книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 5 Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок
.pdf
1.1.Системы автоматического управления и контроля авиационных ГТД
3)контролируемых параметров отображаются нейшей обработки в БЦВМ. БЦВМ обрабатывает
синдикацией рабочих зон и предельно-допусти мых значений, что особенно важно - из-за сложно сти законов регулирования двигателя эти величи ны являются переменными в зависимости от окружающих условий.
Для регистрации основных параметров и сиг налов различных самолетных систем используется МСРП, которая включает в себя два легкосъемных кассетных бортовых накопителя (КБН) (двигатель ный и самолетный), защищенный бортовой накопи тель (ЗБН) и алфавитно-цифровое печатающее ус тройство (АЦПУ). Информация о параметрах двигателя, записанная на КБН, предназначена для обработки с помощью наземной автоматизирован ной системы диагностики в базовом аэропорту по специальным программам с целью анализа тенден ций изменения контролируемых параметров, ди агностики и прогнозирования состояния двигате ля, локализации неисправностей, углубленного контроля выработки ресурса отдельных деталей двигателя.
Информация, необходимая при расследовании виационных происшествий, записывается на ЗБН.
На АЦПУ информация выводится только в слу чае выхода контролируемых параметров за предель ные значения или поступления сигналов об име ющейся неисправности датчиков или систем
суказанием времени появления неисправности. Поступившая на АЦПУ информация выводится для обслуживающего персонала.
Для повышения эффективности и оперативнос ти контроля экипажем параметров двигателя в ка бине используется речевой извещатель, а также ЦСО для привлечения внимания экипажа к экрану
вмомент появления на нем наиболее важной инфор мации.
САС предназначена для выдачи на сигнальные табло в кабине самолета аварийных и наиболее важ ных информационных сигналов, в том числе и при отказе основной системы индикации КПСС.
Информация об основных параметрах работы двигателя и состоянии его систем выдается на эк раны КИСС, на табло САС и на цифровые резерв ные индикаторы. Датчики и сигнализаторы пара метров двигателя, основной блок преобразования параметров и БЦВМ образуют основной канал си стемы по преобразованию, обработке и выдаче информации о параметрах и сигналах двигателя
вКИСС, МСРП, САС.
Основной блок преобразования параметров БППД2 принимает электрические сигналы от дат чиков и сигнализаторов двигателя, нормализует (приводит к нормальному напряжению), преобра зует в цифровой двоичный двухполярный после довательный код и выдает данного кода для даль
принятую информацию по заданным алгоритмам, которые обеспечивают:
-контроль выхода параметров за допустимые значения по фиксированным и «плавающим» пре делам (корректируются в зависимости от внешних условий);
-контроль работы механизации двигателя и ре версивного устройства;
-автоматический подсчет и хранение в течение ресурса двигателя параметров наработки (суммар ной, эквивалентной и на режимах), числа полетных циклов;
-контроль учета времени выбега роторов КВД
ивентилятора, времени запуска;
-часового расхода масла за полет.
Результаты обработки информации по алгорит мам, заложенным в БЦВМ, позволяют сформиро вать признаки отказных и информационных ситу аций и выдачу сигналов, соответствующих этим признакам в самолетные системы КИСС и МСРП, а также на сигнальные табло.
При отказе основного канала дублирующая кодо вая информация об основных параметрах двигателя выдается из резервного блока преобразования пара метров в КИСС и МСРП. Резервный канал системы подключен к аварийным источникам питания и обеспечивает выдачу основных параметров дви гателя в автономном режиме работы системы элек троснабжения.
Для контроля вибрации двигателя применяется специальная аппаратура следящего анализа, кото рая контролирует вибрации в зонах передней и зад ней подвесок двигателя по частоте первых ротор ных гармоник вентилятора и КВД с помощью узкополосных фильтров, работающих в следящем режиме. В отличие от широкополосных фильтров, в аппаратуре следящего анализа сигналы с вибро датчиков усиливаются в следящих фильтрах, на страиваемых на частоты первых роторных гармо ник вентилятора и КВД.
