车海威，张成成，赵树言
（西安爱生技术集团有限公司，陕西 西安 710065）
随着航空和信息科学技术的迅猛发展，无人机作为信息产业领域最活跃的产品，在军、民用领域发挥的作用和优势越来越明显，受到广泛关注。
通常，根据无人机系统规模和使用要求，大中型无人机系统，其使用特点多以地面指挥控制、空地通信传输链路与无人机内综合航电系统链接，实现对无人机飞行状态与任务的操控[1]。
无人机动力系统是无人机飞行的动力保障，它是指包括发动机本身及实现发动机在无人机上的安装、使用和可靠工作的系统和装置的总称[2]。产品市场中，中小型无人机多采用活塞发动机为动力，与此匹配的无人机动力系统通常包括发动机、螺旋桨、控制与测量分系统、起动分系统、进排气与通风冷却分系统、外润滑分系统、燃油分系统、系统安装及供电[2]等。
文中以某型航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机为例，在无人机飞行剖面内对动力系统进行综合控制，使其与无人机协调匹配工作，实现无人机高效、安全、可靠飞行。
无人机动力系统合理、全面地控制能最大程度发挥无人机的特点与优势，有效利用发动机的性能并提升其环境适应性。目前，以涡喷、涡扇发动机为动力的有人飞机动力系统综合控制技术日益成熟，配套分系统协调工作，充分满足发动机运转全权限控制的需要。而国内，以航空活塞发动机为动力的无人机，动力系统控制技术综合度不高，在动力高效输出、转速控制、极限环境适应及延长发动机使用寿命等方面与有人飞机差距较大。
以航空活塞发动机为动力的无人机，一般通过机上航电计算机实现对发动机供油、点火、节气门调节、停车等的控制，以及转速、温度、压力等参数采集。化油器供油活塞发动机，其工况调整仅通过调节节气门来满足发动机燃油供给，空燃比按设计平均值设定或油针固定调节；
电喷活塞发动机，航电计算机通过控制节气门与喷油器调节燃油喷油量。
发动机转速多为开环控制，如使用变距桨还需变距杆参与，高空燃料特性与环境变化等引起的供油调节较少考虑。这种动力系统常用控制方式简单、采集参数与执行动作少、操作简便、航电计算机负担小，但其也有如下缺点：
1）航电计算机管理全机飞行操控，采集的发动机状态与告警信息有限，且控制形式单一、控制响应及时性差；
2）检测系统智能化程度低、发动机操纵技能要求高，操作压力大；
3）燃油分系统工作的动态控制少，涉及防止高空燃油蒸发、油泵气蚀、油泵涡空等的有效措施较少[2-3]；
4）发动机工作趋势预判较少，无针对性发动机调控保护措施，动力系统工作的可靠性、经济性不高；
5）缺少动力系统健康状态预警，不利于系统维护与保养。
随着无人机技术不断发展，无人机的使用范围拓宽，发动机的使用环境更加严酷，性能水平保持与响应要求提高，动力系统的匹配性要求更加严格，系统操控自动化程度和可靠性要求更高。经验预判与紧急状态下的人力反应、发动机响应滞后与飞行动力急需、有限信息的故障判断与应急处置的决策困难、工作过程状态记录粗放等问题与矛盾，使当前动力系统简单控制的不足逐渐暴露，已无法满足动力系统有效闭环控制、状态及时反馈、告警及应急操作、维护保养等使用需求。
为了延长发动机的使用寿命、有效利用发动机的可用功率，从满足无人机使用需求出发，最大限度发挥发动机的装机特性，提升动力系统匹配协调工作的能力，拓展无人机的使用高度、满足无人机多姿态飞行安全，需进行动力系统综合控制。
以某型航空涡轮增压活塞发动机为动力的无人机，为满足其大升限、多姿态、长航时飞行，在无人机全飞行剖面内进行发动机工作规划，动力控制与测量分系统集中管理与控制执行机构，并采集系统状态信息进行目标趋势分析与故障诊断，采取特征参数闭环控制，提供参考应急建议，在发动机起动、点火、节气门与转速调节、涡轮增压、燃油供给、润滑与冷却等方面[4]提供一种全面、有效的综合控制，保证发动机在无人机全飞行剖面内经济、可靠工作[5]。动力系统工作控制流程如图1所示。
