Введение к работе
Актуальность темы
Отличительной особенностью перспективных ГТД является рост числа регулируемых параметров и регулирующих воздействий, расширение диапазона условий работы и эксплуатационных режимов. Это приводит к необходимости повышения значений параметров рабочего процесса, увеличения точности их поддержания, ужесточения требований к системам автомагического управления.
Решение задач управления перспективными ГТД немыслимо без использования цифровых САУ. Применение цифровых САУ позволяет реализовать стратегическую идею построения систем управления -интегрированное управление режимами работы силовой установки и самолёта. Важнейшими характеристиками САУ ГТД являются мяогоевязность, многорсжимиость, многофункциональность, адаптивность, отказоустойчивость и иктсгрпровапкссть. Различным аспектам проектирования САУ ГТД посвящены работы таких ученых как В.Г. Авгус-тинович, В.А. Боднер, В.И. Васильев, Ф.Д. Гольберг, О.С. Гуревич, Ю.М. Гусев, В.Т. Дедеш, В.Н. Ефанов, Б.Г. Ильясов, Ю.С. Кабальнов, В.Г. Крымский, Г.Г. Куликов, Т.С. Мартьянова, Б.Н. Петров, В.Ю. Ругковский, О.Д. Селиванов, С.А.Сиротин, Б.А. Черкасов, В.Н. Черноморский, Ф.А. Шаймарда-нов, А.А. Шевякоз, O.K. Югсз и других. Однако не все проблемы, относящиеся к построению САУ ГТД, мояшо считать решенными в достаточной степени. В частности, сказанное можно отнести к методам и средствам обеспечения статической и динамической точности управления в широком диапазоне изменения параметров многорежимного объекта, а также при смене режимов его работы. В работах О.С. Гургвича, Ф.Д. Гольберга, О.Д. Селиванова рассматриваются проблемы интегрированного управления, одной из которых является решение задач управления собственно двигателями. Задачи понимаются как такое управление рабочим процессом двигателя, которое позволяет выполнить требования к силовой установке, предъявляемые на различных этапах полёта, и осуществить адаптацию характеристик двигателя к задачам полёта. Вопросы, решаемые в рамках рассматриваемого направления: оптимизация способов управления двигателем на установившихся режимах работы силовой установки на типовых участках полёта по тяговым и экономическим характеристикам в изменяющихся условиях эксплуатации; разработка методов и алгоритмов адаптивного управленій двигателем на переходных режимах для улучшения или сохранения неизменными динамических свойств по тяге, повышения запасов газодїпіамической устойчивости, экономии ресурса и т.п. в широком диапазоне условий полета и режимов работы двигателя.
Вопросы оптимального управления самолётом и его силовой установкой тесно связаны с обеспечением точного выдерживания оптимальных
законов. При реализации законов управления обычно возникают погрешности, и самые совершенные законы могут не дать ожидаемого эффекта, если не будет обеспечено достаточно точное их выполнение. Требования к точности поддержания параметров вытекают как из потребных характеристик интегрированной системы, так и из свойств самого двигателя. Особенно жёст-кими являются требования к точности поддержания температуры газа. Кроме статической погрешности, на уменьшение ресурса ГТД большое влияние оказывает динамическая погрешность регулирования, обусловленная инерционностью и нестационарностью измерительного канала температуры газа за турбиной (Тт ). Максимальная ошибка в измерении и регулировании Тт возникает при резких ее изменениях, на которые термопара реагирует с большим запаздыванием. Для перспективных ГТД требуется обеспечить собственную инерционность измерительного канала температуры газа не более (0,05...0,2) с. Поскольку неточное знание динамических характеристик термопар вносит неопределенность в САУ Тт, то именно в этом канале регулирования естественным является применение адаптивных средств компенсации динамической погрешности.
