Лекции по АП и ИВК / Лекции / 09. ЭСУД

ГЛАВА 9.ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ.

1.Цифровая система управления силовой установки…………….......1

2. Канал измерения и регулирования температуры газа.................….10

3.Контрольные вопросы………………………………………………...14

1.Цифровая система управления силовой установки

Центром построения цифровой интегральной системы управления, в котором производится переработка информации о состоянии объекта и принятие решений, является бортовой цифровой вычислительный комплекс (БЦВК) (рис. 1). В связи с тем, что датчики первичной информации обычно не унифицированы по виду выходного сигнала и в большинстве своем выходная величина представлена не в цифровом виде, поэтому существенную долю аппаратных затрат составляет подсистема сбора и преобразования информации. Достаточно разнообразны способы связи с исполнительными устройствами, приводящими в действие различные регулирующие органы цифровой интегральной САУ. В состав цифровой системы входят различные устройства вывода информации. В связи с высокими требованиями к надежности функционирования всей силовой установки в цифровой интегральной САУ приходится предусматривать резервирующие системы, которые имеют, как правило, свои собственные датчики и исполнительные механизмы. Регулирующий орган может быть при этом один.

Рис. 1. Структурная схема цифровой интегральной системы управления:

1 – входные преобразователи; 2 – задача I уровня; 3 – задача II уровня; 4 – задача Ш уровня; 5 – диспетчер; 6 – выходные преобразователи; 7 – средства отображения информации; 8 – средства регистрации информации; 9 – резервирующие системы; I – первичные устройства получения информации; II – исполнительные механизмы; Ш – бортовой цифровой вычислительный комплекс; IV – системы резервирования БЦК; V – вычислительная часть и запоминающие устройства.

Подсистема сбора информации осуществляет опрос датчиков всей силовой установки в необходимом темпе, преобразует информацию к стандартному для данной системы виду и непрерывным потоком направляет эту информацию в канал связи с вычислительной частью БЦВК.

Большой объем преобразуемой информации, высокий темп преобразования, высокая требуемая точность приводят к тому, что эта часть системы содержит до 40% всего оборудования и должна быть обеспечена совершенной техникой преобразования.

Вычислительная часть системы включает запоминающие устройства (ЗУ), где хранятся программы вычислений, необходимые константы и арифметические устройства, в которых производятся вычисления. Ёмкость ЗУ определяется числом решаемых задач, к которым относятся задачи управления в условиях нормального функционирования системы, задачи выявления неисправностей системы (контроля и диагностики) и задачи, определяющие поведение системы в аварийных условиях. Общие ресурсы вычислительной части цифровой интегральной САУ характеризуются в первую очередь, емкостью запоминающих устройств, потребным быстродействием и потоком входной и выходной информации. Поток входной информации поступает в вычислительную часть и далее распределяется операционной частью системы по различным алгоритмам. Операционная часть определяет набор соответствующих алгоритмов управления. Операционная система также осуществляет выдачу кодов из вычислительной части по каналу вывода данных на соответствующие выходные преобразователи.

В состав интегральной системы входят также средства отображения информации и средства регистрации информации на внешних ЗУ.

Ввиду недостаточной надежности электронных схем цифровой тракт управления резервируется дополнительными системами. Возможны следующие способы резервирования:

-цифровыми каналами

-аналоговыми устройствами

-пневмоустройствами

-гидромеханическими устройствами

-смешанное резервирование.

Тип резерва выбирается для конкретной системы по комплексной оценке, включающей характеристики надежности, суммарной массы, объема, стоимости и. т. п. Перечисленные критерии влияют также на способы сочетания резервной и цифровой части:

-цифровая часть работает в узком диапазоне, обеспечивая повышение точности и динамических характеристик только в данном диапазоне;

-цифровая часть выполняет сложные функции, которые повышают эффективность системы (супервизорный режим работы);

-цифровая часть может работать в режиме прямого управления.

Соответственно могут меняться функции резервных систем. Они могут:

-полностью дублировать функции цифровой части;

-работать в ограниченной области и обеспечивать продолжение полета с пониженными характеристиками;

-обеспечивать работу силовой установки в минимальной области режимов, позволяя выполнять посадку самолета.

Аппаратными элементами интегральной системы управления с прямым воздействием на исполнительные органы являются процессоры, запоминающие устройства, средства сбора информации, средства отображения информации, исполнительные устройства. Объединение этих элементов в ту или иную структуру осуществляется системой передачи информации (через каналы связи).

На развитие системы влияет стремление:

-упростить техническое решение и ремонт, использование простых аппаратных средств;

-обеспечить наилучшее совместное пользование ресурсами;

-создать максимально гибкие системы в отношении аппаратных и программных средств, что позволит простыми средствами с малыми затратами решить проблему улучшения, развития, перестройки системы.

В основу построения структуры интегрированной системы как единого аппаратного комплекса, объединяющего управление различным бортовым оборудованием, может быть положен один из двух принципов – централизации или децентрализации.

