大发的“最强大脑”是怎样炼成的？
作为控制航空发动机这个庞大复杂系统健康运行的“最强大脑”，航空发动机控制系统对其硬件、软件的要求可以用“细致入微”来形容，而我们的攻城狮们就是在这样变态的要求鞭策下，一步一步让我们的大发变得听话起来的。今天就让我们的梅姣姣同学为我们讲一讲最强大脑研制的那些关键技术问题吧。
首先，让我们从下面一组数字中领略一下航空发动机控制系统的“变态”之处。
怎么样？是不是有了“高深莫测”的第一印象，那下面就正式进入今天的正题哦~
1、由冗余设计看复杂性
在面对如高考这么重要的场合，考生会准备两支签字笔，一支考试用，一支作为备用，而目的就是保证考试的顺利。
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控制系统也一样，他面对的可是比考试更马虎不得的场合，为了保证飞机能安全飞行，控制系统采用冗余设计技术，从控制器、传感器至执行机构均是双余度。当工作部分发生故障时，可由相应的备份替代，以保证系统能够继续正常工作。控制器余度设计通过双通道结构实现，系统无故障时，其中一个通道投入工作，另一个通道处于热备份状态。
当工作通道发生故障时，两通道输出的信号通过切换电路选择后，切换到热备份通道，继续控制发动机正常工作。有了余度设计，控制系统便安全多了，可靠性棒棒哒！但余度控制系统大大增加了系统的设计难度和复杂度，就单重量上，传感器和执行机构就重了一倍，你说控制系统能不累么~
2、试验验证层级多、难度大
航空发动机控制系统是一个多输入多输出的系统，在进行了控制器设计之后，更重要的是对设计结果的验证。也许有人会觉得，现在计算机技术那么发达，建模仿真不就完事了。利用仿真来支撑设计工作可行，但绝不可能作为控制器设计的验证工具，谁敢保证这套设计参数用到发动机上就能安全可靠？
唯一的途径就是试验。
控制系统的试验验证分多个层级。首先是附件/软件级，对于三四十个附件而言，每一个都要按要求进行功能性能、设计保证试验等几十项试验，对于软件而言，也需进行单元测试、部件测试、系统测试等一系列测试；其次是系统级，要进行硬件在回路、半物理仿真试验，通过加入附件的方式逐步模拟真实试验条件；最后是随发动机整机开展地面、高空试验及飞行试验，在完全真实的环境中最终确认系统的功能性能。
·控制系统研制过程V模型
3、最优化控制难
控制系统的终极目的是为了控制推力，可以通过控制燃油流量，进而控制转速等参数来实现。但是，仅仅满足推力的控制要求就足够了吗？答案显然是否定的。发动机控制系统的设计是在寻求使发动机最优化运行的控制手段。
虽然说航空发动机不像孙大圣一样“咻”的一下飞上天，一个筋斗十万八千里那么不可思议，但也能在短时间内飞到上万米的高空，与地面的温差可达到60℃以上，速度从静止也能达到数倍的音速。除了高度和速度的变化外，也会在不同气候的条件下飞行，像在荒芜的沙漠地带飞行，在冰雪覆盖的极地飞行，环境温度的变化也非常大。
在这么大的变化范围内要始终找到航空发动机的最优工作点已经十分不易了，你以为这就结束了？这还远远没有，最关键的是航空发动机是一种复杂、强非线性的系统，当飞行条件和工作状态发生变化，发动机的特性将会发生很大的变化，这就使工程师们没法获得一个准确的发动机模型，没法精确的把握住发动机的脾气秉性，又怎么可能知道发动机在不同条件下的最优工作点，控制系统只想说一句臣妾做不到啊！！！
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4、控制逻辑设计难
航空发动机的逻辑设计首先对航空发动机的性能进行控制，完成不同的任务的性能要求，航空发动机除了工作环境的变化范围大，还包括起飞、巡航、爬升等多个工作状态。因此，设计的控制逻辑一方面要控制发动机满足不同的推力要求，另一方面必须保证飞机在安全的飞行区域内飞行。如在高空低速飞行时，由于高空空气稀薄，燃烧室可能发生熄火。
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为了体现出航空发动机控制逻辑设计的难度，小编用地面重型燃气轮机的控制逻辑做一个对比。发电用的重型燃气轮机工作环境的变化也就是气候的变化，但非常缓慢，且工作状态仅有启动、发电、停机等有限的几个状态，不像航空发动机那样既要上天下地，又要在多个不同的状态下工作。
即使在如此简单的工作状态和几乎没变化的工作条件下，我国仍然没有一套成熟的重型燃气轮机控制逻辑，仍然是进口国外的控制系统，工程师们还在为重型燃气轮机控制逻辑的国产化努力奋斗中。对于航空发动机这种工作环境短期内大范围变化，其控制逻辑要比地面重型燃气轮机复杂得多，进行控制逻辑设计的难度可想而知。
