Разработка систем автоматического управления газотурбинным двигателем с селектором

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С СЕЛЕКТОРОМ

1.1 Силовые установки и их математические модели

1.2 Анализ аварийности газотурбинных двигателей

1.3 Анализ существующих систем автоматического управления силовыми установками

1.4 Выбор и обоснование разрабатываемой системы

1.4.1 Обоснование системы автоматического управления газотурбинным двигателем с селектором

1.4.2 Структурная схема разрабатываемой системы и ее описание

газотурбинный двигатель автоматическое управление силовая установка



ВВЕДЕНИЕ

Развитие и совершенствование авиационных двигателей невозможно без систем автоматического управления. Объясняется это, с одной стороны, сложностью рабочих процессов, протекающих в двигателях, а с другой - необходимостью оптимизации этих процессов для получения приемлемых удельных характеристик (удельные расход топлива и тяга, заданная надежность и другие), определяющих совершенство двигателя.

Системы автоматического управления (САУ) двигателями должны удовлетворять ряду требований, важнейшими из которых являются:

* обеспечение необходимого качества регулирования по основным параметрам рабочего процесса

* выдерживание оптимальных параметров рабочего процесса, при которых получаются приемлемые удельные характеристики

* защита двигателя от недопустимых рабочих режимов

* обеспечение требуемой надежности двигателя и согласование характеристик двигателя с характеристиками летательного аппарата

Эти требования, хотя и противоречивые, должны быть удовлетворены комплексно.

Эффективность СУ зависит, прежде всего, от ее удельных показателей (удельной тяги, удельной массы и удельного расхода топлива) и от эксплуатационных высотно-скоростных и дроссельных характеристик на форсажных и бесфорсажных режимах.

В действительных условиях эксплуатации режим работы СУ часто и в широком диапазоне изменяется. Изменение режима и поддержание его мог бы осуществлять летчик, воздействуя на силовую установку. Для этого ему потребовались бы приборы, сообщающие информацию о задачах и результатах управления в любой момент времени, рычаги для приведения в действие управляющих органов и знание законов управления. Летчик непрерывно должен был следить за измерительными приборами, определять величины управляемых параметров, сравнивая, сравнивая эти величины с заданными значениями, принимать решения о направлении перемещения рычагов для ликвидации возникающих рассогласований.

Однако сложность СУ как объекта управления, специфические особенности газодинамических и тепловых процессов, происходящих в управляемом объекте, случайность действующих на него возмущений, которые быстро изменяются во времени в широком диапазоне, занятость экипажа в полете переработкой информации, необходимой для выполнения поставлено задачи, делают невозможным качественное ручное управление СУ. Решать задачу управления СУ в таких условиях возможно только средствами автоматики, которые позволяют свести функции управления лишь рычага управления двигателем (РУД).

Цель исследования: разработать системы автоматического управления газотурбинным двигателем с блоком селекторов.

Задачи исследования:

1. Произвести тактико-техническое обоснование разработки систем автоматического управления газотурбинным двигателем с селектором.

2. Выполнить разработку системы автоматического управления газотурбинного двигателя с селектором.

3. Произвести моделирование системы автоматического управления газотурбинным двигателем с селектором в программе Matlab.

4. Разработать военно-эксплуатационные вопросы.

Объект исследования: авиационные двигатели.

Предмет исследования: разработка системы автоматического управления газотурбинным двигателем с блоком селекторов.



1. ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С СЕЛЕКТОРОМ

1.1 Силовые установки и их математические модели

Силовая установка (СУ) состоит из двигателей (один или несколько) с их системами управления, запуска, топливопитания, а также входных и выходных устройств для реверса тяги и движителей в виде воздушных винтов. Двигатель составляет основу СУ, которая предназначена для создания необходимой для полета ЛА тяги.

Современные СУ ЛА строятся на базе реактивных двигателей. Реактивным называют двигатель, тяга которого представляет собой силу реакции потока продуктов сгорания топлива, получающего ускорение в самом двигателе и вытекающего из него в окружающую среду со скоростью, большей скорости полета.

Все реактивные двигатели делятся на два основных класса: воздушно-реактивные и ракетные двигатели.

Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) - это двигатели, в которых химическая реакция окисления топлива осуществляется за счет кислорода атмосферного воздуха. В свою очередь ВРД можно разделить на прямоточные (или бескомпрессорные) воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) и газотурбинные двигатели (ГТД). В данном проекте будет использоваться газотурбинный двигатель.

В ПВРД воздух из входного устройства подается непосредственно в камеру сгорания. При этом сжатие воздуха осуществляется в воздухозаборнике за счет скоростного напора. ПВРД предназначены как для сверхзвуковых полетов при М=2..3 (СПВРД), так и для гиперзвуковых скоростей при М=6..7 (ГПВРД).

Рисунок 1 - Двухвальный двигатель

В ГТД для сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания, служит компрессор с приводом от газовой турбины. ГТД подразделяются на турбореактивные двигатели (ТРД) и турбовинтовые (ТВД).

Основными элементами одновального ТРД являются: входная часть двигателя, компрессор, камера сгорания, газовая турбина, реактивное сопло. Внешний воздух, сжатый в компрессоре, поступает в камеру сгорания, куда через форсунки подается топливо. Газы, образующиеся в результате сгорания топлива, протекают через турбину, приводя ее во вращение, и затем пройдя через реактивное сопло, вытекают с большой скоростью в атмосферу в сторону, противоположную направлению полета, тем самым создавая реактивную тягу.

