Обзор систем автоматического управления гтд. Система автоматического управления газотурбинного двигателя. предельно допустимая частота вращения роторов двигателя

Исследование электронных систем управления на полунатурном стенде с обратной связью

До проведения механических и климатических испытаний на полунатурном стенде в замкнутом контуре проводятся испытания электронной части системы управления на функционирование в полном объеме. Проверка программного обеспечения совместно с реальными аппаратными средствами на правильность функционирования выполняется при имитации помех, сбоев, отказов различного типа и деградации параметров системы.

Испытания в замкнутом контуре позволяют выявить и устранить многие дефекты системы на ранних стадиях проектирования до выхода на дорогостоящие испытания на двигательных стендах и летные испытания.

Полунатурный стенд для отработки электронных систем управления в замкнутом контуре содержит имитаторы сигналов датчиков и исполнительных устройств, персональную ЭВМ со вспомогательными программными средствами, обеспечивающими работу комплекса на различных режимах, и персональную ЭВМ, в которой реализуется математическая модель двигателя и его гидромеханических агрегатов, работающих в реальном масштабе времени. Исследуемая электронная система подключается к имитаторам датчиков и исполнительных устройств.

Имитаторы сигналов датчиков преобразуют цифровые входные сигналы, поступающие от персональной ЭВМ с математической моделью двигателя, в выходные сигналы, идентичные по электрическим параметрам сигналам от реальных датчиков. Набор имитаторов соответствует количеству и типам датчиков, установленных на двигателе. Например, имитатор терморезистора формирует эквивалентное сопротивление цепи выходного сигнала при включении в эту цепь управляемого источника тока с уровнем, пропорциональным входному коду. Имитатор состоит из регистра, цифроаналогового преобразователя, генератора тока, формирователя напряжения, пропорционального силе тока, суммирующего усилителя и омического делителя.

Имитаторы исполнительных устройств создают электрическую нагрузку для выходных цепей системы, эквивалентную по электрическим параметрам реальной нагрузке, и формируют цифровой сигнал, пропорциональный управляющему сигналу, который поступает на вход персональной ЭВМ с математической моделью двигателя.

Программные средства стенда

Имитаторы каждого датчика и исполнительного механизма выполняются в виде отдельных плат.

Программные средства стенда содержат:

Модели реального времени ГТД и его гидромеханических агрегатов;

Программные модули, обеспечивающие работу устройств ввода- вывода, преобразование и кодирование сигналов;

Модули связи с системным таймером для организации режима реального времени;

Модули отображения информации в виде графиков и таблиц в режиме реального времени;

Модули, обеспечивающие задание на выдачу и прием тестовых сигналов в режиме пошагового выполнения программы;

Программы контроля устройств полу натурного стенда и др.

В ходе испытаний на полунатурных стендах исследуется совместная работа аппаратных средств и программного обеспечения на переходных и установившихся режимах работы. С целью обеспечения устойчивости и требуемого качества регулирования во всем диапазоне полетных условий уточняются основные настройки цифровых регуляторов, отрабатываются алгоритмы работы системы встроенного контроля и проверяется логика парирования отказов. Кроме того, проводится интегральное тестирование аппаратных и программных средств.

Исследование влияния электрических воздействий

На электронные регуляторы ГТД оказывают воздействие имеющиеся на борту различные электронные устройства, разветвленные линии связи, мощные источники электроэнергии, а также внешние источники электромагнитных помех (радиолокационные станции, высоковольтные линии электропередачи, разряды молнии и др.). В связи с этим необходимо всесторонне исследовать помехозащищенность систем в лабораторных условиях до испытаний на двигательных стендах и летающих лабораториях.

Для этого системы подвергаются испытаниям на отдельные виды воздействий: электромагнитную совместимость; вторичные воздействия разрядов молнии; нестабильность бортовой электросети и т. д. Критические ситуации в ходе полета могут возникать при комплексном воздействии ряда факторов. Например, разряд молнии кроме непосредственного воздействия на электронный блок и линии связи

может приводить к существенным отклонениям в работе бортовой сети и, тем самым, дополнительно влиять на работу электронного регулятора.

При проведении таких испытаний электронных систем управления двигателей эффективным является использование автоматизированного комплекса, состоящего из имитаторов вторичного воздействия разряда молнии, нестабильности работы бортовой электросети, средств имитации помех и сбоев и аппаратно-программных средств, позволяющих имитировать работу электронных систем управления в замкнутом контуре.

Исследование электромагнитной совместимости электронных систем управления двигателей. Испытания на электромагнитную совместимость электронных систем управления включают исследование электромагнитных помех, генерируемых самой системой, и восприимчивости к электромагнитным помехам от других бортовых систем. Требования по электромагнитной совместимости электронных систем устанавливаются в зависимости от последствий, вызываемых нарушениями в их функционировании.

Автоматическая система (АС) ГТД летательного аппарата включает управляемый объект - двигатель и автоматическое управляющее устройство.

Автоматическое управляющее устройство авиационного газотурбинного двигателя имеет фактически несколько самостоятельных автоматических систем. Автоматические системы, реализующие простые законы управления, называются также системами автоматического регулирования (САР).

На рисунке (для примера) представлена функциональная схема АС, включающей объект управления ГТД и САР.

В процессе автоматического управления двигатель испытывает управляющие и возмущающие (внешние и внутренние) воздействия . Регулирующие факторы (РФ) являются по отношению к двигателю управляющими воздействиями и служат входными сигналами, которые формируются определёнными контурами САР.

К внешним воздействиям относятся возмущения, обусловленные изменением окружающей среды, т.е. Р * в, Т * в и Р н.