Это позволяет выявить дефекты роторной части двигателя (подшипников, рабочих лопаток и т.д.), а также исключить из широкополосного анализа воздействие помех за исключением воздействий, настраиваемых на частоты первых роторных гар моник вентилятора и КВД с помощью сигналов с датчиков частоты вращения роторов КВД и вен тилятора.
33
Глава 1. Системы автоматического управления и контроля
1.2. САУ наземных ГТУ
1.2.1. Назначение САУ
Объектом управления и контроля является ГТУ, основным элементом которой является ГТД назем ного применения. Кроме того, в состав ГТУ могут входить редуктор, входные и выходные устройства, трансмиссия «двигатель-редуктор», трансмиссия «редуктор - приводимый агрегат» и др.
САУ ГТУ предназначена для выполнения фун кций управления, регулирования, контроля и защи ты, обеспечивающих длительную безаварийную работу в двух режимах:
-во взаимодействии с САУ более высокого уровня;
-в автономном (при отсутствии или неработос пособности САУ более высокого уровня).
Системой управления более высокого уровня может быть, например, САУ ГПА или САУ ГТЭС.
1.2.2. Выбор САУ ГТУ и ее элементов
Исходными данными для выбора САУ ГТУ и ее элементов является ТЗ на САУ или иной документ, содержащий необходимые требования. Конкрет ные требования определяются параметрами и кон струкцией ГТУ, рассматриваемой как объект уп равления.
С учетом функционального назначения объек та управления (привод центробежного нагнетате ля газа или привод генератора) САУ ГТУ должна выполнять следующие функции:
-обеспечивать надежную работу ГТУ на всех эксплуатационных режимах;
-удерживать ГТУ на холостом ходу при задан ной частоте вращения;
-устойчиво поддерживать заданную частоту вращения СТ, обеспечивающей привод нагрузки;
-обеспечивать при изменении нагрузки в за данных пределах плавное изменение режима ра боты ГТУ;
-удерживать частоту вращения СТ привода ге нератора, не вызывающую срабатывания автомата безопасности, при внезапном сбросе нагрузки до заданного значения (в том числе до нуля);
-обеспечивать беспомпажную работу компрес сора ГТУ;
-обеспечивать защиту от превышения заданных параметров ГТУ на всех режимах от запуска до максимального;
-обеспечивать контроль параметров ГТУ.
Для выполнения перечисленных функций в ТЗ (или ином документе) должны быть сформулиро ваны требования по управлению ГТУ, обеспечи вающие требуемое изменение параметров комп
рессора, КС, турбины и др. на всех режимах ра
боты.
Выбор САУ и ее элементов рекомендуется на чинать с датчиков параметров ГТУ. Это связано с тем, что многие датчики входят в конструкцию ГТУ и разработчик (конструктор) при проектиро вании ГТУ должен иметь представление о типе датчиков, их габаритах, линиях связи. Одновре менно с выбором датчиков следует выбирать со ставные части (агрегаты САУ), входящие в состав топливной системы ГТУ с учетом рекомендаций по выбору элементов топливной системы (см. разд. 2.2.2), а также агрегаты и исполнительные механизмы, обеспечивающие управление различ ными элементами ГТУ.
Следующий этап - выбор программно-техни ческих средств, принимающих и перерабатываю щих входную информацию, формирующих управ ляющие команды и информационные сигналы.
Выбор завершается определением типа провод ников электрических сигналов или оптических линий для связи агрегатов САУ между собой, а так же для обмена информацией САУ ГТУ с САУ бо лее высокого уровня.
1.2.3. Состав САУ ГТУ
Состав САУ ГТУ определяется выполняемыми функциями и зависит от вида топлива, используе мого в ГТУ.
В составе САУ ГТУ, работающей на газообраз ном топливе, в зависимости от функционального назначения выделяются следующие составные ча сти:
-блок управления двигателем (БУД);
-стопорный клапан первый (СК1);
-стопорный клапан второй (СК2);
-дозатор газа;
-блок управления дозатором газа;
-блок защиты двигателя (БЗД);
-блоки (агрегаты) управления элементами ГТУ, определяющими геометрические параметры газо воздушного тракта (ВНА, различные клапаны пе репуска воздуха и др.);
-датчики и сигнализаторы технологических параметров ГТУ;
-линии связи между составными частями САУ ГТУ;
-аппаратура контроля вибраций ГТУ;
-кабели связи САУ ГТУ с САУ более высокого уровня;
-алгоритмы управления и контроля ГТУ;
-пульт технологический (инженерный).