Для увеличения тяги ТРД часто снабжают дополнительными камерами сгорания, которые располагаются за турбиной и называются форсажными. Сжигание дополнительного количества топлива в форсажной камере приводит к росту температуры газов и скорости их истечения, а следовательно, к росту тяги двигателя ТРДФ.

Разновидностью ТРД являются двухвальные двигатели. У них имеются два каскада компрессора, каждый из которых приводится во вращения от своей турбины. В двигателях такой схемы можно получить более широкую область устойчивых режимов работы компрессора, так как каждый из каскадов работает с меньшей степенью повышения давления воздуха по сравнению с одновальным двигателем.

В ТВД большая часть энергии газов используется в турбине. Турбина приводит во вращение компрессор и винт двигателя. Оставшаяся часть энергии газов используется, как и в ТРД, для создания реактивной тяги. Таким образом, тяга двигателя слагается из тяги, развиваемой винтом (около 90 % от общей тяги двигателя), и реактивной тяги (около 10 %). При небольших дозвуковых скоростях полета (до М=0,6..0,8) ТВД обладает более высокими экономическими показателями, чем ТРД. ТВД могут быть выполнены по двухвальной схеме. В этом случае одна турбина используется для вращения компрессора, вторая - для вращения винта.

В двухконтурных ТРД, или, как их еще называют, турбовентиляторных двигателях, имеются два воздушных контура. Первые низконапорные ступени компрессора работают как вентиляторы, создавая дополнительную тягу. В этих двигателях используются преимущества ТВД на низких скоростях полета благодаря применению вентиляторного контура и преимущества ТРД во внутреннем контуре на больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета.

Работа двигательной установки характеризуется величиной удельного расхода топлива и тяги величиной . Так как при регулировании ГТД затруднительно непосредственно измерить тягу и удельный расход топлива, то в качестве регулируемых используются другие параметры рабочего процесса, замер которых организовать легче. Эти параметры режима должны выбираться из условия получения заданных значений и , например максимальных значений или минимальных значений . Такими параметрами для ТРД являются частота вращения вала турбокомпрессора и температура газов в камере сгорания. Зависимость и от и показана на рис. 2.

(а) (б)

Рисунок 2 -Характеристика ТРД

В качестве управляющих воздействий используется расход топлива в камере сгорания и - площадь сечения сопла. В данной работе будет использоваться как управляющее воздействие расход топлива. Изменяя расход, можно воздействовать как на температуру, так и на частоту вращения. Приведенные параметры ГТД выражаются через , и его физические параметры с помощью следующих соотношений:

(1.1)

.

Здесь , - давление за компрессором и расход воздуха через него; - степень повышения давления в компрессоре.



1.2 Анализ аварийности газотурбинных двигателей

В процессе эксплуатации газотурбинных установок возникают следующие отказы и повреждения:

- обрыв рабочих лопаток компрессоров и турбин;

- трещины в направляющих и спрямляющих аппаратах компрессоров;

- повреждения проточных частей компрессоров и турбин из-за попадания в них твердых предметов;

- обгорание направляющих и рабочих лопаток турбин;

- обрыв крепежа;

- трещины в дисках, диафрагмах и сопловых аппаратах турбин;

- деформации, трещины и прогорание камер сгорания и жаровых труб;

- неисправности рабочих и пусковых топливных форсунок;

- неисправности топливо-регулирующей аппаратуры;

- неисправности подшипников;

- - неисправности контрольно-измерительной аппаратуры и систем управления.

Из всех деталей ГТД рабочие лопатки турбин работают в наиболее тяжелых условиях. Испытывая значительные механические нагрузки от действий центробежных и газовых сил, а также вибрации, они одновременно подвержены воздействию высоких температур агрессивных коррозионных сред. Кроме того, рабочие лопатки подвергаются действию циклических термических напряжений. Опыт эксплуатации показывает, что последние являются основной причиной разрушения лопаток газовых турбин. Окислительная среда дополнительно увеличивает скорость образования и развития трещин. В судовых ГТД имеет место высокотемпературная «натриево-ванадиевая» коррозия лопаточного аппарата и других узлов турбин.

Лопаточный аппарат. Обрыв рабочих лопаток компрессора или турбины относится к наиболее тяжелым видам повреждения ГТД.

Основной причиной обрыва лопаток компрессора является снижение усталостной прочности материала в результате коррозии или эрозии при высоких напряжениях, вследствие динамических и вибрационных нагрузок. Эти нагрузки могут возрастать в случаях работы компрессора в зоне неустойчивой работы, иногда этому способствуют конструктивные и технологические дефекты (рост вибрационных напряжений вследствие неравномерностей в потоке воздуха, недостаточная отстройка лопаток по частоте, некачественное изготовление лопаток).

Начало усталостного разрушения металла лопатки носит местный характер и связано с образованием микротрещин, которые при циклических нагрузках, развиваются в макротрещины. Развитие усталостных трещин начинается, как правило, с входных кромок лопаток и реже - с выходных. Часто источниками образования трещин являются участки коррозионно-эрозионных поражений.

