從自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)看未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)展

■ 王斌 肖翼 劉鋒/中國(guó)航發(fā)研究院

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展是一個(gè)由單變量控制發(fā)展到多變量控制、由機(jī)械液壓式控制發(fā)展到數(shù)字式電子控制、由獨(dú)立控制發(fā)展到飛發(fā)綜合控制、由集中式控制發(fā)展到分布式控制的過(guò)程。隨著自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟，將有力促進(jìn)新技術(shù)、新方法在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制中的應(yīng)用，一些先進(jìn)控制技術(shù)將有所突破或取得階段性成果。

由GE公司全新研制的XA-100自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（ACE）于2018年6月完成核心機(jī)測(cè)試，2019年1月開(kāi)展工程驗(yàn)證機(jī)裝配工作，預(yù)計(jì)將于2020年年初進(jìn)行飛行試驗(yàn)測(cè)試。正如美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室( AFRL )自適應(yīng)通用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目主管杰夫·史翠克所言，如果自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)能研制成功，就如同由渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步，具有里程碑意義。美國(guó)空軍在下一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)中已初步鎖定自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，從而支持飛機(jī)在防區(qū)外遠(yuǎn)程起飛、超聲速突防、能量?jī)?yōu)化以及高能武器使用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)展

從20世紀(jì)40年代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)誕生開(kāi)始，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)歷經(jīng)了70多年的發(fā)展歷程，從最初的簡(jiǎn)單機(jī)械控制系統(tǒng)發(fā)展到目前可以實(shí)現(xiàn)綜合控制的全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)以及未來(lái)的分布式控制系統(tǒng)。

隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提升，飛行包線的不斷擴(kuò)大以及對(duì)動(dòng)力裝置的適應(yīng)性要求的提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)增加了可調(diào)部件，直接導(dǎo)致控制變量個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)。軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制變量及傳感器數(shù)量隨發(fā)動(dòng)機(jī)的換代發(fā)展呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，如表1所示，其中較為典型的是普惠公司的JSF 119 發(fā)動(dòng)機(jī)和GE公司的第三代VCE-YF120發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制變量及傳感器數(shù)量發(fā)展趨勢(shì)

普惠公司在JSF 119 發(fā)動(dòng)機(jī)（F135的前身）上裝備了FADEC系統(tǒng)，其核心技術(shù)采用了多變量控制技術(shù)，并在短距起飛和垂直降落時(shí)實(shí)現(xiàn)了飛發(fā)一體化綜合控制, 具備部分變循環(huán)功能，并在2000 年通過(guò)了飛行驗(yàn)證。GE公司的第三代VCE-YF120發(fā)動(dòng)機(jī)，是帶有對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其控制系統(tǒng)采用三余度多變量FADEC，是世界上第一型經(jīng)飛行驗(yàn)證的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，用作美國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)（ATF）的候選動(dòng)力。

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)控制

具有經(jīng)濟(jì)可承受性的全天候、遠(yuǎn)程、多用途的飛機(jī)設(shè)計(jì)需求，給發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提出了新的要求，除了具有更高的推重比外，還要求發(fā)動(dòng)機(jī)既要有亞聲速巡航所需的低油耗和良好的巡航效率，又要有跨聲速加速以及超聲速?zèng)_刺所需的大推力。為了解決兼具低油耗、大推力以及隱身性能的難題，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)一些部件的幾何形狀、尺寸或位置來(lái)改變其熱力循環(huán)，例如,采用自適應(yīng)風(fēng)扇、第三涵道、可調(diào)機(jī)構(gòu)等創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)涵道比和風(fēng)扇壓比等循環(huán)參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能在所有推力范圍和包線內(nèi)達(dá)到最優(yōu)，顯著降低多種任務(wù)模式下的綜合油耗，通過(guò)第三涵道接收進(jìn)氣道非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的過(guò)量空氣，提高氣流利用率并減小溢流阻力，顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行條件和工作狀態(tài)下具備良好的性能，有效地解決了高推力和低油耗之間的矛盾，能大幅增加作戰(zhàn)飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間和范圍，同時(shí)還保持了超聲速機(jī)動(dòng)能力。

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是在類似于YF120 發(fā)動(dòng)機(jī)的雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)布局的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)外涵道，具有與第三外涵調(diào)節(jié)相組合的4 種工作模式，具備多工作模態(tài)切換功能。由此帶來(lái)的總體性能的提高和更加精密的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，同時(shí)也提供了更多的調(diào)節(jié)方式的選擇與優(yōu)化空間。與常規(guī)循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)變量越來(lái)越多，可調(diào)部位分布越來(lái)越廣，主要可調(diào)特征發(fā)展到全機(jī)范圍，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓系統(tǒng)都具有較強(qiáng)的主動(dòng)調(diào)節(jié)能力。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性成倍增加,控制系統(tǒng)不僅需要有精準(zhǔn)、快速、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)能力，還需具有一定的自主優(yōu)化能力，以便在使用中發(fā)揮更大的性能潛力。帶連接在轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)扇（FLADE）系統(tǒng)的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要可用控制量如表2所示。