Современное направление развития САУ ГТД связано с многорежимным, адаптивным и интегрированным управлением. Изменяя свои характеристики от режима к режиму, адаптируясь к изменению условий полета, возмущениям, отказам, САУ силовой установкой позволяет выполнить задачу полета в целом. Однако еще недостаточно полно решены вопросы многорежимности САУ ГТД в части обеспечения качества процессов перехода с режима на режим, минимизации взаимного влияния режимов друт на друга, обеспечения помехоустойчивости при принятии решения о смене режима. Это, в частности, относится к многорежимным САУ, содержащим в качестве контроллера режимов низшего уровня селекторы алгебраических величин, нашедшие широкое применение в практике построения САУ ГТД.
Целью создания адаптивных САУ является выдерживание принятого функционала качества в заданных пределах при работе системы в условиях неопределенности. В качестве адаптивных для построения каналов управления в многорежимных САУ ГТД могут быть, в частности, использованы системы с переменной структурой (СПС). Потенциально они обладают рядом достоинств (двукратная инвариантность, возможность сравнительно просто задавать требуемые траектории движения в фазовом пространстве, небольшой объем требуемой априорной информации), что и привлекает к ним внимание. Однако, несмотря на множество публикаций, практика применения СПС для управления авиационным ГТД в рамках классических структур в целом оказалась неудачной из-за низкой частоты переключений в скользящем режиме. Поэтому актуальной является задача разработки и исследования новых структурных решений, использующих преимущества движения в скользящем режиме и повышения частоты скользящего режима при
обеспечении устойчивости и высокого качества процессов управления на всех рабочих режимах.
Практическое достижение высоких показателей качества управления при использовании адаптивных алгоритмов, структурных решений по построению контроллеров режимов и измерительных каналов может оказаться под вопросом, если при технической реализации точность передачи, преобразования, хранения и обработки информации будет недостаточной. При использовании БЦВМ наиболее уязвимыми с точки зрения потери точности являются каналы связи с объектом управления. Поэтому важно использовать аппаратные и злгор!Ггмические методы повышения точности ввода информации в БЦВМ.
Таким образом, решение проблемы построения адаптивных САУ ГТД с селектированнем режимов в рассмотренных выше аспектах, а именно, обеспечение: смены режимов с минимальными динамическими и статігчсекіши сшибка;»;;; высокого качесгва управления и рамках выбранного режима; точной технической реализации законов управления режимами, - позволяет увеличить ресурс двигателя, его надежность в эксплуатации, повысить тактико-технические характеристики и снизить эксплуатационные расходы, а, следовательно, имеет важное народнохозяйственное значение и является актуальным для отечественного авиадвигателестроения.
Цель, задачи и методика исследований
Целью работы является разработка и исследование методов, алгоритмов и технических средств построения адаптивных систем автоматического управления авиационными двигателями с селекгированием режимов, обеспечивающих повышение статической и динамической точности управления, и внедрение предложенных технических решений в современные и перспективные цифровые САУ ГТД.
Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка теоретических основ моделирования многосвязных САУ с селекгированием режимов на основе построения их эквивалентных динамических моделей, обеспечивающих исследование устойчивости, помехоустойчивости, статической и динамической точности этих систем, а также создание методов и средств повышения качества управления на режимах переключения;
-
Разработка и исследование новой структуры адаптивных систем - СПС с нелинейным коммутируемым фазосдвигающим фильтром (НКФ), обеспечивающих необходимый компромисс между сохранением адаптивных свойств и требованием обеспечения высокой динамической точности, и разработка методики анализа и синтеза регуляторов в данном классе систем для управления режимами работы ГТД;
-
Разработка методов синтеза и технических решений адаптивных изглерительных каналов САУ ГТД;
-
Разработка структурных решений и методик проектирования контура управления температурой газа за турбиной ГТД на основе адаптивного измерительного канала;
-
Разработка методов синтеза и исследование контуров управления температурой газа за турбиной и скольжения роторов ТРДДФ на основе регуляторов с переменной структурой с нелинейным коммутируемым фильтром;
-
Разработка алгоритмических и аппаратных средств повышения точности реализации законов управления в цифровых САУ авиационными ГТД;
-
Экспериментальные исследования и внедрение полученных теоретических результатов в конкретных системах управления и идентификации характеристик авиационных двигателей.