К внутренним воздействиям относятся возмущения, обусловленные случайным изменением параметров проточной части двигателя, т.е. деформациями и боевыми повреждениями деталей двигателя, отказы и неисправности систем двигателя, в том числе и АС.

Изменение режима работы двигателя лётчиком осуществляется воздействием на РУД, а регулируемые (РП) и ограничиваемые (ОП) параметры , по отношению к объекту управления - двигателю, являются выходными сигналами системы. Как объект автоматического управления, двигатель характеризуется статическими и динамическими свойствами.

Статические свойства - проявляются на установившихся режимах работы и характеризуются зависимостью управляемых (регулируемых) параметров от управляющих факторов.

Динамические свойства - проявляются на переходных режимах, т.е. при изменении управляющих факторов и внешних возмущающих воздействий, и характеризуются собственной устойчивостью двигателя.

Собственная устойчивость двигателя - это способность двигателя после случайного отклонения от внешних или внутренних возмущающих воздеиствии самостоятельно возвращаться на исходный режим.

Выясним, устойчив ли ТРД с рассмотренной системой топливопитания. Для этого изобразим кривые потребной и располагаемой подач топлива в координатахG T , n. Кривая G т. потр (n) определяет подачутоплива, потребную для обеспечения установившихся режимов с различными η (статическая характеристика). Кривая G T РАСП (n) является Характеристикой плунжерного насоса при заданном φ ш.

Из рисунка видно, что в точках 1 и 2 режимы работы могут быть

На режиме, соответствующем точке 2:

При n до (n 2 +Δn) → G T РАСП < G т. потр → ↓n до n 2 .

При ↓n до (n 2 -Δn)→ G T РАСП > G т. потр → n до n 2 .

Таким образом, на этом режиме двигатель самостоятельно возвращается на исходный режим, т.е. устойчив .

На режиме, соответствующем точке 1:

При n до (n 1 +Δn) → G T РАСП > G т. потр n.

При ↓n до (n 1 -Δn)→ G T РАСП < G т. потр → ↓n

Т.е. на этом режиме двигатель неустойчив .

Области устойчивых и неустойчивых режимов разделены точкой касания кривых потребной и располагаемой подач топлива. Этой точке соответствует режим работы с так называемой граничной частотой вращения n гр.

Итак, при n > n гр - двигатель устойчив n< n гр - двигатель неустойчив

Поэтому для обеспечения устойчивой работы двигателя в диапазоне n < n гр необходима автоматическая система (регулятор), управляющая подачей топлива в двигатель.

К тому же с увеличением высоты полёта n гр возрастает, т.е. диапазон устойчивых режимов уменьшается, и на больших высотах весь диапазон рабочих режимов может оказаться в неустойчивой области.

Следовательно, необходимо автоматическое управление подачей топлива во всём диапазоне, от n мг до n МАХ, что невозможно без автоматических систем.

Автоматические системы предназначены для управления подачей топлива в двигатель с целью обеспечения заданного (выбранного) закона управления .

Следует также сказать о необходимости автоматизации приёмистости и сброса газа.

Приемистость двигателя - это процесс быстрого увеличения тяги за счёт повышения расхода топлива при резком перемещении РУД вперёд.

Различают полную и частичную приемистость:

Полная прмемистость - приемистость с режима МГ до режима «максимал».

Частичная приемистость - приемистость с любого крейсерского режима до большего крейсерского режима или максимального режима.

Сброс газа - процесс быстрого уменьшения тяги двигателя за счёт снижения расхода топлива при резком перемещении РУД назад.

Приемистость и сброс газа оцениваются соответственно временем приемистости и временем сброса газа, т.е. временем с начала перемещения РУД до достижения заданного режима повышенной или пониженной тяги двигателя.

Время приемистости определяется:

■ Моментами инерции роторов двигателя;

■ Величиной избыточной мощности турбины (ΔΝ=Ν τ -Ν κ);

■ Расходом воздуха;

■ Частотой вращения (n НД) исходного режима;

■ Диапазоном устойчивой работы камеры сгорания от α Μ IN до α Μ AX ;

■ Запасом устойчивости компрессора (ΔК У);

■ Величиной максимально допустимой температуры перед турбиной

Время сброса газа зависит от:

■ Моментов инерции роторов двигателя;

■ Расходов воздуха;

■ Частоты вращения исходного режима;

■ Диапазона устойчивой работы к.с.;

■ Запаса устойчивости компрессора.

Условия боевого применения самолётов требуют как можно меньшего времени приемистостиτ (τ приём) и сброса газа (τ СБ), в значительной степени определяющего их манёвренные качества. Это одно из важнейших требований, предъявляемых к двигателям самолётов военной авиации.

Перевод двигателя с пониженного режима на повышенный достигается избыточной (по сравнению с потребной) подачей топлива в к.с, обуславливающей появление на турбине избыточной мощности (ΔΝ). Очевидно, что чем больше ΔG Т.изб при прочих равных условиях, тем меньше τ приём.

Однако, увеличение избытков топлива с целью ↓τ приём ограничивается по причинам:

Из-за ↓ΔК У до 0 возникает неустойчивая работа компрессора;

При Т* Г > Т* Г max возможно повреждение элементов к.с. и турбины;

При ↓α < α Μ IN произойдёт богатый срыв и погасание к.с. (самовыключение двигателя).

На основании анализа характеристик двигателя устанавливаются предельные избытки топлива (ΔG ИЗБ т.пред =G т.пред -G т.потр), подаваемого в процессе приемистости, которые обеспечивают минимальное τ приём не сказываясь отрицательно на надёжности работы элементов двигателя, ΔG ИЗБ т.пред зависит от частоты вращения роторов и условий полёта самолёта (см. рис.).

