航空发动机控制系统

飞机要在不同的高度和速度下飞行，为了在飞行中保持发动机的给定工作状态，或者按照所要求的规律改变工作状态，都必须对发动机进行控制。所有这些只有依靠自动控制系统来完成。

简介飞机要在不同的高度和速度下飞行，为了在飞行中保持发动机的给定工作状态，或者按照所要求的规律改变工作状态，都必须对发动机进行控制。所有这些只有依靠自动控制系统来完成。

随着航空技术的发展，要求不断地提高，控制系统也由最初活塞式发动机改变螺旋桨桨距的转速自动调节器发展到燃气涡轮发动机的转速、温度、油量、起动、加速等控制系统，以及保证发动机安全工作的防喘装置，超温、超转限制器等。而且由于发动机性能提高，对控制也提出更多、更严格的要求。比起过去，今天需要对更多的被控参数进行更精确的控制，需要进行推力管理、系统控制、故津监视等，所有这些都使发动机的控斜系统成为一个复杂的、多回路的控制和管理系统1。

发动机自动控制的意义发动机自动控制的意义十分重要，发动机的各种特性要靠它来实现，发动机的可靠性要由它来保证，而且发动机试车及外场维护工作中遇到的问题及性能故障大部分与它有关。因此，控制系统对保证发动机性能和安全都起着关键性的作用2。

对航空发动机控制系统的基本要求由于飞行包线的扩展，使发动机的特性变化很大。在此范围内，要高性能地满足飞机在各种飞行条件下的需要，可控变量就要多，控制系统也很复杂，不同类型，不同用途的发动机对控制系统的要求也不尽相同，而下述几个方面是最基本的要求。

（1）保证最有效地使用发动机；

（2）稳定工作，控制精度高；

（3）良好的动态品质；

（4）可靠性高，维护性好；

（5）可更改性好，满足先进发动机对控制不断增加的要求；

（6）控制系统结构简单，重量轻，体积小，安装方便等。

航空发动机控制的内容随着航空发动机技术的发展，发动机控制承担的任务越来越多，包括以下内容:

（1）燃油流量控制

根据发动机的不同状态(包括起动、加速、稳态、减速、反推等)，将清洁的，无蒸气的、经过增压的、计量好的燃油供给燃烧室。在控制中要求：不能喘振;不能超温;不能超转;不能富油熄火;不能贫油熄火。这就是所谓的推力控制、过渡控制和安全限制。

（2）空气质量流量控制

对流经发动机的空气质量流量进行控制，以保证压气机工作的稳定性。它包括可调静子叶片(VSV)和放气活门(VBV)等。

（3）涡轮间隙控制

控制高压涡轮，甚至包括低压涡轮的转子叶片和机匣之间的间隙，以保证在各个工作状态下间隙为最佳，减少漏气损失，提高发动机性能。

（4）冷却控制

它包括两个方面:一是燃、滑油温度的管理，保证滑油的充分散热及燃油既不结冰又不过热。根据燃油、滑油温度的情况，决定各个热交换器的工作方式。二是以最少的引气量，控制发动机部件的冷却，同时提高发动机性能。

（5）涡桨、涡轴发动机控制

它包括螺旋桨调速器、动力涡轮转速调节器、多发动机负载匹配控制等。

（6）超声速飞机控制

超声速飞机所配备的发动机进气道和尾喷口面积控制，以保证各部件相互之间匹配工作3。

发动机控制的基本概念燃油控制系统根据油门杆位置、飞行条件和大气条件，按照预定的控制方案控制燃油质量流量(FF)。发动机的控制方案是指根据外界干扰(主要反映在飞行高度和速度的变化)或驾驶员指令来改变可控变量，以保证发动机被控参数不变或按预定的规律变化，从而达到控制发动机推力的目的。控制方案也称调节规律或调节计划。调节燃油质量流量，保证n=常数是一种最常用的控制方案。

发动机的控制系统由控制系统和被控对象组成，控制系统的主要元件有敏感元件、放大元件、执行元件、供油元件等。

闭环控制系统闭环控制系统的被控对象的输出量就是控制器的输入量；而控制器的输出量是被控对象的输入量，在结构方块图上，信号传递的途径形成一个封闭的回路。

敏感元件是离心飞重，其功用是感受发动机的实际转速;指令机构是油门杆，它通过传动臂，齿轮，齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值;推力杆经钢索、连杆联到燃油控制器上的功率杆。

放大元件是分油活门和随动活塞。分油活门的位置由离心飞重的轴向力与指令机构给定的调准弹簧力比较后的差值决定;执行元件是随动活塞，它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量;供油元件是燃油泵。

发动机稳定工作时，发动机的转速和给定值相等，分油活门处于中立位置，控制器各部分都处于相对静止状态。

当外界条件变化引起进入发动机的空气质量流量减少时，由于供油量未变，使提高，涡轮功增大，发动机的转速增加，使敏感元件离心飞重的离心力变大，作用于分油或门上的轴向力大于调准弹簧力，分油活门向上移动，将分油活门两个突肩堵住的上下两条油路打开，随动活塞的上腔与高压油路相通，下腔与回油路相通，随动活塞向下移动。柱塞泵的斜盘角变小，供油量减少，使转速恢复到给定值。

当外界条件变化引起进入发动机的空气质量流量增加时，则调节过程相反3。

开环控制被控对象的输出量是发动机的转速，控制器的输入量是干扰量；而控制器的输出量是燃油质量流量，所以控制器与发动机的关系以及信号传递的关系形成一个开路，故称为开环控制系统。

敏感元件为膜盒，感受进气总压;进气总压是飞行高度和飞行马赫数的函数;油门杆为指令机构，通过传动臂、齿轮、齿套等来改变调准弹簧力，确定转速的给定值;放大元件为档板活门，档板通过与膜盒相连的杠杆的作用来改变其开度;执行元件为随动活塞，它控制柱塞泵斜盘的角度，从而改变供油量;供油元件为柱塞泵。

当飞行高度增加时，进入发动机的空气质量流量减少，控制器和膜盒同时感受到这一干扰量的变化，于是膜盒膨胀，通过杠杆使档板活门的开度增大，随动活塞上腔的放油量增大，使随动活塞上移，并带动柱塞泵的斜盘角变小，供油量减少与空气质量流量的减少相适应，从而保持转速不变。

复合控制复合控制系统是开环和闭环控制的组合控制系统。这种控制系统兼有开环和闭环控制系统的优点，即控制及时(响应快)又准确(精度高)，工作稳定，但控制器的结构较复杂。

发动机控制系统分类（1）液压机械式

液压机械式及气动机械式燃油控制器仍然是目前为止民用航空发动机上使用最多的控制器。它有良好的使用经验和较高的可靠性。除控制供往燃烧室的燃油外，还可操纵控制发动机可变几何形状，例如可调静子叶片、放气活门、放气带等，保证发动机工作稳定和提高发动初性能。

（2）监控型电子式

作为从液压机械式控制向数字电子控制的过渡，出现了监控型发动机电子控制器。这是在原有的液压机械式控制器基础上，再增加一个发动机电子控制器(EEC)，两者共同实施对发动机的控制。

（3）全功能数字电子式

全权限(全功能)数字电子控制(FADEC)是发动机控制发展的最新水平，也是今后发展的方向。民航发动机控制越来越多采用FADEC，如PW4000，V2500，RB211-524等。

FADEC系统是管理发动机控制的所有控制系统的总称。在FADEC控制中，发动机电子控制器EEC或电子控制系统ECU是它的核心，所有控制计算由计算机进行，然后通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门、作动器等，因此液压机械装置是它的执行机构3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所