CN110850788A - 航空发动机用多电分布式控制系统架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制系统架构，尤其是一种航空发动机用多电分布式控制系统架构，属于航空发动机控制系统的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述航空发动机用多电分布式控制系统架构，包括中央控制器节点以及通过时间触发高速总线与所述中央控制器节点连接的数据集中器节点、伺服控制节点，所述伺服控制节点通过通用低速总线与多电燃油与作动节点通讯连接。本发明能实现控制系统驱动多电化、架构分布化、设计模块化，从而达到线缆减重、性能提升和成本降低的目标。

Description

航空发动机用多电分布式控制系统架构

技术领域

本发明涉及一种控制系统架构，尤其是一种航空发动机用多电分布式控制系统架构，属于航空发动机控制系统的技术领域。

背景技术

当前双通道全权限数字电子控制系统（Full Authority Digital EngineControl，FADEC）是一种机械液压传动、集中式架构的控制系统，电子控制器（ElectricEngine Controller，EEC）和传感器、执行机构通过模拟的点对点线束连接。传感器数据获取、信号处理转换以及控制律计算都在电子控制器内进行，通过各类电、液伺服机构实现动作指令的执行。

随着人们对航空发动机要求的不断提高，发动机控制系统日益面临着减重、性能提升以及节约成本的挑战，这种集中式控制结构也越来越成为限制技术发展的重要因素。当前集中式发动机控制系统限制因素有以下几个方面：

1）、线束多、减重难：随着发动机控制技术发展和健康管理技术的提高，使得控制变量和传感器的数量不断增加。由于传感器和执行机构分布于发动机的不同位置以及硬件冗余，这种“点对点”的连接使线束的重量约占系统总重量的15%-30%；在发动机上可用于穿线的空间有限，众多线束也容易带来安全隐患。

2）、EEC工作负荷重、体积大、接口复杂：集中式控制结构中，EEC将近50%的电路用于处理模拟信号，占据了控制器的处理器资源。随着控制算法越来越复杂，以及容错控制要求的提高，使得控制器的工作负荷增大。同时，由于冷却和减振的考虑，使得EEC体积和重量增加。不同的传感器对应特定的信号处理电路，使得EEC的接口设计变得复杂，且故障易发。

3）、系统升级困难：现在数字电子技术飞速发展，新型传感器、微机电系统层出不穷，而集中式控制架构EEC一旦设计成型，则元器件较难更改和替换和升级。

4）、开发难、成本高：集中式发动机控制系统是一个高度定制的系统，要专门进行长时间的研制开发和试验验证。当前集中式控制系统研制成本在航空发动机总成本中已经占15%-20%。

5）、传统FADEC控制系统控制部件存在泵转速与发动机转速耦合、燃油与作动机构控制回路耦合、能量利用率低、耐高温能力差、抗污染能力差、全生命周期成本高等瓶颈。

与此同时，基于模型控制和诊断，多变量控制，主动控制以及先进的健康管理技术已成为未来先进控制技术发展趋势。目前的集中式控制结构几乎无法适应高达上上千赫兹带宽的主动控制。因此需要设计一种新型的发动机控制系统架构以适应未来发动机对控制系统的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种航空发动机用多电分布式控制系统架构，其能实现控制系统驱动多电化、架构分布化、设计模块化，从而达到线缆减重、性能提升和成本降低的目标。

按照本发明提供的技术方案，所述航空发动机用多电分布式控制系统架构，包括中央控制器节点以及通过时间触发高速总线与所述中央控制器节点连接的数据集中器节点、伺服控制节点，所述伺服控制节点通过通用低速总线与多电燃油与作动节点通讯连接。

所述时间触发高速总线包括TTP/C总线，通用低速总线包括CAN总线。

所述伺服控制节点包括压气机控制节点、主燃油控制节点、加力燃油控制节点以及喷口控制节点，所述压气机控制节点、主燃油控制节点、加力燃油控制节点以及喷口控制节点与所需的传感器、执行机构电连接，多电燃油与作动节点通过通用低速总线与压气机控制节点、主燃油控制节点、加力燃油控制节点和/或喷口控制节点通讯连接。

所述中央控制器节点包括两个互为冗余的控制节点通道，所述控制节点通道包括用于与时间触发高速总线连接的控制节点高速总线通讯模块、用于提供工作电源的控制节点电源转换模块、与控制节点高速总线通讯模块连接的控制节点计算控制模块以及与所述控制节点计算控制模块连接的航电地检通讯模块，两个控制节点通道间通过控制节点计算控制模块的CCDL通讯实现冗余管理。

