冀曉翔　李江紅　吳亞鋒　任嬌　王可

摘要：本文介紹了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是控制系統(tǒng)不存在核心控制節(jié)點(diǎn)，無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)分布式控制器;分析了系統(tǒng)相關(guān)的無線通信、無線傳感、電子、電源等支撐技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，并對基于無線網(wǎng)絡(luò)的航空發(fā)動機(jī)分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。

Abstract： This paper introduces the system structure of an aero-engine distributed control system based on wireless networks， which is characterized by the absence of core control nodes in the control system and the nodes in the wireless network as the system's distributed controllers. The research status and progress of supporting technologies related to wireless communication， wireless sensing， electronics， and power supply are analyzed， and the advantages of the distributed control system for aero-engine based on wireless network are summarized.

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);分布式控制器;無線網(wǎng)絡(luò);無線傳感器

Key words： aero-engine;distributed controller;wireless network;wireless sensor

中圖分類號：V231.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0286-05

0? 引言

早期的航空發(fā)動機(jī)主要采用機(jī)械液壓控制（Hydraulic Mechanic Control，HMC），隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集中式全權(quán)限數(shù)字電子控制（Full Authority Digital Electronics Control，F(xiàn)ADEC）逐漸取代機(jī)械液壓控制，其在性能及重量方面比傳統(tǒng)的機(jī)械液壓控制有明顯的優(yōu)勢[1]。隨著飛機(jī)性能的提升，對航空發(fā)動機(jī)的推重比的要求在不斷提升，比如美國提出的綜合高性能航空發(fā)動機(jī)技術(shù)（Integrated High Performance Turbine Engine Technology，IHPTET）計劃以及通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)（Versatile Affordable Advanced Turbine Engines，VAATE）計劃，對航空發(fā)動機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、推重比等方面提出具體要求;此外，隨著控制任務(wù)復(fù)雜度的提升，控制系統(tǒng)主控制器的任務(wù)量不斷提升，集中式FADEC在性能、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等方面的缺陷，對航空推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展造成了一定的限制。20世紀(jì)80年代末，研究人員開始了航空發(fā)動機(jī)分布式控制方向的研究，相對于集中式控制，分布式控制可進(jìn)一步降低控制系統(tǒng)重量，增加系統(tǒng)可靠性。在航空發(fā)動機(jī)分布式控制方案提出的將近30年中，主要經(jīng)歷了部分分布式控制（Partially Distributed Control，PDCS）、完全分布式控制（Fully Distributed Control，F(xiàn)DCS）等階段。目前航空發(fā)動機(jī)分布式控制依然面臨如下挑戰(zhàn)：系統(tǒng)中大量存在線纜和連接器，其重量較大，線纜在全壽命周期基本遵循威布爾模型，失效概率波動較大，不利于后期維護(hù)，由于發(fā)動機(jī)振動，連接器易出現(xiàn)機(jī)械和電氣故障;除了智能裝置的測試、識別等簡單功能外，控制系統(tǒng)大部分功能依然由核心控制器完成，核心控制器的性能和可靠性對控制系統(tǒng)起很大影響，同時，隨著航空發(fā)動機(jī)性能和可靠性要求的提升，控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，給核心控制單元的軟件可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)[2]。

由上述現(xiàn)狀可以得出，系統(tǒng)控制器分布式設(shè)計以及無線通信技術(shù)的使用是解決現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)所面臨問題的可行性方案。在工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著低成本傳感、計算和無線通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（Wireless Networked Control System，WNCS），該系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)主要被用作通信介質(zhì)而承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信任務(wù)，其大量減少了控制器、傳感機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間線纜的使用[3];文獻(xiàn)[4]基于無線網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式控制概念，其特點(diǎn)是用無線網(wǎng)絡(luò)替代了傳統(tǒng)控制方案中的核心控制單元，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)系統(tǒng)分布式反饋控制器;文獻(xiàn)[5]在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域基于無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了頻域分布式控制器原理性探索，并進(jìn)行了簡單的穩(wěn)定性驗(yàn)證。

本文針對航空發(fā)動機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)控制方案的系統(tǒng)架構(gòu)、供電、通信、傳感等進(jìn)行分析，并對該控制方案的潛在優(yōu)勢、研究可行性和必要性進(jìn)行總結(jié)，以期為新型航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展提供一種參考。