При решении сформулированных задач использовались методы и математический аппарат линейной алгебры, дифференщшьных и интегральных уравнений, операционного исчисления, теории многосвязного управления, теории адаптивных систем, теории чувствительности, теории нелинейных систем, теории нестационарных лилейных систем, теории идентификации, теории комплексирования, теории авиационных силовых установок, теории интегрированного управления. Моделирование разработанных с учвстием автора систем управления и их подсистем проводилось на современных аналоговых, гибридных и цифровых вычислительных машинах с использованием специально разработанных пакетов программ и в пакете Matlab with Simulink 1.2. Полунатурные испытания этих систем проводились на стендах УНПП "Молния" и ПАКБ. Наземные испытания были проведены в ТМКБ " Союз", НПО им. В Л. Климова и ПМКБ. Летные исследования проводились в ЛИИ им М.М. Громова.
Результаты, выносимые на защиту
-
Эквивалентная динамическая модель многосвязной САУ с селекгированием режимов; методика анализа устойчивости, статической и динамической точности, помехоустойчивости многосвязных САУ с селектированием режимов; методика синтеза этого класса систем на основе требований к статической и динамической точности.
-
Структурные решения адаптивной САУ на основе регулятора с переменной структурой (РПС) с нелинейным коммутируемым фильтром (НКФ), результаты анализа и методика синтеза.
-
Методы синтеза и структурные схемы адаптивных измерительных каналов электронных аналоговых и цифровых САУ ГТД.
4. Способы построения и структурные схемы адаптивных злектроїшьгх
аналоговых и цифровых регуляторов САУ ГТД.
-
Алгоритмы и технические средства повышения точности цифровых САУ ГТД.
-
Результаты экспериментальных исследований и внедрения.
Научная новизна
Новыми являются разработанные автором:
1. Расчетная эквивалентная модель многосвязных систем управления с
селек-тированием режимов, на основе которой определены условия
устойчивости, проведен анализ статической и динамической точности,
помехоустойчивости; методика синтеза корректирующих устройств и контура
адаптации в мкогесвязпой САУ с селектированием режимов; методика анализа
влияния помех в одном из каналов на статическую погрешность в другом и
структурное решение на основе астатического корректора, обеспечивающее ее
подавление.
-
Структурные схемы адаптивных САУ — СПС с нелинейным коммутируемым фазосдвигаюдшм фильтром (НКФ), обеспечивающие высокую динамическую и статическую точность управления в диапазоне условий работы двигателя, характерно?.! для многорежимного ЛА; методика синтеза параметров СПС с НКФ в отдельных каналах САУ ГТД; способы и структуры включения РПС в САУ с селектированием режимов; сценки ВЛИЯН1И помех и цифрового способа реализации на качество процессов в СПС с НКФ; структуры комбинированных и адаптивных СПС с НКФ, обеспечивающих эффективное подавление сигнальных и параметрических возмущений.
-
Адаптивные алгоритмы и технические средства повышения точности измерительных каналов САУ ГТД; методы синтеза адаптивных измерительных каналов (АПК) температуры газа на основе:
-самонастройки с эталонной моделью и обратного оператора; -самонастройки с идентификацией постоянной времени термопары пробным сигналом специальной формы и обратного оператора; -самонастройки с эталонной моделью, обратного оператора и комплексирования;
-информации о параметрах квазискользящего режима, -на базе которых спроектированы адаптивные высокоточные измерители и регуляторы температуры газа; алгоритм построения и структурная схема измерительного канала, позволяющие с высокой динамической точностью определять значение приведенной частоты вращения на переходных режимах, вызванных возмущениями по температуре на входе в двигатель; алгоритмы работы и структурные схемы устройств, восстанавливающих информацию о быстроменяющихся температурах на основе идентификации постоянной времени термодатчика.