Обрыв лопаток на работающем ГТД приводит к снижению частот вращения турбокомпрессорных блоков и турбин и повышению температуры газов перед турбиной выше допустимой для данного режима, появлению повышенной вибрации, резкому изменению шума работы. В момент обрыва лопатки турбины или компрессора ясно различим сильный удар. Частичное разрушение лопаток может вызвать помпаж и появление характерных для него признаков. При попадании траектории разрушившейся лопатки в зазор между торцами лопаток и корпусом происходит заклинивание или торможение ротора. В результате снижения частоты вращения увеличивается подача топлива в камеру сгорания, что приводит к срыву пламени и выключению ГТД.

При обрыве рабочей лопатки турбины, снижения частоты вращения в начальный момент может не происходить. Дальнейшая работа ГТД зависит от последствий, которые вызывает обрыв лопатки. Обычно оборвавшаяся часть разрушенной лопатки, попадая в зазор между корпусом турбины и торцами следующих по потоку лопаток, вызывает изгиб этих лопаток и выпучивание корпуса турбины или разрушение металлокерамических вставок. Кусок лопатки, имея осевую, составляющую скорости движения в направлении выходного устройства, производит аналогичные деформации лопаток последующих ступеней. Если двигатель продолжает работать, то из-за снижения частоты вращения происходит увеличение подачи топлива и рост температуры, газов перед турбиной. При значительном падении частоты вращения и соответствующем увеличение подачи топлива происходит срыв пламени и остановка ГТД. Если оторвавшаяся лопатка вызывает заклинивание ротора, то это также приводит к отключению ГТД. Оторвавшаяся лопатка может пробить корпус и вызвать разрушение элементов силовой установки.

Иногда наблюдаются повреждения лопаточного аппарата компрессоров и турбин, связанные с попаданием в их проточные части твердых посторонних частиц и предметов: песка; кусочков защитной металлической сетки или обломков воздухоприёмных жалюзей; деталей крепления внутренней арматуры воздухозаборных шахт; крепежа узлов камер сгорания и др. Например, разрушения лопаточного аппарата компрессора были вызваны засасыванием оторвавшихся стержней заклепок двери, обеспечивающей доступ во впускную камеру. Другой пример: причиной повреждения компрессора явился карманный фонарик, забытый механиком при осмотре воздухозаборной шахты. Из приведенных примеров видно, что засасывание посторонних предметов представляет особую опасность для ГТД. Всасывание небольших по размеру частиц и предметов может не приводить к катастрофическому разрушению проточных частей ГТД, однако вызывают образование на лопатках забоин и вмятин, способствующих ускорению процессов, вызывающих разрушения лопаточных аппаратов.

В эксплуатации отмечаются случаи оплавления (обгорания) и значительного перегрева рабочих и сопловых лопаток. Это происходит в результате нарушений в работе топливо-регулирующей аппаратуры, отказов тепловой защиты, возникновения помпажа ГТД. Наиболее опасным является помпаж при пусках и на режимах работы, соответствующим средней мощности. В этих случаях помпаж происходит без сильных звуковых эффектов, а при невнимательности обслуживающего персонала или нарушениях в системе контроля за температурами газов или отказе тепловой защиты он может пройти незамеченным и привести к обгоранию лопаток. Опыт эксплуатации показывает, что при помпаже, вследствие интенсивного роста температуры газов в течение 20... 30 секунд обгорают все лопатки. Обычно рабочие лопатки обгорают на половину длины в верхней части. Как правило, наибольшим повреждениям подвержены лопатки первой ступени турбины высокого давления.

Температура в лопатках повышается во время работы на переменных режимах и при маневрировании установки, когда возможны колебания температуры газа, подаваемого в проточную часть ГТД.

Циклические, температурные нагрузки приводят к повреждениям лопаток, выражающимся в короблении и растрескивании их кромок и снижения длительной прочности материала. При больших механических нагрузках эти начальные трещины могут послужить очагами разрушения лопатки.

1.3 Анализ существующих систем автоматического управления силовыми установками

Система, в которой все рабочие и управленческие операции выполняются без непосредственного участия человека, называется системой автоматического управления (САУ). Если же часть операций выполняется людьми, то говорят об автоматизированной системе управления (АСУ).

В основу построения САУ положены общие принципы управления, реализация которых позволяет увязать заданный алгоритм функционирования с фактическим состоянием системы. К ним относятся:

- принцип управления по задающему воздействию;

- принцип управления путем компенсации возмущения (помехи);

- принцип управления с учетом обратной связи;

- принцип комбинированного управления.

Суть первого из них, называемого также принципом разомкнутого управления, состоит в том, что управляющий сигнал U(t) формируется путем функционального преобразования входного сигнала X(t) без учета значения сигнала на выходе системы:

U(t) = F[X(t)].

САУ, реализующая подобный принцип, называется разомкнутой .

При использовании второго принципа управляющий сигнал U(t) формируется с учетом возмущающего воздействия f(t), то есть помехи. Этот принцип обеспечивает более гибкое управление, но применим лишь в том случае, когда помеху можно измерить. Специальное устройство, воспринимающее помеху, не только определяет ее параметры, но и формирует дополнительный сигнал, подаваемый на объект управления. Алгоритм управления в данном случае содержит информацию как о задающем, так и о возмущающем воздействии:

U(t) = F[X(t), f(t)].

Принцип управления по обратной связи обеспечивает формирование управляющего воздействия U(t) с учетом фактического значения выходного сигнала Y(t), часть которого в виде контрольного сигнала Z(t) возвращается на вход системы. Его называют также принципом замкнутого управления или принципом управления по замкнутому контуру . Его алгоритм может быть представлен в следующем виде:

U(t) = F[X(t),Y(t)].