图1 动力系统控制流程
3.1 信号采集
信号采集过程由感受动力系统、环境信息及无人机状态的传感器装置完成，能够全面、及时、有效地获取被测量信息，并将获取的信息以一定规律变换成电信号或其他所需类型信号输出至控制器，经控制器诊断、处理后通过主控单元下传至地面控制站，供飞行员参考；
或经转换后实现各种控制算法，进而生成输出驱动信号驱动执行机构工作[6]。
动力系统传感器组成如图2所示，主要采集发动机状态信息、螺旋桨状态信息、燃油状态信息、发电机状态信息及环境信息等参数，为动力系统自动检测与自动控制、趋势发展分析及故障诊断提供数据基础。
图2 动力系统传感器功能图
1）发动机传感器，测量节气门开度、转速、曲轴相位、工作介质温度与压力、涡轮增压状态等参数；
2）螺旋桨传感器，采集螺旋桨运转过程桨叶角、驱动机构状态等参数；
3）燃油传感器，测量油箱油量、供油压力与流量、油箱状态等参数；
4）发电机传感器，实时监测发电机转速、发电机及其控制器温度、输出电压∕电流及工作状态等参数；
5）测量或采集环境条件、无人机飞行状态等。
3.2 执行机构
动力系统提升综合控制能力，优化发动机工作环境，设置相关作动执行机构并提供工作范围精度调节、到位信息反馈，实现以下功能：
1）发动机节气门调节器，接收指令，执行节气门开度调节；
2）涡轮增压器伺服电机，接收指令，执行发动机涡轮增压器旁通阀开度调节；
3）变距桨伺服电机，接收指令，执行螺旋桨变距；
4）冷却通道调节机构，接收指令，执行发动机及其液体冷却通道散热面积变化的调节；
5）功率驱动机构，接收控制信号，驱动发动机点火∕停车、油泵工作、阀体作动等。
3.3 综合控制
控制器作为动力系统控制的核心，与传感器、执行机构、涡轮增压控制器等共同构成控制与测量分系统。控制器根据发动机工作过程的温度、压力、转速等性能参数，环境温度、压力等外界参数及无人机状态信息与指令，通过计算控制律产生相应控制信号，进而输出至执行机构，以调节转速、桨叶角、进气量、燃油量及旁通阀放气量等目标参数，实现包括转速、压力、温度等多参数多控制回路的闭环控制输出，达到动力系统综合控制的目的。动力系统综合控制功能图如图3所示。
图3 动力系统综合控制功能图
3.3.1 系统自检测
系统加电，控制器接收主控单元发出的动力系统自检指令，自动执行系统自检测。如果设备故障、参数超限、通信异常或功能失效等，控制器向主控单元反馈相应告警信息，供地面飞行员决策是否执行发动机起动；
如果自检正常，等待主控单元起动指令。
3.3.2 一键起动
控制器收到主控单元一键“起动”指令，自动按预置流程控制发动机起动与暖机，并监控发动机状态、测试发动机功率等满足要求后，上报“起动成功”。起动过程中，任一环节不满足判据，控制发动机停车，并上传起动失败定位信息[7]。
3.3.3 转速控制
发动机在不同工况，为获取最佳效率下的最大功率输出，提供无人机足够推力，有不同的转速需求。而发动机的转速控制与节气门开度、涡轮增压、桨叶角等密切关联，主要交联关系如图4所示。
图4 转速控制原理
1）节气门控制
节气门控制的目的是调节发动机进气量，进而调节发动机输出功率，节气门是终端用户的直接控制对象。发动机进气量调节由节气门调节器执行，主控单元命令发送至控制器，控制器根据采集的当前节气门位置确定调节器作动方向及步长，同时实时监测调节器位置，一旦达到控制目标，调节器停止作动。
发动机节气门开度与转速的理想对照关系如图5所示。
图5 发动机节气门开度与转速关系
但实际中，无人机不同飞行阶段、不同飞行高度和飞行速度下，仅控制节气门开度，发动机是不能直接产生图5所示目标转速，还需要控制器基于当前海拔高度、节气门实际开度、预设控制逻辑、发动机MAP等实时调节涡轮增压器旁通阀开度控制进气压力，调节螺旋桨桨叶角获取最佳功率及经济耗油率，从而实现图5所示理想节气门-转速特性曲线。
2）涡轮增压控制