4. Структурные схемы адаптивных каналов регулирования температуры
газа за турбиной: на базе АИК с эталонной моделью и обратным оператором,
на базе адаптивных систем с переменной структурой с НКФ; структуры
аналоговых и цифровых САУ ГТД на базе СПС с НКФ и методика расчета
параметров регуляторов в канале регулирования скольжения роторов ТРДДФ.
5. Принцип повышения точности измерительного канала в аппаратуре
идентификации частотных характеристик ГТД на летающей лаборатории,
заключающийся в мультипликативном и аддитивном смещении спектров
частотных сигналов; аппаратные и алгоритмические средства повышения
точности измерительных каналов постоянного и переменного тока цифровых
САУ ГТД.
Новизна предложенных технических решений защищена 59 авторскими свидетельствами СССР и 2 свидетельствами на полезную модель РФ.
Практическая ценность и внедрение результатов работы
Практическую ценность имеют полученные автором:
-
Методика синтеза САУ с селектированием режимов, позволяющая обеспечить высокую динамическую и статическую точность управления.
-
Методика синтеза регуляторов режимов ГТД на базе алгоритмов переменной структуры с НКФ; способы построения и структуры контуров регулирования температуры газа и скольжения роторов ТРДДФ на базе разработанных алгоритмов, отличающиеся высокой точностью управления.
-
Методика синтеза адаптивных измерительных каналов на базе самонастройки, идентификации и комплексирования.
-
Методика синтеза адаптивного регулятора температуры газа на базе адаптивного измерительного канала.
5. Методика проектирования бортовых преобразователей сигналов с частотных
датчиков параметров ГТД, предназначенных для снятия частотных
характеристик двигателя на различных режимах его работы на летающей
лаборатории; способы построения и структурные схемы измерительных
каналов постоянного и переменного тока, обеспечивающие необходимую
точность реализации законов управления в цифровых САУ ГТД.
Методика расчета САУ с селектированием режимов внедрена на УНПП "Молния" и использована для анализа качества САУ изделия "27".
Адаптивные регуляторы температуры газа с переменной структурой с НКФ реализованы в виде электронных макетных образцов и испытаны на полунатурных стендах и на изделиях "48" и "77". В сравнении со штатными регуляторами температуры на различных переходных режимах получено уменьшение забросов температуры газа в 2...6 раз.
АИК температуры газа реализован в виде агрегата СИТ-1, прошедшего успешные стендовые (ТМКБ "Союз") н летные (ЛИИ) испытания на изделии "88". Погрешность оценки температуры газа на переходных режимах
относительно показаний малоинерционных термопар составила не более 30С (погрешность штатных измерителей составляет 120С). СИТ-1 внедрен в ЛИИ.
САУ температуры газа, построенная на основе АИК, реализована в составе экспериментального агрегата БПР-88-4с разработки УНПП "Молния"и прошла стендовые и летные испытания на изделии "88". Получено повышение динамической точности на полных, частичных и форсажных приемистостях, при розжиге форсажной камеры и других возмущениях в части уменьшения забросов температуры газа практически полностью, забросов расхода основного топлива - на 20%, забросов температуры лопаток - в 2...3 раза по сравнению со штатной САУ. Алгоритм САУ температуры газа в составе экспериментальной цифровой САУ ЭСУ-21 прошел успешные испытания на моторном стенде НПО им. В Л. Климова.
Адаптивный канал регулирования скольжения роторов на основе РПС с НКФ реализован в виде электронного блока, подключаемого к агрегату БПР-88-4с, и в виде цифрового алгоритма САУ ЭСУ-21. На приемистостях показано уменьшение величин провалов по частоте вращения и положению створок реактивного сопла, количества колебаний и времени регулирования в 1,5-2 раза, увеличение запаса устойчивости по коэффициенту усиления в 3 раза по сравнению со штатными регуляторами.
