Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование принципов построения интегрированных систем автоматического управления силовой установкой вертолета
1.1. Анализ новых направлений развития систем автоматического управления газотурбинными двигателями 13
1.2. Анализ принципов структурной организации, функционального состава, программ и алгоритмов управления САУ ТВГТД 27
1.3. Анализ принципов интеграции системы управления много двигательной силовой установкой вертолета 51
Основные результаты и выводы по первой главе. Постановка задачи исследования 63
Глава 2. Синтез интегрированной системы управления многодвигательной силовой установкой вертолета 66
2.1. Разработка математической модели системы синхронизации режимов работы двух турбовальных двигателей с редуктором и двухрядным винтом
2.2. Разработка алгоритма синхронизации режимов работы двигателей силовой установки вертолета 82
2.3. Синтез интегрированной системы управления силовой установкой вертолета по комплексу внутридвигательных параметров
Глава 3. Разработка метода синтеза алгоритма управления двигателями вертолета на основе принципа нечеткой стабилизации 10
3.1. Разработка метода синтеза многорежимной системы управления двигателями вертолета при случайном изменении режимов управления
3.2. Синтез многорежимной системы управления двигателем вертолета в условиях структурной неопределенности 109
3.3. Синтез многорежимной системы управления двигателем вертолета в условиях структурной и параметрической неопределенности 127
Глава 4. Оценка эффективности интегрированной системы управления силовой установкой вертолета Ка-226Т на базе двига телей ARRIUS2G 140
4.1. Описание интерфейса программного комплекса иссле дования интегрированной многодвигательной силовой установки вертолета 140
4.2. Исследование системы синхронизации режимов работы двигателей силовой установки вертолета 149
4.3. Исследование многорежимной системы управления двигателями вертолета при случайном изменении структуры управляющей части 156
4.4. Исследование многорежимной системы управления двигателем вертолета в условиях структурной и параметрической неопределенности 162
Заключение 174
Список использованных источников
- Анализ принципов структурной организации, функционального состава, программ и алгоритмов управления САУ ТВГТД
- Разработка алгоритма синхронизации режимов работы двигателей силовой установки вертолета
- Синтез многорежимной системы управления двигателем вертолета в условиях структурной неопределенности
- Исследование системы синхронизации режимов работы двигателей силовой установки вертолета
Анализ принципов структурной организации, функционального состава, программ и алгоритмов управления САУ ТВГТД
Использование поузловых термогазодинамических моделей двигателей обеспечивает возможность управления двигателем по расчетным параметрам, непосредственно характеризующим его рабочий процесс, но не доступным по тем или иным причинам для непосредственного измерения. В результате в составе структурной схемы системы управления наряду с контурами регулирования по «реальным» параметрам двигателя, измеряемым аппаратными датчиками, появляются, как это показано на рис. 1.3, контуры регулирования по «виртуальным» параметрам, рассчитываемым в бортовой модели [54].
Структурная схема системы управления двигателем со встроенной математической моделью
Контуры регулирования по «реальным» и «виртуальным» параметрам тесно взаимодействуют друг с другом. В частности, в контурах регулирования по «виртуальным» параметрам - запасу газодинамической устойчивости компрессора АКу и температуре газа перед турбиной Тг, используются дос тупные для измерения параметры рабочего процесса, косвенно характеризующие величины АКу и Тг. В качестве таких параметров могут применяться комплекс GT \ рк Т х и температура газа за турбиной Ту. В свою очередь, при отказах датчиков регулируемых параметров пк, рк и Тт производится замена сигналов измерения значениями соответствующих параметров, рассчитываемых в бортовой модели.
Наибольшую сложность при использовании в составе систем управления термогазодинамических моделей двигателей представляет обеспечение заданной точности расчетов во всей области эксплуатационных характеристик, а также в случае изменения характеристик отдельных узлов [98]. Это требует применения достаточно сложной процедуры идентификации модели, для реализации которой необходимы вычислительные ресурсы, зачастую превышающие затраты на реализацию самой модели [99]. Все это ограничивает на сегодняшний день сферу использования бортовых математических моделей двигателей.