涡轮增压控制是基于对增压器旁通阀开度的闭环控制，其控制逻辑如图6所示。
图6 涡轮增压器旁通阀开度控制逻辑
通过涡轮增压器压力反馈（KB）与目标增压值（KA）差分产生增压器旁通阀舵机控制量增量δe，作用于增压器旁通阀，进而维持稳压箱压力稳定。涡轮增压器旁通阀控制作为其内环控制，以电位计（位置传感器）为反馈，经PI控制实现涡轮增压旁通阀的开度控制，进而实现增压控制。
其中目标增压值KA（稳压箱压力）与节气门开度相关，其典型工况对应关系如图7所示。
图7 稳压箱压力随节气门开度变化关系
涡轮增压控制正常按以上规律。实际稳压箱压力目标值、转速及节气门位置随海拔高度变化，控制器根据不同海拔高度通过调节螺旋桨桨叶角、增压器旁通阀开度、节气门开度使稳压箱压力满足设定目标值。此外，为保证发动机运行安全，设置以下保护策略：
①发动机转速＞5 900 r∕min，控制器自动调节发动机涡轮增压器旁通阀开度，减小稳压箱压力，降低转速；
②稳压箱温度≥88℃，控制器自动增大涡轮增压器旁通阀开度，减小稳压箱压力，降低稳压箱温度至安全范围内；
③增压压比限制最大增压比，防止增压器超速。
3）螺旋桨桨叶角控制
螺旋桨桨叶角控制是维持节气门-转速理想特性曲线的最后保障，也是最有效调节手段。经过节气门调节及增压调节后，为获取理想转速，可进行转速-桨叶角闭环控制。
螺旋桨桨叶切面示意图如图8所示。
图8 螺旋桨桨叶切面
图8中，α为桨叶迎角，φ为桨叶安装角，γ为气流入流角，通过桨叶角控制可以改变桨叶迎角，进而影响气流入流角，满足飞机需用功率要求下发动机工作在经济耗油区。桨叶角控制以发动机转速为反馈，闭环控制，桨叶角调节量δα转换公式如下：
式中：kp和kd分别为比例调节系数和微分调节系数，取值均为0.000 1；
Rpm为当前转速；
Rpmo为目标转速，即当前节气门开度下的理想转速；
DRpm为转速变化率。
3.3.4 温度控制
控制器内置温度控制逻辑，根据发动机工作温度反馈，自动调节冷却通道面积。如果调节后温度改善不明显，在保证飞行安全的前提下，控制器自动调整发动机功率状态，以保证发动机稳定工作。
以发动机中冷器散热控制为例，为保证发动机在无人机全剖面范围内功率的有效输出，稳压箱温度需控制在10～88℃之间，其中20～50℃为发动机最佳运行功率输出区间，稳压箱最高温度为96℃。根据上述要求对中冷器进气冷却通道开度进行控制。
理想温度范围不调节：20～50℃；
超出理想部分采用比例反馈微调：10～20℃或50～80℃之间，中冷器进气调节量δΦ遵循以下规律：
式中：T为当前温度；
T0为目标温度（默认35℃）；
kpΦ和kiΦ分别为比例调节系数和积分调节系数，当温度为10～20℃或50～80℃时取值均为0.001。超出80℃，通道全开；
超出88℃进行降功率处理，按照“温度-稳压箱压力-转速”对应关系调节功率，直到温度正常。
3.3.5 供油控制
控制器内置供油控制逻辑，根据供油状态反馈调整油泵工作。
发动机运转过程中，当相对供油压力低于15 kPa，控制器自动开启应急供油；
如发动机无法正常停车，且油泵控制失效或发动机舱着火时，切断供油，保证无人机安全。
3.3.6 油箱增压控制
控制器内置油箱增压控制逻辑，依据燃油饱和蒸汽压、燃油状态、无人机状态和环境条件等因素自动控制油箱增压[2-3，8]。也可根据动力系统状态，与飞行员进行控制权决策，选择手动控制油箱增压。
表1为陕西省能源质量监督检验所测得的95#汽油饱和蒸汽压。
表1 95#车用汽油饱和蒸汽压
3.3.7 发动机停车
如发动机空中熄火，控制器根据内置判据自动控制发动机再起动；
如起动失败，提示无人机进入应急回收流程。正常回收阶段，控制器接到“停车”指令，根据停车控制逻辑，控制发动机停车。
3.4 状态诊断与告警
控制器具有健康状态分析与故障诊断功能，对测量与采集的状态信息进行分析与判定，并向上位机发送状态等级信息[9]。设置的状态等级：正常、注意、告警[8]。当参数接近或超出边界时，判断告警等级，并发出相应报警信息。
