小型渦扇發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)總線觸發(fā)機制研究

田飛龍，郭迎清，謝振偉

（西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安710072）

0 引言

當前的航空發(fā)動機控制系統(tǒng)普遍采用全權(quán)限數(shù)字電子控制器（FADEC），這是1種“點對點”的集中式控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)面臨著越來越突出的減重、提高發(fā)動機性能、降低成本等問題，采用總線通信的分布式結(jié)構(gòu)將會是下一代控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，美國已專門成立DECWG（發(fā)動機分布式控制工作組）聯(lián)合各行業(yè)推進這項技術(shù)的研究[1-2]。

分布式控制不同于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，采用總線通信必然會引入一些新的問題，如多節(jié)點數(shù)據(jù)競爭產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)誘導延遲、掉包等問題。不同的總線觸發(fā)機制下的延時情況不同，對系統(tǒng)的實時性、可靠性等造成的影響也不同。現(xiàn)有的總線觸發(fā)機制有2種：事件觸發(fā)機制和時間觸發(fā)機制。文獻[3]通過比較幾種不同的總線，認為時間觸發(fā)機制適用于對安全性要求較高的場合。在航空發(fā)動機分布式控制尚未成熟的工程應(yīng)用背景下，應(yīng)該選擇何種總線觸發(fā)機制值得研究。

本文以某小型渦扇航空發(fā)動機為對象，利用TrueTime工具箱建立發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)，分析比較不同總線觸發(fā)機制對發(fā)動機實時控制的影響，從而選擇適合發(fā)動機分布式控制的總線觸發(fā)機制。

1 2種總線觸發(fā)機制

發(fā)動機分布式控制采用總線通信，標準化接口提高了系統(tǒng)兼容性和開放性，便于實現(xiàn)智能模塊標準化設(shè)計；利用總線代替眾多模擬連接的線束可以大大減輕控制系統(tǒng)的質(zhì)量，提高發(fā)動機性能[4-5]。

引入總線使得控制系統(tǒng)各節(jié)點共享總線會產(chǎn)生競爭沖突問題。目前解決該問題有2種方法：事件觸發(fā)機制和時間觸發(fā)機制[6]。基于事件觸發(fā)方式的網(wǎng)絡(luò)中，所有活動都是由事件的發(fā)生引起，但由于延遲等原因，事件的產(chǎn)生是隨機的，這就很可能導致網(wǎng)絡(luò)中的事件之間發(fā)生沖突。此外，事件觸發(fā)還具有額外開銷小和實現(xiàn)簡單的優(yōu)點。基于時間觸發(fā)方式的網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點根據(jù)時間同步化，每個在網(wǎng)絡(luò)上的事件活動都打上了時間標記。系統(tǒng)中的任務(wù)根據(jù)已制定的時間表分配好相應(yīng)的總線時間。因此，在采用時間觸發(fā)方式通訊的總線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點都按照事前制定的調(diào)度時間表執(zhí)行。2種觸發(fā)方式都在實際中得到了應(yīng)用。

2 利用TrueTime搭建某小型渦扇發(fā)動機數(shù)字仿真平臺

TrueTime是瑞典LUND工學院（DanHenriks-son和AntonCervin）研制的基于Matlab的網(wǎng)絡(luò)控制仿真工具箱，支持控制與網(wǎng)絡(luò)實時調(diào)度的同時仿真[7]。其計算機模塊可以模擬分布式控制系統(tǒng)中的各智能單元和控制器（EEC），每個模塊都具有A/D轉(zhuǎn)換、總線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，通過M文件編程實現(xiàn)其功能；網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以模擬分布式控制系統(tǒng)中總線通信。由于CAN總線具有優(yōu)越的數(shù)據(jù)傳輸性能，能保證其可靠性，因此在高溫電子技術(shù)不成熟時，總線通信模塊可先采用CAN總線通信，文獻[8-9]為國內(nèi)外研究中，將CAN總線用于發(fā)動機分布式控制預(yù)先研究的實例。

本系統(tǒng)的被控對象為利用系統(tǒng)辨識方法得到的某小型渦扇發(fā)動機的線性模型[10]。目前，國外研究認為發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有智能節(jié)點型、部分分布式以及完全分布式幾種形式，而智能節(jié)點型結(jié)構(gòu)在分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中起基礎(chǔ)過渡作用[11-12]，本文基于此結(jié)構(gòu)搭建了針對某小型渦扇發(fā)動機的分布式控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)有3個智能節(jié)點：智能轉(zhuǎn)速傳感器、智能執(zhí)行機構(gòu)、控制器節(jié)點。控制器節(jié)點采用數(shù)字式PID設(shè)計，利用燃油流量控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。此外，系統(tǒng)還添加1個網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點，用來模擬高優(yōu)先級任務(wù)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬（即不同網(wǎng)絡(luò)負載）情況下，不同觸發(fā)機制對系統(tǒng)的不同影響。分布式控制系統(tǒng)的原理如圖1所示；利用TrueTime搭建分布式控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 分布式控制系統(tǒng)的原理

