Синтез релейных законов управления процессом синхронизирования винтов ТВВД Кузнецов, Игорь Васильевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТШ. Тенденций создания и развития современных летательных ашаратов (ЛА) характеризуются постоянным повышением их эксплуатационных качеств. Одним из ваших качеств, предъявляема в настоящее время к ЛА, является снижение уровня акустического воздействия ЛА на экипаж и окружающую среду.

Одним из способов уменьшения уровня шума и вибраций, излучаемых воздушными винтами многомоторого самолета, является использование .систем сйнхрофазирования винтов (винтовентиляторов) в контурах управления турбовинтовентапяторными двигателями (ТВВД). Син-хрофазирование винтовентиляторов (ВВ) ТВВД предполагает синхрони-низацию частот вращения ВВ силовой установки самолета и поддержание заданного сдвига фаз между лопастями соответствущих винтов двигательных установок самолета. Экспериментально установлено, что применение сйнхрофазирования ВВ позволяет снизить максимальный уровень акустического воздействия самолета более чем в 2-3 раза.

Вместе с тем имеются существенные трудности в выборе методов синтеза систем автоматического управления (САУ) фазой вращения ВВ ТВВД, обусловленные спецификой работы систем сйнхрофазирования. К основным особенностям САУ фазой вращения ВВ ТВВД относятся:

принципиальная необходимость совместной работы контуров регулирования частоты и фазы вращения ВВ, объединенных, в так называемую, "супервизорную" схему регулирования (где замкнутые каналы управления частотой вращения ВВ выступают в качестве объекта управления система сйнхрофазирования), что приводит к необходимости изложения ограничений на управляющие воздействия в каналы управления частотой вращения ВВ;

ограничения на управляющие воздействия и относительно большие вращащиеся массы, обуславливащие высокую инерционность винтов как объектов управления, требуют для достижения заданной динамической точности САУ повышение коэффициента усиления разомкнутого контура системы сйнхрофазирования;

интегральная зависимость фазы вращения ВВ от величины отклонения частоты вращения ВВ приводят к снижению запасов устойчивости САУ ТВВД в целом;

из природа "супервизорной" системы сйнхрофазирования вытекает разнотемповость соответствущих контуров регулирования частоты и фазы вращения ВВ.

Необходимость наложения ограничений на управлящие воздействия в каналы управленая частотой вращения ВВ (с целью реньшения

динамических ошибок управления частотой вращения ВВ, вызванные отработкой системой синхрофазирования ошибок управления фазой вращения ВВ), а также повышение коэффициента усиления разомкнутого контура САУ фазой вращения обусловили выбор релейных законов управления. Необходимость обеспечения технической устойчивости системы синхрофазирования определила выбор метода синтеза релейных законов управления фазой вращения ВВ, в качестве которого выступает принцип максимума Л.С. Понтрягина.

Здесь следует особо подчеркнуть, что в общем случае системы управления фазой вращения ВВ являются многосвязными, при этом для многосвязных систем управления нет достаточно простых и ясных инженерных методов синтеза и исследования релейных законов управле-ления, базирующихся на принципе максимума Л.С. Понтрягина. Следовательно, задача синтеза САУ фазой вращения ВВ ТВВД является весьма актуальной как в научном, так и в практическом отношениях.

Повышение эксплуатационных качеств ЛА связано с увеличением сложности и объема задач, решаемых интегрированной цифровой автоматической системой управления силовой установкой (САУ СУ). При атом система синхрофазирования ВВ является составной частью информационно-управляющего комплекса интегрированной САУ СУ.

Современные интегрированные САУ СУ, как правило, строятся в классе двухуровневых систем, где первый (нижний) уровень образуют системы управления отдельным двигателями (сюда же входят системы управления фззой вращения ВВ). Второй (верхний) уровень управления образуют системы, ббеспечкваицие интеграцию системы управления отдельными двигательными установками в единую вычислительную сеть и связывающие . ее с вычислительной системой управления собственно ..ЛА (САУ ЛА). При этом основным элементом связи вычислительной сети являются последовательные каналы информационного обмена. Проведенный .анализ показывает, что в настоящее время на первый план выдвигаются задачи, связанные с информационным обеспечением работы САУ СУ. Здесь особо можно выделать не в полной мере исследованный, и поэтому являющийся актуальным, класс задач по разработке алгоритмов построения и оптимизации топологии вычислительных сетей интегрированных САУ СУ на основе системного подхода, учитывавшего динамические, надежностные, информационные и иные особенности функционирования проектируемых САУ СУ., использование алгоритмов оптимизации вычислительной сети САУ СУ позюлит в целом поднять эффективность работы системы синхрофазирования ВВ.