Изучаемые АС n НД = const и G T = const не обеспечивают потребных подач топлива в процессе приемистости - переход насоса на повышенные G T оказывается слишком быстрым по сравнению со скоростью нарастания G B , которая определяется моментами инерции роторов двигателя. А управлять вручную темпом нарастания G T за счёт изменения скорости перемещения РУД практически невозможно.

Следовательно, в системе автоматического управления подачей топлива должны быть специальные автоматические устройства, которые управляли бы подачей топлива в процессе приемистости. Такие устройства называют автоматами приемистости.

При сбросе газа темп ↓G T также должен быть ограничен из условия недопустимости возникновения:

■ Неустойчивой работы компрессора;

■ Погасания к.с.

Поэтому обеспечение быстрого сброса газа (минимального τ СБ) при сохранении устойчивой работы двигателя требует введения дополнительной автоматизации управления подачей топлива -установки в систему автоматов сброса газа.

| | 3 |

Принципы построения систем топливопитания и автоматики авиационных ГТД

Учебное пособие

УДК 62-50(075)

Приведены общие сведения о составе и работе систем топливоподачи авиационных газотурбинных двигателей. Описаны программы регулирования двухвальных ГТД.

Изложены сведения о системе автоматического управления двигателя НК-86.

принципиальная схема гидромеханической САУ;

электронной аналоговой САУ двигателя.

Дано описание конструктивной схемы САУ двигателя.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей

Введение

Агрегатный состав и работа топливной системы ГТД

Программы регулирования ГТД

Система автоматического управления двигателя НК-86

Общие сведения о САУ двигателя
Принципиальная схема гидромеханической САУ
Электронная аналоговая САУ двигателя

Конструктивная схема САУ двигателя

Системы топливопитания современных газотурбинных двигателей

Введение

Управление работой газотурбинного двигателя (ГТД) осуществляется изменением расхода топлива. При этом в отличии от двигателя наземного применения управление авиационного ГТД должно осуществляться с учетом режимов полета самолета, широкого изменения параметра окружающей среды (высоты и температуры воздуха), особенностей протекания рабочих процессов в двигателе и многих других факторов.

Поэтому система топливопитания современного авиационного ГТД включает в себя целый ряд автоматических устройств, помогающих экипажу самолета обеспечить эффективное и безопасное использование возможностей двигателя на различных этапах полета.

Агрегатный состав системы топливопитания ГТД

Топливная система двигателя состоит из трех основных частей:

Система кондиционирования топлива (I);

Система подачи топлива на запуске двигателя (II);

Система дозирования топлива на основных режимах работы двигателя (III).

Система кондиционирования топлива предназначена для придания топливу заданных физико-механических параметров. К числу этих параметров относятся:

температура;

степень очистки от механических загрязнений;

заданное давление и расход.

Топливо из самолетной системы поступает на вход в центробежный подкачивающий насос (1), приводимый во вращение от автоматического электродвигателя. Подкачивающий насос предназначен для преодоления топливом сопротивления агрегатов и подачи его к основному топливному насосу с избыточным давлением для безкавитационной его работы.

Подогреватели топлива (2), (3).

Несмотря на тщательную очистку топлива от присутствующей воды на пунктах ГСМ, полностью удалить воду из топлива не представляется возможным. Присутствие воды приводит к засорению (обмерзанию) топливных фильтров и выходу их из строя. Поэтому перед фильтром топливо необходимо подогревать до положительных температур. Топливо подогревают за счет отбора тепла из масляной системы двигателя (в топливо-масляном подогревателе (2)), а в случае недостаточного прогрева топлива за счет горячего воздуха из-за компрессора двигателя в топливо-воздушном подогревателе (3).

Подогретое топливо поступает к фильтру тонкой очистки топлива (4). Фильтр обеспечивает очистку топлива с тонкостью фильтрации 16 мкм. На случай засорения фильтр оснащен перепускным клапаном, который открывается при перепаде давления 0,075 +0,01 МПа. При этом в кабине экипажа появляется сигнал о засорении фильтра.

Основной топливный насос (5) обеспечивает подачу топлива с давлением до 10 МПа и расходом до 12000 кг/час. Мощность основного топливного насоса составляет несколько десятков киловатт. Поэтому топливный насос приводится во вращение от ротора ГТД через систему шестерен отбора мощности. В том случае, если в качестве насоса используется шестеренчатый насос нерегулируемой подачи, в конструкции насоса предусматривается предохранительный клапан (9).

Система дозирования подачи топлива на запуске двигателя (II) состоит из следующих агрегатов:

дополнительного фильтра тонкой очистки топлива (6);

дозирующего устройства системы запуска (7) с гидромеханическим приводом;

перекрывного топливного крана (8);

топливных форсунок системы запуска (16).

Дозирование расхода поступающего на запуске топлива осуществляется путем изменения площади проходного сечения автомата запуска (7) по команде гидромеханического привода либо по местной временной программе, а на современных двигателях по внутридвигательным параметрам (частоте вращения ротора, скорости изменения частоты dn / dt , от степени сжатия воздуха в компрессоре P k * / P H и других).

Изменение расхода топлива на рабочих режимах работы двигателя осуществляется основной топливной системой (III).

Топливо от насоса поступает к основному дозирующему устройству (11) с гидромеханическим приводом.

Поскольку основным устройством в системе топливопитания ГТД является дозирующее устройство с гидромеханическим приводом. Рассмотрим его работу более подробно.

