航空發動機的「大腦」體檢

——淺談FADEC與半物理模擬試驗

關鍵詞

全許可權數字電子控制器（FADEC）半物理模擬試驗

概要

航空發動機是一種高度複雜和精密的熱力機械，為航空器提供飛行所需動力的發動機。為增加發動機的可靠性和效率，當和飛機的分系統結合操作時，全許可權數字電子控制器（Full Authority Digital Electronic Control，FADEC）提供發動機控制的全許可權來達到穩定和瞬態的發動機特性。FADEC作為航空發動機的「大腦」，直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性。為確保FADEC能夠正常工作，半物理模擬試驗作為發動機試車前的最後一項試驗，則尤為重要，該試驗目的是驗證各系統的功能、性能和控制邏輯的正確性，為控制系統的設計驗證和改進提供依據和指導。

今天，就為大家簡單講解一下航空發動機的這顆「大腦」，以及如何給它做體檢的過程吧！

FADEC的定義

FADEC是相對於傳統的發動機液壓控制系統定義的。傳統的液壓控制系統實現控制規律演算法主要依靠凸輪的空間曲面來完成，而這個空間曲面構型製造比較困難，因而液壓控制系統控制精度不高。FADEC實現控制規律演算法則簡單的多，只需把公式變成代碼進行處理即可，因而控制精度要高很多。

FADEC控制原理圖

FADEC的組成

FADEC系統包括電子控制器（Electronic Control Unit，ECU），燃油泵系統，主燃油、加力燃油計量裝置，放氣活門控制，葉尖間隙主動控制，感測器，以及專用電源發電機等。

CFM-56 5B型號的FADEC系統框圖

電子控制器（ECU）作為FADEC最重要的部件，從結構上和功能上可以劃分為輸入模塊、控制模塊、輸出模塊、電源模塊以及處理模塊。電子控制器通常採用雙通道結構，也稱余度系統。一個通道用於控制、一個通道用於熱備份。

BAE公司設計的ECU（Electronic Control Unit）

ECU內部結構框圖

FADEC的優點

1. 提高發動機性能。FADEC的計算能力強、精度高，能夠在整個飛行範圍發揮發動機的最佳性能；能夠改善發動機的啟動和過渡特性；能夠改善發動機安全保護。

FADEC的數值計算和邏輯判斷能力可在更合理的範圍選擇控制規律；容易實現發動機控制方案的變動，通過修改軟體就可以尋找最佳控制性能；

2. 降低燃油消耗量。由於FADEC可實現發動機的最佳控制，因此，發動機控制器更換時，可減少乃至不需要調整運轉，加之慢車轉速的閉環控制、引氣最佳化，結合自動油門等措施，能夠減少燃油消耗；

3. 提高可靠性。由於採用余度技術、故障診斷、恢復功能，而且減少了超溫、超轉、過應力等情況，使發動機的可靠性提高；

4. 降低成本。由於包括自測試、診斷、記憶等功能，可實施計算機輔助故障診斷，給維護帶來方便。加上更換控制裝置不需要調整運轉，使發動機維修成本降低；

5.易於實現發動機狀態監控，易於實現與飛機控制的一體化。

哇~了解了這麼多關於FADEC的知識，稱它為航空發動機的「大腦」確實是不足為過，那麼，我們該如何為這顆「大腦」做體檢，才能夠保證它敏捷、健康的運轉呢？下面的內容，為大家介紹專屬於FADEC的體檢項目——半物理模擬試驗。