圖2 利用TrueTime搭建分布式控制系統(tǒng)

3 事件和時間觸發(fā)機制仿真

3.1 2種觸發(fā)機制的實現(xiàn)

分布式控制中各智能節(jié)點與控制器之間的數(shù)據(jù)通信和任務(wù)執(zhí)行通過中斷來觸發(fā)，有2種觸發(fā)方式：時間觸發(fā)和事件觸發(fā)。

通過在TrueTime計算模塊中設(shè)置中斷句柄實現(xiàn)事件觸發(fā)，其CAN總線接口接收上一節(jié)點任務(wù)信號后中斷，開始執(zhí)行動作和收發(fā)數(shù)據(jù)，因此對網(wǎng)絡(luò)接口信號到達時機的依賴性很大。CAN總線在本質(zhì)上是事件觸發(fā)總線，在仿真時，將各計算模塊的動作設(shè)為周期性重復(fù)，以實現(xiàn)時間觸發(fā)，其內(nèi)部的周期性時間決定節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)和動作執(zhí)行，數(shù)據(jù)到達后存儲在郵箱中，不再作為中斷信號。1個計算模塊中事件和時間觸發(fā)機制的原理如圖3、4所示。

圖3 1個計算模塊中的事件觸發(fā)機制

圖4 1個計算模塊中的時間觸發(fā)機制

3.2 仿真結(jié)果對比

采用相同的控制算法（PID參數(shù)相同），采樣周期均設(shè)為10ms時，2種觸發(fā)機制下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖5所示。在時間觸發(fā)機制中，曲線超調(diào)量為4.74%，而事件觸發(fā)機制中響應(yīng)曲線超調(diào)量為7.06%，較前者高2.32%。

存在干擾節(jié)點競爭總線資源的情況下，一段時間內(nèi)2種觸發(fā)機制中控制器節(jié)點的任務(wù)調(diào)度情況如圖6所示，從圖中可見，總線延遲使事件觸發(fā)機制中控制器任務(wù)的觸發(fā)時刻不可預(yù)測，而時間觸發(fā)為確定的周期性任務(wù)。

圖5 2種觸發(fā)機制下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖6 2種觸發(fā)機制下控制器節(jié)點任務(wù)調(diào)度情況

3.3 2種觸發(fā)機制下時延統(tǒng)計結(jié)果

以控制器節(jié)點發(fā)送給智能執(zhí)行機構(gòu)節(jié)點的消息幀CTRL（優(yōu)先級為2）為統(tǒng)計對象，改變網(wǎng)絡(luò)負載（10%，20%，30%），分析研究不同觸發(fā)機制對總線的延遲時間的影響。

（1）在事件觸發(fā)機制下，2s內(nèi)發(fā)送200次消息，除去計算模塊中的固定計算延遲，CTRL各幀消息的延遲時間統(tǒng)計如圖7所示，延遲的統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 事件觸發(fā)總線的延時統(tǒng)計結(jié)果

從表1中可見，在事件觸發(fā)機制下，CTRL消息的延時尖峰數(shù)量隨網(wǎng)絡(luò)負載增大而遞增，說明CTRL消息幀與其他消息幀發(fā)生碰撞的次數(shù)增加，平均延遲時間加長。分析延時大小后得出其分布具有很大的隨機性。

（2） 在時間觸發(fā)機制下的不同網(wǎng)絡(luò)負載下，CTRL各幀消息的延遲時間統(tǒng)計如圖8所示，延時統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖7 CTRL在30%網(wǎng)絡(luò)負載下的延遲時間

圖8 CTRL在30%網(wǎng)絡(luò)負載下的延遲時間

表2 時間觸發(fā)總線的延時統(tǒng)計結(jié)果

從表2中可見，在不同的網(wǎng)絡(luò)負載下，消息幀的延遲時間比較穩(wěn)定。這種特點使得分布式系統(tǒng)具有很大的確定性，有利于預(yù)測系統(tǒng)消息的延時和系統(tǒng)的控制，適用于對安全性要求較高的場合。

