航空发动机全权限数字电子控制系统

第1章航空发动机全权限数字电子控制系统发展综述 1.1国外控制系统的发展历程 1.1.1第一代FADEC（FADECⅠ）系统（20 世纪80 年代） 1.1.2第二代FADEC（FADECⅡ）系统（20世纪90年代初期） 1.1.3第三代FADEC（FADEC Ⅲ）系统（20世纪90年代中后期） 1.2我国航空发动机全权限数字电子控制系统的发展 1.3FADEC的未来发展趋势 1.3.1未来航空发动机控制系统面临的要求和挑战 1.3.2未来航空发动机控制技术的发展趋势 1.4结论第2章航空发动机建模与仿真 2.1航空发动机建模技术概述 2.1.1模型分类 2.1.2模型要求 2.1.3建模方法 2.2航空发动机部件级模型 2.2.1各部件模型 2.2.2风扇 2.2.3压气机 2.2.4燃烧室 2.2.5高压涡轮 2.2.6低压涡轮 2.2.7外涵 2.2.8掺混室 2.2.9加力燃烧室 2.2.10尾喷管 2.2.11推力计算 2.3航空发动机稳态模型 2.4航空发动机动态模型 2.5航空发动机状态变量模型 2.5.1线性化状态变量模型的建模原理 2.5.2偏导数法求解线性化模型 2.5.3拟合法求线性化模型 2.6基于人工智能的航空发动机简化模型 2.7航空发动机自适应模型 2.7.1自适应模型的发展 2.7.2基于卡尔曼滤波器的自适应模型 2.7.3基于人工智能的自适应模型 2.7.4基于控制器的自适应模型第3章控制系统技术要求 3.1航空燃气涡轮发动机控制计划 3.1.1航空燃气涡轮发动机的工作状态 3.1.2航空燃气涡轮发动机各工作状态的使用限制 3.1.3航空燃气涡轮发动机控制变量的选择 3.1.4航空燃气涡轮发动机非加力工作状态的控制计划 3.1.5航空燃气涡轮发动机起动状态的控制计划 3.1.6航空燃气涡轮发动机加力工作状态的控制计划 3.2控制系统功能要求 3.2.1控制系统功能 3.2.2控制功能的详细描述 3.3控制系统性能要求 3.3.1稳态性能指标 3.3.2动态性能指标 3.3.3切换性能指标 3.3.4执行机构回路控制品质要求 3.4工作环境要求 3.4.1电子控制器工作环境 3.4.2燃油附件工作环境 3.5安全性、可靠性、维修性、保障性、测试性设计要求 3.5.1安全性设计要求 3.5.2可靠性设计要求 3.5.3维修性设计要求 3.5.4保障性设计要求 3.5.5测试性设计要求第4章控制系统总体方案设计 4.1控制系统的基本结构 4.1.1控制系统的总体结构和功能分配 4.1.2主燃油流量控制 4.1.3风扇进口可调叶片角度控制 4.1.4高压压气机进口可调静子叶片角度控制 4.1.5加力燃油流量控制 4.1.6尾喷管喉道面积控制 4.1.7矢量喷管控制 4.2控制系统余度设计 4.2.1控制系统可靠性的基本概念 4.2.2控制系统典型结构余度分析 4.2.3控制系统结构余度设计 4.3控制系统可靠性分析 4.3.1控制系统可靠性模型的基本概念 4.3.2典型结构可靠性建模与分析 4.3.3对控制系统方案的可靠性建模与评估 4.3.4控制系统可靠性指标分配 4.4控制系统精度分析 4.4.1在给定控制计划下控制精度的选择 4.4.2根据控制精度选择控制计划 4.4.3传感器精度计算方法 4.4.4传感器精度计算 4.5控制系统稳定性分析 4.5.1主燃油流量控制回路 4.5.2尾喷管喉道截面面积控制回路 4.5.3其他控制回路 4.5.4多回路共同工作对系统稳定性的影响 4.6主要部件原理方案和基本参数设计 4.6.1电子控制器 4.6.2燃油系统 4.6.3控制软件 4.6.4传感器第5章控制律设计 