В САУ, реализующих подобный принцип, автоматическое управляющее устройство стремиться ликвидировать все отклонения выходного сигнала Y(t) от желаемого значения независимо от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые внешние помехи f(t), а также изменения параметров самой системы.

Поэтому такие системы нашли широкое распространение в технике, а понятие об обратной связи является одним из основных в автоматике и кибернетике.

Комбинированное управление представляет собой сочетание принципов управления по разомкнутому и замкнутому циклам одновременно.

В зависимости от цели управления различают стабилизирующие, программные и следящие системы.

Стабилизирующей называется автоматическая система, алгоритм которой обеспечивает поддержание управляемой величины на постоянном уровне. Примерами могут служить регуляторы скорости, напряжения, температуры, самолетные автопилоты, системы автоматического управления частотой автогенераторов, автоматической регулировки усиления и др.

Программной называется автоматическая система, алгоритм которой изменяет управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией. Примерами являются различные тренажеры, станки с числовым программным управлением, системы слепой посадки самолетов, автономного управления полетом ракеты на начальном участке траектории и др.

Следящей называется автоматическая система, алгоритм которой изменяет выходной сигнал в зависимости от значения неизвестного заранее переменного сигнала на входе. На этом принципе построены системы автосопровождения целей по дальности, скорости и направлению, силовые следящие системы управления положением антенн и пусковых установок ракет, радиотехнические системы телеуправления и самонаведения ракет и т.д.

По источнику управляющего сигнала различают замкнутые и разомкнутые САУ.

САУ, в которой, управляющий сигнал U(t) вырабатывается только на основе внешних сигналов, называется системой с разомкнутой цепью управления.

Если же сигнал U(t) формируется с учетом как внешних, так и внутренних сигналов, то система называется замкнутой. В подобных системах управляющий сигнал чаще всего вырабатывается в результате сравнения выходной величины Y(t) с задающим сигналом X(t):

U(t) = e(t) = F[X(t) - Y(t)].

Такой способ управления называется управлением по отклонению (по ошибке, рассогласованию). Сами же системы называются системами автоматического регулирования (САР).

Рисунок 3 - Функциональная схема САР

В замкнутых САУ в зависимости от типа обратной связи различают системы с положительной обратной связью, усиливающие входное воздействие и системы с отрицательной обратной связью, компенсирующие входное воздействие.

В зависимости от наличия или отсутствия ошибки в установившемся (статическом) режиме работы САУ подразделяются на статические и астатические.

В САУ, обеспечивающих управление не только по значению исследуемого параметра, но и по его производным, в зависимости от порядка отрабатываемых производных различают САУ различного порядка астатизма:

САУ с астатизмом первого порядка обеспечивает управление по параметру и его первой производной;

САУ с астатизмом второго порядка обеспечивает управление по параметру и его первой и второй производным и т.д.

Следящей системой (СС) называется система автоматического управления, алгоритм которой изменяет выходной сигнал в зависимости от значения неизвестного заранее переменного сигнала на входе. На этом принципе построены системы автосопровождения целей (ракет) по дальности, скорости и направлению, силовые следящие системы управления положением антенн, радиотехнические системы телеуправления и самонаведения ракет и т.д.

При следящем измерении координат в радиолокационных измерителях используется дискретная замкнутая САУ с астатизмом второго порядка и отрицательной обратной связью.

В дискретной СС с периодом обращение к объекту Т уравнение движения цели по произвольной координате x имеет вид:

xn = xn-1 + x'n•T + 1/2•x"n•T2, (1)

где: xn - истинное значение координаты в текущем такте n;

x'n = (xn - xn-1)/Т- скорость ее изменения;

x"n = (x'n - x'n-1)/Т - ускорение .

Экстраполированное (ожидаемое) значение координаты определяется как:

xn э = n-1 + 'n-1•T, (2)

где: n-1 - измеренное значение координаты, хранится в памяти СС;

'n-1 - измеренная скорость ее изменения, хранится в памяти СС.

Ожидаемое значение координаты определено с ошибкой Дxn:

Дxn = xn - xn э = (x'n - 'n-1) T + 1/2•x"n•T2? 1/2•x"n•T2 . (3)

Приближенное равенство в (3) обусловлено тем, что выражение

(x'n - 'n-1) стремится к нулю при малых значениях T и x".

Измеряя в текущем периоде обращения к объекту значение Дxn, именуемое сигналом ошибки (СО), СС рассчитывает текущее измеренное значение координаты n:

n = xn э + Дx. (4)

Таким образом, рекуррентный алгоритм (4) измерения координат целей СС позволяет последовательно уточнять значения оцениваемого параметра по результатам измерений сигнала ошибки в каждом периоде обращения к цели.

Структура СС, реализующий такой алгоритм, не зависит от измеряемой координаты (рис. 4).

Рисунок 4 - Структура следящей системы

В каждой СС присутствует измеритель сигнала ошибки, вычисляющий значение выражения (3), он называется дискриминатором и реализуется, как правило, в аналоговой форме.

Вычисление экстраполированных значений координаты в соответствии с выражением (2), текущих измеренных значений координаты в соответствии с выражением (4) и хранение измеренных значений координаты и скорости ее изменения осуществляется в формирователе сглаженных оценок, он реализуется, как правило, алгоритмически (программно) в специализированных вычислителях или в ЭВМ.

Последним элементом в составе СС является исполнительное устройство, где формируется опорный сигнал для дискриминатора со значением измеряемого параметра, определяемым кодом экстраполированной координаты.