所述数据集中器节点包括两个互为冗余的数据集中节点通道，所述数据集中节点通道包括用于连接传感器的数据集中节点信号处理转换模块、与所述数据集中节点信号处理转换模块连接的信号诊断冗余管理模块、与所述信号诊断冗余管理模块连接的数据集中高速总线通讯模块以及用于提供数据集中器节点所需工作电源的数据集中电源转换模块，信号诊断冗余管理模块通过数据集中高速总线通讯模块能与时间触发高速总线匹配连接，两个数据集中节点通道间通过信号诊断冗余管理模块的CCDL通讯实现冗余管理。

所述伺服控制节点包括两个互为冗余的伺服控制节点通道，所述伺服控制节点通道包括用于连接传感器的伺服控制信号处理转换模块、与所述伺服控制信号处理转换模块连接的伺服控制计算控制模块、与所述伺服控制计算控制模块连接的伺服控制高速总线通讯模块、与伺服控制计算控制模块连接的伺服控制输出驱动模块、与伺服控制计算控制模块连接的伺服控制低速总线接口以及用于提供工作电源的伺服控制电源转换模块；

伺服控制计算控制模块通过伺服控制高速总线通讯模块能与时间触发高速总线适配连接，伺服控制计算控制模块通过伺服控制输出驱动模块能与执行机构电连接，伺服控制计算控制模块通过伺服控制低速总线接口、通用低速总线能与多电燃油与作动节点电连接；两个伺服控制节点通道通过伺服控制计算控制模块的CCDL通讯实现冗余管理。

所述多电燃油与作动节点包括两个互为冗余的作动节点通道，所述作动节点通道包括用于连接传感器的作动节点信号处理转换模块、与所述作动节点信号处理转换模块连接的作动节点计算控制模块、与所述作动节点计算控制模块连接的低速总线通讯模块以及与所述作动节点计算控制模块连接的作动节点输出驱动模块，所述输出驱动模块通过作动部件与发动机连接，作动节点计算控制模块通过低速总线通讯模块与通用低速总线连接，两个作动节点通道通过作动节点计算控制模块的CCDL通讯实现冗余管理。

本发明的优点：

1）、现有中央控制器节点中的A/D(D/A)转换和信号处理功能被分布到数据集中器、伺服控制节点，提高了各节点的本地故障检测能力和健康管理水平，简化了中央控制器节点的复杂度和计算负担，可实现更为先进的控制和诊断。

2）、通过多电燃油与作动节点替代现有燃油作动系统，降低系统耦合性，提高系统抗污染能力，改善维护保障性。执行机构通过多电燃油与作动节点实现本地闭环功能，并为未来高带宽主动控制的实现提供了基础。

3）、多电分布式控制系统中数字串行总线取代传统的集中式控制系统中点对点模拟线束连接，简化了线束连接，降低了系统重量。

4）、标准化总线接口实现系统的模块化，简化了分布式系统的设计、测试和集成，便于系统维护升级和扩展，降低全寿命周期成本。

5）、控制节点的主网络采用基于时间触发协议的高速总线通信，如TTP/C总线采用时分多路的访问方式，根据时隙规划节点信号传输。数据传输可预测，且协议本身具有的容错冗余管理功能，提高了数据流的可靠性。

6）、多电燃油与作动节点的子网络采用成熟的通用低速总线接口，如CAN总线，提高总线带宽利用率，降低系统成本。低速总线硬件对工作环境要求较低，执行机构可采用控制感知一体化设计，便于多供应商系统整合。