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)展展望

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)創(chuàng)新提供了發(fā)展機(jī)遇與驗(yàn)證平臺(tái), 可以預(yù)見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多變量控制技術(shù)、飛發(fā)一體綜合控制、基于模型的自適應(yīng)控制、分布式控制與控制系統(tǒng)智能化技術(shù)等將獲得突破或取得階段性進(jìn)展。

多變量控制技術(shù)

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)屬于復(fù)雜、強(qiáng)非線性、多變量、時(shí)變對(duì)象，其特性隨工作狀態(tài)和飛行條件變化的范圍較大。自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的多種工作模式是通過(guò)多個(gè)可調(diào)幾何機(jī)構(gòu)的綜合調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升是以增加控制變量為代價(jià)，系統(tǒng)的耦合特性將變得更加明顯，控制系統(tǒng)必須具備較好的魯棒穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗干擾能力。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)就首次在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)中采用了線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）多變量控制技術(shù)，在F100、T700、GE16發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上開(kāi)展了多變量魯棒控制應(yīng)用研究，在GE21、XTE46、斯貝等發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上結(jié)合KQ方法、定量反饋理論（QFT）和線性矩陣不等式（LMI）方法進(jìn)行了線性變參數(shù)（LPV）控制研究以及解耦控制研究。雖然現(xiàn)代控制理論可以在一定程度上解決回路之間的耦合問(wèn)題，但其解耦程度往往不是最優(yōu)，甚至在各回路之間還存在不可接受的耦合，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)考慮解耦控制仍然是必需的。復(fù)雜系統(tǒng)整體性能是由各個(gè)子系統(tǒng)是否能協(xié)調(diào)配合決定的，對(duì)于自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，只有各個(gè)部件協(xié)同工作才能發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，然而每個(gè)部件都存在著一些可調(diào)變量，部件的性能隨著這些變量改變存在著最優(yōu)的狀態(tài)，因此需要對(duì)其進(jìn)行多變量控制，才能發(fā)揮出整體的性能優(yōu)勢(shì)。針對(duì)控制變量增多，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，需要確定合適的控制回路組成和先進(jìn)的控制算法來(lái)確保整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)用的多變量控制系統(tǒng)仍采用變參數(shù)比例積分 （PI）控制，雖然 PI 參數(shù)可變適應(yīng)飛行工況，但其根本還是經(jīng)典的 PI 控制，還存在回路間的耦合、相互影響等問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)控制上研究的較為成功的多變量控制方法主要有LQR控制、H∞控制、μ綜合、QFT以及自適應(yīng)控制等。此外，智能控制也被研究用于發(fā)動(dòng)機(jī)多變量控制問(wèn)題。

表2 帶FLADE系統(tǒng)自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)主要可用控制量

飛發(fā)一體綜合控制

隨著新一代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)各種性能要求的不斷提高，各子系統(tǒng)的復(fù)合程度和耦合作用大大加強(qiáng)，綜合飛發(fā)系統(tǒng)控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的將各子系統(tǒng)控制獨(dú)立分割的方法已成為一種必然趨勢(shì)。綜合飛發(fā)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的全部狀態(tài)量加以考慮，應(yīng)用優(yōu)化理論可以提供最佳或接近最佳的任務(wù)性能，可以安全操縱飛機(jī)接近飛行包線，并能提高系統(tǒng)的可靠性、維修性和靈活性，提高燃油的利用效率，增加航程。F-22 飛機(jī)配裝的F119 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了FADEC系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了飛發(fā)綜合設(shè)計(jì)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)采用可靠性和冗余設(shè)計(jì)技術(shù)，與飛行管理系統(tǒng)實(shí)行高度綜合控制，其控制參數(shù)多達(dá) 12～13 個(gè)，能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及矢量噴管實(shí)行故障診斷和處理；飛機(jī)在不同的任務(wù)階段，根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)整體性能要求確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作參數(shù)和控制模式，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到最充分的發(fā)揮。自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)部件更多，工作模式也更多，需要協(xié)調(diào)各部件共同工作，并與飛機(jī)一起實(shí)現(xiàn)在多種任務(wù)需求和多約束條件下發(fā)動(dòng)機(jī)多目標(biāo)（推力、耗油率、喘振裕度、流量匹配等）的多工作模式性能最優(yōu)，ACE技術(shù)發(fā)展必將促進(jìn)飛發(fā)一體綜合控制技術(shù)的成熟與應(yīng)用。