Сигнал с выхода СС подается на ее вход для вычисления и последующей минимизации сигнала ошибки, следовательно, в рассматриваемой замкнутой САУ использована отрицательная обратная связь.

Простейшая цифровая СС.

Система уравнений, описывающая алгоритм работы СС, имеет вид:

где: К1 и К2 - коэффициенты определяющие как устойчивость работы СС, так и ее постоянную времени, а также случайные и динамические ошибки;

x0 и x'0 - начальные значения координаты и ее производной, задаваемые в режиме поиска цели.

Структурная схема цифровой следящей системы, реализующая приведенный алгоритм имеет вид, представленный на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема цифровой следящей системы

На схеме дискриминатор показан как устройство вычитания. Начальные значения параметра ₀ и ' ₀ вводятся в систему перед началом автоматического сопровождения и соответствуют моменту времени t ₀ . В дискриминаторе реализуется вычисление СО. Сформированное значение сигнала ошибки домножается на коэффициенты К1 и К2 поступает на фильтр оценки текущего параметра сигнала. При необходимости с выхода первого сумматора может быть снято значение оценки скорости изменения параметра х.

Полученная схема следящего измерителя представляет собой простейшую дискретную одноканальную систему автоматического управления второго порядка астатизма с отрицательной обратной связью .

В многоканальных СС для хранения полученных значений используются не линии задержки, а ячейки ОЗУ. Поскольку обращение к различным целям происходит в разные моменты времени, следящие системы по каждой из координат выполнены по схемам подобным одноканальным СС, а многоканальность достигается наличием нескольких ячеек ОЗУ (по количеству сопровождаемых целей).

Важнейшим элементом следящей системы (СС) является измеритель сигналов ошибок - дискриминатор. Для описания дискриминатора и анализа его свойств используют дискриминаторную характеристику (ДХ) (рис. 6).

Рисунок 6 - Дискриминаторная характеристика

ДХ описывается двумя основными параметрами:

ширина рабочего участка (размах) - Dxp;

крутизна рабочего участка S = tga.

Размах ДХ определяет максимально допустимые ошибки наведения СС.

Крутизна ДХ определяет потенциальную точность измерения координаты.

Для стабилизации точности измерения необходимо обеспечить выполнение условия S = const при любых условиях измерений.

Техническая реализация дискриминаторов, как правило, основывается на принципе суммарно-разностной обработки сигналов.

Технически для формирования ДХ, как правило, используется фазовый детектор (ФД), использующий два входных сигнала:

измеряемый - U _Изм (t) = U _{Изм max} Cos (щt+ Ш _Изм ),

опорный - U _Оп (t) = U _{Оп max} Cos (щt+ ш _Оп ),

где U max амплитуда сигнала, ш фаза сигнала.

Выходной сигнал ФД:

U _ФД (t) = U _{Изм max} Ч U _{Оп max} Cos (ш _Оп - Ш _Изм ),

зависит от произведения амплитуд входных сигналов и косинуса разности их фаз.

В радиопередающих устройствах (РПУ) РЛС системы автоматического регулирования (САР), как правило, предназначены для стабилизации частоты зондирующего сигнала.

САР приемника (РПрУ) позволяют обеспечить требуемую точность определения координат целей в пространстве.

Кроме того, системы автоматического регулирования РПрУ позволяют в автоматическом режиме (без участия человека) поддерживать требуемые значения коэффициентов усиления и фазовых сдвигов в каналах.

Точность измерения сигналов ошибок по всем измеряемым РЛС координатам напрямую зависит от настройки приемника. Количественно эту зависимость позволяет оценить дискриминаторная характеристика - UCOjD.

Для малых угловых рассогласований (jD) дискриминаторная характеристика угловой следящей системы (ССц) выражается соотношением:

U _CO ц _Д ? Kц?цД*К _ФД *(Kц/К _У )*Uo*Cos(гц-гУ)цД*м.

где: К _ФД - коэффициент передачи фазового детектора (ФД) по напряжению;

Kц,К _У - коэффициент передачи по напряжению разностного и суммарного каналов;

Uo - амплитуда сигнала опорного канала;

гц-гУ - фазовые сдвиги в разностном и суммарном каналах;

м - коэффициент, характеризующий суммарную диаграмму направленности антенны;

цД - угол между направлением на цель и равносигнальным.

Точность измерения угловых координат существенно зависит от соотношения Kj и КS, стабильности амплитуды Uo, и разности электрических длин приемных каналов (gj-gS), которые в процессе функционирования могут меняться по случайному закону.

Для повышения точности измерения необходимо обеспечить :

равенство во времени коэффициентов передачи Kj и КS,

стабильность Uo,

равный фазовый сдвиг в каналах.

Аналогичные задачи возникают при обеспечении точности измерения Д. Дискриминационная характеристика СС Д имеет вид

UCOД» КФД Ч(KД/КS)ЧUoЧCos(gД-gS)DЧД.

Для стабилизации указанных параметров в состав РПрУ введены системы автоматического регулирования:

АРУ - автоматической регулировки усиления (Uo);

АВУ - автоматического выравнивания усиления (Kj = KД = КS);

АРФ - автоматического регулирования фазы опорного сигнала (gД=gj=gS).