Гидромеханический привод изменяет площадь проходного сечения топлива, являясь исполнительным механизмом агрегатов и узлов системы автоматического управления двигателем. Он связан (рис. 2) с:

регулятором работы вращения ротора и осуществляет выполнение команд экипажа по изменению режимов работы двигателя от малого газа до взлетного режима;

системой корректировки расхода топлива при приемистости и сброса газа с учетом высоты полета самолета;

системой корректировки расхода топлива при изменении давления и температуры воздуха на входе в двигатель (Р Н * , Т Н * );

электронной системой управления двигателем (ЭСУД) для ограничения предельно допустимой частоты вращения ротора двигателя и температуры газов на входе в турбину;

ограничителем максимальной степени сжатия вентилятора.

Рис.2. Схема взаимодействия дозирующего устройства с агрегатами и узлами системы автоматического управления двигателя.

Дозирующее устройство работает за счет изменения площади проходного сечения. При этом расход топлива изменяется в соответствии со следующей зависимостью:

, (1)

где: μ- коэффициент расхода, определяемый геометрией проточной части дозирующего устройства;

F Д.у – площадь проходного сечения;

Р нас – давление, развиваемое насосом;

Р ф

ρ – плотность топлива.

Формула (1) показывает, что расход топлива, поступающего к форсункам определяется площадью проходного сечения дозирующего устройства и перепадом давления (Р нас -Р ф ). Этот перепад зависит от переменных величин давления за насосом и перед форсунками. Для того, чтобы исключить неоднозначность расхода топлива, в системе предусмотрено специальное устройство – клапан постоянного перепада давления топлива (10) на дозирующем устройстве. Этот клапан воспринимает давление топлива за насосом Р нас и давление на выходе дозирующего устройства (давление перед форсунками). При изменении разности этих давлений клапан (10) изменяет перепуск части топлива с выхода насоса на его вход. При этом, расход топлива через дозирующее устройство пропорционален площади проходного сечения, а если эта площадь не изменяется, то обеспечивает постоянное значение расхода топлива при любых отклонениях давлений Р нас и Р ф . Тем самым обеспечивается точное дозирование расхода топлива на всех рабочих режимах работы двигателя.

Перекрывной (пожарный) кран (12) совместно с краном (8) обеспечивает выключение двигателя.

Расходомер (13) поступающего в ГТД топлива позволяет определить значение мгновенного расхода топлива, являющегося одним из важнейших диагностических параметров оценки технического состояния двигателя. Кроме того, с помощью расходомера определяется суммарное количество топлива, поступившего в двигатель за время полета и определяется остаток топлива на борту летательного аппарата. В качестве расходомеров используются турбинные датчики расхода.

Распределитель топлива по контурам рабочих форсунок (15) является двухканальным трехпозиционным распределителем. Необходимость такого агрегата в топливной системе объясняется следующим. Расход топлива при изменении режимов от малого газа до взлетного увеличивается в 10 раз и более. Такое изменение потребного расхода обеспечивается увеличением перепада давления на форсунках в соответствии с формулой:

, (2)

где: μ- коэффициент расхода, определяемый геометрией проточной части форсунок;

F Ф – площадь проходного сечения форсунок;

Р ф – давление топлива перед форсунками двигателя;

Р КС – давление в камере сгорания двигателя;

ρ – плотность топлива.

Формула (2) показывает, что для десятикратного увеличения расхода топлива увеличивать не меньше чем в сотню раз. Для снижения давления топлива на выходе из насоса современные ГТД оснащают двумя контурами форсунок. При этом на малых режимах работы топливо поступает в двигатель через форсунки 1 го контура, а затем через форсунки 1 го и 2 го контуров. Благодаря этому расход топлива в двигатель обеспечивается при значительно меньшем давлении. Графически работа распределителя топлива по контурам топливных форсунок иллюстрируется как на рис. 3.

Пунктирными линиями на рисунке представлены расходные характеристики 1 го и 2 го контуров форсунок, а сплошной линией – расход топлива, поступающий в двигатель по двум контурам одновременно.

Рис. 3 Работа распределителя топлива по контурам топливных форсунок

На малых режимах работы топливо поступает в двигатель через форсунки 1 го контура. При достижении перепада давления (ΔР откр ) топлива начинает дополнительно поступать и через форсунки 2 го контура и затем расход топлива в двигатель поступает одновременно через оба контура. При этом расход топлива равен (G T 1+2 K ) сумме расходов по контурам (G T 1К + G T 2К ) и обеспечивается при значительно меньшем давлении топлива.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано для испытаний электронных систем (САУ) автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД) с блоком встроенного контроля (БВК). Сущность изобретения заключается в том, что испытывают БВК, имитируя по экспоненциальному закону распределения отказы элементов САУ, а по нормальному закону распределения - отказы программного обеспечения (ПО), затем определяют количество отказов, локализованных БВК, и по последнему и суммарному количеству отказов определяют коэффициент полноты проверки как отношение локализованных отказов к суммарному количеству отказов и характеристики надежности САУ в целом рассчитывают с учетом этого коэффициента. Технический результат изобретения - повышение эффективности и достоверности испытаний двухканальных электронных САУ ГТД с БВК. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2351909

Известен способ испытания гидромеханической САУ с целью определения наработки на отказ системы. Способ заключается в том, что лидерный экземпляр САУ устанавливают на стенд-аналог ГТД, подключают к САУ имитаторы датчиков и исполнительных элементов ГТД, включают электропривод насоса САУ и проводят испытания САУ в течение времени, равного ресурсу САУ, с фиксацией возникающих в процессе испытаний отказов.

