[发明专利]基于FPGA的片内分布式航空发动机电子控制器及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种嵌入式电子控制器，具体的说一种基于FPGA的片内分布式航空发 动机电子控制器及控制方法。

背景技术

随着科学技术的进步，尤其是电子技术的迅速发展和现代控制理论的日趋完善，航 空发动机的控制系统也产生了根本变化，从传统的机械液压控制系统发展到部分电子控 制系统直到目前的全权限数字电子式控制(FADEC)。采用FADEC带来的效益是明显的， 例如：控制范围变大、控制精度提高、能够实现复杂的控制规律、提高了系统的可靠性， 同时控制系统的体积减小、重量减轻。当前航空发动机的FADEC系统普遍使用的是集中 式双通道冗余架构，其特点是：系统软、硬件高度定制，传感器信号采集、处理、冗余 管理、控制算法、控制信号输出、故障诊断、隔离等任务都由单一的CPU完成，这种集 中式控制系统的缺点如下：

(1)、数据采集、处理、控制算法等所有任务都有单一的CPU完成，该CPU的计算 任务相当繁重、软件复杂度急剧增加，软件系统的可靠性验证变得非常困难。

(2)、在单一CPU内运行的数据采集、处理、冗余管理、控制算法、故障诊断等软 件程序之间是高度关联的，设计定型后，任意局部的软件修改都可能导致很大一部分系 统软件的重新验证，这使得系统后期的升级、维护成本急剧增加。

(3)、所有的软件程序都是针对特定的发动机定制的，可重用性差，在设计新的发 动机控制系统时，所有的程序模块必须重新编写、验证，这降低了开发效率，增加了开 发成本。

目前航空发动机控制正朝着多变量、自适应、智能化、综合化、分布式、高可靠性 等方向发展。为了降低开发成本、提高开发效率，要求软、硬件具有高度的模块化和可 重用性，分布式控制系统正是为了满足这种需求而提出的，例如：Bhal Tulpule等人 在第43届AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit上的论文 “Vision for Next Generation Modular Adaptive Generic Integrated Controls (MAGIC)For Military/Commercial Turbine Engines”和黄金泉等人在《航空动力学 报》第18卷第5期上的论文“航空发动机分布式控制系统结构分析”都给出了航空发 动机分布式控制系统的实现方案。相对于集中式控制系统，分布式控制系统的软、硬件 具有高度的模块化和重用性，这将极大的提高开发效率，降低开发、维护成本。但是 Bhal Tulpule和黄金泉给出的航发动机分布式控制系统限于高温电子元器件、高可靠 总线等关键技术的发展水平，目前还不具备实施的条件。

基于现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)的可编程片上系统 SOPC(System On Programmable Chip)，或者说是基于大规模FPGA的单片系统代表了 当代嵌入式系统的发展方向。SOPC的设计技术是现代计算机辅助设计技术、EDA技术和 大规模集成电路技术高度发展的产物。SOPC技术的目标就是试图将尽可能大而完整的 电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、DSP系统、 数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA中实现，使得所设计的电 路系统在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维 护及其硬件升级等多方面实现最优化。因此，基于FPGA的SOPC技术为航空发动机电子 控制器的设计提供了一种高效、高性能的解决方案。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是解决集中式航空发动机电子控制器设计时的软件高度定制、复杂度 大、可重用性差、并行实时任务开发困难、开发效率低等问题，提供一种基于FPGA的 片内分布式航空发动机电子控制器及控制方法。

技术方案：

本发明为实现上述发明目的采用以下技术方案：