Глава 12 - Системы ГТД

должно выполняться в перерывах между циклами эксплуатации ГТУ.

Основные показатели:

-трудоемкость технического обслуживания

ÑÀÓ;

-время замены (восстановления работоспособности) отказавших блоков (агрегатов) САУ.

Технико-экономические характеристики.

Они представляют собой показатели, характеризующие финансовые затраты на разработку, производство и эксплуатацию САУ.

Ориентировочный перечень характеристик (показателей):

-стоимость разработки САУ в целом;

-цена комплекта САУ (или составной части САУ);

-стоимость 1 часа технического обслуживания САУ в процессе работы ГТУ в составе ГПА или ГТЭС;

-среднегодовая стоимость эксплуатации САУ на ГТУ в составе ГПА или ГТЭС;

-среднегодовая стоимость содержания комплекта САУ (или составной части САУ) в процессе длительного хранения.

12.1.2.5 - Работа САУ ГТУ

Структурная схема САУ ГТУ представлена на Рис. 12.1.2.5_1 .

В процессе работы САУ ГТУ осуществляет следующие основные функции:

-выполнение холодной прокрутки ГТУ;

-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 высокого уровня;

-аварийный останов ГТУ по командам САУ более высокого уровня и по сигналам блокировок

èзащит, формируемым в САУ ГТУ;

-управление элементами ГТУ, определяющими геометрические параметры газовоздушного тракта;

-автоматический контроль параметров ГТУ с формированием и выдачей предупреждающих

èаварийных сигналов;

-автоматический контроль исправности САУ

ÃÒÓ;

Рисунок 12.1.2.5_1 - Структурная схема САУ ГТУ

732

Глава 12 - Системы ГТД

-обмен информацией с САУ более высокого уровня.

При запуске ГТУ с использованием пневматического 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 алгоритмам формирует команды на исполнительные механизмы, обеспечивающие:

-подачу пускового газа к пневматическому стартеру;

-подачу топливного газа к дозатору топлива (открытие стопорных клапанов СК1 и СК2);

-подачу электропитания на свечи зажигания (для розжига КС ГТУ);

-дозирование топлива (управление подачей топлива через дозатор) в форсунки КС ГТУ на розжиге и в процессе запуска.

До выхода на минимальный установившийся режим САУ ГТУ формирует команды, обеспечи- вающие отключение электропитания свечей зажигания и прекращение подачи пускового газа к пневматическому стартеру (отключение стартера). После выдержки ГТУ на минимальном установившемся режиме САУ ГТУ по командам оператора выполняет перевод ГТУ на заданный установившийся 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 различ-

ных режимах САУ ГТУ ограничивает предельные параметры ГТУ, контролирует параметры ГТУ и исправность САУ ГТУ, формирует по заданным алгоритмам предупреждающие и аварийные сигналы при выходе контролируемых параметров за пороговое значение.

12.1.2.6 - Блок управления двигателем (БУД)

Изначально функции БУД выполняли устройства на базе гидромеханических элементов (например, центробежный регулятор). Такие устройства отличались высокой надежностью, но были дороги в производстве, ограничены в возможностях по коррекции динамических свойств системы управления, сложны в настройке. Структура таких устройств была неизменяемой.

Значительно повысить качество регулирования параметров ГТУ удалось с приходом в автоматику электронной аппаратуры. Электроника по-

зволила существенно уменьшить габариты, массу

èстоимость устройств управления. С внедрением электроники стала возможна реализация БУД любой степени сложности. В электронной автоматике роль информационных сигналов стали выполнять ток или напряжение, величина которых пропорциональна уровню сигнала (аналоговая электроника). Несмотря на целый ряд преимуществ, аналоговая электроника не обладала гибкостью и универсальностью 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 микропроцессоров, поскольку такое устройство стало программируемым и перепрограммируемым

èстало способным выполнять сложные расчеты. На Рис. 12.1.2.6_1 представлен современный вид БУД.

Пульт оператора служит для оперативного отображения информации и передачи сигналов оператора в систему управления.