Недостатком известного способа является его неэкономичность: велики затраты на оплату электроэнергии, расходных материалов (керосин, вода, воздух), заработную плату обслуживающего персонала, низкая эффективность.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ испытания электронной САУ ГТД , заключающийся в том, что экспериментально определяют интенсивности отказов элементов САУ и рассчитывают характеристики надежности САУ с учетом количества отказов САУ.

Недостатком этого способа является его низкая эффективность при определении показателей надежности резервированных (например, двухканальных) электронных САУ с развитым БВК, который обеспечивает реконфигурацию САУ при возникновении в ней отказов с постепенной деградацией качества управления ГТД.

Целью изобретения является повышение эффективности и достоверности испытаний.

Поставленная цель достигается тем, что в способе испытания двухканальной электронной системы автоматического управления (САУ) газотурбинным двигателем (ГТД) с блоком встроенного контроля (БВК), заключающемся в том, что экспериментально определяют интенсивности отказов элементов САУ и БВК и рассчитывают характеристики надежности САУ с учетом количества отказов САУ, дополнительно испытывают БВК, имитируя по экспоненциальному закону распределения отказы элементов САУ, а по нормальному закону распределения отказы программного обеспечения (ПО), затем определяют количество отказов, локализованных БВК, и по последнему и суммарному количеству отказов определяют коэффициент полноты проверки как отношение локализованных отказов к суммарному количеству отказов и характеристики надежности САУ в целом рассчитывают с учетом этого коэффициента.

На чертеже представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.

Устройство содержит задатчик 1 отказов, преобразователи 2 и 3 соответственно в электрический и гидравлический сигналы задатчика, основную электронную часть (ЭЧ) 4, исполнительную гидромеханическую часть (ГМЧ) 5 и БВК 6 САУ 7, компараторы 8 и 9 с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), счетчики 10, 11, 12, обрабатывающее устройство 13, а также модель двигателя (МД) 14, причем ЭЧ 4 через преобразователь 2, а ГМЧ 5 через преобразователь 3 подключены к задатчику 1, информационный вход компаратора 8 подключен к выходу ЭЧ 4, а управляющий вход - к входу преобразователя 2, информационный вход компаратора 9 подключен к выходу ГМЧ 5, а управляющий вход - к входу преобразователя 3, выходы компараторов 8 и 9 подключены к счетчику 11, выход БВК 6 подключен к счетчику 10, все счетчики 10, 11, 12 подключены к обрабатывающему устройству 13, выход ЭЧ 4 подключен к входу ГМЧ 5, а выход ГМЧ 5 - к входу МД 14, выход МД 14 подключен к входу ЭЧ 4 САУ 7.

Устройство работает следующим образом.

Задатчик 1, выполненный, например, в виде ПЭВМ, работающей по программе, обеспечивающей воспроизведение задатчиком 1 отказов элементов САУ 7 по экспоненциадьному, а ПО - по нормальному законам распределения, через преобразователи 2 и 3 подает имитации отказов на ЭЧ 4 и ГМЧ 5 САУ 7. При появлении сигнала отказа на выходе задатчика 1 в счетчик 12 заносится единица, на выходе преобразователя 2 или 3 появляется имитация отказа элемента или ПО в ЭЧ 4 или ГМЧ 5 САУ 7. По началу сигнала отказа в ОЗУ компаратора 8 (или 9) записывается функционал Фi выходного состояния ЭЧ 4 (Ф1) или ГМЧ 5 (Ф2) САУ 7.

ЭЧ 4 или ГМЧ 5 САУ 7 совместно с МД 14 как объектом управления реагируют на имитацию отказа. Если реакция САУ 7 на имитацию отказа приводит к изменению выходных параметров ГТД (МД 14), то функционал Ф1 (или Ф2) выходного состояния принимает новое значение Ф1" (или Ф2"). При этом на выходе компаратора 8 (или 9) появляется сигнал - признак отказа, приводящего к изменению выходных параметров ГТД (МД 14). Эти сигналы подсчитываются счетчиком 11.

Если имитация отказа обнаруживается, локализуется и парируется БВК 6, то на выходе БВК 6 появляется сигнал обнаруженного и «обезвреженного» отказа. Эти сигналы подсчитываются счетчиком 10.

По окончании цикла испытаний показания счетчиков 12 (суммарное количество имитированных отказов N), 11 (количество отказов, приводящих к изменению параметров ГТД N изм), 10 (количество отказов, локализованных БВК N лок) поступают в обрабатывающее устройство 13, где определяются:

Коэффициент полноты контроля Кпк

коэффициент полноты проверки Кпп

Затем рассчитывают характеристики надежности САУ в целом: определяют наработку на отказ, приводящий к выключению электронной части САУ (Тоэч) и наработку на незафиксированный отказ САУ, приводящий к произвольному изменению режима работы ГТД (Т.вд).

Для этого используются следующие зависимости:

где Кпп - коэффициент полноты проверки,

Кпк - коэффициент полноты контроля,

Квд - доля неконтролируемых отказов, приводящая к выключению двигателя,

Суммарная интенсивность отказов элементов одного канала электронной части САУ:

m - количество элементов в ГМЧ САУ.

Таким образом, обеспечивается плавный, без забросов перевод управления с ЭР 2 на ГМР 6, т.е. обеспечивается повышение качества работы САУ и, как следствие, повышение надежности ГТД и безопасности ЛА.

Литература

1. ГОСТ 2343-79 «Надежность изделий авиационной техники».