Массовое использование на борту современных самолетов электронных и электромеханических устройств привело к созданию концепции «полностью электрического» самолета (ПЭС) и «электрического» газотурбинного двигателя (ЭГТД) для него. Эта концепция предполагает применение электрической энергии во всех системах ЭГТД, где в настоящее время еще работают гидравлические и пневматические устройства. «Электрический» ГТД не имеет коробки приводов, исключен отбор воздуха из двигателя на самолетные нужды. В его системах используются электрические устройства для привода насосов топливной системы и органов механизации газового тракта двигателя. Использование регулируемого электропривода в топливной системе позволяет дозировать топливо в камеру сгорания без специального дозатора, поскольку расход топлива в этом случае определяется частотой вращения насоса. Меняется и система подачи топлива из-за отсутствия жесткой связи между частотой вращения вала двигателя и ротора насоса. В связи с этим отпадает необходимость в устройствах перепуска и дросселирования для согласования расхода топлива на выходе насоса с потребностями двигателя. В системе электропривода направляющих аппаратов компрессора уменьшается количество прецизионных золотниковых пар, сокращается число соединений в топливных магистралях, и, как следствие, снижается пожа-роопасность, поскольку в силовых гидроцилиндрах не используется керосин. В целом, более свободное размещение электроприводных агрегатов, кабелей и трубопроводов, помещение высокооборотного стартера-генератора и исключение коробки приводов позволяет уменьшить габариты и мидель двигателя. Так масса и мидель двигателя уменьшаются в среднем на 10% - 20%, на 2% - 3% повышается топливная экономичность, кроме того, повышается надежность в связи с возможностью организации более качественного контроля и диагностики двигателя, уменьшаются вредные выбросы в атмосферу, на 10%-15% снижается трудоемкость изготовления, уменьшаются затраты на эксплуатацию двигателя. При этом функции системы автоматического управления ЭГТД существенно расширяются для обеспечения управления его электрическими устройствами: встроенным стартером-генератором, электрическими приводами насосов в системах топливопитания и смазки, а также электропневмоклапанами агрегатов механизации газовоздушного тракта двигателя.
Многие из перечисленных направлений в области управления и аппаратурной реализации систем автоматического управления газотурбинными двигателями находят отражение при разработке перспективных систем тур-бовальных ГТД (ТВГТД) для скоростных вертолетов. Рассмотрим основные отличительные особенности этого класса ГТД, влияющие на выбор принципов управления силовыми установками, построенными на базе таких двигателей.
Турбовальный двигатель отличается от ТРД традиционной конструк тивной схемы тем, что вся турбина делится на две части, между собой механически несвязанные [29], [49], [121]. Первая часть турбины - турбина турбокомпрессора приводит во вращение компрессор двигателя. Вторая часть турбины - свободная силовая турбина приводит во вращение движитель вертолета и другие агрегаты. Наличие свободной силовой турбины существенно отражается на закономерностях взаимного влияния элементов двигателя, способах регулирования и конструктивных формах. В состав ТВГТД, как это показано на обобщенной конструктивной схеме, входят следующие агрегаты: воздухозаборник (ВЗ), осевой компрессор (ОК), камера сгорания (КС), турбина компрессора (ТК), свободная (силовая) турбина (СТ), выходное устройство (ВУ).
Разработка алгоритма синхронизации режимов работы двигателей силовой установки вертолета
Большинство существующих методов синтеза в различной степени учитывают указанные требования. В случае, когда процедура синтеза формирует систему управления с заданным комплексом свойств, говорят о синтезе многофункционального и многорежимного управления [3], [4], [17], [51], [77].