附图说明

图1为本发明多电分布式控制系统总体架构示意图。

图2为本发明中央控制器节点示意图。

图3为本发明数据集中器节点示意图。

图4为本发明伺服控制节点示意图。

图5为本发明多电燃油与作动节点示意图。

附图标记说明：1-中央控制器节点、2-数据集中器节点、3-伺服控制节点、4-传感器、5-执行机构、6-时间触发高速总线、7-通用低速总线、8-多电燃油与作动节点、9-飞机地检设备、10-压气机控制节点、11-加力燃油控制节点、12-喷口控制节点、13-控制节点通道、14-航电地检通讯模块、15-控制节点高速总线通讯模块、16-控制节点电源转换模块、17-控制节点计算控制模块、18-信号诊断冗余管理模块、20-数据集中电源转换模块、21-数据集中高速总线通讯模块、22-信号诊断冗余管理模块、23-伺服控制节点通道、24-伺服控制信号处理转换模块、25-伺服控制电源转换模块、26-伺服控制高速总线通讯模块、27-伺服控制计算控制模块、28-伺服控制低速总线接口、29-作动节点通道、30-作动节点信号处理转换模块、31-作动节点电源转换模块、32-低速总线通讯模块、33-作动节点计算控制模块、34-作动节点输出驱动模块、35-作动部件、36-发动机、37-主燃油控制节点以及38-伺服控制输出驱动模块。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为例能实现控制系统驱动多电化、架构分布化、设计模块化，从而达到线缆减重、性能提升和成本降低的目标，本发明包括中央控制器节点1以及通过时间触发高速总线6与所述中央控制器节点1连接的数据集中器节点2、伺服控制节点3，所述伺服控制节点3通过通用低速总线7与多电燃油与作动节点8通讯连接。

具体地，中央控制器节点1通过时间触发高速总线6能与数据集中器节点2、伺服控制节点3的信息互连，通过通用低速总线7能实现多电燃油与作动节点8实现与伺服控制节点3的信息互连，从而能实现系统架构间的信息传输。本发明实施例中，所述时间触发高速总线6包括TTP/C总线，通用低速总线7包括CAN总线。当然，在具体实施时，时间触发高速总线6、通用低速总线7还可以采用其他的总线形式，具体可以根据需要进行选择，具体选择过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。中央控制器节点1实现控制规律的计算、健康管理以及与航电、地面检测装置通讯等功能，即中央控制器节点1能与飞机地检设备9连接。飞机地检设备9的具体类型等可以采用现有常用的形式，飞机地检设备9与中央控制器节点1间的具体配合形式具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

进一步地，所述伺服控制节点3包括压气机控制节点10、主燃油控制节点37、加力燃油控制节点11以及喷口控制节点12，所述压气机控制节点10、主燃油控制节点37、加力燃油控制节点11以及喷口控制节点12与所需的传感器4、执行机构5电连接，多电燃油与作动节点8通过通用低速总线7与压气机控制节点10、主燃油控制节点37、加力燃油控制节点11和/或喷口控制节点12通讯连接。

本发明实施例中，伺服控制节点3通过时间触发高速总线6接收来自中央控制器节点1的指令，采集伺服控制相关信号并进行信号处理和转换，通过闭环计算，将控制指令发送给多电燃油与作动节点8，实现本地伺服控制功能。伺服控制节点3具有故障诊断与冗余管理功能。

伺服控制节点3包括压气机控制节点10、主燃油控制节点37、加力燃油控制节点11和喷口控制节点12，具体各节点功能描述如下：

压气机（LPC）控制节点10主要实现压气机叶角度、放气活门开度EMA的伺服控制功能，以及开关量如模式转换开关输出。主燃油（MF）控制节点37主要实现电动增压泵和主电动燃油泵的燃油伺服控制功能，以及开关量如点火信号、停车电磁阀的输出。加力燃油（AF）控制节点11主要实现加力电动燃油泵以及三路加力燃油总管的伺服控制功能，以及开关量如加力接通、射流点火电磁阀的输出。喷口（A8）控制节点12主要实现喷口面积以及矢量偏转EHA的伺服控制功能。压气机控制节点10、主燃油控制节点37、加力燃油控制节点11和喷口控制节点12的具体作用以及功能均与现有相一致，具体为工作原理等为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

如图2所示，所述中央控制器节点1包括两个互为冗余的控制节点通道13，所述控制节点通道13包括用于与时间触发高速总线6连接的控制节点高速总线通讯模块15、用于提供工作电源的控制节点电源转换模块16、与控制节点高速总线通讯模块15连接的控制节点计算控制模块17以及与所述控制节点计算控制模块17连接的航电地检通讯模块14，两个控制节点通道13间通过控制节点计算控制模块17的CCDL（Cross Channel Data Link）通讯实现冗余管理。

本发明实施例中，控制节点高速总线通讯模块15的类型与时间触发高速总线6的类型相适配，从而控制节点计算控制模块17通过控制节点高速总线通讯模块15能与时间触发高速总线6适配连接。控制节点计算控制模块17可以采用现有现有常用的计算控制形式，如采用单片机、FPGA等微处理芯片，具体类型可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。两个控制节点通道13采用完全相同的结构形式，通过控制节点电源转换模块16能提供整个中央控制器节点1所需的工作电源，控制节点计算控制模块17通过航电地检通讯模块14能与飞机地检设备9适配连接。