Сигналы с датчиков двигателя через клеммные колодки поступают в аналогово-цифровой пре-

Рисунок 12.1.2_3 - Микропроцессорный БУД

733

Глава 12 - Системы ГТД

образователь (АЦП). АЦП преобразует непрерывный электрический сигнал в цифровой сигнал. Информация из АЦП поступает в контроллер. Здесь информация обрабатывается по специальной программе, в основе которой лежат законы управления двигателем. В результате формируются выходные данные, которые поступают в цифро-ана- логовый преобразователь (ЦАП). Здесь цифровые данные расчета преобразуются в непрерывные электрические сигналы. Сигналы управления из ЦАП через клеммные колодки поступают в исполнительные механизмы.

На Рис. 12.1.2.6_2 показана архитектура внутреннего устройства БУД. Обмен информацией между внутренними устройствами БУД осуществляется по общей шине данных. Микропроцессор по программе, загружаемой в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), формирует управляющие воздействия, которые передаются через ЦАП и клеммные колодки в исполнительные устройства. Программа загружается в ОЗУ из инженерного пульта. ОЗУ энергонезависимо, поэтому программа в нем сохраняется даже при отключении питания.

Все элементы микропроцессорного БУД (см. Рис. 12.1.2.6_2) относятся к неизменяемым элементам САУ за исключением программы, загруженной в ОЗУ микроконтроллера. В ОЗУ загружается операционная система, которая обеспечивает обмен данными между устройствами БУД, обеспечивает работу пользовательской программы (реализующей выполнение законов управления двигателем), выполняет функции контроля за электронными устройствами БУД.

Рисунок 12.1.2.6_2 - Архитектура микропроцессорного блока управления двигателем

Система автоматизированного проектирования (САПР) программного обеспечения.

САПР для программирования позволяет специалисту в области системы управления программировать микроконтроллер на высоком уровне, не вникая во все сложности электроники и системы микрокоманд, и заниматься только уровнем, непосредственно относящимся к двигателю. Иными словами для работы инженеру по автоматике достаточно знать о пакете САПР ровно столько, сколько требует решаемая задача. Современный САПР для проектирования микропроцессорных систем позволяет:

-определять и выбирать количество и типы входов и выходов системы;

-определять и выбирать количество и типы электронных модулей;

-определять характеристики и тип центрального процессора;

-проектировать интерфейс с оператором (SCADA системы);

-разрабатывать пользовательскую программу на языках различного уровня.

САПР для программирования контроллеров состоит из двух частей: системы программирования и системы исполнения. Система программирования содержит собственно средства подготовки проектов, менеджер проектов и средства их отладки. Менеджер проектов объединяет в себе:

-редактор переменных;

-конфигуратор контроллера;

-менеджер программ;

-компиляторы.

Система отладки содержит загрузчик программ, сетевой драйвер, средства осциллографирования и удаленной отладки. Система исполнения функционирует на целевом контроллере, который может базироваться на любой платформе (например, INTEL). Любой уникальный контроллер может быть подключен к САПР, если он имеет систему команд и средства загрузки программы. В одних случаях программа в контроллер может загружаться, например, по каналу последовательной связи, в других - с помощью внешне программируемой микросхемы памяти.

Методика разработки прикладной программы САУ ГТУ.

При разработке электронных, пневматических или гидравлических аналоговых регуляторов проектировщик по техническим или экономическим соображениям вынужден пользоваться достаточно узким набором элементов, действующих как интеграторы, дифференциаторы или пропорциональные усилите-

734

Глава 12 - Системы ГТД

Рисунок 12.1.2.6_3 - Структура и этапы разработки программного обеспечения САУ ГТУ

ли. Поэтому при синтезе систем управления аналогового типа приходиться сталкиваться с весьма серьезными ограничениями.

Иначе обстоит дело с алгоритмами для управляющих ЭВМ. Гибкость программных средств существенно расширяет возможность реализации сложных алгоритмов. Это создает предпосылки для практического применения новейших методов современной теории управления, но одновременно ставит перед проектировщиком вопрос: какой управляющий алгоритм наиболее эффективен при решении конкретной прикладной задачи.

Показатели, по которым можно сравнивать алгоритмы различных типов следующие:

-качество управления, обеспечиваемое алгоритмом;

-сложность его реализации;

-чувствительность к изменению параметров

èвоздействию помех;

-требуемая производительность ЭВМ;

-свойства объекта управления.