1? 航空發(fā)動機(jī)無線分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動機(jī)無線分布式控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示，其中傳感器（圖中所示W(wǎng)T、WP）和執(zhí)行器WA具有無線通信能力，除此之外，無線傳感器還具有AD轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理功能，無線執(zhí)行器根據(jù)接收的控制器信號，確定相應(yīng)的物理量輸出。無線傳感器和控制器周期性向控制器發(fā)送自身狀態(tài)信息，并且具有補(bǔ)償、故障測試與診斷等功能。圖中除傳感器、執(zhí)行器以外的無線節(jié)點(diǎn)組成系統(tǒng)控制器，控制任務(wù)虛擬化為多個分布式子任務(wù)映射到無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，整個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行系統(tǒng)控制功能。

如圖2所示為航空發(fā)動機(jī)集中式控制、分布式控制、無線分布式控制結(jié)構(gòu)框圖，圖中虛線箭頭代表采用無線方式進(jìn)行通信。對于集中式控制，核心控制器除執(zhí)行控制任務(wù)以外，還要實(shí)現(xiàn)信號采集、信號處理、控制信號輸出以及狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等功能;對于分布式控制，智能傳感器完成信號處理、AD轉(zhuǎn)換等任務(wù)，將溫度、壓比等物理量信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出至核心控制器，智能執(zhí)行器接受從核心控制器發(fā)來的位置信號以完成相關(guān)控制功能，智能裝置具有狀態(tài)自檢測和故障自診斷功能，控制器執(zhí)行系統(tǒng)的核心控制任務(wù)。

無線分布式控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制器由無線網(wǎng)絡(luò)中多個分布式節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn)都具有計算、存儲和無線通信功能。所有智能傳感器和智能執(zhí)行器內(nèi)部集成微處理器，并且具有無線通信能力，可以與無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的分布式控制器通過無線方式進(jìn)行通信。無線智能傳感器除完成物理量測量的基本功能外，還完成信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、故障自檢、故障自診等功能，此外，其還以無線通信的方式向控制器發(fā)送測量信號和自身狀態(tài)信息。無線智能執(zhí)行器接收系統(tǒng)控制器發(fā)送的無線位置指令信號，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部閉環(huán)控制，具有故障自檢與自診斷功能，并向控制器發(fā)送自身狀態(tài)信息。無線分布式控制器執(zhí)行系統(tǒng)高級控制任務(wù)、無線智能裝置狀態(tài)獲取、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)判斷、虛擬化子任務(wù)與無線節(jié)點(diǎn)動態(tài)映射、全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)調(diào)整等功能。

2? 無線通信方案

無線分布式控制目前處于理論探索階段，尚無特定的針對其開發(fā)的無線通信方案，目前主要考慮已成熟商用的通信方案。目前存在的無線移動網(wǎng)絡(luò)主要分兩種，無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）和自組織網(wǎng)（Ad-Hoc Networks），如圖3所示。無線局域網(wǎng)依賴固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，比如圖3中的訪問接入點(diǎn)（Access Point，AP），節(jié)點(diǎn)通過無線AP與網(wǎng)絡(luò)連接;自組織網(wǎng)由一組具有無線收發(fā)功能的節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)地位相等，是一個多跳、自組織、無中心、不依賴基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。無線分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是要求無線網(wǎng)絡(luò)組成一個無中心的分布式控制器，系統(tǒng)不存在核心節(jié)點(diǎn)，充當(dāng)系統(tǒng)控制器的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可采用Ad-hoc組網(wǎng)類型，避免AP等核心節(jié)點(diǎn)的損壞對控制系統(tǒng)性能的影響。

常用的自組織網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有Zigbee、藍(lán)牙和Wi-Fi，表1所示為上述三種技術(shù)的性能特點(diǎn)。

2.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是瑞典電信公司Ericsson于1994年研發(fā)的，現(xiàn)在由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）管理。藍(lán)牙支持若干設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)交換，并且支持移動的連接和通信;系統(tǒng)工作于2.4GHz 工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段，起止頻率分別為2.402GHz和2.480GHz;采用分時雙工傳輸，在不同時間間隔發(fā)送和接收信號，在宏觀上實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 Zigbee

Zigbee采用IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是一種適用于短距離、低速率、低功耗、短延時的無線通信技術(shù)，系統(tǒng)使用ISM頻段，其中美國為915MHz，歐洲為868MHz，全球范圍內(nèi)為2.4GHz，目前Zigbee技術(shù)在工業(yè)自動化、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

2.3 Wi-Fi

Wi-Fi是一個無線通信技術(shù)品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）所有，其解決了基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線產(chǎn)品之間的連通性。802.11的第一個版本定義了工作在2.4GHz ISM頻段的無線傳輸方式，傳輸速率為2Mbps;802.11a增加了工作在5GHz頻段的無線傳輸方式，傳輸速率可達(dá)54Mbps;802.11b增加定義了工作在2.4GHz ISM頻段，傳輸速率達(dá)11Mbps的傳輸方式;802.11g增加了工作在2.4GHz ISM頻段，傳輸速率高達(dá)54Mpbs的無線傳輸方式。