2. «Комплексные испытания цифровых САУ ГТД», т.о. ЦИАМ № 10607, 1986 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ испытания двухканальной электронной системы автоматического управления (САУ) газотурбинным двигателем (ГТД) с блоком встроенного контроля (БВК), заключающийся в том, что экспериментально определяют интенсивности отказов элементов САУ и БВК и рассчитывают характеристики надежности САУ с учетом количества отказов САУ, отличающийся тем, что дополнительно испытывают БВК, имитируя по экспоненциальному закону распределения отказы элементов САУ, а по нормальному закону распределения - отказы программного обеспечения (ПО), затем определяют количество отказов, локализованных БВК, и по последнему и суммарному количеству отказов определяют коэффициент полноты проверки как отношение локализованных отказов к суммарному количеству отказов и характеристики надежности САУ в целом рассчитывают с учетом этого коэффициента.

Владельцы патента RU 2446298:

Использование: в системах автоматического управления (САУ) газотурбинных двигателей (ГТД). Технический результат: адаптивное управление различными выходными координатами ГТД с помощью селектора каналов и контура сигнальной самонастройки, в результате чего устраняются забросы выходных координат двигателя, обеспечивается заданное качество переходных процессов включаемого канала САУ, что способствует повышению ресурса ГТД. Система дополнительно содержит последовательно соединенные селектор максимального сигнала, третий элемент сравнения, блок согласования, переключатель и второй суммирующий элемент, причем первый и второй входы селектора максимального сигнала соединены соответственно с первым и вторым входами селектора минимального сигнала, выход которого соединен со вторым входом третьего элемента сравнения, выход первого элемента сравнения соединен со вторым входом второго суммирующего элемента, выход которого подключен к входу регулятора частоты вращения ротора, выход логического устройства соединен со вторым входом переключателя, второй выход которого подключен к второму входу первого суммирующего элемента. 2 ил.

Изобретение относится к области систем автоматического управления (САУ) газотурбинного двигателя (ГТД).

Известна САУ ГТД, в которой для устранения отрицательного влияния взаимодействия регуляторов на характеристики системы управления с одним регулирующим фактором содержатся измерители частоты вращения ротора ГТД и температуры газа, регуляторы этих параметров, селектор минимального сигнала, исполнительное устройство, воздействующее на расход топлива .

Недостатком этой схемы является то, что взаимодействие каналов управления сохраняется на переходных режимах. Эта САУ ГТД имеет невысокую динамическую точность и заброс по температуре при селектировании, что можно объяснить следующим образом.

ГТД имеет различные динамические характеристики по разным выходным координатам объекта управления относительно расхода топлива.

Рассмотрим САУ ГТД как двухмерный объект с одним управляющим воздействием, в котором используется алгебраический селектор минимального сигнала. Первый канал этой САУ является каналом управления, определяющим режим работы объекта по выходной координате Y 1 , его заданная величина Y 10 зависит от времени. Второй канал - канал ограничения, его заданная величина Y 20 является постоянной и определяет максимальный режим работы объекта по координате Y 2 .

Передаточные функции объекта управления:

по координате Y 1:

по координате Y 2:

где p - оператор преобразования Лапласа;

K 1 , K 2 - коэффициенты передачи;

A 1 (p), A 2 (p), B(p) - полиномы, зависящие от вида объекта.

Примем, что порядок A 1 (p) меньше, чем порядок В(р), а порядок A 2 (p) равен порядку В(p). Такое математическое описание характерно, например, для динамических характеристик ГТД по частоте вращения ротора и температуре газа при изменении расхода топлива в камеру сгорания.

Передаточная функция общего изодромного регулятора

Передаточные функции регулятора первого - W 1 (p) и второго - W 2 (p) каналов выбираются исходя из заданных требований к динамическим характеристикам каждого из них. Это можно сделать следующим образом. Потребуем, чтобы передаточные функции отдельных разомкнутых каналов без учета запаздывания измерителей координат удовлетворяли равенствам:

где W м1 (p) и W м2 (p) - передаточные функции эталонных моделей

разомкнутых каналов. Тогда

Если передаточные функции отдельных разомкнутых каналов выбрать в виде

то для получения необходимого качества регулирования выходных координат регуляторы, согласно (6) и (7), должны иметь, например, следующие передаточные функции:

При этом инерционность датчика температуры должна быть скорректирована так, чтобы измерители параметров были безынерционными.

Как известно , обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр ГТД, наиболее приблизившийся к величине, определяемой программой регулирования. Следовательно, для получения необходимого качества регулирования переключение селектора должно происходить в момент равенства рассогласований между текущими значениями выходных координат и их задающими значениями, т.е. в момент равенства сигналов перед регуляторами

Проведенный анализ показывает, что регулятор температуры газа является инерционным по отношению к регулятору частоты вращения ротора ГТД, поэтому селектор переключается с канала частоты вращения ротора на канал температуры газа с запаздыванием. В результате происходит заброс по температуре газа.

Наиболее близкой по достигаемому техническому результату, выбранной за ближайший аналог, является САУ ГТД, содержащая каналы регулирования частоты вращения ротора и температуры газа, селектор минимального сигнала, исполнительное устройство, два корректирующих звена, два суммирующих элемента, логическое устройство (компаратор) и ключ .

В этой САУ за счет включения двух перекрестных корректирующих звеньев с передаточными функциями

происходит изменение задающего воздействия разомкнутого канала ограничения температуры газа и выполнение условия

при переключении САУ на канал ограничения температуры газа при равенстве сигналов на входах селектора минимального сигнала

Это позволяет получить необходимое качество переходного процесса по температуре газа при включении этого канала.

