Анализ и синтез многосвязных систем автоматического управления газотурбинными двигателями с селектированием каналов Петунин, Валерий Иванович

Введение к работе

Актуальность темы

Современные авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) являются сложными многорежимными нелинейными объектами управления. В системах автоматического управления (САУ) такими многосвязными объектами с числом управляющих воздействий, меньшим числа управляемых координат формирование управления часто осуществляется с помощью селекторов. К таким системам относятся, например, САУ подачей топлива в камеры сгорания ГТД. Обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр двигателя наиболее приблизившийся к величине, определяемой программой регулирования. Такое селектироваяие реализуется с помощью алгебраических селекторов (АС).

В развитие теории и практики применения АС внесли вклад И.И.Ахметгалеев, ЛИ.Воягин, А.Н.Добрынин, Ф.А.Шаймарданов, О.С.Гуревич, Б.Г.Ильясов, Ю.СКабальнов и др.

Селекторы вводятся в САУ для устранения зоны совместной работы каналов управления и обеспечивают во всех условиях работы управляющее воздействие только одного из нескольких каналов управления, включаемых в работу в зависимости от режима работы объекта управления. При этом каждый из каналов управления работает автономно и его параметры обычно выбираются без учета взаимодействия с другими каналами. Это позволяет сохранить статическую точность и запасы устойчивости, свойственные автономным каналам управления.

Однако, это справедливо лишь для статических режимов работы системы управления. Как показано в работах А.Н.До5рьшина, ИЛЛисьменного, О.С.Гуревича, Ф.Д.Гольберга, а также в исследованиях, проведенных автором, взаимодействие каналов сохраняется на переходных режимах и при действии возмущений. При этом возможно возникновение зоны совместной работы каналов при действии помех, а также режима обратного переключения каналов, скачков и-перерегулирований по выходным координатам при различных динамических характеристиках каналов. Время работы САУ на режимах переключения каналов может быть достаточно большим. Это приводит к ухудшению динамических характеристик САУ ГТД и снижению ресурса двигателя. Поэтом)' актуальной задачей для САУ ГТД с АС является обеспечение заданного качества переходных процессов в канале управления, замыкаемом через селектор, а также статической точности каналов при действии помех. Рассматриваемые многосвязные САУ с селектированием каналов являются логако-динамичес'кими системами, вопросы исследования и разработки которых применительно к ГТД разработаны недостаточно полно.

Таким образом, разрабатываемые в диссертационной работе вопросы анализа и синтеза многосвязных САУ ГТД с АС относительно режима переключения каналов являются актуальными.

Цель работы

Целью работы является разработка методов и алгоритмов анализа и синтеза многосвязных САУ ГТД с АС, позволяющих исследовать поведение и обеспечить требуемые характеристики САУ на режимах переключения каналов.

Задачи исследования

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

I. Разработка метода структурных преобразований многосвязных САУ ГТД с АС на основе эквивалентного кусочно-линейного описания АС, позволяющего исследовать поведение система на режимах переключения каналов.

1. Разработка методик исследований и проведение анализа устойчивости, помехозащищенности и статической точности многосвязных САУ ГТД с АС на режимах переключених каналов.

2. Разработка методики исследования и проведшие анализа качеств? переходных процессов в многосвязных САУ ГТД с АС при различном включении корректирующих звеньев отдельных каналов по отношению к АС.

3. Разработка принципов построения самонастраивающихся измерителей температуры газа с использованием нелинейных динамических моделей ГТД на основе требований к динамической точности ограничения температуры газа в многосвязных САУ ГТД с АС.

4. Разработка методов сиктезэ многосв.чзтых САУ ГТД с АС исходя и; требуемого качества переходных продессов в ограничителе температуры газг на режимах переключения каналов.

5. Разработка метода повышения статической точности многосвязньо САУ ГТД с АС на режимах переключения каналов при действии помех.

Методика исследований

При решении указанных задач использовались методы: непрерывное логики и логико-динамических САУ; теорий многосвязных САУ, нелиней ных САУ, самонастраивающихся САУ; теории автоматического управленій силовыми установками летательных аппаратов и математического моделиро вания.

Результаты, выносимые ва защиту

На защиту выносятся:

1. Метод структурных преобразований многосвязных САУ ГТД с АС двух переменных.

2. Методики исследования и результаты анализа устойчивости, помехозащищенности н статической точности многосвязных САУ ГТД с АС нз режимах переключения каналов.

3. Методика исследования и результаты анализа качества переходны: процессов в многосвязных САУ ГТД с АС.

4. Принципы построения самонастраивающихся измерителей темпера

туры газа ГТД основанные на использовании косвенной информации о температуре и расходе газа.

5. Методы синтеза многосвязных САУ ГТД с АС, позволяющие обеспечить заданное качество переходных процессов в ограничителе температуры газа на режимах переключения каналов.