3? 無線智能傳感系統(tǒng)

國外已經(jīng)展開航空發(fā)動機(jī)相關(guān)的無線傳感器的研究工作，2012年，在美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的Passive Wireless Sensor Technology Workshop中針對當(dāng)時適應(yīng)惡劣環(huán)境的無源無線傳感器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)[6]。隨后展開了無線多路聲表面波傳感器項(xiàng)目（Wireless Multiplexed Surface Acoustic Wave Sensor Project），其計劃是開發(fā)可長期穩(wěn)定工作的無電源或半導(dǎo)體的無線傳感器，其能夠工作在極寒或者高達(dá)幾百攝氏度的惡劣環(huán)境中，并且在合理的距離范圍內(nèi)進(jìn)行物理參數(shù)測量。其目的是減少航空器或航天器中線纜的使用，同時允許對旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)部的各種物理量進(jìn)行測量。

以美國國家航空航天局格倫研究中心（NASA Glenn Research Center）為主的研究機(jī)構(gòu)，正在進(jìn)行集合電子、通信、傳感等綜合系統(tǒng)的研發(fā)工作，經(jīng)過驗(yàn)證，以SiC為基礎(chǔ)的晶體管技術(shù)可以在500攝氏度高溫下連續(xù)運(yùn)行2000多個小時，證明其可在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，基于SiC電子技術(shù)的高溫?zé)o線通信技術(shù)正在不斷發(fā)展[7]。此外，NASA還通過其先進(jìn)飛行器計劃（Advanced Air Vehicle Program，AAVP）等計劃，展開空天飛行器無源無線傳感器的研究[8]。

適用于航空發(fā)動機(jī)惡劣環(huán)境的無線傳感器已經(jīng)取得一定的成果，NASA Glenn Research Center 和 Case Western Reserve University聯(lián)合研發(fā)的高溫環(huán)境應(yīng)用的電容式壓力傳感器，工作溫度在25到300攝氏度，可用于航空發(fā)動機(jī)惡劣環(huán)境。無線壓力系統(tǒng)將電容式MEMS壓力傳感裝置至于LC諧振電路中，組成Clapp型諧振器，利用航空發(fā)動機(jī)壓力發(fā)生變化時，傳感系統(tǒng)輸出變化的諧振頻率進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)證實(shí)其在0到100psi范圍內(nèi)具有良好的線性性能[9]。

近年來，利用La3Ga5SiO14（LGS）晶體的大壓電常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)、高使用溫度（高達(dá)1400攝氏度）、小聲表面波速以及優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，結(jié)合聲表面波傳感器技術(shù)，進(jìn)行了高溫高壓惡劣環(huán)境下無線傳感器的研究，現(xiàn)已研發(fā)出一套包括溫度、壓力、振動、應(yīng)變傳感器等一系列適用于航空發(fā)動機(jī)惡劣環(huán)境使用的無源無線傳感器。在美國空軍、美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，NSF）支持下，傳感器制造商Environetix公司進(jìn)行了LGS無線聲表面波傳感器的性能和可靠性驗(yàn)證工作，用于發(fā)動機(jī)制造商使用該類型傳感器系統(tǒng)來改進(jìn)美國空軍現(xiàn)有發(fā)動機(jī)以及下一代渦輪發(fā)動機(jī)的設(shè)計[10]。

4? 系統(tǒng)供電

無線分布式控制系統(tǒng)的電源系統(tǒng)可以直接應(yīng)用傳統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)中成熟應(yīng)用的機(jī)載分布式電源系統(tǒng)，由于無源無線傳感器的使用，相對于傳統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)，大量減少了供電線纜的使用。此外，由于航空發(fā)動機(jī)是一個熱力機(jī)械，發(fā)動機(jī)工作過程中產(chǎn)生大量的熱量，近年來，研究人員針對基于溫差發(fā)電技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究并取得一定的成果。

溫差發(fā)電技術(shù)在熱力機(jī)械的一個早期應(yīng)用是汽車發(fā)動機(jī)的廢氣能量回收，發(fā)電裝置的熱源來自發(fā)動機(jī)高溫廢氣，冷源采取風(fēng)冷或水冷方式降溫，利用冷熱兩端的能量差，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。研究表明，一臺3.0L排氣量的發(fā)動機(jī)在60km/h等速爬坡工況之下，熱轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到11%左右，在輕型卡車上應(yīng)用HZ-20溫差發(fā)電裝置，裝置產(chǎn)生的電功率大概330W[11]。

