航空飛機分布式控制關鍵技術探究

王勃，劉美山

（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

0 引言

近年來，發動機控制系統已經從簡單的機械液壓燃油控制系統發展到數字控制系統，由于采用集中控制，控制變量和控制功能不斷增加，該FADEC系統在開發周期、開發成本、軟件可靠性、系統維護性和系統可擴展性等方面具有重要意義隨著這些問題的暴露，控制器的質量和體積越來越嚴重，分布式控制系統理論的應用是解決這些問題的重要途徑之一[1]。它的主要創新點是將微處理器集成到傳統的傳感器和執行器中，使之成為智能傳感器節點和智能執行器節點，提高傳感器系統的精度，獲取更多關于整個發動機的信息，通過數據總線與中央控制器通信，而中央控制器只完成高級控制邏輯功能、算法和發送命令，以減輕其負荷，智能傳感器和智能執行器節點是航空發動機分布式控制系統的核心。

1 航空飛機分布式控制系統發展現狀

上世紀90年代，國內部分高校和國外軍事部門對飛機發動機控制系統進行了全面研究，并通過多次仿真試驗對其進行驗證，主要目的是為了盡早的將發動機分布式控制系統投入使用。國內外相關資料顯示，飛機控制系統最早應用于民用發動機。隨著科學技術的發展和分布式系統的優化更新，我國科研人員將分布式控制系統逐漸引入至軍用發動機。雖然國內對于航空分布式控制技術與國外相比存在一定差距，但也逐漸適應了航空飛機分布式控制系統在未來的發展趨勢。尤其是在成本控制、降低發動機重量、提高發動性能等。

2 航空飛機分布式控制分析

2.1 分布式控制構架

早在20世紀初就已經提出了分布式控制系統，最初只指出集中式控制以及分布式控制兩種系統結構，兩者系統結構之間最明顯的區別是空間結構的不同。集中式操作中，信息處理以及控制決策是集中起來統一完成[2]。分布式控制構架卻與之相差，如圖1.圖2所示，THOMPSON等開展了發動機分布式控制系統構架優化研究，提出環形拓撲結構在減少質量方面進行深度優化，但是針對于航空飛機的分布式控制系統的具體架構以及實施方案并沒有給予最終的方案。

圖1 集中式控制構架

圖2 分布式控制架構

2.2 分布式通訊總線技術

如今現代的線徑航空飛機中的傳感器還有執行機構已經有接近百種，現代傳感器以及可以惡劣的環境下進行工作，最低的工作環境溫度可以達到零下40度，最高的工作溫度甚至可以達到接近2000多度，控制系統中是無法和傳感器以及執行機構分離的，在航空飛機分布式控制系統中工作的節點將近40余個，而且每一個節點所承受的溫度都將近500度也與更高，要達到這些指標涉及到的研究難點包括以下幾個方面：①發動機的實時控制精度一定要高。②發動機中的各個硬件接口要嚴格規范、通信總線不得太硬。③在高溫環境下還可以持續工作的通信技術[3]。

2.3 智能元件

在工業領域中，傳感器與執行機構的應用越來越廣泛，如今針對此項的研究也越來越多，通過研究航空飛機分布式控制系統關鍵技術的分析，得出的報告都對以后的發展有著很重要的價值。在二十世紀初，各國的研究者開始對此進行研究，先是開發了加速傳感器，后利用無線傳輸以及微機電系統等技術來完成無線傳感器的網絡化。直到NASA資助Stennis航天中心并開始了智能傳感器的研究，先是搭建出由由智能傳感器以及執行機構等構件的全新智能框架。把此智能框架應用到航空飛機實驗中，進一步把此框架應用到智能監控管理中。對于航空飛機分布式控制系統相關的智能傳感器進行全面的分析，若在實驗過程中受到了高溫的考驗，航空發動機的智能傳感和智能執行機構研究的技術成熟度較低[4-5]。