Достижение общесистемной глобальной цели функционирования многофункциональной и многорежимной интегрированной системы управления силовой установкой вертолета с распределенной структурой оказывается невозможным без обеспечения желаемого поведения выходных переменных локальных подсистем управления каждым из двигателей при отработке управляющих и возмущающих воздействий. Эта задача не является тривиальной из-за сложного характера внутрисистемных взаимодействий, связанных с работой обоих двигателей на общую нагрузку, которая сама по себе представляет сложный динамический объект, включающий трансмиссию, редуктор и систему соосных винтов изменяемого шага. Методы синтеза, которые позволяют решать подобные задачи, можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся методы синтеза, обеспечивающие заданный вид общего для всей системы свободного движения [2], [5], [31]. Вторая группа включает методы синтеза, позволяющие достигнуть глобальной цели за счет обеспечения желаемых временных характеристик отдельных подсистем [6], [13], [19].
Характеризуя группу методов, базирующихся на децентрализованном управлении локальными подсистемами, необходимо отметить следующие существенные обстоятельства. Во-первых, такой подход неизбежно приводит к чрезмерному увеличению размерности задачи. Поясним сказанное на простом примере. В трехканальной системе управления силовой установкой, включающей два канала регулирования частот вращения и один канал синхронизации, при учете управляющих и возмущающих воздействий применительно к двум возможным режимам работы число учитываемых реакций достигает тридцати шести. Во-вторых, при использовании локальных критериев управления, ориентированных на обеспечение совместной работы отдельных подсистем силовой установки, остается открытым вопрос о схеме компромисса, определяющей характер предпочтения показателей функционирования одних подсистем перед другими [ПО], [111]. Не менее важным оказывается вопрос о допустимой величине уступок, устанавливающих пределы снижения показателей качества функционирования подсистем в составе интегрированной системы вертолета сравнению с их величинами при автономном функционировании двигателей. Очевидно, что после достижения определенного порогового значения дальнейшее снижение качества выполнения собственных функций какой-либо из локальных подсистем с целью достижения глобальной цели управления может привести не только к ухудшению функционирования этой подсистемы, но может вызвать недопустимые режимы работы силовой установки в целом.
Применяемые при этом способы согласования динамических характе ристик взаимодействующих подсистем управления каждым из двигателей, предусматривают, как это было показано ранее, введение надсистемных перекрестных каналов связи с целью компенсации несогласованного взаимодействия двух DECU. Однако, в силу сложности структурной организации системы, такой подход характеризуется приближенным учетом взаимодействия между отдельными подсистемами при их совместном функционировании в составе ИСАУ СУВ, что предполагает экспериментальную настройку структуры и параметров управляющей части при стендовых испытаниях силовой установки [137], [138]. Это приводит к затягиванию этапа технической доводки систем управления и дополнительному расходованию материальных ресурсов.
Обобщая сказанное, можно сделать вывод о том, что функциональная разрозненность локальных критериев управления при отсутствии интегрированного показателя не позволяет достичь полного согласования характеристик мощности взаимодействующих двигателей силовой установки вертолета и, тем самым, не обеспечивает высокого качества функционирования всей системы в целом [22], [35], [90]. Все это вынуждает отказываться от использования характеристик отдельных подсистем в пользу обеспечения некоторого интегрального показателя. В качестве такого обобщенного показателя часто используют характеристический полином замкнутой системы [100]. Распределение корней характеристического полинома на комплексной плоскости задает вид свободного движения в системе. И хотя эта составляющая движения не является исчерпывающей характеристикой динамических свойств системы, она определяет такие важнейшие показатели как степень устойчивости, быстродействие, колебательный или апериодический характер переходных процессов. Методы синтеза по желаемому распределению корней характеристического имеют чрезвычайно разнообразный и универсальный характер. При использовании математических моделей в пространстве состояний эти методы относятся к классу модального управления, а при ис пользовании матриц передаточных функций для многомерных систем синтез проводится по желаемому характеристическому полиному передаточной матрицы замкнутой системы.