溫差發(fā)電技術(shù)在航空領(lǐng)域尚無成熟應(yīng)用，但隨著航空發(fā)動機(jī)性能極大程度的提升，通過已知概念對其進(jìn)行改進(jìn)變得比較重要。為了實(shí)現(xiàn)減少飛行器燃油消耗，以及抑制熱紅外輻射等目的，溫差發(fā)電技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注[12]，Boeing、United Technologies、Airbus等公司開始布局相關(guān)專利。溫差發(fā)電具有重量輕、易安裝、無旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，多個熱電組件可置于發(fā)動機(jī)整個熱段，每個熱電組件可以從發(fā)動機(jī)熱段捕獲廢熱，并將其轉(zhuǎn)化為電能，適用于航空發(fā)動機(jī)無線分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

5? 無線分布式控制的潛在優(yōu)勢

5.1 控制器分布式化

傳統(tǒng)集中式及分布式控制器都包括一個核心控制單元，該核心控制單元是整個控制系統(tǒng)性能、可靠性、穩(wěn)定性的瓶頸。無線分布式控制系統(tǒng)中，控制器由無線網(wǎng)絡(luò)中多個分布式節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)不包含核心控制單元，任意節(jié)點(diǎn)的損壞都不會對控制系統(tǒng)功能造成大的影響。同時，隨著控制系統(tǒng)功能的增加，其軟件代碼量迅速提升，其給具有核心控制單元的控制系統(tǒng)的軟件可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)，對于無線分布式控制系統(tǒng)，每個節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的是虛擬化的子任務(wù)，單個節(jié)點(diǎn)軟件代碼量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中核心單元中的軟件代碼量，在完成相同功能的前提下，提升了軟件系統(tǒng)的可靠性。同時，由于每個節(jié)點(diǎn)都具有計算、存儲能力，整個無線網(wǎng)絡(luò)組成一個具有強(qiáng)大分布式計算和存儲能力的控制器，可以解決航空發(fā)動機(jī)日益強(qiáng)大的性能對控制器計算、存儲性能的挑戰(zhàn)。

5.2 大量減少線纜的使用

傳統(tǒng)集中式和分布式控制系統(tǒng)中，控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間通過線纜連接，線纜一般比較長，線纜與各部件之間通過連接器連接，這些線纜和連接器大大增加了控制系統(tǒng)的重量。在無線分布式控制系統(tǒng)中，基于線纜的通信方式被無線通信方式取代，極大的減少了控制系統(tǒng)內(nèi)部線纜及連接器的數(shù)量和重量。

5.3 自愈能力

虛擬化的子任務(wù)與無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間具有動態(tài)的映射關(guān)系，無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)損壞或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，虛擬化的子任務(wù)可以在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行遷移，保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，使控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的故障自愈能力。

5.4 無線傳感器的使用

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，由于線纜的使用，傳感器只能布置于靜止部件上，發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)部件上的物理量是無法直接測量的。隨著惡劣環(huán)境適用的無源無線傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感裝置可不再需要通信及供電線纜，發(fā)動機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件的物理量可以直接測量，從而獲得更高的傳感測量精度和更加簡單的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。

5.5 研發(fā)、升級的便利性

無線分布式控制方案可以很容易擴(kuò)展從而適應(yīng)新系統(tǒng)、新設(shè)備的加入?？梢愿雍唵蔚睦矛F(xiàn)有控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多發(fā)動機(jī)協(xié)同控制、推進(jìn)系統(tǒng)綜合控制、飛行/推進(jìn)系統(tǒng)綜合控制等綜合控制方案，降低了新系統(tǒng)研發(fā)及老系統(tǒng)升級的難度。

6? 總結(jié)與展望

本文對航空發(fā)動機(jī)基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、無線通信、無線智能傳感器、系統(tǒng)供電等相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀作了簡要分析和介紹，可以得出，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，基于無線網(wǎng)絡(luò)的航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)具有很大的研究價值，并且具備可行性，尤其隨著無線通信技術(shù)、高溫電子材料的飛速發(fā)展，給無線分布式控制系統(tǒng)在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用提供了有力的支撐。國外目前已經(jīng)在航空發(fā)動機(jī)上開展基于無線網(wǎng)絡(luò)的電子系統(tǒng)的研究工作，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)取得一定的成果，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)一步開展航空發(fā)動機(jī)無線分布式控制系統(tǒng)的研究具備很強(qiáng)的可行性。

此外，無線分布式控制不僅給航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)帶來減輕重量、提升性能、及故障自愈等優(yōu)勢，同時也可以縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)費(fèi)用和風(fēng)險，給相關(guān)航空發(fā)動機(jī)企業(yè)甚至飛機(jī)制造企業(yè)的老型號升級和新型號研發(fā)帶來便利。

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