Тема диссертационной работы связана с выполнением работ проводимых в УНПП "Молния" по разработке САУ СУ самолетов АН-70 и

ИД- 114.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка метода синтеза релейных законов управления процессом синхрофазирования винтов ТВВД и алгоритмов оптимизации конфигураций бортовых вычислительных сетей.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Разработка метода декомпозиции многосвязного объекта, сепаратные каналы которого имеют одинаковые характеристические многочлены, на ш связанные между собой подобъекты управления с одним входом.

2. Разработка и исследование релейных законов управления процессом синхрофазирования винтов ТВВД.

3. Разработка критериев оптимизации конфигурации бортовых вычислительных сетей с учетом динамических и надежностных свойств САУ.

4. Разработка алгоритмов оптимизации построения бортовых вычислительных сетей по предложенным критериям.

5. Разработка штекерной методики синтеза систем управления фазой вращения винтовентиляторов СВ-34 и СВ-2?.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач в работе используются метода теории систем автоматического управления, методы оптимального управления, методы конечномерной линейной алгебры, метода теории конечных сетей и графов, теории автоматического управления авиационных силовых установок, методы планирования эксперимента. Экспериментальная проверка теоретических результатов проводилась моделированием на ПЭВМ.

6. Для класса многосвязных объектов управления, сепаратные каналы которых имеют одинаковые характеристические многочлены, показана возможность их декомпозиции на не связанные между собой объекты управления с одним входом путем перехода к новому базису переменных состояния, что существенно упрощает процедуру синтеза законов управления данными объектами.

7. Получена новая формула для матрицы перехода от исходной пары матриц (А,В) к декомпозиционной паре (А,В), достоинством которой является простота, наглядность, существенно меньшие вычислительные затраты на ее реализацию.

8. На основе метода декомпозиции и принципа максимума Л.С. Понтря-гана предложен метод синтеза релейных законов управления системой синхрофазирования винтовентиляторов ТВВД. Установлено, что количество переключений каждого из сигналов управления (в случае раз-

4 личных действительных собственных чисел матрицы A_Q расчетной модели) не превывышает величины m - I, где ш - порядок характеристического многочлена каналов многосвязного объекта управления.

4. Сформулирована оптимизационная (критериальная) задача выбора конфигурации (архитектуры) вычислительной сети интегрированной САУ шогодвигатеяьными силовыми установками. В которой в качестве критерия оптшизации выступает величина минимума меры затрат (материальных, стоимостных, информационых) на построение сети, а в качестве меры ограничения - параметр, отражащий влияние конфигурации вычислительной сети на динамические свойства системы управления. При этом первой мэре в терминах теории графов ставится в соответствие вес ребра графа, второй мере - величина протяженности и расстояния графа.

5. Исследованы топологические свойства минимального неориентированного графа с ограничением протяженности. Устаномено, что данный граф является деревом и содержит связные компоненты (поддеревья) фундаментального дерева (минимального остошого дерева).

6. Разработаны алгоритмы выделения минимальных неориентированных связных графов с ограничением протяженности и расстояния из структуры исходного полного нагруженного графа.

1. Разработаны алгоритмы управления фазой вращения одиночного винтовентилятора СВ-34 и соосных винтовенмляторов СВ-27.

2. Разработана инженерная методика выбора оптимальной конфигурации вычислительной сети САУ.

1. Метод декомпозиции многосвязного объекта управления на не
связные мевд собой подобъекты управления с одним входом путем
перехода к новому базису переменных состояния.

2. Метод синтеза релейных законов управления многосвязным
объектом управления на основе декомпозиции исходного многосвязно
го объекта управления на п подобъектов и принципа максимума Л.С.
Понтрягина.

3. Структурные схемы систем синхрофазирования одиночного и соосных винтовентиляторов МНОГОВИНТОЕОГО ЛА.

4. Алгоритмы построения вычислительных сетей интегрированных САУ ТВВД, обеспечивающие минимизацию затрат при реализации и экс-сплуатащш вычислительных сетей с учетом соблюдения требуемых динамических и надежностных характеристик САУ, полученных на этапе ее технического проектирования.

5. Результаты экспериментальных исследований разработанных

5 на основе предиоженного метода синтеза систем синхрофазирования САУ ТВВД винтовентиляторов СВ-34 и СВ-27.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 5 конференциях:

Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Информационные и кибернетические системы управления и их элементы", УГАТУ, г. Уфа, 1995.

Десятой междунардной конференции "Автоматизированные системы для проектирования и исследования", г. Варна (Болгария), 1996.

VII Четаевской конференции "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением", КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, 1997.

Второй международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации" - ПТ СІШ'97, ВлГУ, г. Владимир, 1997.

Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Ин-ферлзционнио и кибернетические система управления и их элементы", УГАТУ, г. Уфа, 19Э7.

Основше результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 3 статьях и 5 тезисах докладов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоят из введения, трех глав и заключения, изложенных на 150 листах машинописного текста (включая иллюстрации таблицы и список используемой литератур» из 109 наименований).