2.4 高溫電子元器件

航空飛機中的發動機工作環境能承受的范圍普遍為60度-1700度，甚至更高。航空飛機在進行超聲速飛行當中，壓氣機的溫度可以高達300度，渦輪以及噴口表面溫度高達350度-600度。在分布式控制系統當中，系統當中的，傳感器、電源、執行機構等等許多電子元器件都需要在高溫環境中進行工作，如主動燃燒控制、主動間隙控制中子系統設計需要考慮上述所需的部件是否可以耐得住高溫。在航空飛機分布式控制系統中，可以把電子元器件分為中溫和高溫兩個類別[6]。其中溫電子元器件所面臨的工作溫度為125度-250度。高溫電子元器件需要面臨的工作溫度為250度-500度甚至更高。21世紀，ohnston提出試用絕緣體物質、氮化鎵以及碳化硅等物資來提高電子元器件高溫承受能力。但是高溫環境限制了電阻電容等，導致無法使用。為此美國空軍研究所由14名企業家以及各路精英成員特意的成立了高溫電子委員會。高溫電子委員會啟動了電子元器件計劃并集中研究基于sol高溫的全新電子元器件。歷經各種困難終于在21世紀初，初步研究出了基于soL的微控制器以及靜態隨機儲存器，這些新研發的電子元器件都可以在高溫225度以上持續工作，但是要格外注意航空飛機發動機在工作時整體的工作承受溫度必須要高于SOL的工作范圍溫度，尤其是溫度這一方面，因此還需要對此進行更深的研究來開發出更耐高溫的電子元器件。一些高溫電子元器件的工作范圍內250度-500度基于SIC的高溫晶體管技術、復雜集成電路中的多級連接結構惡略環境中的高性能封裝和互聯技術等是其主要研究內容基于SIC的場效應管控在500度以下持續工作時間已經超過500h,NASA研制的基于SIC的放大器、晶振等芯片可以在高達500度的高溫環境中進行持續工作。所有的研究成果都對未來的航空飛機有著很大的進步，這些研究成果可以完全適用于電源總線、通信總線、智能節電、傳感器等硬件開發當中。羅羅，KULITe等著名的半導體產品企業與wright州立大學共同參與研究開發高溫傳感器在絕緣體物質、氮化鎵以及碳化硅的融合下使地傳感器的工作溫度高達600度。在經過百年的沉淀，如今航空飛機以及航空發動機扥不是控制系統中所包含的電子元器件耐高溫研究已經有了突破的進展，但是如今只有一小部分SOL投入到分布式控制系統中來進行研究，航空飛機高溫電子元器件還需要進一步加強來完善。

3 分布式控制系統的優點

3.1 電纜部分的減輕

分布式控制系統中，電源以及數據總線的代替可以大部分減輕航空系統中的重量，FADEC與智能裝置的雖有通信均使用總線和電源來進行連接，使系統更輕。

3.2 可靠性和可維護性提高

分布式控制系統與集中式控制系統相比較，管理系統節點與節點之間不容易損壞，可靠性得到了提高，故障也隨之減少。該智能裝置能夠實現局部反饋控制、內部測試、測試和診斷，并能隔離自發故障。它是一種在線更換裝置，可大大提高維修性，降低維修成本。

3.3 新技術的適用

通用的模板以及接口可以適用所有所有傳感器以及機構帶來的變化，FADEC適應新的發動機和其他部件的變化，智能裝置的演進增加了適應性。新技術引進的機會也變得更大，可以最大程度的發揮出新系統的作用。

3.4 分層結構的采用

管理系統的另一個優點是分層結構，fadec 只實現高級功能，智能傳感器和智能執行器實現低級功能。此外，fadec 有能力實現復雜的控制方法，以改善發動機性能。層次結構相對簡單、通用，功能分離可以大大提高系統的效率，減少故障，提高可靠性。管理系統的優點使我們有必要更換現有的 fadec系統。

4 結語

電子、控制、計算機、通信以及材料等多種學科是航空飛機分布式控制系統所研究的，這對我國未來航空飛機的發展無疑是一個重要的方向，通過對航空飛機分布式控制系統研究處理[7]。航空飛機分布式系統從結構、方法以及實現的方向等，之間都有不同發展，此問題還需要進行審議不得仔細研究，分布式靜止系統取代集中式控制系統的收益不亞于全權限數字電子控制取代機械液壓控制的收益，所以我們應早做研究，瞄準國外的先進技術，縮短與國外的差距。