БУД может быть как отдельным блоком, так и входить в состав программно-технических средств САУ ГПА (ГТЭС).
34
Глава L Системы автоматического управления и контроля
ние входного сигнала (время от приема сигнала до воздействия на объект управления).
В качестве частных характеристик быстродей ствия обычно используются:
-время полного хода основных исполнительных механизмов, воздействующих на расход топлива или геометрические параметры газовоздушного тракта ГТУ (дозирующего клапана, выходного што ка механизма привода ВНА и др.);
-периодичность опроса аналоговых и дискрет ных сигналов.
Характеристики по точности поддержания параметров
Точность выполнения программ управления оценивается отклонением текущего параметра от программного:
м1=(пПР0Г- п пк)/п пюГ-т % |
(1.6) |
Обычно допустимая точность поддержания па раметров характеризуется симметричной величи ной ± АП %. Оценивается точность выполнения программ на статических (установившихся) режи мах и на динамических (переходных) режимах. Чаще всего оценивается точность поддержания ча стоты вращения. Для современных САУ ГТУ точ ность поддержания частоты вращения составляет
±(0,1.. .0,2) % на статических режимах.
Внормативных документах используется тер мин «степень нечувствительности системы ре гулирования частоты вращения». В соответствии с ГОСТ 29328 [1.15] степень нечувствительнос ти системы регулирования частоты вращения при любой нагрузке не должна превышать 0,2 % но минальной частоты вращения. ГОСТ 28775 [1.16] допускает 0,3 %.
В[1.17] дается определение степени нечувстви тельности: это возможная относительная погреш ность поддержания частоты вращения при одной
итой же нагрузке или, иными словами, то измене ние частоты, которое необходимо для того, чтобы началось перемещение исполнительных органов. Ее численной характеристикой является величина:
Е = (Ап1+ А п2)/п 0, |
(1.7) |
|
где А п]= п]- п0 |
- увеличение частоты враще |
|
|
ния, минимально необходи |
|
|
мое, чтобы вызвать движение |
|
|
исполнительных механизмов; |
|
А п2= 1п2- n j - уменьшение частоты враще |
||
|
ния, минимально необходимое, |
|
|
чтобы вызвать движение ис |
|
nQ |
полнительных механизмов; |
|
- номинальная частота |
|
|
|
вращения при данной нагрузке. |
|
КГТУ для привода генераторов (по сравнению
сГТУ для привода центробежных нагнетателей) предъявляются более жесткие требования по точ ности поддержания параметров на динамических режимах работы. САУ ГТУ для привода турбогене раторов не должна допускать срабатывание автома та безопасности ГТЭС при внезапном сбросе на грузки до нуля. В соответствии с [1.18] автоматы безопасности должны быть отрегулированы на сра батывание при повышении частоты вращения на 10... 12 % выше номинальной.
Характеристики надежности
Надежность - комплексное свойство, состоящее
вобщем случае из безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Основные показатели безотказности:
-средняя наработка на отказ САУ, приводящий
кнеобеспечению аварийного останова ГТУ (отказ типа «пропуск аварии» - не менее 100000 ч.;
-средняя наработка на отказ САУ, приводящий
каварийному или вынужденному останову ГТУ - не менее 3500 ч.;
-средняя наработка на отказ типа «невыполне ние функции управления или регулирования» -не менее 25000 ч.;
-средняя наработка на отказ по каналу контро ля технологических параметров - не менее 25000 ч.
Основные показатели долговечности:
-назначенный ресурс - не менее 100000 ч.;
-ресурс до первого капитального ремонта
имежду капитальными ремонтами - не менее 25000 ч.;
-назначенный срок службы - не менее 15 лет.