5.1经典控制方法 5.1.1主燃油流量控制 5.1.2加力燃油流量控制 5.1.3风扇进口可调叶片角度控制 5.1.4高压压气机进口可调静子叶片角度控制 5.1.5喷口控制 5.1.6矢量喷管控制 5.1.7伺服回路控制 5.2鲁棒控制技术 5.2.1LQG/LTR控制方法 5.2.2H∞控制方法 5.2.3ALQR控制方法 5.2.4LQ—H∞控制方法 5.3自适应控制技术 5.3.1基于李雅普诺夫理论的模型参考自适应控制方法 5.3.2纳朗特兰（Narendra）自适应控制方法 5.3.3基于发动机相似参数的自适应控制方法 5.4智能控制技术 5.4.1控制器参数智能优化方法 5.4.2神经网络PID控制器设计方法 5.4.3模糊控制 5.5性能寻优控制 5.5.1前言 5.5.2优化原理 5.5.3数字仿真 5.5.4结论 5.6高稳定性控制 5.6.1基于迎角预测的发动机高稳定性控制原理 5.6.2扩展的发动机模型 5.6.3仿真算例 5.6.4结论第6章故障诊断与容错设计 6.1故障诊断与测试的基本概念 6.1.1故障定义与分类 6.1.2故障诊断的概念和过程 6.1.3测试性与机内自检测 6.1.4故障诊断与测试技术指标 6.2机内自检测设计 6.2.1上电机内自检测 6.2.2运行前（飞行前）机内自检测 6.2.3运行中（飞行中）机内自检测 6.2.4维护机内自检测 6.3故障诊断与故障处理的基本方法 6.3.1故障发现 6.3.2故障定位 6.3.3故障隔离 6.3.4系统重构 6.3.5故障恢复 6.3.6故障告警 6.3.7故障记录 6.4先进的故障诊断和容错控制技术 6.4.1基于部件跟踪滤波器的故障诊断方法 6.4.2基于卡尔曼滤波器的故障诊断方法 6.4.3基于模型的容错控制方案 6.4.4基于人工智能的航空发动机容错控制方案第7章控制系统的综合与试验验证 7.1电子控制器在回路仿真 7.1.1电子控制器在回路仿真装置的主要功能 7.1.2电子控制器在回路仿真系统的组成和原理 7.1.3电子控制器在回路仿真装置主要参数的精度要求 7.1.4电子控制器在回路仿真的主要内容 7.2控制系统半物理模拟试验 7.2.1半物理模拟试验器的主要功能 7.2.2半物理模拟试验的组成和原理 7.2.3半物理模拟试验器的主要指标要求 7.2.4半物理模拟试验的主要内容 7.3发动机试验与验证 7.3.1发动机地面台试车 7.3.2发动机高空台试验 7.3.3发动机飞行试验参考文献

本书系统性地阐述了航空发动机全权限数字电子控制（FADEC）系统的设计和验证方法，包括FADEC系统的技术发展，发动机建模方法，发动机对控制系统的技术要求，FADEC系统的总体方案设计、控制律设计、故障诊断与容错设计和试验验证方法等内容。【作者简介】姚华，男，1961年出生，研究员，现任西安航空动力控制科技有限公司副总经理、总设计师，中航工业“发动机系统技术”首席技术专家。　　参加工作以来，一直从事航空发动机控制系统研究工作，1999~2013年担任中航工业航空动力控制系统研究所的总设计师，先后主持了多项航空发动机全权限数字控制系统型号研制以及预先研究项目，主持完成了我国第一个航空发动机全权限数控系统的研究和试飞演示验证，以及我国第一型航空发动机全权限数字控制系统的型号研制和设计定型，突破了国外对该项技术的封锁，实现了航空发动机控制系统从液压机械技术向全权限数字电子控制技术的跨越式发展。受到总装备部、国防科工局、中航工业集团公司的奖励共20多次，被评为全国劳动模范，是人事部百千万人才工程第一、二层次人选，获国家科学技术进步奖一等奖1次，国防科学技术奖一等奖2次、二等奖5次，发表论文20多篇。