Создание современной прикладной программы САУ ГТУ можно представить в виде последовательности этапов, на каждом из которых осуществляются расчетно-теоретические исследования с применением моделей различной сложности и различной степени соответствия натурным характеристикам элементов САУ. При проектировании проводятся экспериментальные исследования и анализ полу- ченных результатов, а также принимаются решения по выполнению последующих этапов работы. При проведении расчетно-теоретических исследований современных САУ ГТД возникает ряд трудностей, связанных с большим числом выполняемых ею функций, большим диапазоном изменения внешних условий и режимов работы двигателя.

Методика разработки алгоритмов управления, закладываемых в основу прикладного программ-

735

Глава 12 - Системы ГТД

ного обеспечения САУ ГТУ, подразделяется на этапы (см. Рис. 12.1.2.6_3).

1)Получение информации об объекте управления и сигналах.

Отправной точкой процесса проектирования системы управления является информация об объекте управления и о сигналах, участвующих в его описании. Она может быть представлена в различных формах, например:

- в виде доступных непосредственному измерению входов, выходов, переменных состояния;

- в форме моделей объектов управления и моделей сигналов;

- в форме оценок сигналов и состояний объектов управления.

Для построения моделей двигателя и сигналов могут применяться методы идентификации и оценивания параметров. Модели объектов также могут быть получены с помощью теоретических выкладок. Недоступные измерению переменные состояния можно восстанавливать, используя методы теории наблюдателей и оценки состояния.

Имеющийся опыт свидетельствует, что при проведении натурных исследований САУ двигателей целесообразно наряду с полными, высокоточными, многофункциональными математическими моделями использовать специализированные и упрощенные модели. Применение специализированных моделей дает возможность получить необходимые результаты на различных стадиях создания САУ ГТД.

На основе результатов моделирования двигателя с использованием полной нелинейной модели и результатов натурных испытаний выполняется идентификация линеаризованной модели в виде системы дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. Линеаризованная модель

âдальнейшем используется при расчете передаточных функций и при моделировании системы управлении на компьютере и на безмоторном стенде.

Система передаточных функций используется для выбора структуры и расчета коэффициентов контуров управления.

С использованием линейной модели анализируются и синтезируются контуры регулирования двигателя.

2)Разработка алгоритмов для управления

âпрямой цепи и цепях обратных связей (синтез и настройка).

Завершающим этапом проектирования является синтез алгоритмов управления в цепях прямых и обратных связей, а также их настройка (или подстройка) с учетом конкретных условий функционирования системы. Последнее можно выпол-

нять различными способами:

-проводя подстройку параметров вручную, руководствуясь несложными правилами;

-с помощью автоматизированного расчета на

ÝÂÌ;

-используя самооптимизирующиеся адаптивные алгоритмы управления.

Как правило, применяя различные методы синтеза, можно получить несколько алгоритмов управления, отличающихся по своим характеристикам. Среди них необходимо выбрать наилучший, исходя из совокупности показателей качества регулирования.

3) Кодирование программного обеспечения

èмоделей.

При разработке программного обеспечения применяются IBM-совместимые персональные компьютеры с установленным на них специальным программным обеспечением САПР. Расчетные работы выполняются с полной нелинейной моделью двигателя в программной среде.

4) Испытания программного обеспечения САУ

ÃÒÓ.

В начале работа программы управления испытывается на персональном компьютере, в котором аппаратные средства программно имитируются. В завершение разработки программное обеспечение САУ ГТУ проверяется на полунатурном стенде по программе-методике совместно с САУ ГПА (САУ ГТЭС), где уже используется серийное микропроцессорное устройство управления, поставляемое разработчиком и поставщиком аппаратной части.

На стенде проводят:

-оценку качества регулирования на запуске

èосновных режимах работы ГТУ;

-проверку работы ограничительных контуров;

-проверку срабатывания аварийных защит. На основании проводимых на стенде испыта-

ний анализируется функционирование программного обеспечения САУ ГТУ и соответствие функциональных характеристик техническому заданию.

В состав аппаратной части стенда входят: микропроцессор с устройствами ввода - вывода; исполнительные элементы; чувствительные элементы (в зависимости от поставленных задач исполнительные элементы и датчики могут имитироваться программно); микропроцессорная система, имитирующая двигатель. В состав стенда входят ПЭВМ для отображения состояния системы, пульт и программатор. В программную часть стенда входят средства разработки программного обеспечения, программа системы управления, программа модели, программы обеспечения отображения информации.

736