据集中器的超燃冲压发动机分布式控制系统通信方案设计

为满足超燃冲压发动机的控制需求,开展超燃冲压发动机分布式控制系统通信方案设计研究。通过研究超燃冲压发动机的部件特性和控制需求,给出了超燃冲压发动机控制系统所需要测量的参数。设计基于数据集中器的部分分布式控制系统并对控制系统结构、总线选择、通信方案设计等关键技术进行阐述。在部分分布式控制系统中,全权限数字电子控制器(FADEC)实现控制及冗余切换管理功能并与飞机系统进行数据交互,FADEC原有的信号处理功能及故障检测功能被分散到数据集中器一级。在MATLAB环境下利用True Time仿真工具箱搭建分布式控制仿真系统对通信方案进行验证。仿真结果表明该通信方案在250kbit/s传输速率下的带宽利用率为41.14%,各节点消息传输没有冲突且传输时延不超过16.1ms。     

基于线性自抗扰的齿轮传动涡扇发动机控制

为了研究干扰对航空发动机系统的影响及提高控制系统抗干扰能力,采用基于模型的设计方法（MBD）,建立一种大涵 道比齿轮传动涡扇发动机（GTF）部件级模型,并且针对发动机干扰来源,根据发生机理建立大气湍流干扰和功率提取干扰模型。 基于线性自抗扰控制（LADRC）方法设计了发动机转子转速控制器。在全数字仿真平台和硬件在环仿真平台上对发动机模型、干 扰模型以及控制算法进行了集成与验证。结果表明：发动机在面对这些类干扰时,LADRC控制器在转速等重要性能指标上的抗 扰能力比PID控制器提高20%以上。LADRC控制具有更好的鲁棒性和抗干扰能力,保证了发动机的平稳运行,为LADRC在实际 航空工程中的应用打下了良好的基础。     

航空发动机数控系统综合仿真平台设计

综合现有软硬件资源,采用模块化方法设计了航空发动机数字电子控制系统综合仿真平台,其框架主要包括发动机模型系统、传感器信号模拟与处理、控制器快速原型等子系统.发动机模型系统采用集成仿真环境调用液压执行装置和发动机数学模型库方式设计;快速原型系统采用Matlab/Simulink环境下将控制程序封装成S-Function的方法设计;软件设计重点描述了混合编程与定时器编程技术.以某双轴涡扇发动机为应用对象,进行控制系统数字仿真、半物理模拟试验和台架试车,在相同控制参数下,仿真试验与台架试车结果相似,表明所设计综合仿真平台具有工程应用价值.      

基于总线功能模型的全系统FPGA验证环境设计

为了解决发动机控制领域中可编程门阵列设计复杂性日益增长而导致的验证困难问题,提出了1种FPGA的全系统验证方案,用以实现全面高效的功能验证。根据控制系统设计方案,对照控制器电路结构进行验证平台的搭建,通过基于总线功能模型的方法对系统中FPGA所控制的外设进行建模,并在验证平台中进行与电路完全一致的连接。按照系统测试计划编制测试用例对全系统进行模拟仿真。测试结果表明:全系统FPGA的验证能够模拟控制器实际运行状态,提升了验证层次与效率,对发动机数控系统的设计质量提升有显著作用。     

鲁棒控制用于涡喷发动机控制器设计

基于LMI(LinearMatrixInequality,线性矩阵不等式)的方法,将PID控制律与鲁棒技术交叉结合,考虑了控制受限条件,提出了一种基于LMI的输出反馈PI控制器分段设计的切换方法。这一技术应用于某型涡喷发动机全功能的数字式电子控制器的稳态控制中,并介绍了该型涡喷发动机控制系统的组成,包括硬件、软件、步进电机执行机构及燃油计量装置。设计的电子控制器在发动机半实物仿真平台上进行了鲁棒性能的验证,实现了电子控制器的等转速调节功能和逻辑监控保护功能,满足涡喷发动机多功能FADEC控制要求。      

基于AMESim的涡扇发动机控制系统 综合仿真

以AMESim为平台,采用模块化的设计方法,分别建立航空发动机、传感器、燃油系统、电子控制器和执行机构数学模型.将模块封装打包建立涡扇发动机控制系统模型库,并将之组成为完整的发动机及调节器系统综合仿真平台.以主燃油控制系统为例,介绍了各仿真模块的建立过程,仿真结果表明,系统模型能反映各子系统之间的复杂集成和耦合关系,利用系统模型仿真进行组合优化能够有效提高系统性能.      