Об универсальности модального синтеза свидетельствует хотя бы перечень разработанных методов и алгоритмов модального управления для многомерных систем: Мейна - Map доха, Маки - ван де Вейта, Барнетта, Го-уришанкара - Ремера, Мура, Клейна-Мура, Портера - Д Аццо, Уонема, Мун-ро, Флемма, Варги, Феми - О Рейли, Каутского - Никольса - ван Дурена и многих других. Общая постановка задачи модального синтеза многомерной системы управления выглядит следующим образом [112].
Синтез многорежимной системы управления двигателем вертолета в условиях структурной неопределенности
Здесь Qk - временная область, соответствующая каждому режиму, !) -функция принадлежности системы к соответствующему режиму; _у(ЇД/(Ао) выходная реакция системы в этом же режиме.
Для формализации описания неопределенных моментов переключения режимов необходимо использовать данные, полученные по результатам эксплуатации подобных систем [72]. Однако необходимо учесть, что главным условием эффективного применения исходных эмпирических данных является большое количество однородных измерений, обеспечивающих статистическую устойчивость оценок, так как лишь в этом случае статистические моменты в пределе приближаются к соответствующим моментам случайных величин. При этом неадекватная априорная оценка характера случайного процесса изменения режима управления может привести к существенному несоответствию расчетных показателей надежности системы реальным данным, полученным по результатам эксплуатации.
При наличии небольшого объема эмпирических данных требуется специальная процедура их обработки, которая позволит снизить влияние наиболее нехарактерных, для данного ограниченного объема, данных. С этой целью могут использоваться экспертные оценки степени соответствия эмпирических данных представлениям эксперта [68], [70.].
При проведении экспертного опроса суждения специалистов могут выражаться и представляться: При выполнении п. 2.6 может быть проведен предварительный опрос экспертов с целью установления типа функции принадлежности (третий способ выражения суждений). Часто для этого семейство функций принадлежности задается в форме треугольника, трапеции и т.д. В этом случае в п. 2.6 эксперт указывает характерные точки выбранного вида функции принадлежности для параметрического ее описания. Например, для функции принадлежности треугольного вида эксперт указывает три точки, из которых две крайние имеют нулевое значение функции принадлежности, а промежуточная - единичное значение.
Четвертый и пятый способы выражения суждений экспертов основаны на том, что каждый из экспертов способен графически или аналитически задать функцию принадлежности [69]. Могут быть реализованы два подхода. Во-первых, из представленного группой управления семейства функций принадлежности эксперт может выбрать подходящую с его точки зрения и указать характерные точки или параметры. Во-вторых, изобразить функцию принадлежности в указанном масштабе или дать ее аналитическое выражение.
При выборе экспертом графика функции принадлежности из заданного набора учитывается характер оцениваемой величины: мала, мала по модулю, велика, велика по модулю, а также индивидуальные особенности экспертов (психологические доминанты: объективный, выигрывающий, осторожный, азартный, богач, бедняк, заурядный, отчаянный). Каждому из перечисленных случаев соответствует специфические семейства функций принадлежности. Для выбранной функции принадлежности эксперт должен задать соответствующие числовые параметры графиков.
Дальнейшая обработка полученной таким образом информации может быть реализована в рамках аппарата нечетких множеств с учетом вероятностной трактовки функции принадлежности. При этом следует заметить, что из всех перечисленных методов построения функций принадлежности наименее субъективным является аналитический метод. В связи с этим рассмотрим аналитический метод построения функции принадлежности, базирующийся на использовании понятия размытости нечеткого множества [73].
Функции принадлежности, являющиеся основными характеристиками нечетких множеств, используются при формализации описания плохо определенных, неоднозначно понимаемых ситуаций, объектов, понятий. При этом для оценки меры неопределенности такого описания вводится в рассмотрение показатель размытости нечетких множеств [118]. Можно выделить несколько аспектов, связанных с показателем размытости нечетких множеств. Прежде всего, это интерпретация показателя как внутренней неопределенности, противоречивости, обусловленной частичной принадлежностью объектов множеству. Второй связан с интерпретацией показателя как меры отличия нечеткого множества от обычного множества и, наконец, существования показателя, удовлетворяющего определенным свойствам, связанным со свойствами алгебры нечетких множеств.