正常状态：系统工作正常，可进行例行操作。
注意状态：系统工作接近极限，或存在影响系统（设备）性能降级的风险，需根据情况进行适当干预。
告警状态：系统工作超限，需立即采取措施，避免对发动机或无人机造成损伤。当出现告警指示，在保持无人机稳定飞行的前提下，控制器根据发动机保护控制逻辑提示采取应急措施，减少发动机失效风险，同时保证无人机安全。
3.5 数据通信
为保证指令可靠下达∕接收与信息反馈上传的有效，控制器与主控单元可采用多种通信方式，如CAN、RS 422或RS 232等总线，进行通道余度设计；
同时设置地面数据交互接口，便于地面数据的下载分析与调查取证。
3.6 二次配电
为实现动力系统设备集成化、小型化、功能化要求，控制器内设置电源预处理模块，能够将机载电源输送的电能经滤波、调压后分别输送给相应动力设备与传感器，同时具有防倒灌、过载与断路保护等功能。
3.7 数据记录与查询
为便于留存档案记录、回放访问、故障查询与系统保养，控制器设置系统数据记录、存储、回放与提示功能。通过使用地面控制站或测试设备可以对动力系统或设备状态进行设置、查询与下载。
当系统需定期或不定期检查维护时，控制器发送提示信息，提醒进行系统及发动机维护检查、保养与更换。
使用此综合控制方法的全实物动力系统，进行试验室台架综合试验与平台挂飞测试。
试验室通过模拟无人机停机∕飞行姿态、进气冷却风速、飞行参数，模拟系统故障模式或异常条件，按综合控制流程进行动力系统工作状态控制、检查与测试，完成地面台架耐久联合试验，在试验结果满足预期指标的前提下搭载飞行平台测试。
地面与飞行试验累计近千小时，试验结果表明：地面控制发动机工作状态稳定，各种飞行姿态供油稳定可靠，异常故障及时检测并上传；
空中飞行动力系统工作流程规划合理，发动机运转正常，超限报警自动控制调整发动机状态，应急响应正确，调节合理，未出现操控与调节异常引起的发动机停车。
图9为台架与挂飞试验发动机工作温度闭环控制调节结果，台架试验发动机起动成功后随节气门变化，发动机温度经调节未超限；
空中飞行全过程，随飞行高度及节气门变化，发动机工作温度均保持在舒适范围。
图9 动力系统综合控制温度控制实例
统计结果表明，动力系统采用综合控制技术后，发动机使用高度提升36%，相同燃、滑油装载条件下，发动机运转时间延长25%，动力系统在线故障检测率高于92.5%，故障定位率高于96%，达到了动力控制与调节功能的可行性、匹配性、协调性与可靠性的目的。
1）系统上电自检测，异常回报并原因定位。时间短、效率高，大大降低无人机放飞风险。
2）发动机“一键”起动。起动流程按规定时序控制与监测，保证发动机在不同使用环境下均以最佳状态满足无人机起飞要求，如起动失败，反馈异常信息，便于系统检查与排故。
3）飞行过程，执行发动机转速、温度闭环控制与超限保护。既保证稳定飞行，又很大程度降低操作难度、强度与控制风险，减少飞行员心理压力。
4）高空飞行，油箱自动引气增压，使油箱内燃油保持在稳定状态的恒定压力，有效解决高空燃油蒸发引起的油泵气蚀、涡空与发动机供油不稳定等问题。
5）地面控制站或检测设备下载、查询系统数据及发动机状态信息，为系统故障精准定位与排除，发动机定期维护、保养与检修提供支持，大大提高了系统的维修性。
根据发动机使用特点与无人机动力需求，匹配动力综合控制系统，设置独立多权限甚至全权限控制器与功能系统，对动力系统进行全面、集中、自主的管理与控制，对系统状态进行趋势分析、预判与诊断，同时提供操作、维护保养建议与多种操控手段，不仅降低了无人机的飞行难度，减轻了操作压力，而且大大提高了发动机的工作响应与使用效能，拓宽了无人机的使用高度与置空时间，合理延长了发动机与飞行平台的寿命，满足现代无人机发展需求。
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