4 結(jié)論

本文利用TrueTime/MATLAB工具箱搭建某小型渦扇航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)，研究比較了分布式控制中時間觸發(fā)和事件觸發(fā)2種不同的總線觸發(fā)機制對發(fā)動機分布式控制的影響。比較得出：在事件觸發(fā)機制下，系統(tǒng)各節(jié)點的依賴性較強，消息易發(fā)生沖撞，且延時具有隨機性，會導致很大的不確定性；而時間觸發(fā)機制解除了系統(tǒng)間相互依存關(guān)系，系統(tǒng)延時較為穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的安全性和預(yù)測性。因此，在航空發(fā)動機分布式控制中適宜采用時間觸發(fā)機制，以保證在總線出現(xiàn)延遲或發(fā)生故障的情況下，控制器及各智能單元依然能夠有效參與。

[1]Behbahani A，Tulpule B.Perspective for distributed intelligent engine controls of the future[R].AIAA-2010-6631.

[2]Culley D，Thomas R，Saus J.Concepts for distributed engine control[R].AIAA-2007-5709.

[3]Rama Y，Mike W，Alireza B.The role of various real-time communication data bus for open system distributed engine control architectures for the future[R].AIAA-2011-6145.

[4]郭迎清，章泓.航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)綜述[J].航空發(fā)動機，2003，29（3）：52-55.GUO Yingqing，ZHANG Hong.Survey of the distributed control system for an aeroengine[J].Aeroengine，2003，29（3）：52-55.(in Chi-nese)

[5]張紹基.航空發(fā)動機燃油與控制系統(tǒng)的研究與展望[J].航空發(fā)動機，2003，29（3）：1-5，10.ZHANG Shaoji.Recent research and development of the fuel and control systems in an aeroengine[J].Aeroengine，2003，29（3）：1-5，10.(in Chinese)

[6]呂富勇，李永新，卜雄洙，等.基于時間觸發(fā)的精簡串行總線技術(shù)[J].南京航空航天大學學報，2011，43（4）：544-550.LYU Fuyong，LI Yongxin，PU Xiongzhu，et al.Simplified serial bus based on time triggered architecture[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2011，43（4）：544-550.(in Chinese)

[7]Ohlin M，Henriksson D，Cervin A.TrueTime 1.5-reference manual[EB/OL].[2008-2-24].http://www.control.lth.se/truetime/.

[8]Thompson H A，Benitez-Perez H，Lee D，et al.A CAN bus based safety critical distributed aeroengine control systems architecture demonstrator[J].Microprocessors and Microsystems，1999，23（6）：345-355.

[9]李光耀，郭迎清，王海泉.基于CAN總線的航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)通信研究[J].測控技術(shù)，2009，28（1）：62-66，69.LI Guangyao，GUO Yingqing，WANG Hai-quan.Communication research on can based distributed aeroengine control system[J].Measurement& Control Technology，2009，28（1）：62-66，69.(in Chinese)

[10]郭迎清，王海泉.渦扇發(fā)動機模型辨識及其控制器設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2006（9）：73-74，81.GUO Yingqing，WANG Haiquan.System identification of a turbofan engine and design of its controller[J].Modern Manufacturing Engineering，2006（9）：73-74，81.(in Chinese)

[11]Culley D.Transition in gas turbine control system architecture module distributed and embedded [R].ASME 2010-GT-23226.

[12]DeCastro A J，Palmer A C，Behbahani A.Meeting the requirements of distributed engine control via decentralized,modular smart sensing[R].AIAA-2010-6748.

[13]李光耀，郭迎清，祁新杰.航空發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)原理樣機研制 [J].計算機測量與控制，2009，17（5）：865-868.LI Guangyao，GUO Yingqing，QI Xinjie.Communication research on CAN based distributed aeroengine control system[J].Computer Measurement& Control，2009，17（5）：865-868.(in Chinese)

[14]陳亮，郭迎清.分布式控制系統(tǒng)中CAN總線通訊性能改進方法[J].科學技術(shù)與工程，2011，11（30）：7573-7576.CHEN Liang，GUO Yingqing.The method of improving communication performance of distributed control system based on CAN bus[J].Science Technology and Engineering，2011，11（30）：7573-7576.(in Chinese)

[15]杜憲，郭迎清.民用渦扇發(fā)動機預(yù)測控制器設(shè)計[J].航空發(fā)動機，2013，39（3）：27-30.DU Xian，GUO Yingqing.Design of model predictive controller for commercial turbofan engine[J].Aeroengine，2013，39（3）：27-30.(in Chinese)