6. Метод повышения статической точности многосвязных САУ ГТД с АС на режимах переключения каналов при действии помех.

Научная новизна

J. Разработан метод структурных преобразований многосвязных САУ ГТД с АС на основе эквивалентного кусочно-линейного описания АС впервые позволивший аналитически исследовать поведение таких логико-дянамических систем на режимах переключения каналов. Показано, что анализ многосвязной САУ с АС сводится к исследованию поведения разности входных сигналов АС в эквивалентной одноканалъной нелинейной системе.

2. Получены аналитические соотношения для определения условий устойчивости, помехозащищенности и статической точности многосвязных САУ ГГД с АС на режимах переключения канатов. Установлено, что начичие случайных или гармонических помех в отдельных устойчивых каналах САУ с АС может вызвать режим переключения с одного канала на другой, при котором происходит снижение статической точности САУ.

3. Установлено, что качество переходных процессов в многосвязных САУ ГТД с АС на режимах переключения каналов зависит от соотношения динамических характеристик объекта управления по селектируемым выходным координатам. Показано, что при включении корректирующих звеньев отдельных каналов до АС возможно появление запаздывания в переключении каналов и заброса ограничиваемой координаты а при включении корректирующих звеньев после АС - появление скачков по координатам и режима обратного переключения каналов.

4. Показано, что использование нелинейных, динамических моделей ГТД и контуров самонастройки при построении измерителей температуры газа ГТД позволяет обеспечить требуемую динамическую точность ограничения температуры газа в многосвязной САУ ГТД с АС. Получены три авторские свидетельства на предложенные решения.

5. Предложен принцип построения динамического селектора в многосвязных САУ ГТД с АС. Показано, что коррекция момента селектнрования в САУ с АС за счет изменения задающих воздействий разомкнутых каналов позволяет ликвидировать запаздывание в переключении каналов и обеспечить заданное качество переходного процесса по ограничиваемой координате. На предложенную САУ ГТД с АС получено свидетельство на полезную модель. Показано, что за счет введения эталонной модели включаемого канала и цепи сигнальной самонастройки можно построить САУ ГТД с включением корректирующих звеньев каналов после АС, обеспечить безударное переключение каналов и заданное качество переходных процессов.

6. Показано, что применение астатического корректора на режимах переключения каналов при действии помех позволяет повысить статическую точность многосвязной САУ ГТД с АС. На предложенную САУ ГТД с АС и астатическим корректором получено свидетельство на полезную модель.

Практическая значимость и внедрение результатов

Практическую значимость имеют полученные в работе:

1. Методики анализа устойчивости, помехозащищенности, статической и динамической точности многосвязных САУ ГТД с АС на режимах переключения каналов на основе предложенного метода структурных преобразований.

2. Принципы построения самонастраивающихся измерителей температуры газа ГТД с использованием нелинейных динамических моделей ГТД.

3. Методы синтеза многосвязных САУ ГТД с АС исходя из заданного качества переходных процессов в ограничителе температуры газа на основе динамического изменения задающих воздействий разомкнутых каналов или использования самонастраивающегося корректирующего звена после АС.

4. Метод повышения статической точности многосвязных САУ ГТД с АС при действий помех с помощью астатического корректора.

Внедрение результатов, полученных в работе:

5. Результаты диссертационной работы в виде методик исследования и методов повышения качества внедрены в практику проектирования САУ ГТД на Уфимском научно-производственном предприятии "Молния" и использовались при доработке алгоритмического и программного обеспечения САУ изделия 27.

6. Структурная схема самонастраивающейся системы автоматического регулирования температуры газа и ее реализация в виде макета опытного регулятора, предложенные автором, использовались для летных исследований ГТД и их САУ в Летно-исследовательском институте им. М.М.Громова (г. Жуковский).

7. Научные результаты, полученные автором, внедрены в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета и используются им при проведении занятий по дисциплине "Системы автоматического управления ЛА и их СУ".

Связь исследований с научными программами

Работа выполнена на кафедре "Авиационное приборостроение" УГАТУ в соответствии с планами НИР отраслевой лаборатории электронной автоматики авиационных силовых установок летательных аппаратов Минавианрома (1981 -1990 гг.), а также в соответствии с федеральной целевой программой "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальных наук на 1997-2000 гг." и программой поддержки научных исследований в области технических наук Академии наук Республики Башкортостан.

Апробацияи публикации

Основные положения, представленные в диссертации, были изложены и обсуждены на 10 научных конференциях. Список публикаций по теме диссертации включает 20 научных трудов, в том числе 3 статьи в межвузовских научных сборниках, 7 тезисов докладов в трудах конференций, 3 авторских свидетельства на изобретения, 2 свидетельства на полезные модели, 3 научно-технических отчета, 2 учебных пособия.