发动机电子控制器

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发动机电子控制器
技术领域
[0001] 本发明涉及航空发动机，尤其涉及航空发动机的发动机电子控制器。
背景技术
[0002] FADEC（全权限数字电子控制）系统是航空飞行器的控制中枢。在当前的主流航空发动机FADEC系统中，核心的数字式EEC（发动机电子控制器）与分布在发动机上的传感器和作动机构共同实现发动机控制。
[0003] EEC包含了电源模块、输入/输出信号处理、计算与控制、数据通讯等功能模块。传统地，EEC通常采用集中式设计，EEC的内部模块之间通过板级总线实现交互（图1）。如图1所示，EEC集中地布置在发动机中并与传感器、作动机构和飞机机身通信。例如EEC与传感器、作动机构、飞机设备舱部件和系统之间通过电缆连接。EEC采集外部输入信号和指令，利用内部的数字式计算模块实现控制逻辑，并将控制信号调理、输出到外部的作动机构或其他部件与系统，从而实现发动机控制功能。
[0004] 上述集中式的EEC通常被安装在发动机的附件机匣上，具有集成度高、电缆距离短、信号品质高等优点，但是也存在如下缺点：
[0005] 1.发动机环境条件恶劣，EEC安装在发动机之上对EEC的设计和试验要求都很苛刻，导致EEC的成本非常高；
[0006] 2.随着发动机控制要求的不断提高，发动机控制算法的复杂度日益增长，对EEC硬件资源的要求也越来越多，EEC的体积也将随之增大。然而，发动机上的空间有限，EEC安装在发动机之上对体积较大的EEC造成安装上的困难；
[0007] 3.随着航空发动机控制朝着飞行/推进综合控制的方向发展，EEC与飞控系统的联系越来越密切，二者的距离和通信的限制不利于综合控制系统的设计与实现。
[0008] 因此，传统的集中式的EEC设计无法满足未来复杂控制系统的扩展性要求。本领域亟需一种改善的EEC设计。
发明内容
[0009] 以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0010] 根据本发明的一方面，提供了一种发动机电子控制器，包括：控制部，该控制部位于飞行器设备舱中以用于输出对发动机的控制信号；以及信号处理部，该信号处理部位于该发动机中并与该控制部通信地耦合，该信号处理部用于对来自该发动机的感测信号进行处理以生成对该控制部的输入信号，其中该控制部根据来自该信号处理部的该输入信号生成该控制信号。
[0011] 在一实例中，该发动机包括传感器，该信号处理部从该传感器接收该感测信号。
[0012] 在一实例中，该发动机包括作动机构，其中该信号处理部包括D/A转换器，该D/A转换器对来自该控制部的该控制信号执行数模转换，并将模拟形式的该控制信号传递至该作动机构。
[0013] 在一实例中，该信号处理部包括预处理模块，以用于对该感测信号进行预处理以生成对该控制部的该输入信号。
[0014] 在一实例中，该预处理模块包括内建测试诊断模块，以用于根据该感测信号执行上电或周期性故障诊断。
[0015] 在一实例中，该预处理模块包括标定转换模块，以用于根据试验整定的曲线或分度表将该感测信号转换为相应的工程值。
[0016] 在一实例中，该预处理模块包括有效性判断模块，以用于对该感测信号执行极值诊断和斜率诊断以判断该感测信号是否可信。
[0017] 在一实例中，该预处理模块包括信号补偿及滤波模块，以用于对该感测信号进行超前补偿和惯性滤波以消除该感测信号中的高频噪声或扰动。
[0018] 在一实例中，该信号处理部还包括A/D转换器，该A/D转换器对该感测信号执行模数转换以生成数字形式的该感测信号，其中该预处理模块对数字形式的该感测信号进行预处理。
[0019] 在一实例中，该控制部包括控制信号生成模块，该控制信号生成模块响应于该输入信号生成该控制信号。
[0020] 在一实例中，该信号处理部包括第一通信模块，该控制部包括第二通信模块，该第一通信模块和该第二通信模块根据预定协议在该信号处理部分与该控制部之间传递该输入信号和该控制信号。
[0021] 在一实例中，该预定协议包括ARINC664协议，其中该第一通信模块和该第二通信模块是ARINC664接口。
[0022] 在一实例中，该预定协议包括TTP/C协议，其中该第一通信模块和该第二通信模块是TTP/C接口。
[0023] 在一实例中，该控制部是集成在IMA系统中的。
[0024] 在一实例中，该控制部包括通信模块和控制信号生成模块，该通信模块和该控制信号生成模块被集成在该IMA系统的不同分区中，并且通过ARINC653协议进行通信。
[0025] 通过本发明的方案，至少在以下方面具有诸多益处：
[0026] 1.EEC的整体成本降低，包括：设计、试验、制造、维护等成本；
[0027] 2.消除了由于发动机安装空间而导致的EEC体积和功能限制；
[0028] 3.保证发动机仍然可以独立维护和更换，而无需再更换发动机的同时更换飞机设备舱中的发动机控制器；
[0029] 4.使发动机控制系统与飞控系统等其他机载系统的交互与协同更加便利。
附图说明
[0030] 在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