Методики расчета указанных типов САУ внедрены на предприятиях УНПП "Молния", ТМКБ "Союз" и в ЛИИ; структурные схемы САУ и соответствующее программное обеспечение внедрены в макетные образцы и экспериментальные агрегаты БПР-88-4с и ЗСУ-21. Предприятие "Завод им. В.Я. Климова" считает целесообразным использование разработанных методик расчета, структурных схем и соответствующего программного обеспечения при проектировании САУ перспективных двигателей.
Алгоритмы и технические решения по повышению точности измерительных каналов частотных сигналов реализованы в виде серии приборов, включенных в состав контрольно-измерительной аппаратуры летающей лаборатории, и внедрены в ЛИИ им. М.М. Громова. Предложенные структуры преобразователей информации, схема цифрового селектора и структура специализированного цифрового вычислительного устройства внедрены в серийно выпускаемые системы управления ЭСУ-2 и ее модификации, устанавливаемые на двигателях самолетов Лк-42, Ан-72, Ан-74, и в ЭСУ-18, устанавливаемые на двигателях самолетов Ан-124 и Ан-224.
Связь исследований с научными программами
Диссертационная работа выполнена на кафедрах "Авиационное приборостроение" и "Вычислительная техника и защита информации" Уфимского государственного авиационного технического университета и в Отраслевой лаборатории электронной автоматики авиационных силовых установок Минавиапрома (1980-1990п\), в соответствии с постановлениями ВПК СССР и с координационным планом НИР АН СССР на 1981—1985 годы по проблеме "Управление движением и навигацией", а также в соответствии с
Федеральной целевой программой "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальных наук на 1997-2000гг." и Программой поддержки научных исследований в области технических наук Академии наук Республики Башкортостан. Результаты работы являются составной частью выполненных НИР по темам №3-11-74, №3-21-81, №3-22-81, №6-04-86 и договоров о творческом сотрудничестве с рядом предприятий авиационной промышленности (УНПП "Молния", ТМКБ "Союз", НПО им. В.Я. Климова, ЛИИ им.М.М. Громова).
Апробация и публикации
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались более чем на 30 научных конференциях, совещаниях, семинарах и симпозиумах различного уровня, проводившихся в нашей стране и за рубежом, в том числе, на региональных (Куйбышев, 1971; Киев, 1978; Пермь, 1978; Ташкент, 1980; Киев, 1985; Уфа, 1994), отраслевых (Жуковский, 1978; Москва, 1979; Уфа, 1991), Всероссийских ( Уфа, 1993; Москва, 1996), Всесоюзных (Киев, 1976; Ульяновск, 1978; Москва, 1978; Львов, 1978; Тула, 1979; Казань, 1980; Харьков, 1980; Львов, 1981; Москва, 1983; Киев, 1985; Суздаль, 1990), международных (Саранск, 1997; Уфа, 1999; Санкт-Петербург, 1999; Хайфа, 1999), а также на ряде других региональных , межвузовских и университетских НТК.
Всего по теме диссертации опубликовано І30 печатных работ, в том числе, 1 монография (в соавторстве), 1 учебное пособие, 3 главы (95 стр.) в учебнике для ВУЗов А.Н.Синякова, Ф.А. Шаймарданова «Системы автоматического управления ЛА и их силовыми установками».—М.: Машиност-роение, 1991.—320с, 26 статей в центральной печати и межвузовских сборниках научных трудов, 36 тезисов международных, Всесоюзных, Всероссийских и республиканских конференций, 59 авторских сбй ателье < в СССР и 2 с^имєтєльствіі ни полезною модель РФ из mix 19 внедрено на предприятиях авиационной промышленности и в учебный процесс УГАТУ.
Благодарности
Автор выражает искреннюю признательность д-ру техн. наук, проф.
Васильеву В.И., д-ру техн. наук, проф. Шаймарданову Ф.А., сотрудникам
Отраслевой лаборатории электронной автоматики авиационных силовых
установок и кафедры "Вычислительная техника и защита информации"
УГАТУ, работникам предприятий авиационной промышленности,
участвовавшим в проведении экспериментальных исследований на стендах и летающей лаборатории, за неоценимую помощь и поддержку при выполнении данной работы.