До конца 70-х годов в авиации преобладающим являлся тип структур бортового оборудования с независимыми субсистемами. Функции объединения сибсистем в единый комплекс выполнял экипаж, который воспринимал показания приборов подсистем, принимал решения и воздействовал на подсистемы через органы управления. Очевидные выгоды интеграции бортового оборудования в более крупные комплексы (снижение стоимости, снижение массы аппаратуры, унификация, снижение нагрузки на экипаж и. т. д.) обуславливают тенденцию к объединению субсистем в более крупные бортовые системы, которые формируются как единый бортовой комплекс средств переработки, отображения и использования информации.

В интегральных системах с централизованной структурой используется одна общая мощная цифровая машина, связанная с датчиками первичной информации, устройствами индикации и исполнительными механизмами. Централизованную структуру можно также построить на базе комплекса микропроцессоров, связанных в единую систему. Каждый из вычислителей может сохранять собственное управление, возможно также управление от ведущего процессора. Связь вычислительного устройства с бортовыми устройствами осуществляется системой шин или через устройства сопряжения.

Система характеризуется высокой эффективностью использования вычислительных средств. Информационный тракт здесь полностью интегрирован, разделение его осуществляется в математическом обеспечении. Но в централизованной системе затруднена модификация, расширение её. Кроме того, рост количественных характеристик оборудования приводит к падению надежности системы. Большие затраты требуются на создание и отработку математического обеспечения ввиду того, что все программы сосредоточены в едином поле памяти и обрабатываются общим процессором.

В системе с федеративной структурой используются несколько процессоров, которые связанны между собой и датчиками. Часть вычислительных функций может быть вынесена на периферию системы – в устройства предварительной обработки информации (в процессорах обработки входной информации). Использование специальных вычислителей в устройствах предварительной обработки данных снижает требования к центральным процессорам. На интегральную БЦВМ возлагаются функции по интеграции и общему управлению комплексом. Федеративное структурное построение позволяет применить принцип модульности к подсистемам комплекса: в частности исключать устаревшие модули и включать в состав комплекса новые модули, почти не затрагивая самого комплекса; видоизменять алгоритмы управления отдельными устройствами, проводя изменение в программном обеспечении отдельного модуля и. т. п.

В системе с распределенной структурой каждая функциональная система имеет свой процессор, который связан с датчиками, устройствами отображения информации и исполнительными органами. Процессоры связаны между собой и с другими элементами через общий канал связи.

Эффективность использования вычислительных средств централизованной и распределенной структурах различна. В первой эффективность выше, и больше возможности маневрировать ресурсами системы. Во второй структуре выше живучесть – отказ процессора не означает отказа все системы. Аналогично аппаратуре следует рассматривать централизацию программных средств. В централизованной системе вычисления производятся под управлением единой диспетчерской системы. Связь с элементами осуществляется только через соответствующие процессоры.

Возможны иерархические структуры цифровой системы управления. Распределение ресурсов системы осуществляется по нескольким уровням. Связь запоминающих устройств с процессором осуществляется через систему шин. Иерархическая структура позволяет легко изменять характеристики системы, расширять и видоизменять её, производить замену её элементов.

Другим фактором, стимулирующим использование распределенных систем, является эффективность и загрузка каналов связи. Важным свойством систем с распределенной и иерархической структурой является возможность наращивания и развития системы. Однако это свойство ограничивается пропускной способностью каналов. Необходимость передавать по каналам связи служебные слова приводит к снижению эффективности каналов до 70 % от максимальной. На эффективную загрузку каналов связи влияют также сложность системы, состав элементов и объем передаваемой информации. Принципы введения уровней могут быть разными. С точки зрения эффективного использования вычислительных средств и каналов передачи данных целесообразно введение следующих уровней обработки информации.

I Уровень датчиков информации дает возможность проводить преобразование входной информации в цифровые коды, контроль информации, масштабирование, предварительное преобразование, сжатие информации.

II Уровень функциональной обработки. Здесь непосредственно реализуются алгоритмы управления функционирования подсистем

IIIУровень диспетчеризации. Это высший уровень, с которого осуществляется управление всем вычислительным процессом исполнения функциональных программ, перестройкой системы.

Выбор конкретного типа структуры осуществляется при проектировании интегральной цифровой системы и зависит, в первую очередь, от объема решаемых в системе задач, а значит от суммарных характеристик вычислительный средств. Суммарные затраты оборудования для распределенных систем больше, чем для централизованных, но суммарные затраты на программирование могут оказаться меньшими.

Таким образом, основными элементами цифровой интегральной системы управления силовой установки являются: подсистема сбора и преобразования информации, каналы передачи информации, вычислительная часть системы, подсистемы-приемники переработанной информации (исполнительные устройства, устройства отображения информации и. т. д.).

Интеграция оборудования повышает гибкость и надежность системы, приводит к снижению массы оборудования. Интеграция предопределяет простое согласование оборудования и уменьшение его типажа. Особое внимание уделяется унификации оборудования и способов объединения субсистем между собой (унификация канала передачи информации).

