航空发动机数字电子控制器的BIT技术.doc

航空发动机数字电子控制器的BIT技术 ??2010-3-3 11:11:00??来源：南京航空航天大学能源与动力学院?? 　　航空飞行器的安全性一直是业界的热点话题，如今针对航空发动机的健康管理技术也成为研究热点。如何通过先进的机内自测试 (Built-In-Test，BIT)技术来保障航空发动机控制系统的可靠性，并将航空发动机的健康管理技术同数字电子控制器的BIT技术有机结合起来，成为当前业界的一个新课题。　　BIT技术是指系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试。它通过附加在系统内的硬件和软件周期性或连续性地在线监控系统的运行状态并进行故障检测，是提高电子系统可测试性，进而提高系统工作可靠性、减少系统维护费用的关键技术。　　BIT技术最早由大型航空公司和军工企业发起，并逐步制定了ARINC604、ARINC624等设计规范。为了减少机载设备维修时间、降低维修费用，大型航空公司成功地将先进的BIT技术应用到他们生产的飞机中[1]。波音公司在其客机设计中大量采用BIT技术，使波音747、757、767等客机的故障隔离时间和维修时间大大缩短，提高了飞机的工作可靠性。军用飞机中，如美军的F-15、F-16、F/A-18、F-117、F-22、B-2等在设计过程中都大量采用BIT技术，使得这些武器装备的测试性、可靠性、维修性以及战备完好性都具有很高的水平。其中，F-15E、F-16C/D的新型航空电子系统中由于采用了BIT技术，保证了这2种飞机在海湾战争中的执行任务率高达95%。　　随着飞机和发动机性能要求的不断提高，对发动机控制系统的功能、计算能力、响应速度、控制精度等都提出了更加严格的要求，从而使控制系统从原来比较简单的液压机械式，逐步向以微处理器为中心的全权限数字电子控制（Full Authority Digital Engine Control，FADEC）技术发展。相对于传统的液压机械式控制，数字电子控制器在体积、重量、性能和灵活性方面具有显著优势，因此新研制的航空发动机控制系统几乎全部采用数字电子控制器，而且为了适应新的应用需求，许多在役动力装置也提出了将液压机械式控制器改造为全权限数字电子控制器的需求。而制约FADEC技术得以广泛应用的一个关键问题就是可靠性。合理利用BIT技术，可以有效地保证电子控制器的可靠性，同时可以增强控制系统的可维护性[2]。　　航空发动机FADEC系统是一种典型的嵌入式实时控制系统，数字电子控制器一般安装于发动机的附件机匣上，工作环境恶劣，而对可靠性要求极高。相对于一般电子设备的BIT，航空发动机数字电子控制器的BIT具有其特殊性，不仅要完成电子控制器内部电路模块的故障检测，还要负责控制系统中传感器和执行机构的故障检测，并参与控制系统的重构，甚至负责对控制对象航空发动机及其子系统的状态监视与故障检测。实际上，在当今已实现工程应用的FADEC系统电子控制器中，仅专门负责故障检测与处理任务的软件就占了大部分，足见BIT的分量[3]。　　国内对航空发动机数字电子控制器的BIT研究起步比较晚，但是自从指导BIT设计的行业规范《装备测试性大纲》制订以后，有关单位已经开展了这方面的研究工作，并取得了一些成果。在某些型号控制器的研制中，已经把BIT作为一项设计指标纳入研制任务书，并开展了实际的BIT设计。然而，由于缺少BIT的设计规范和验证体系，所设计的BIT故障检测覆盖率不高，而且BIT本身的可靠性得不到验证，这些问题都影响了BIT技术在工程中的应用。　　针对航空发动机数字电子控制器BIT的特殊性，研究电子控制器、传感器、执行机构及发动机系统的故障检测方法，规范BIT电路、检测算法和程序，并发展新型高效的检测技术和BIT有效性评价技术是非常有意义的。 　　航空发动机数字电子控制器BIT的常规方法 　　1 航空发动机FADEC系统的一般结构及其与BIT的关系　　如下图所示，航空发动机FADEC系统包括数字电子控制器、电子式传感器和电控式执行机构。数字电子控制器是核心，一般采取互为热备份的双通道冗余结构，每个通道一般包括信号调理模块、输入接口电路、处理器模块、输出接口电路、驱动电路和通信电路等，此外设置一个独立保护及通道切换管理模块，用于控制系统重构和超转限制保护。传感器包括感受发动机工作状态的转速传感器，各载面的温度、压力传感器，以及执行机构的位置传感器等。执行机构包括各种电液伺服阀、力矩马达、电磁阀等，用于控制燃油流量、喷口面积、导叶角度、放气活门开度等。 　　在FADEC系统中，数字电子控制器一方面负责航空发动机的所有控制功能，另一方面负责FADEC系统的故障检测和容错控制，以提高控制系统的可靠性。此外，FADEC系统还可以实现航空发动机的状态监视，以提高发动机的运行可靠性。根据故障