基于TTP/C总线的开放式DEEC设计及PIL仿真验证

基于自主设计的TTP/C(时间触发协议)总线控制器,提出了开放式DEEC(发动机数字式电子控制器)的冗余架构,将其划分为输入、核心计算及输出3种智能节点,并制定了各个智能节点的任务调度规划图.设计了基于DSP(digital signal processor)+FPGA(field-programmable gate array)的智能节点硬件平台,在此基础上完成各智能节点的软件设计.最后构建了开放式DEEC的PIL(process in the loop)仿真测试平台,以发动机模型为控制对象,展开了状态调节试验和总线故障注入试验.试验结果证明该开放式DEEC是可行的,并具有良好的重构特性.      

涡轮动力装置闭环仿真试验器的设计与应用

针对涡轮动力装置电子控制器的控制逻辑检测和调试问题,本文提出了一种采用电子仿真试验器替代真实涡轮动力装置的方法。将电子仿真试验器与电子控制器构成闭环控制同路,从而实现对涡轮动力装置闭环运行过程的模拟。仿真试验表明,利用该电子闭环仿真试验器能较好地模拟涡轮动力装置系统的实际工况,为涡轮动力装置电子控制器的调试和检测提供了‘种简便、有效的途径,且能显著降低试验成本和危险性。     

100N推力级微小型涡喷发动机数字式电子控制器研究

建立了100N推力级微小型涡喷发动机模型,应用鲁棒控制算法进行了控制器软、硬件系统开发设计;提出了全新的仿真方法,用该方法对控制器进行了仿真,取得了良好的效果。电子控制器不仅具备等转速调节功能,且有足够的逻辑、多种控制监测和保护功能,完全符合多功能FADEC控制的要求。     

某型涡扇发动机喷口控制系统数控改造方案设计

某型涡扇发动机采用的机械液压控制系统的喷口控制系统质量大、结构复杂、控制性能有限,在加力时产生一系列故障问题。在对原机械液压式喷口控制系统进行分析的基础上,提出对应的数控改造方案,建立仿真模型,并对此喷口数字电子控制系统进行仿真测试。结果表明:数控系统在发动机加力比变动的情况下,可以实现对喷口面积的有效控制,比原机械液压系统具有更好的控制品质,且对于不同的飞行条件也具有一定的适应性。     

航空发动机多变量模糊滑模变结构模型跟踪控制

针对现代航空发动机是一个具有不确定性的强非线性系统,结合滑模变结构控制和模糊逻辑系统的优点,提出了一种模糊滑模变结构模型跟踪控制方法。采用比例积分型切换超平面设计滑模变结构控制系统,使用模糊逻辑系统自适应调节切换增益,得到某涡扇发动机的模糊滑模变结构模型跟踪控制器。数字仿真结果表明,所设计的控制器不但能使被控对象较好地跟踪参考模型,消除抖振现象,而且对系统的不确定性具有不变性,保证了被控系统在整个控制阶段都具有较强的鲁棒性。     

涡扇发动机消喘系统设计与试验研究

在某型涡扇发动机气动失稳特征的基础上,建立了航空发动机失速/喘振特征工程数学模型,研制出发动机消喘系统数字仿真平台,完成了消喘系统的方案优化设计,并在地面台架和飞行台试验中得到了验证。其气动失稳工程数学模型、数字仿真优化设计技术和试验验证方法可广泛应用于航空发动机、地面和舰船燃气轮机、以及其它民用叶轮机械气动失稳测控设计领域,同时也为制定航空发动机消喘系统设计规范奠定了坚实的技术基础。