基于模型的自適應(yīng)控制

基于模型的自適應(yīng)控制是在多變量控制技術(shù)和FADEC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。基于模型的自適應(yīng)控制技術(shù)就是要挖掘現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)工作邊界，識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際狀態(tài)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載實(shí)時(shí)自適應(yīng)模型預(yù)估飛行中的發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力參數(shù)，在給定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)，同時(shí)能檢測(cè)失效和實(shí)現(xiàn)信號(hào)替代。

GE公司基于模型的自適應(yīng)控制概念是基于物理特性高保真的實(shí)時(shí)模型，利用參數(shù)估計(jì)算法和跟蹤濾波器，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)部件健康狀態(tài)和飛行狀態(tài)，使控制邏輯能根據(jù)獲取的信息，自適應(yīng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率，如圖2所示。自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)結(jié)構(gòu)上的改變，來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能上的優(yōu)化，需要通過(guò)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)并把因結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來(lái)的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)降至最低，通過(guò)采用基于模型的自適應(yīng)控制是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)的有效途徑之一。

分布式控制

美國(guó)于2006 年啟動(dòng)的“通用經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”（VAATE）計(jì)劃中，將分布式主動(dòng)控制系統(tǒng)作為智能發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要組成部分。GE公司在2009—2015年，主要開(kāi)展了分布式控制技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)研究。目前，GE公司的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用集中式控制技術(shù)，未來(lái)將為減輕控制系統(tǒng)質(zhì)量和提高適應(yīng)性而研發(fā)分布式控制技術(shù)，如圖3所示。其重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)分布式控制，包括弱化FADEC系統(tǒng)的監(jiān)視功能，建立發(fā)動(dòng)機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)（EAN）、分布式控制模塊（DCMS），采用即插即用的智能部件、先進(jìn)的通信策略，實(shí)現(xiàn)本地智能診斷等。發(fā)動(dòng)機(jī)分布式控制系統(tǒng)在減輕控制系統(tǒng)的質(zhì)量、提高可靠性和維修性、適應(yīng)新平臺(tái)與技術(shù)的變化等方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，采用分布式控制技術(shù)是未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，也是自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要技術(shù)需求之一。分布式控制技術(shù)的目標(biāo)是超越物理限制，實(shí)現(xiàn)耐高溫電子器件技術(shù)、通用網(wǎng)絡(luò)接口、硬件級(jí)模塊化系統(tǒng)技術(shù)等，但目前受限于智能化控制模塊、耐高溫電子器件、新型通信結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，部分分布式控制技術(shù)如圖4所示。

圖2 GE公司基于模型的自適應(yīng)控制概念

圖3 GE公司分布式控制概念

圖4 部分分布式控制架構(gòu)圖

控制系統(tǒng)智能化技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，人工智能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的融合，人工智能技術(shù)獲得突破的時(shí)代即將來(lái)臨，先進(jìn)武器系統(tǒng)研制逐步體現(xiàn)出人工智能的特征。新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)多變量控制、分布式控制、主動(dòng)控制、飛發(fā)一體綜合控制、健康管理等技術(shù)需求，為人工智能技術(shù)的發(fā)展提供了根植的土壤，反之，智能化技術(shù)也將加快推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步。自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有多控制模式與多調(diào)節(jié)變量的特征，發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制、協(xié)同控制、尋優(yōu)控制、綜合控制、自適應(yīng)控制等，均需要新的燃油泵系統(tǒng)、先進(jìn)電子硬件、新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)、新型傳感器等硬件系統(tǒng)，以及先進(jìn)控制系統(tǒng)架構(gòu)、智能自主控制規(guī)律與算法等。伴隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研制將有力促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)智能化進(jìn)展，智能化技術(shù)將融入傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，真正展現(xiàn)自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)特征與優(yōu)異性能。

結(jié)束語(yǔ)

隨著自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)向小型化、綜合化、智能化、高性能、高可靠性方向的發(fā)展將會(huì)邁出堅(jiān)實(shí)的步伐，采用分布式控制系統(tǒng)、新的燃油泵系統(tǒng)和先進(jìn)電子硬件，提高FADEC系統(tǒng)硬件的可靠性，采用先進(jìn)的控制模式、控制算法，并與其他機(jī)載系統(tǒng)(進(jìn)氣道控制系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)等)相綜合,將獲得更好的系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)的使用壽命，降低系統(tǒng)的研制和使用成本。