如图3所示，所述数据集中器节点2包括两个互为冗余的数据集中节点通道18，所述数据集中节点通道18包括用于连接传感器4的数据集中节点信号处理转换模块19、与所述数据集中节点信号处理转换模块19连接的信号诊断冗余管理模块22、与所述信号诊断冗余管理模块22连接的数据集中高速总线通讯模块21以及用于提供数据集中器节点2所需工作电源的数据集中电源转换模块20，信号诊断冗余管理模块22通过数据集中高速总线通讯模块21能与时间触发高速总线6匹配连接，两个数据集中节点通道18间通过信号诊断冗余管理模块19的CCDL通讯实现冗余管理。

本发明实施例中，数据集中器节点2实现信号采集和处理转换功能，采集来自发动机的模拟量、频率量和离散量信号，进行调理、滤波等处理，并转换成数字信号发送至时间触发高速总线6，为需要激励的传感器4提供激励电源。两个数据集中节点通道18具有完全相同的结构形式，数据集中节点信号处理转换模块19、信号诊断冗余管理模块22、数据集中高速总线通讯模块21以及数据集中电源转换模块20均可以采用现有常用的形式，且具体的工作原理以及过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

如图4所示，所述伺服控制节点3包括两个互为冗余的伺服控制节点通道23，所述伺服控制节点通道23包括用于连接传感器4的伺服控制信号处理转换模块24、与所述伺服控制信号处理转换模块24连接的伺服控制计算控制模块27、与所述伺服控制计算控制模块27连接的伺服控制高速总线通讯模块26、与伺服控制计算控制模块27连接的伺服控制输出驱动模块38、与伺服控制计算控制模块27连接的伺服控制低速总线接口28以及用于提供工作电源的伺服控制电源转换模块25；

伺服控制计算控制模块27通过伺服控制高速总线通讯模块26能与时间触发高速总线6适配连接，伺服控制计算控制模块27通过伺服控制输出驱动模块38能与执行机构5电连接，伺服控制计算控制模块27通过伺服控制低速总线接口28、通用低速总线7能与多电燃油与作动节点8电连接；两个伺服控制节点通道23通过伺服控制计算控制模块27的CCDL通讯实现冗余管理。

本发明实施例中，两个伺服控制节点通道23具有完全相同的结构形式，当伺服控制节点3为压气机控制节点10、主燃油控制节点37、加力燃油控制节点11或喷口控制节点12时，压气机控制节点10、主燃油控制节点37、加力燃油控制节点11、喷口控制节点12采用上述完全相同的架构，并根据具体的具体功能进行适应性的调整，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

如图5所示，所述多电燃油与作动节点8包括两个互为冗余的作动节点通道29，所述作动节点通道29包括用于连接传感器4的作动节点信号处理转换模块30、与所述作动节点信号处理转换模块30连接的作动节点计算控制模块33、与所述作动节点计算控制模块33连接的低速总线通讯模块32以及与所述作动节点计算控制模块33连接的作动节点输出驱动模块34，所述作动节点输出驱动模块34通过作动部件35与发动机36连接，作动节点计算控制模块33通过低速总线通讯模块32与通用低速总线7连接，两个作动节点通道29通过作动节点计算控制模块33的CCDL通讯实现冗余管理。

本发明实施例中，多电燃油与作动节点8采用控制感知一体化设计，通过通用低速总线7接收来自伺服控制节点3的指令，主要实现对电动燃油泵、EMA（Electro-MechanicalActuaor）、EHA（Electro-Hydrostatic Actuaor）等多电机构的电机转速及作动相关控制。当然，还包括提供电源的作动节点电源转换模块31，作动节点信号处理转换模块30、低速总线通讯模块32、作动节点计算控制模块33、作动节点输出驱动模块34、作动部件35与发动机36均可以采用本技术领域常用的形式，具体配合以及工作过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

具体实施时，传感器4根据信号类型分为很多种，如温度信号一般采用热电偶、热电阻，压力信号一般采用压阻式等。执行机构5一般是开关量输出采用电磁阀、模拟量输出传统一般采用电液伺服阀等。其中，模拟量输出采用多电执行机构，如电力作动器、电静液作动器等，具体可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。

Claims (7)