При решении практических задач наибольшую ценность представляет первый вариант интерпретации, согласно которому показатель размытости нечеткого множества можно определить как меру внутренней неопределенности, двусмысленности объектов множества X по отношению к некоторому свойству А, характеризующему эти объекты и определяющему в X нечеткое множество объектов А. Если некоторый объект х є X обладает свойством А, но лишь в частичной мере: 0 \\.д{х) 1, то внутренняя неопределенность, двусмысленность объекта х но отношению к свойству А проявляется в том, что он, хотя и в разной степени, принадлежит сразу двум противоположным классам: классу объектов, «обладающих свойством А», и классу объектов, «не обладающих свойством А ». Эта двусмысленность объекта х по отношению к свойству А максимальна, когда степени принадлежности объекта х к обоим классам «А» и «не А» равны, т.е. LI (JC) = 0,5 И №пеА (х)= 1_ №А (Х) = 0,5. И наоборот, двусмысленность объекта минимальна, когда объект принадлежит только к одному из этих классов, т.е. либо i(.x) = l, либо ]іиеА(х) = \.
Так же в [118] были сформулированы основные свойства, которым должен удовлетворять показатель размытости и в соответствии с ними был предложен функционал, аналогичный шенноновской энтропии в теории информации.
При решении поставленной задачи разработки аналитического метода построения функций принадлежности fk(i), фигурирующих в выражении для нечеткого ожидания (3.24), будем опираться на то, что использование любой информации снижает неопределенность исследуемых состояний системы.
Исследование системы синхронизации режимов работы двигателей силовой установки вертолета
При выборе языка программирования были учтены следующие особенности разрабатываемой программы: Мобильность основывается на механизме инкапсуляции (скрытие реализации), в результате чего обеспечивается возможность использования разных аппаратных платформ с незначительными изменениями. Инкапсуляция позволяет ограничиться набором сообщений, которые «понимает» объект, путем маскирования машинно-зависимых частей программной системы. Данное свойство гарантирует, что перепрограммирование модулей при переходе на другую платформу не потребует изменений остальной части системы.
Интероперабельность базируется на двух механизмах, один из которых требует единой трактовки всех типов данных, в том числе абстрактных, второй - индивидуальной процедуры преобразования сообщения для каждой пары неодинаковых взаимодействующих программных систем. Первый механизм позволяет использовать новые типы наравне с уже существующими за счет использования абстрактных типов данных, объединяющих данные и операции для описания новых типов. Второй механизм основывается на принципах полиморфизма и динамического связывания. Поскольку разные объекты по-разному реагируют на одинаковые сообщения (полиморфизм), то в сообщении объекту должны передаваться имя действия и некоторые дополнительные аргументы сообщения. В этом случае только объект решает как это действие выполнять и от него только требуется выдать в ответ результат. Динамическое связывание используется, если значение имени (область памяти для данных или текст программы для процедур) становится известным только во время выполнения программы.
Свойства расширяемости и масштабируемости позволяют экономить значительных средств за счет замены отдельных компонентов без перестройки всей системы. Эти свойства позволяют реализовывать механизмы эволюции, постепенного развития функций систем и повторного использования программ (reusability), что увеличивает надежность, поскольку речь идет об уже отлаженных компонентах.
Дружественность к пользователю является обобщенным свойством, включающим все перечисленные выше качества. Разработка программной поддержки новых способов общения человека с машиной требует расширяемости программной системы. Быстрая смена старых и появления новых устройств человеко-машинного интерфейса обуславливает необходимость мобильности программных средств. Поскольку с точки зрения интероперабель-ности человек воспринимается как другая система, в рамках концепции открытых систем должна быть обеспечена возможность подобного взаимодействия.
Новые усовершенствованные средства Embarcadero Rad Studio 2010 гарантируют, что приложения будут одинаково выглядеть и функционировать во всех языковых версиях Windows и поддерживать как Unicode-строки, так и ANSI-строки. При этом все функции Windows API заменены на их unicode-аналоги.