Ремонтопригодность САУ - свойство, характе ризующее приспособленность САУ к поддержа нию и восстановлению ее работоспособного состо яния путем технического обслуживания и ремонта.
Основные показатели ремонтопригодности:
-среднее время восстановления работоспособ ного состояния САУ;
-вероятность восстановления работоспособно го состояния САУ.
Основным показателем сохраняемости являет
ся назначенный срок хранения.
Характеристики безопасности
В соответствии с Федеральным законом «О тех ническом регулировании» [1.19] минимально не обходимые требования по безопасности САУ ГТУ устанавливаются соответствующими технически ми регламентами (общими и специальными).
Основные требования по выполнению характе ристик безопасности:
- САУ должна быть выполнена таким образом, чтобы ошибочные действия оперативного персона ла или отказы технических средств не приводили к ситуациям, опасным для жизни и здоровья людей;
36
Глава 1. Системы автоматического управления и контроля
-выполнение автоматического запуска ГТУ;
-поддержание статического (установившегося) режима, заданного от САУ более высокого уровня;
-корректировка режимов ГТУ по командам САУ более высокого уровня;
-ограничение предельных параметров ГТУ;
-обеспечение переходных режимов;
-останов ГТУ по командам САУ более высоко го уровня;
-аварийный останов ГТУ по командам САУ бо
лее высокого уровня и по сигналам блокировок
изащит, формируемым в САУ ГТУ;
-управление элементами ГТУ, определяющи ми геометрические параметры газовоздушного тракта;
-автоматический контроль параметров ГТУ с формированием и выдачей предупреждающих
иаварийных сигналов;
-автоматический контроль исправности САУ ГТУ;
-обмен информацией с САУ более высокого уровня.
При запуске ГТУ с использованием пневмати ческого стартера САУ ГТУ работает следующим образом. По сигналу «Пуск» от оператора из САУ более высокого уровня САУ ГТУ (при наличии исходных условий запуска ГТУ) по заданным ал горитмам формирует команды на исполнительные механизмы, обеспечивающие:
-подачу пускового газа к пневматическому стар теру;
-подачу топливного газа к дозатору топлива (от крытие стопорных клапанов СК1 и СК2);
-подачу электропитания на свечи зажигания (для розжига КС ГТУ);
-дозирование топлива (управление подачей топ лива через дозатор) в форсунки КС ГТУ на розжи ге и в процессе запуска.
До выхода на минимальный установившийся режим САУ ГТУ формирует команды, обеспечи вающие отключение электропитания свечей зажи гания и прекращение подачи пускового газа к пневматическому стартеру (отключение стартера). После выдержки ГТУ на минимальном установив шемся режиме САУ ГТУ по командам оператора выполняет перевод ГТУ на заданный установив шийся режим нагрузки - формируются команды, обеспечивающие:
-дозирование топлива в КС;
-закрытие клапанов перепуска воздуха и газа из газовоздушного тракта ГТУ;
-управление приводом ВНА компрессора.
В процессе запуска и при работе на различных режимах САУ ГТУ ограничивает предельные па раметры ГТУ, контролирует параметры ГТУ и ис правность САУ ГТУ, формирует по заданным ал
горитмам предупреждающие и аварийные сигна лы при выходе контролируемых параметров за по роговое значение.
1.2.6. Блок управления двигателем (БУД)
Изначально функции БУД выполняли устрой ства на базе гидромеханических элементов (напри мер, центробежный регулятор). Такие устройства отличались высокой надежностью, но были доро ги в производстве, ограничены в возможностях по коррекции динамических свойств системы управ ления, сложны в настройке. Структура таких уст ройств была неизменяемой.
Значительно повысить качество регулирования параметров ГТУ удалось с приходом в автоматику электронной аппаратуры. Электроника позволила существенно уменьшить габариты, массу и стои мость устройств управления. С внедрением элект роники стала возможна реализация БУД любой степени сложности. В электронной автоматике роль информационных сигналов стали выполнять ток или напряжение, величина которых пропорци ональна уровню сигнала (аналоговая электроника). Несмотря на целый ряд преимуществ, аналоговая электроника не обладала гибкостью и универсаль ностью по сравнению с пришедшей ей на смену цифровой электроникой.