5、软件适航难
控制系统软件是控制系统的灵魂，灵魂君可不是容易对付的。说起软件，骇客一族露出诡异的笑容，我的手机、Pad，随随便便就可以穿越，对不起，一激动说错了，是“越狱”。可是当我们面对控制系统软件时，再牛的骇客都拿他没辙，因为它控制发动机，它涉及发动机的运行安全，可以用“人命关天”来形容，所以为了保障包括小编、骇客在内的大众的安全利益，适航当局针对软件产品，定义了不同的安全等级，不用说，控制系统软件是安全等级最高的软件产品，需要满足适航当局定义的66个研制目标。
可以这么理解，它的出笼需要经历66道近乎苛刻的“工序”，每一道“工序”都需要近乎完美的设计体系加以保障。适航尽管很神秘，但它对软件而言强调的是过程控制和验证。coding软件只是其中一小部分工作，还要经历各类不同层级的验证、测试，就像高级化妆品一般，深入到“代码”的每一根毛孔里。历经磨难的灵魂君，还要面对适航当局专家挑剔的眼光，就像美食评选，稍不合口味，便要回炉。
·控制系统适航要求 图片来自网络
另小编感到时不我待的是，我们国内缺乏适航经验，至今中国还没有一个软件产品通过了适航当局的取证。如果控制软件取得适航认证，可以说这个产品是安全的、完美的、滴水不漏的，骇客也只好飘过了。但我们很有信心，有一批程序猿们在为它努力，中国都取得了第一个自然科学的诺贝尔奖，相信不久的将来，也能取得软件适航的突破。
对控制系统控制功能和控制精度等要求的提高一直推动着航空发动机控制系统不断的更新换代，回顾航空发动机控制系统的滚滚历史，共经历了三个时代的更迭，分别是液压机械式控制时代，监控型电子控制时代以及到目前的全权限数字电子控制的时代。
·P&W F100 燃油控制装置（UFC）图片来自网络
在航空发动机刚问世阶段，液压机械式控制系统（Hydraulic mechanicalControl）是一家独大，飞机发动机使用液压机械式控制系统进行控制，初期由于人们对控制系统的要求不高，液压机械式的控制所携带的技能还能完全满足人们的要求；随着航空发动机的技术不断发展，人们对控制系统的要求也越来越高，此时的液压机械式控制系统已经力不从心了，无论怎么的修炼提高自己，也达不到人们的期望。此时，液压机械式控制系统发现自身必须做一些改变，他发现将计算机和电子技术引入到控制系统才是王道。于是液压机械式控制系统与电子控制进行简单的结合，就这样监控型电子控制系统的时代来临了。
·航空发动机控制系统发展图图片来自网络
简单的来说监控型电子控制（Supervisory Control）就是在液压机械式控制系统多增加了一个发动机电子控制的技能属性，它的核心控制器仍然是液压机械式控制器，负责对发动机的完全控制；而发动机电子控制则是在原有的液压机械控制系统基础上增加了发动机的监控限制以及精确控制的属性。
·CFM56-3发动机功率控制单元（PMC）图片来自网络
随着对发动机运行的性能要求不断提高，控制参数也越来越多，此时的液压机械式控制器和监控型电子控制已经无法满足控制要求。为了适应时代的需求，只能忍痛割爱，将液压机械式控制舍弃掉，实现最后的“凤凰涅槃”，利用数字电子控制器进行发动机全部功能的控制，这也意味着全权限数字电子控制时代的来临。
·全权限数字电子控制系统控制器图片来自网络
全权限数字电子控制（Full Authority DigitalElectric Control， FADEC）的控制效果秒杀液压机械式控制系统和监控型电子控制系统，使航空发动机的控制技术、控制精度和控制范围达到了之前控制系统无法企及的高度，可以让发动机一直保持在最优的条件下运行，而且还集成了发动机状态监视与故障诊断等属性，可以及时发现发动机的“病变”，及早医治，避免任其发展到不可挽回的地步。
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虽然说全权限数字电子控制有以上诸多强大的技能属性，但也不是完美无缺的，他也有自己的“命门”，就是他抗电磁干扰的能力相对较弱，在以后的发展中，全权限数字电子控制还需在抗电磁干扰的技能上进行加强提升。
控制系统的终极目的是为了控制推力，可以通过控制燃油流量，进而控制转速等参数来实现。控制器通过传感器获取发动机的状态信息，通过控制规律和逻辑处理使发动机按照预定的调节计划来运转。另外，为了保证发动机的安全，控制器还会保留一些多余部分来备用。控制系统还是发动机的健康管理小医生，会实时对发动机进行体检。有了发动机控制系统，妈妈再也不用担心我出门坐飞机。
作者：梅姣姣
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