2.Канал измерения и регулирования температуры газа

Установившиеся и неустановившиеся режимы работы двигателя ограничиваются определенной рабочей областью изменения параметров; поэтому система автоматического регулирования должна допускать лишь такие отклонения от заданной линии рабочих режимов, которые не выходили бы из допустимой области.

Эта область для ТРД ограничивается максимальным числом оборотов, максимальной температурой газа, границей помпажа и границей устойчивого горения топлива в камере сгорания.

Для того чтобы установить ТРД на заданный режим работы, необходимо поддерживать определенное значение числа оборотов и температуры газов перед турбиной.

Основными требованиями к ограничителям темпе­ратуры газа являются высокая точность и быстродействие. Первое требование объясняется высокой теплонапряженностью современных двигателей и сильной зависимостью надежности и ресурса силовой установки от температуры газа. Второе - исключение недопустимо больших забросов температуры газа, которые могут привести к разрушению двигателя.

Возможная структурная схема ограничителя температуры газа приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема ограничителя температуры газа:

I – компенсатор ЭДС холодного спая термопары; II – задатчик температуры ограничителя; III – нелинейный корректирующий контур;

ШИМ – широтно-имупульсный модулятор; УМ – усилитель мощности; ИМ – исполнительный механизм; СМ – сервомотор.

Аппаратура регулирования авиационной силовой остановки работает в, тяжелых условиях, например в диапазоне температур от –60 до +80С. Это накладывает жесткие условия на выбор электрорадиоэлементов, режимов их работы, создает особенности при использовании датчиков первичной информации. Так, для компенсации ЭДС холодного спая термопары используется медное сопротивление Rt, устанавливаемое в место крепления холодного спая термопар. С помощью сопротивления R0  Rt задается такой ток через сопротивление Rt, что в диапазоне рабочих температур изменение напряжения на Rt, за счет изменения его температурного сопротивления практически полностью компенсирует ЭДС холодного спая термопары.

Сигнал с термопары сравнивается с сигналом задатчика построенного на делителе сопротивлении R1, R2, R2’, R2” с источником эталонного напряжения - стабилитроном. Погрешность всего регулятора во многом опре­деляется погрешностью задатчика, поэтому он строится из самых стабильных элементов. Резисторы R1 и R2 также должны обладать малым температурным уходом. Полученный сигнал разности усиливается МДМ усилителем, обладающим малым дрейфом нулевого уровня. Усиленный сигнал поступает на нелинейное корректирующее звено, имеющее при Тт*[Тто*] передаточную функции W1(s) = k, и при Тт*>[Тто*] передаточную функцию W2(s) = k(Ts+1)/(s+1). Значение порога переключения [Тто*] выбирается экспериментально и составляет 15...25° С. Величина постоянной времени Т равна постоянной времени термопары (в случае ее рассмотрения в виде одноемкостного звена):   0,1Т. Необходимость применения нелинейного корректирующего контура вызвана тем, что при больших забросах температуры необходимо скомпенсировать инерционность термопары и обес­печит быстрый слив топлива, а на режимах стабилизации отключение производной позволяет обеспечить устойчивость и помехозащищенность канала регулирования температуры газа. Нелинейная характеристика получается применением диода VD, рабочая характеристика которого смещена за счет напряжения Е2, обеспечивая формирование порога [Тто*].

Сформированный сигнал с помощью модулятора преоб­разуется в широтно-импульсные сигналы, коэффициент запол­нения которых пропорционален управляющему напряжению. Работа исполнительного механизма в широтно-импульсном режиме позволяет исключить вредное влияние «плавания» нулевого положения штока исполнительного механизма на работу системы, а также произвести линеаризацию харак­теристик узлов «сопло – заслонка» и «сервомотор».

В настоящее время используются два типа широтно-им­пульсных модуляторов (ШИМ) – с постоянной частотой сле­дования импульсов и с переменной, когда частота является функцией скважности.

Применение ШИМ с переменной частотой позволяет уве­личить зону пропорциональности рабочей характеристики ис­полнительного механизма, однако понижение частоты приводит к пульсациям топлива. С разработкой быстродействующих исполнительных механизмов появляется возможность использования ШИМ с постоянной частотой. В аналогичных регуляторах используется, как правило, ШИМ второго рода, в которых длительность импульса пропорциональна текущему значению преобразуемой величины.

При достаточно большой частоте квантования передаточную функцию ШИМ аппроксимируют безинерционным звеном. Сигнал с ШИМ поступает на усилитель мощности, в нагрузку которого включены обмотки исполнительного механизма. От схемы усилителя мощности во многом зависят динамические характеристики исполнительной части. Как правило, усилитель мощности запитывается от источника тока со схемой форсирования, что позволяет увеличить крутизну нарастания ток в обмотках исполнительного механизма и расширить его полосу пропускания.

Шток исполнительного механизма совместно с соплом, установленным на гидравлическом агрегате, образуют управляющий элемент исполнительного сервомотора.

Контрольные вопросы

1.Что собой представляет структурная схема ЭСУД.

2.Для чего небходимо регулировать температуру газа в ГТД.

3.Принцип работы системы регулирования температуры, составные элементы системы.