Значительно расширить круг решаемых задач управления двигателем позволил БУД, построенный на базе цифровой электроники с применением мик ропроцессоров, поскольку такое устройство стало программируемым и перепрограммируемым и ста ло способным выполнять сложные расчеты. На рис. 1.14 представлен современный вид БУД.
Пульт оператора служит для оперативного ото бражения информации и передачи сигналов опе ратора в систему управления.
Сигналы с датчиков двигателя через клеммные колодки поступают в аналогово-цифровой преоб разователь (АЦП). АЦП преобразует непрерывный электрический сигнал в цифровой сигнал. Инфор мация из АЦП поступает в контроллер. Здесь ин формация обрабатывается по специальной про грамме, в основе которой лежат законы управления двигателем. В результате формируются выходные данные, которые поступают в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Здесь цифровые данные расчета преобразуются в непрерывные электричес кие сигналы. Сигналы управления из ЦАП через клеммные колодки поступают в исполнительные механизмы.
На рис. 1.15 показана архитектура внутреннего устройства БУД. Обмен информацией между внут ренними устройствами БУД осуществляется по общей шине данных. Микропроцессор по програм-
38
Глава 1. Системы автоматического управления и контроля
Методика разработки прикладной програм мы САУ ГТУ
При разработке электронных, пневматических или гидравлических аналоговых регуляторов проектиров щик по техническим или экономическим соображе ниям вынужден пользоваться достаточно узким на бором элементов, действующих как интеграторы, дифференциаторы или пропорциональные усилите ли. Поэтому при синтезе систем управления анало гового типа приходиться сталкиваться с весьма серь езными ограничениями.
Иначе обстоит дело с алгоритмами для управ ляющих ЭВМ. Гибкость программных средств су щественно расширяет возможность реализации сложных алгоритмов. Это создает предпосылки для практического применения новейших методов со временной теории управления, но одновременно ставит перед проектировщиком вопрос: какой уп равляющий алгоритм наиболее эффективен при решении конкретной прикладной задачи.
Показатели, по которым можно сравнивать ал горитмы различных типов следующие:
-качество управления, обеспечиваемое алгорит мом;
-сложность его реализации;
-чувствительность к изменению параметров
ивоздействию помех;
-требуемая производительность ЭВМ;
-свойства объекта управления.
Создание современной прикладной программы САУ ГТУ можно представить в виде последова тельности этапов, на каждом из которых осуще ствляются расчетно-теоретические исследования
сприменением моделей различной сложности
иразличной степени соответствия натурным харак теристикам элементов САУ. При проектировании проводятся экспериментальные исследования и ана лиз полученных результатов, а также принимаются решения по выполнению последующих этапов ра боты. При проведении расчетно-теоретических ис следований современных САУ ГТД возникает ряд трудностей, связанных с большим числом выпол няемых ею функций, большим диапазоном изме нения внешних условий и режимов работы двига теля.
Методика разработки алгоритмов управления, закладываемых в основу прикладного программ ного обеспечения САУ ГТУ, подразделяется на эта пы (см. рис. 1.16).
1)Получение информации об объекте управле ния и сигналах.
Отправной точкой процесса проектирования си стемы управления является информация об объек те управления и о сигналах, участвующих в его опи сании. Она может быть представлена в различных формах, например:
2) Разработка алгоритмов для управления в пря мой цепи и цепях обратных связей (синтез и наст ройка).
Завершающим этапом проектирования являет ся синтез алгоритмов управления в цепях прямых и обратных связей, а также их настройка (или под стройка) с учетом конкретных условий функцио нирования системы. Последнее можно выполнять различными способами:
-проводя подстройку параметров вручную, ру ководствуясь несложными правилами;
-с помощью автоматизированного расчета на ЭВМ;
-используя самооптимизирующиеся адаптив ные алгоритмы управления.
Как правило, применяя различные методы синте за, можно получить несколько алгоритмов управле ния, отличающихся по своим характеристикам. Сре ди них необходимо выбрать наилучший, исходя из совокупности показателей качества регулирования.
40