Недостатком такой САУ является то, что при обратном переключении с канала температуры газа на канал частоты вращения ротора структура, параметры корректирующих звеньев и место включения корректирующего сигнала должны изменяться, т.е. эта система не является адаптивной к изменению ее структуры при селектировании каналов и не обеспечивает в этом случае заданного качества переходных процессов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение динамических характеристик САУ путем устранения забросов и обеспечения заданного качества переходных процессов по выходным координатам ГТД при прямом и обратном включении селектором различных каналов системы, что приводит к улучшению качества системы управления и к повышению ресурса работы двигателя.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в систему автоматического управления газотурбинного двигателя, содержащую последовательно соединенные регулятор частоты вращения ротора, селектор минимального сигнала, изодромный регулятор, газотурбинный двигатель, измеритель частоты вращения ротора и первый элемент сравнения, задатчик частоты вращения ротора, выход которого подключен к второму входу первого элемента сравнения, последовательно соединенные измеритель температуры газа, второй элемент сравнения, первый суммирующий элемент, регулятор температуры газа и логическое устройство, задатчик температуры газа, выход которого подключен к второму входу второго элемента сравнения, причем выход регулятора частоты вращения ротора соединен со вторым входом логического устройства, выход регулятора температуры газа соединен со вторым входом селектора минимального сигнала, а второй выход газотурбинного двигателя соединен с входом измерителя температуры газа, в отличие от прототипа дополнительно введены последовательно соединенные селектор максимального сигнала, третий элемент сравнения, блок согласования, переключатель и второй суммирующий элемент, причем первый и второй входы селектора максимального сигнала соединены соответственно с первым и вторым входами селектора минимального сигнала, выход которого соединен со вторым входом третьего элемента сравнения, выход первого элемента сравнения соединен со вторым входом второго суммирующего элемента, выход которого подключен к входу регулятора частоты вращения ротора, выход логического устройства соединен со вторым входом переключателя, второй выход которого подключен к второму входу первого суммирующего элемента.

Существо системы поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема системы автоматического управления газотурбинного двигателя; на фиг.2 - результаты моделирования переходных процессов в САУ ГТД при различных переключениях каналов селектором минимального сигнала:

а) с канала частоты вращения ротора на канал температуры газа, б) с канала температуры газа на канал частоты вращения ротора, с контуром и без контура адаптации, при этом выходные координаты ГТД представлены в относительном виде

Система автоматического управления газотурбинного двигателя содержит последовательно соединенные регулятор частоты вращения ротора 1, селектор минимального сигнала 2, изодромный регулятор 3, газотурбинный двигатель 4, измеритель частоты вращения ротора 5 и первый элемент сравнения 6, задатчик частоты вращения ротора 7, выход которого подключен к второму входу первого элемента сравнения 6, последовательно соединенные измеритель температуры газа 8, второй элемент сравнения 9, первый суммирующий элемент 10, регулятор температуры газа 11 и логическое устройство 12, задатчик температуры газа 13, выход которого подключен к второму входу второго элемента сравнения 9, причем выход регулятора частоты вращения ротора 1 соединен со вторым входом логического устройства 12, выход регулятора температуры газа 11 соединен со вторым входом селектора минимального сигнала 2, а второй выход газотурбинного двигателя 4 соединен с входом измерителя температуры газа 8, при этом система дополнительно содержит последовательно соединенные селектор максимального сигнала 14, третий элемент сравнения 15, блок согласования 16, переключатель 17 и второй суммирующий элемент 18, причем первый и второй входы селектора максимального сигнала 14 соединены соответственно с первым и вторым входами селектора минимального сигнала 2, выход которого соединен со вторым входом третьего элемента сравнения 15, выход первого элемента сравнения 6 соединен со вторым входом второго суммирующего элемента 18, выход которого подключен к входу регулятора частоты вращения ротора 1, выход логического устройства 12 соединен со вторым входом переключателя 17, второй выход которого подключен к второму входу первого суммирующего элемента 10.

Система автоматического управления газотурбинного двигателя работает следующим образом.

В канале регулирования частоты вращения ротора ГТД 4 сигнал с измерителя частоты вращения ротора 5, пропорциональный частоте вращения ротора, поступает на первый элемент сравнения 6, где сравнивается с выходным сигналом задатчика частоты вращения ротора 7 и формируется выходной сигнал рассогласования E 1 , пропорциональный отклонению частоты вращения ротора от заданного значения. Этот сигнал через второй суммирующий элемент 18 поступает на вход регулятора частоты вращения ротора 1, выход которого U 1 подключен к первому входу селектора минимального сигнала 2.

В канале регулирования температуры газа ГТД 4 сигнал с измерителя температуры газа 8, пропорциональный температуре газа, поступает на второй элемент сравнения 9, где сравнивается с выходным сигналом задатчика температуры газа 7 и формируется выходной сигнал рассогласования E 2 , пропорциональный отклонению температуры газа от заданного значения. Этот сигнал через первый суммирующий элемент 10 поступает на вход регулятора температуры газа 11, выход которого U 2 подключен к второму входу селектора минимального сигнала 2.

На выход селектора минимального сигнала 2 проходит выходной сигнал

того канала регулирования, который в данный момент по условиям работы ГТД требует меньшего расхода топлива. Сигнал с селектора минимального сигнала 2 через изодромный регулятор 3, который выполняет функцию и исполнительного устройства, изменяет расход топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя 4.

Выходные сигналы регулятора частоты вращения ротора 1 U 1 и регулятора температуры газа 11 U 2 поступают на входы селектора максимального сигнала 14, на выходе которого формируется сигнал

На выходе третьего элемента сравнения 15 определяется разность сигналов на выходе регуляторов

где U зам - выходной сигнал регулятора замкнутого канала;

U раз - выходной сигнал регулятора разомкнутого канала.