[0031] 图1是传统的集中式EEC的结构示意图；
[0032] 图2是航空发动机的EEC的典型功能架构；
[0033] 图3是示出了根据本发明的一方面的分离式的EEC的高层示意图；
[0034] 图4是示出了根据本发明的第一实施例的分离式EEC的结构框图；
[0035] 图5是示出了根据本发明的第一实施例的分离式EEC中的预处理器的结构框图；以及
[0036] 图6是示出了根据本发明的第二实施例的分离式EEC的结构框图。
具体实施方式
[0037] 以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
[0038] 目前，上述集中式的EEC架构的缺陷无法通过将EEC直接转移到环境条件更好的飞机设备舱之中来解决，因为这将造成传感器/作动机构与EEC之间的通信距离过长，电缆重量显著增加。而且，在各类信号和数据繁多的情况下，通信质量难以保证，工程实现的可行性不高。
[0039] 因此，更合理的是分离式的EEC架构，即将EEC的功能划分为多个部分，将集中式的EEC分解为多个分布式的部件，分别部署于发动机和飞行器（例如，飞机）设备舱之中，二者通过电缆连接，并且共同完成上述输入/输出、计算与控制和数据通信等功能。
[0040] 然而，分离式EEC架构的设计也面临诸多挑战。在整个飞机系统中，发动机是可以独立维护、更换的设备。分离式的EEC架构将导致发动机的维护更换更加复杂。因为发动机的EEC（尤其是其中软件）与控制系统中的传感器、作动机构的特性密切相关，如果分离式EEC架构无法合理的划分功能，将导致更换发动机必须要更换发动机本体、飞机设备舱中的EEC等多个部件。
[0041] 典型地EEC包括诸多功能模块，诸如输入/输出信号管理、以及控制、测试、数据管理等等，如图2所示。在本发明的一方面，根据航空发动机控制系统的上述功能特点，提供了一种EEC方案，能实现EEC功能的合理划分并分离。根据该方案，依据与发动机本体或控制用传感器/作动机构的关联性，将EEC功能划分为两部分。具体地，将仅与发动机本体关联的功能，例如控制规律管理作为主机控制功能从工作环境恶劣的发动机中迁移到工作环境更为优良的飞机设备舱中，同时将与控制用传感器/作动机构密切耦合的功能作为控制功能保留在发动机中，实现分离式的设计。
[0042] 图3是示出了根据本发明的一方面的分离式的EEC的高层示意图。如图3所示，传统的EEC330的功能被分离为信号处理部331和控制部332。信号处理部331被布置在发动机310中，而控制部332被布置在飞机设备舱320中，两者可通信地耦合在一起。
[0043] 发动机310可包括传感器311，例如温度传感器、压力传感器等等。信号处理部331可对来自发动机310的感测信号，即接收自传感器311的感测信号进行处理，并生成给控制部332的输入信号。控制部332可响应于来自信号处理部331的输入信号生成对发动机310的控制信号。信号处理部331可对来自控制部332的控制信号进行必要的处理，并将处理后的控制信号传递给发动机310的作动机构312。较优地，上述信号处理部331的信号处理与传感器311、作动机构312的物理特性相关，而控制部332的控制信号生成与发动机310状态有关。
[0044] 图4是示出了根据本发明的第一实施例的分离式EEC的结构框图。如图4所示，信号处理部430可包括A/D转换器432和预处理模块434，以对来自传感器411的感测信号进行处理，以便向控制部440提供输入信号，为控制部440生成对发动机的控制信号提供基础。A/D转换器432可从传感器411接收感测信号，并对感测信号执行模数转换，将感测信号从模拟信号转为数字信号。
[0045] 预处理模块434可对A/D转换器432输出的感测信号执行预处理，以生成给控制部
440的输入信号。通过对感测信号的A/D预处理，控制部440可以直接根据收到的输入信号生成控制信号。
[0046] 图5是示出了根据本发明的第一实施例的分离式EEC中的预处理器的结构框图。如图5所示，预处理模块434可包括内建测试（BIT）诊断模块502，以用于根据感测信号执行上电或周期性故障诊断。预处理模块434还可包括标定转换模块504以用于根据试验整定的曲线或分度表将感测信号转换为相应的工程值。预处理模块434还可包括有效性判断模块
506，以用于对感测信号执行极值诊断和斜率诊断以判断感测信号是否可信。另外，预处理模块434还可包括信号补偿及滤波模块508，以用于对感测信号进行超前补偿和惯性滤波以消除感测信号中的高频噪声或扰动。上述功能模块均与传感器的特性密切相关。
[0047] 回到图4，信号处理部430还可包括通信模块436，相应地控制部440可包括通信模块442，以使得能在信号处理部430和控制部440之间根据预定的通信协议进行通信。通信模块436可根据协议将来自预处理模块434的输入信号进行组包并发送至通信模块442。通信模块442收到数据包后可进行解析以得到该输入信号。为了满足信号处理部430与控制部
440之间的实时通信，大约需要10Kbps的带宽。在一实例中，通信模块436和通信模块442可根据ARINC664协议进行通信。在此实例中，通信模块436和通信模块442可以是ARICN664接口。在另一实例中，通信模块436和通信模块442可根据TTP/C协议进行通信。在此实例中，通信模块436和通信模块442可以是TTP/C接口。