АРУ, АВУ и АРФ построены по однотипным схемам, рассмотрим принцип из работы на примере АРУ.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) обеспечивает стабильность уровня сигнала на выходе усилителя при изменении уровня входного сигнала. В современных приёмниках уровень входного сигнала может изменяться в широких пределах: от 60 дБ в приёмниках радиосвязи и до 120 дБ в радиолокационных. Нормальная работа аппаратуры требует, чтобы изменения выходного сигнала приёмника не превышали 4-6 дБ. Для выполнения этих требований глубина регулировки усилителя системой АРУ должна составлять 56-116 дБ.

В зависимости от решаемых АРУ задач рассматривают:

- быстрые АРУ (БАРУ) для защиты приемника от мощных помеховых сигналов;

- шумовые АРУ (ШАРУ) - для регулирования уровня усиления приемника по шумовому сигналу;

- АРУ измерительных радиолокационных приемников для обеспечения точности измерений координат.

Систему АРУ измерительного приемника рассмотрим на примере РПрУ РЛС с КППРИ. АРУ представляет собой цифровую САР с астатизмом 1-го порядка.

Задача системы АРУ - стабилизировать выходной сигнал главного усилителя приемника точно на значении Uo.

Дискриминатором в АРУ служат: фазовый детектор (ФД), работающий в режиме амплитудного детектора, преобразователь напряжения в цифровой код (ПНК) и логарифмический преобразователь. ФД позволяет измерить напряжение на выходе главного усилителя, подать измеренное значение на ПНК а полученный код на логарифмический преобразователь (на рис.7 - синий цвет).

Рисунок 7 - Упрощенная структурная схема АРУ

Характеристика логарифмического преобразователя (ЛП) подобрана таким образом (рис. 8), что номинальному значению Uo соответствует входной код ЛП - 21, которому соответствует выходной код «0».

Рисунок 8 - Характеристика ЛП АРУ

Если же значение Uo не соответствует номиналу, выходной код ЛП отличается от нуля и поступает на сглаживающее устройство - сумматор и набор ячеек ОЗУ (на рис. 1 - красный цвет).

В ОЗУ хранятся управляющие коды АРУ для объекта управления - главного усилителя (на рис. 8 - зеленый цвет). Количество ячеек определяется максимальным возможным числом целей, которые одновременно может обрабатывать приемник.

В случае получения ненулевого кода ошибки с выхода ЛП, этот код в сумматоре складывается с управляющим кодом АРУ из ячейки ОЗУ и полученная сумма записывается в ОЗУ. Новое значение управляющего кода поступает на объект управления - главный усилитель (ГУС). Особенностью ГУС является возможность оперативно менять коэффициент усиления под действием управляющего цифрового кода за что его назвали электронным цифровым аттенюатором (ЭЦА ГУС). Изменение коэффициента усиления приводит значение Uo к номиналу.

1.4 Выбор и обоснование разрабатываемой системы

1.4.1 Обоснование системы автоматического управления газотурбинным двигателем с селектором

Силовая установка включает в себя ГТД, реактивное сопло и воздухозаборник, и соответственно в САУ СУ будем различать регуляторы расходов основного и форсажного топлива, направляющих аппаратов компрессора и вентилятора, регулируемого сопла и воздухозаборника. На рис.9 приведена схема регулирования двухвального двигателя.

Рисунок 9 - Схема САУ двухвального ТРД

Входными параметрами СУ является тяга и мощность, подводимая к винту, которые и определяют энерговооруженность ЛА и ряд других его характеристик.

Основными для ГТД являются дроссельная и высотно-скоростные характеристики. Первая показывает зависимость тяги и других внутридвигательных параметров от частоты вращения, вторые -зависимость тяги двигателя от высоты и скорости полета и являются существенными при согласовании характеристик самолета и двигателя.

При выборе законов управления режимами ГТД следует учитывать ограничения, связанные с его живучестью. Сюда относятся ограничения по предельно допустимым параметрам: температуре газов, частотам вращения валов турбокомпрессора, максимальному и минимальному значениям ускорений и т. д.

На рис. 10 показана область допустимых режимов работы ГТД. Кроме того, есть ряд параметров, которые определяют степень оптимальности режима работы, близость к границам устойчивости. Таким параметром, например является скольжение роторов S двухвальных ГТД, определяемое как отношение частот вращения роторов высокого и низкого давлений. В процессе разгона и дросселирования двигателя величина скольжения изменяется, что приводит к изменению запасов газодинамической устойчивости.

Законы управления силовой установкой выбирают исходя из назначения летательного аппарата, особенностей его эксплуатации. Обычно требования к статической и динамической точности регулиролвания параметров силовой установки определяются по степени их влияния на экономичность, тягу и ресурс.

Рисунок 10 - Область допустимых режимов работы ГТД:

1- ограничение ; 2 - граница газодинамической устойчивости; 3 - граница устойчивой работы двигателя на режимах минимальной тяги; 4 - граница устойчивого горения в камере сгорания; 5 - линия установившихся режимов двигателя.

Например, поддержание температуры газов с погрешностью приводит к потере 1%. Рассуждая аналогично, для остальных параметров можно сформулировать следующие требования к точности работы САУ СУ:

- погрешность частоты вращения турбокомпрессора должна быть не более 0,2%;

- погрешность поддержания приведенной частоты вращения - не более 0,5%;

- температура газа на максимальном режиме - с погрешностью менее 0,5%;

- значение суммарной степени повышения давления воздуха за компрессором - с допуском не более 1%;

- переход двигателя с режима “малый газ” на “максимальный режим” - за время не более 5с;

- при переходных процессах заданные величины использования располагаемых запасов газодинамической устойчивости должны поддерживаться с допуском не менее 5 %;

- заданная величина минимального снижения суммарного коэффициента избытка воздуха в форсажной камере сгорания должна поддерживаться с допуском менее 1,5%;

- перерегулирование в переходном процессе, вызванное возможными возмущениями, на максимальном режиме работы двигателя не должно быть больше 1%.