Выходные сигналы U 1 и U 2 поступают также на вход логического устройства 12, на выходе которого формируется логический сигнал L, определяющий замкнутый канал САУ

Выходной сигнал ε третьего элемента сравнения 15 через блок согласования 16 и переключатель 17 поступает на вход соответствующего регулятора разомкнутого канала с помощью первого 10 или второго 18 суммирующего элемента, что определяется состоянием переключателя 17 в соответствии с логическим сигналом L логического устройства 12. Так как ε меньше нуля, то этот сигнал уменьшает задающее воздействие разомкнутого канала и тем самым корректирует момент переключения каналов.

Как было отмечено выше, регуляторы частоты вращения ротора 1 и температуры газа 11 имеют разные динамические характеристики, в результате чего условие переключения селектора минимального сигнала 2

отличается от необходимого эталонного условия переключения САУ - равенства рассогласований между текущими значениями выходных координат и их задающими воздействиями

Следовательно, необходимо согласование этих условий. Как известно , согласование поведения отдельных каналов САУ возможно за счет контура управления их относительным движением. В данном случае оно обеспечивается за счет введения контура сигнальной самонастройки по разности сигналов ε на выходе регуляторов с воздействием на задающее воздействие разомкнутого канала системы. Это позволяет построить САУ ГТД, адаптивную к изменению ее структуры при переключении каналов селектором.

Пусть замкнутым является канал регулирования частоты вращения ротора, т.е. первый канал. Тогда выход контура сигнальной самонастройки включен с помощью первого суммирующего элемента 10 на вход регулятора температуры газа 11 второго разомкнутого канала.

Сигнал на выходе регулятора частоты вращения ротора

Сигнал на выходе регулятора температуры газа

где W c (p) - передаточная функция блока согласования 16.

Тогда разность сигналов на выходе регуляторов

При W c (p), равном K, и K, достаточно большом, получаем

ε→0; U 2 →U 1 ,

где m - достаточно малая величина.

Таким образом, за счет работы контура сигнальной самонастройки момент переключения селектора минимального сигнала 2

приближается к условию переключения каналов по ошибкам каналов

Это, соответственно, позволяет ликвидировать заброс и обеспечить необходимое качество переходного процесса при замыкании и включении в работу регулятора температуры газа 11. При U 1 , равном U 2 , происходит переключение каналов, и далее при U 1 , большем по сравнению с U 2 , - изменение состояния каналов: первый канал становится разомкнутым, а второй канал - замкнутым. Это приводит к изменению также и структуры контура самонастройки.

Аналогичные процессы характерны для САУ и при переключении селектора с замкнутого канала температуры газа на канал частоты вращения ротора. В этом случае выходной сигнал контура самонастройки включается с помощью переключателя 17 и второго суммирующего элемента 18 на вход регулятора частоты вращения ротора 1, изменяя задающее воздействие первого канала.

Так как порядок знаменателей передаточных функций отдельных регуляторов W 1 (p) и W 2 (p) двухвального ГТД не выше двух, то контур самонастройки обеспечивает хорошее качество переходных процессов при достаточно высоких значениях коэффициента передачи K.

Результаты моделирования рассмотренной САУ ГТД, приведенные на фиг.2, при задающих воздействиях каналов

и выполнении условия (8) показывают, что при прямом и обратном переключении каналов селектором качество переходных процессов включаемого канала существенно улучшается при введении контура самонастройки. САУ сохраняет заданное качество при изменении структуры, т.е. является адаптивной.

Итак, заявляемое изобретение позволяет осуществить адаптивное управление различными выходными координатами ГТД с помощью селектора каналов и контура сигнальной самонастройки. Устраняются забросы выходных координат двигателя, обеспечивается заданное качество переходных процессов включаемого канала системы, что способствует повышению ресурса ГТД.

Источники литературы

1. Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов. / Под ред. А.А.Шевякова. - М.: Машиностроение, 1983. - 283 с., стр.126, рис.3.26.

2. Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов. / Под ред. А.А.Шевякова. - М.: Машиностроение, 1983. - 283 с., стр.110.

3. Свидетельство РФ №2416 на полезную модель. МПК 6 F02C 9/28. Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя. / В.И.Петунин, А.И.Фрид, В.В.Васильев, Ф.А.Шаймарданов. Заявка №95108046; заявл. 18.05.95; опубл. 16.07.96; Бюл. №7.

4. Мирошник И.В. Согласованное управление многоканальными системами. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 128 с., стр.21, рис.1.8.

Система автоматического управления газотурбинного двигателя, содержащая последовательно соединенные регулятор частоты вращения ротора, селектор минимального сигнала, изодромный регулятор, газотурбинный двигатель, измеритель частоты вращения ротора и первый элемент сравнения, задатчик частоты вращения ротора, выход которого подключен ко второму входу первого элемента сравнения, последовательно соединенные измеритель температуры газа, второй элемент сравнения, первый суммирующий элемент, регулятор температуры газа и логическое устройство, задатчик температуры газа, выход которого подключен ко второму входу второго элемента сравнения, причем выход регулятора частоты вращения ротора соединен со вторым входом логического устройства, выход регулятора температуры газа соединен со вторым входом селектора минимального сигнала, а второй выход газотурбинного двигателя соединен с входом измерителя температуры газа, отличающаяся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные селектор максимального сигнала, третий элемент сравнения, блок согласования, переключатель и второй суммирующий элемент, причем первый и второй входы селектора максимального сигнала соединены соответственно с первым и вторым входами селектора минимального сигнала, выход которого соединен со вторым входом третьего элемента сравнения, выход первого элемента сравнения соединен со вторым входом второго суммирующего элемента, выход которого подключен к входу регулятора частоты вращения ротора, выход логического устройства соединен со вторым входом переключателя, второй выход которого подключен ко второму входу первого суммирующего элемента.