FADEC半物理模擬試驗

在進行發動機試車試驗前，首先在FADEC系統半物理模擬台上進行試驗，以保證在發動機試車台上所用的時間最有效。在半物理模擬台上要做的試驗包括以下方面：

1.FADEC系統元部件及其功能評價；

2.全飛行包線內發動機控制能力評價；

3.FADEC系統故障模式、故障影響分析和單點故障有效性檢驗；

4.對發動機實時模擬模型和FADEC構成的組合發動機特性系統有動態推力相應作出評價。

為保證半物理模擬試驗具有足夠的可信度，要求在試驗中必須要滿足以下條件：

1.有保真度的發動機實時熱力學模擬模型；

2.有高精度的物理效應轉換裝置；

3.有運算速度極高的模擬計算機；

4.有時間常數極小的數字伺服電機。

FADEC半物理模擬試驗器

在半物理模擬試驗中，除發動機採用數學模型替代以外，控制系統的部件幾乎全部採用真實件。半物理模擬試驗需要在專門的半物理模擬試驗器上進行，該試驗器的主要功能如下：

1.具有實時的發動機數學模型和相應的輸入、輸出軟硬體介面；

2.具有轉速物理效應設備，模擬發動機物理轉速並帶動增壓泵、主泵、加力泵、伺服泵、轉速感測器等控制部件工作；

3.具有發動機主要截面壓力物理效應設備，模擬發動機主要截面的燃氣壓力，給壓力感測器提供氣壓；

4.具有發動機溫度信號的物理效應設備，模擬發動機主要截面的燃氣壓力，給壓力感測器提供氣壓；

5.具有真實的導葉作動筒、噴口喉道和矢量噴管作動筒作為位置執行機構並具有負載模擬能力；

6.具有低壓供油、主燃油，加力燃油噴嘴特性模擬、燃油流量測量、反壓模擬等組成的主、加力燃油模擬系統；

7.各種物理效應設備具有與控制系統部件相適應的機械、電氣介面、安裝機架，具有與發動機上相同的管道連接；

8.對設備和控制系統參數能進行實時採集、顯示和記錄；

9.通過物理效應設備能進行控制系統部件和伺服系統靜態試驗和動態試驗；

10.通過物理效應設備與全部控制系統部件一起，能進行各種進口條件下發動機起動、穩態、過渡態、極限狀態等全部的控制功能和控制性能的模擬試驗；

11.具有斷路和部分短路故障模擬裝置，能進行輸入、輸出的故障模擬試驗。

半物理模擬試驗器主要由電傳系統、燃油系統、氣壓模擬系統、溫度模擬系統、伺服作動及負載模擬系統、水冷卻系統、潤滑系統、發動機數學模擬系統、故障模擬系統等部分組成，與電子控制器、燃油泵及執行機構、感測器等控制系統部件共同構成了半物理模擬試驗系統。

半物理試驗器結構框圖

FADEC發展趨勢

目前的發動機控制系統是集中式余度FADEC，所有的控制規律處理和計算、余度管理以及輸入/輸出信號的濾波和處理都經由FADEC進行。未來的FADEC將採用分散式控制系統，與集中式FADEC相比，引線數、接頭數和重量分別由2214kg、112kg和134kg減少到320kg、80kg和50kg。在分散式控制系統中，靈巧裝置通過一條余度的高速數字數據匯流排和FADEC通信。靈巧裝置可以是一個感測器，或一個作動器，或是兼有感測和作動功能的裝置。每個靈巧裝置有自己的處理元件，可以執行所要求的當地功能。為使溫升和功耗最小，還將採用變速和變流量泵。

除了降低發動機控制系統的複雜性和重量之外，分散式控制系統的優點還有：

1.由於採用通用模塊和標準介面，縮短了研製周期和降低了成本（60%）；

2.通過對每個靈巧裝置進行自檢和診斷，降低了維修成本；

3.採用新的元件級技術，對中央處理計算機的改動最小甚至無需改動，設計和升級的靈活性大；

4.FADEC可以遠離發動機安裝，從而降低重量，改善可靠性和控制系統的總和。

結束語

隨著時間的推移，航空發動機的推力水平和能力也在與日俱增。為滿足人們對發動機推力和能力的需求，發動機的控制系統也從簡單的開環機械系統發展成為複雜的閉環液壓機械系統，直至今天高度複雜的電子控制系統（閉環技術、模型基技術和計算能力強大的控制系統）。與此同時，對於FADEC可靠性的追求同樣使得控制系統必須向著複雜化的方向發展，因為只有這樣才能實現余度技術、機載發動機模型技術和診斷技術的改進。FADEC將繼續在系統硬體可靠性、先進的故障檢測技術、準確一致的維護信息和新的控制規律等方面發展。

參考文獻

姚華——《航空發動機全許可權數字電子控制系統》

樊思齊——《航空發動機控制》

南京航空航天大學——《高大上的航空發動機之控制器》

來源：心動商發

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