Новые возможности Delphi 2010 позволяют уменьшить время передачи приложением сообщений операционной системе, редакция Delphi 2010 Professional обеспечивает локальное подключение к базам данных InterBase, Blackfish SQL и MySQL при подключении через dbExpress, развертывание Blackfish SQL в системах с одним пользователем и размером базы данных 512 МБ. С помощью этих средств обеспечиваются возможности обратного проектирования, анализа и оптимизации баз данных, создания логических и физических моделей на основе сведений, извлеченных из баз данных и файлов сценариев. Delphi 2010 дает возможность прямого проектирования путем автоматического создания кода базы данных из моделей.
Выбор системы Delphi 7 как среды разработки программного обеспечения позволил использовать такие возможности для создания сложных программ, как объектно-ориентированный подход и визуальное программирование интерфейса.
В закладке «Окна» содержится список открытых в данном сеансе диалоговых окон. Закладка «Справка» включает подпункты «Помощь» и «О программе». Первый из подпунктов позволяет вызвать справочную систему по работе с данным модулем. Второй выводит в виде окна с логотипом, отображаемым при загрузке модуля, краткие сведения о текущей программе (название модуля, версия, авторские права).
Первая закладка («Варианты»), предназначена для редактирования вариантов структур исследуемой системы. С помощью выпадающего списка выбирается тип САУ СУ, с которой работает программный комплекс. В данном случае — это система управления частотой вращения силовой турбины.
Редактирование осуществляется с помощью следующих кнопок: кнопки добавления варианта, кнопки добавления типового звена, кнопки редактирования варианта, кнопки удаления варианта. Кнопка редактирования варианта вызывает выпадение подзакладки, которая содержит список возможных альтернатив с комментариями по поводу назначения соответствующего варианта.
Закладка «Нечеткие моменты» (рис. 4.2) предназначена для ввода исходных данных о нечетких моментах времени переключения системы управления на ручной режим управления и обратного переключения на автоматический режим.
Эти данные используются в процедуре оптимизации показателей размытости нечетких множеств, экстремалями которых являются искомые функции принадлежности к возможным состояниям исследуемой системы. Данная процедура имеет два варианта - с использованием одного и двух нечетких моментов. Данная опция задается выпадающим списком. В зависимо сти от выбранного варианта подзакладка «Ввод двух моментов» обеспечивает ввод моментов первого и второго порядков для режимов прямого и обратного переключения структуры. После ввода и проверки исходных данных кнопка «Расчет» запускает процедуру оптимизации.
Закладка «Параметры объекта» обеспечивает ввод параметров заданной части системы для выбранного режима работы силовой установки. Учитывая условия параметрической неопределенности, в которых осуществляется функционирование системы управления силовой установкой вертолета, в программе предусмотрена возможность случайного разброса введенных параметров.
Модуль «Синтез интегрированной САУ СУ вертолета» является головным модулем программы, реализующим основные процедуры синтеза системы синхронизации режимов работы двигателей вертолета по комплексу параметров и алгоритма совмещенного управления силовой установкой вертолета. Главное окно этого модуля представлено на рис. 4.3. Главное окно модуля включает две закладки: «Варианты» и «Результаты синтеза».
Закладка «Варианты» задает вариант структурной схемы исследуемой системы, который запускает соответствующую процедуру синтеза. Выбор варианта осуществляется с помощью выпадающего списка. Запуск процедуры расчета параметров производится с помощью кнопки «Синтез». При этом в правой части диалогового окна выводится структурная схема синтезированной системы.
Закладка «Результаты синтеза», представленная на рис. 4.4, запускает механизм моделирования синтезированной системы управления. В ее состав входят две подзакладки: «Результаты синтеза» и «Результаты моделирования». Подзакладка «Результаты синтеза» позволяет загружать структуру и параметры систем, синтезированных в данном модуле.