1.一种航空发动机用多电分布式控制系统架构，其特征是：包括中央控制器节点（1）以及通过时间触发高速总线（6）与所述中央控制器节点（1）连接的数据集中器节点（2）、伺服控制节点（3），所述伺服控制节点（3）通过通用低速总线（7）与多电燃油与作动节点（8）通讯连接。

2.根据权利要求1所述的航空发动机用多电分布式控制系统架构，其特征是：所述时间触发高速总线（6）包括TTP/C总线，通用低速总线（7）包括CAN总线。

3.根据权利要求1所述的航空发动机用多电分布式控制系统架构，其特征是：所述伺服控制节点（3）包括压气机控制节点（10）、主燃油控制节点（37）、加力燃油控制节点（11）以及喷口控制节点（12），所述压气机控制节点（10）、主燃油控制节点（37）、加力燃油控制节点（11）以及喷口控制节点（12）与所需的传感器（4）、执行机构（5）电连接，多电燃油与作动节点（8）通过通用低速总线（7）与压气机控制节点（10）、主燃油控制节点（37）、加力燃油控制节点（11）和/或喷口控制节点（12）通讯连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的航空发动机用多电分布式控制系统架构，其特征是：所述中央控制器节点（1）包括两个互为冗余的控制节点通道（13），所述控制节点通道（13）包括用于与时间触发高速总线（6）连接的控制节点高速总线通讯模块（15）、用于提供工作电源的控制节点电源转换模块（16）、与控制节点高速总线通讯模块（15）连接的控制节点计算控制模块（17）以及与所述控制节点计算控制模块（17）连接的航电地检通讯模块（14），两个控制节点通道（13）间通过控制节点计算控制模块（17）的CCDL通讯实现冗余管理。

5.根据权利要求3所述的航空发动机用多电分布式控制系统架构，其特征是：所述数据集中器节点（2）包括两个互为冗余的数据集中节点通道（18），所述数据集中节点通道（18）包括用于连接传感器（4）的数据集中节点信号处理转换模块（19）、与所述数据集中节点信号处理转换模块（19）连接的信号诊断冗余管理模块（22）、与所述信号诊断冗余管理模块（22）连接的数据集中高速总线通讯模块（21）以及用于提供数据集中器节点（2）所需工作电源的数据集中电源转换模块（20），信号诊断冗余管理模块（22）通过数据集中高速总线通讯模块（21）能与时间触发高速总线（6）匹配连接，两个数据集中节点通道（18）间通过信号诊断冗余管理模块（19）的CCDL通讯实现冗余管理。

6.根据权利要求3所述的航空发动机用多电分布式控制系统架构，其特征是：所述伺服控制节点（3）包括两个互为冗余的伺服控制节点通道（23），所述伺服控制节点通道（23）包括用于连接传感器（4）的伺服控制信号处理转换模块（24）、与所述伺服控制信号处理转换模块（24）连接的伺服控制计算控制模块（27）、与所述伺服控制计算控制模块（27）连接的伺服控制高速总线通讯模块（26）、与伺服控制计算控制模块（27）连接的伺服控制输出驱动模块（38）、与伺服控制计算控制模块（27）连接的伺服控制低速总线接口（28）以及用于提供工作电源的伺服控制电源转换模块（25）；

伺服控制计算控制模块（27）通过伺服控制高速总线通讯模块（26）能与时间触发高速总线（6）适配连接，伺服控制计算控制模块（27）通过伺服控制输出驱动模块（38）能与执行机构（5）电连接，伺服控制计算控制模块（27）通过伺服控制低速总线接口（28）、通用低速总线（7）能与多电燃油与作动节点（8）电连接；两个伺服控制节点通道（23）通过伺服控制计算控制模块（27）的CCDL通讯实现冗余管理。

7.根据权利要求3所述的航空发动机用多电分布式控制系统架构，其特征是：所述多电燃油与作动节点（8）包括两个互为冗余的作动节点通道（29），所述作动节点通道（29）包括用于连接传感器（4）的作动节点信号处理转换模块（30）、与所述作动节点信号处理转换模块（30）连接的作动节点计算控制模块（33）、与所述作动节点计算控制模块（33）连接的低速总线通讯模块（32）以及与所述作动节点计算控制模块（33）连接的作动节点输出驱动模块（34），所述作动节点输出驱动模块（34）通过作动部件（35）与发动机（36）连接，作动节点计算控制模块（33）通过低速总线通讯模块（32）与通用低速总线（7）连接，两个作动节点通道（29）通过作动节点计算控制模块（33）的CCDL通讯实现冗余管理。

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