Эти и другие требования формулируются более точно при конкретной разработке САУ.

При управлении двигателем на максимальных режимах в задачу САУ входит обеспечение максимальной тяги при надежной температурной и прочностной защите. Поэтому для контроля состояния двигателя измеряют частоту и амплитуду вибрации и другие параметры. Чаще всего строятся ограничители с воздействием на расход топлива. На переходных режимах в электронных системах управления используется ограничение приведенного ускорения частоты вращения или комплекта параметров, обеспечивающего требуемое протекание процессов запуска, разгона и дросселирования. На крейсерских режимах используется один из законов управления расходом топлива: и т. д.

Параметры двигателя на различных высотах и скоростях полета изменяются в широком диапазоне. Изменяя законы управления по H и M полета, можно получить лучшие характеристики по реактивной тяге, чем используя только один из них.

Для управления режимами работы основного контура ГТД широко используется замкнутые САУ частотой вращения с применением всережимных регуляторов с астатизмом 1-го порядка. Такие регуляторы позволяют получить достаточно высокое качество переходных процессов во всем диапазоне условий эксплуатации. Структурная схема САУ частотой вращения приведена на рис. 11.

Рисунок 11 - Структурная схема САУ частотой вращения ГТД

Для двигателей многовальных схем регулировать частоту вращения можно по каскадам высокого и низкого давлений. При этом динамика по контуру регулирования высокого давления остается практически такой же, как и для двигателя одновальной схемы. Объясняется это тем, что динамические свойства двигателей многовальных схем относительно частоты вращения каскада высокого давления описываются передаточной функцией, как для ТРД одновальной схемы.

(2.1)

где - коэффициенты усиления двигателя и регулятора; постоянные времени двигателя и регулятора.

Передаточная функция замкнутой системы по управляющему воздействию

(2.2)

Передаточная функция двигателя по каналу низкого давления имеет вид

(2.3)

Если в канале регулирования использовать изодромный регулятор, то характеристическое уравнение замкнутой системы имеет четвертый порядок. В общем случае область устойчивости системы с регулятором несколько меньше, чем с регулятором

Известны САР ГТД воздействующие на один регулирующий фактор - расход топлива в камере сгорания ГТД, содержащие измерители входных параметров, элементы сравнения и исполнительный механизм, причем сигнал с регулятора температуры газа непосредственно действует на настройку регулятора частоты вращения ротора ГТД.

Недостатком такой схемы является уменьшение запасов устойчивости, уменьшение допустимых коэффициентов усиления в канале управления, ухудшение статической и динамической точности регуляторов при совместной работе каналов. Для устранения отрицательного влияния взаимодействия регуляторов на характеристики САР с одним регулирующим фактором применяют системы, которые помимо каналов управления и регулирования содержат еще и селектор, позволяющий исключить зону совместной работы регуляторов и тем самым улучшить характеристики системы в целом.

Селекторы обеспечивают во всех условиях работы системы воздействие на регулирующий фактор только одного регулятора, включаемого в работу в зависимости от режима работы двигателя. В этом случае каждый из каналов управления работает автономно, и его параметры могут выбираться без учета взаимодействия с другими регуляторами. Обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр двигателя, наиболее приблизившийся к величине, определяемой задающим воздействием регулятора (программой регулирования). Например, при управлении ГТД путем изменения расхода топлива в основную камеру сгорания на максимальных режимах работы двигателя, для того, чтобы все регулируемые параметры не превысили максимально допустимых значений (ограничение сверху), селектор должен пропустить на управление дозирующим устройством сигнал, соответствующий получению минимальной величины G_T . Классифицируя по требуемой величине регулирующего фактора, такое селектирование называют селектированием по минимуму, а селектор - селектором минимальных сигналов управления (селектор min). С помощью селектирования по минимуму определяется очередность выполнения программ регулирования n_max=const, T₄*=const, программы регулирования при приемистости и ряда других. Если же ограничивают минимальные значения параметров (ограничения снизу), то предпочтение отдается регулятору параметра, для поддержания которого требуется наибольший расход топлива, то есть осуществляется селектирование по максимуму (селектор max). Такой принцип применяется для согласования с регуляторами сброса газа, ограничения снизу расхода топлива.

Применение селекторов, устраняющих зону совместной работы, позволяет сохранить статическую точность и запасы устойчивости регулирования, свойственные автономным регуляторам параметров. Взаимодействие каналов управления при этом сохраняется на переходных режимах, характер которых зависит от программ регулирования, способов селектирования и динамических свойств регуляторов.

Наиболее близкой к требуемым характеристикам является САР ГТД, содержащая в своем составе измерители частоты вращения n, температуры газа за турбиной T₄*, регуляторы этих параметров, селектор минимума, исполнительное устройство, воздействующее на расход топлива G_Т ГТД.

Структурная схема САУ представлена на рисунке 12, где P_n , P_T - регуляторы частоты вращения и температуры соответственно; Сел. min - селектор минимума; ИУ - исполнительное устройство; ГТД - газотурбинный двигатель; И_n, И_T - измерители частоты вращения и температуры газа соответственно.