[0048] 控制部440还可包括控制信号生成模块444，后者从通信模块442收到来自信号处理部438的输入信号，并响应于该输入信号生成对发动机的控制信号。控制部440可将该控制信号通过通信模块442发送至信号处理部430。
[0049] 信号处理部436可通过通信模块436接收并解析得到该控制信号。信号处理部436还可包括D/A转换器438以对该控制信号执行D/A转换以将控制信号转换为模拟信号以输出到发动机410的作动机构412，以实现对发动机410的控制。
[0050] 由上可知，本方案将EEC的功能模块主要分为两部分，一是输入/输出信号处理等与发动机的传感器、作动机构的物理特性密切相关的信号处理部，二是计算控制等与发动机本体状态相关的控制部。在实践中，一旦更换发动机，就需要重新匹配上述信号处理部，而控制部的主体功能通常与发动机本体状态相关，仅关注信号处理后的实际物理值，受底层具体零部件的影响很小。例如，温度传感器传送到信号处理部的模拟型电信号经过A/D转换为数字量，并进一步标定为实际温度值，其中的标定参数与传感器的特性密切相关，而控制部仅关心标定转换后的发动机特定位置的温度值。换言之，每台发动机的标定参数因传感器和信号处理电路特性而变，而关乎发动机本体状态的控制逻辑却是稳定的。
[0051] 因此，本发明中，通过将EEC中与传感器、作动机构的物理特性密切相关的功能保留在发动机上，而将与发动机本体密切相关的功能转移到工作环境更为优良的飞机设备舱中，既解决了传统集中式EEC的缺陷，而且在更换发动机的操作上又与传统发动机并无区别，无需更换飞机设备舱中的控制部件。
[0052] 图6是示出了根据本发明的第二实施例的分离式EEC的结构框图。如图6所示，该分离式EEC与图4中的分离式EEC的区别在于，位于飞机设备舱620中的控制部640可集成在IMA系统（综合模块化航空电子系统）650中。IMA系统650提供了强大的硬件平台，并且利用软件分区技术和ARINC653协议承载一系列的机载应用集合，在确保应用之间不会影响彼此的情况下，还可以提供应用间的通信渠道。
[0053] 在该实施例中，EEC的控制部640以软件的形式被实现在IMA的软件分区中，所需的计算和存储资源由IMA系统650统一分配。IMA仅需为运行上述控制软件分配相应的计算资源，以及按需增加与发动机上的信号处理部630交互所需的通信资源。在此实施例中，通信模块642和控制信号生成模块644可以运行于同一分区，或者运行于不同分区。若运行于不同分区，则两者利用IMA系统650提供的分区间通信机制进行交互。IMA系统650还可包括用于飞机机体的控制软件，后者与上述用于发动机的EEC的控制部640可以工作在不同的分区，并且通过ARINC653协议完成通信和交互。
[0054] 相比于第一实施例的方案，本实施例的方案在提高通信效率的同时，进一步降低了通信成本和复杂度。
[0055] 通过本发明的方案，至少在以下方面具有诸多益处：
[0056] 1.EEC的整体成本降低，包括：设计、试验、制造、维护等成本；
[0057] 2.消除了由于发动机安装空间而导致的EEC体积和功能限制；
[0058] 3.保证发动机仍然可以独立维护和更换，而无需再更换发动机的同时更换飞机设备舱中的发动机控制器；
[0059] 4.使发动机控制系统与飞控系统等其他机载系统的交互与协同更加便利。
[0060] 提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。本发明的范围并不局限于发动机电子控制器。例如，一些航空系统额外配备了发动机监视单元（EMU），以用于监视、记录和反馈发动机健康状态。上述EEC的功能架构分离也适用于EMU。例如，EMU的负责信号输入输出处理的功能单元被保留在发动机上，而负责监视、记录和反馈的功能单元被转移至机身的设备舱中。
[0061] 本领域技术人员将可理解，信息和信号可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位（比特）、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。
[0062] 本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
[0063] 软件应当被宽泛地解释成意味着指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用、软件应用、软件包、例程、子例程、对象、可执行件、执行的线程、规程、函数等，无论其是用软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言、还是其它术语来述及皆是如此。
[0064] 结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
[0065] 结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。
[0066] 提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。