Рисунок 12 - САУ ГТД с селектором

Работа селектора минимума описывается выражением:

(2.4)

или с учетом разности входных сигналов:

= U₁ - U₂

следующим образом:

.

Передаточные функции разомкнутых каналов:

W_I (p)=W_n(p)W_ИУ(p)H_n(p)W_Иn(p);

W_II (p)=W_T(p)W_ИУ(p)H_T(p)W_ИT(p).

Причем возможно, что:

W_I(p)=W_II(p)=W(p).

ГТД имеет различные динамические характеристики по выходным параметрам относительно расхода топлива, а именно:

по частоте вращения ротора передаточная функция ГТД

;

по температуре газа за турбиной передаточная функция ГТД

,

где - коэффициент передачи по n; - коэффициент передачи по T₄*;

A(p), B(p), D(p) - полиномы, зависящие от конструктивных особенностей ГТД.

Порядок полинома А(p) на единицу меньше порядка полинома D(p), а порядок полинома B(p) равен порядку полинома D(p). Следовательно, как видно из передаточных функций H_n(p) и H_T(p) газотурбинный двигатель является инерционным звеном по частоте вращения и практически безинерционным по температуре газа

Передаточная функция исполнительного устройства:

, (2.5)

где К_ИУ - коэффициент передачи ИУ; Т_ИУ- постоянная времени ИУ, то есть, исполнительное устройство является изодромным звеном.

При этом:

;

,

где К₁ - коэффициент передачи цепи: исполнительное устройство - ГТД по частоте вращения ротора; К₂ - коэффициент передачи цепи: исполнительное устройство - ГТД по температуре газа; Т₂ - постоянная времени цепи: исполнительное устройство - ГТД по температуре газа.

Для получения необходимого качества регулирования частоты вращения и температуры газа, регуляторы этих параметров должны иметь следующие передаточные функции:

передаточная функция регулятора частоты вращения ротора ГТД:

, (2.6)

передаточная функция регулятора температуры газа:

, (2.7)

где K_n - коэффициент передачи регулятора частоты вращения; K_T - коэффициент передачи регулятора температуры газа; T_T = T₂ - постоянная времени регулятора температуры газа.

Поведение U_Т, а следовательно, и Т₄* представлено на рисунке 13. Как видно из рисунка данная САР имеет низкую динамическую точность и заброс по температуре газа за турбиной Т₄*. Для устранения этого недостатка, который заметно снижает ресурс ГТД, в структурную схему САР ГТД необходимо ввести корректирующие цепи, обеспечивающие более раннее переключение селектора на канал температуры и устранение заброса.

Рисунок 13 - САУ с корректирующим устройством и без него

Устранение заброса по температуре газа в данной САР осуществляется путем коррекции задающего воздействия, поступающего на вход регулятора температуры, причем эта коррекция осуществляется только при работе САР в режиме регулирования частоты вращения, а в режиме регулирования температуры газа она выключается, не нарушая тем самым работу регулятора.

На основе изученной информации, можно сделать вывод, что существует множество видов систем регулирования ГТД, но принцип их построения и функционирования мало, чем отличаются один от другого. На основе этих принципов и будет проектироваться данная система. Она будет аналого-цифровая. Т.е. система измерения будет цифровой, а система регулирования аналоговой. Это объясняется тем, что аналоговые устройства более надежны, но цифровые более точны. Система измерения может быть преобразована в систему управления путем добавления ЦАП в обратную связь и перепрограммированием микропроцессора.

1.4.2 Структурная схема разрабатываемой системы и ее описание

Структурная схема будет иметь вид как в приложении 1. Структурная схема состоит из трех блоков:

1. Блок регулирования:

а. регуляторы частот вращения роторов низкого и высокого давлений, температуры;

б. датчики частоты вращения роторов высокого и низкого давлений, а также температуры газов за турбиной высокого давления;

в. электронный селектор минимума;

г. электронный селектор максимума;

д. блок ограничения ;

е. исполнительное устройство.

2. Резервная система индикации:

а. ключ;

б. частотомер;

в. индикаторы.

3. Система измерения и индикации:

а. коммутатор;

б. аналого-цифровой преобразователь;

в. микропроцессор;

г. преобразователь в интерфейс RS-232;

д. монитор.

Схема представляет собой систему автоматического регулирования и отображения информации, с резервной системой отображения информации для повышения надежности для двух вального двигателя. Расход топлива регулируется по трем каналам, это канал частоты вращения роторов высокого и низкого давлений, а также канал регулирования температуры газов за ротором высокого давления. Датчики снимают сигналы соответствующие им и передают их на регуляторы. Причем формирование установочного значения происходит в зависимости от и . Далее с помощью селектора минимума исключается взаимное влияние трех каналов. Селектор максимума предотвращает тушение пламени в камере сгорания. Далее сигнал поступает на исполнительное устройство электромагнитного типа, которое управляет расходом топлива, а, следовательно, частотой вращения и температурой.

Система измерения представляет собой микропроцессорную систему. Коммутатор коммутирует аналоговые сигналы и передает его на аналого-цифровой преобразователь, далее сигнал обрабатывается микропроцессором и выдается на экран.

Резервная система индикации частоты вращения включает в себя ключ, который позволяет экономить место, частотомер, индикаторная система отображения информации.

Размещено на Allbest.ru