СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ МАТРИЦЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАЧИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G06F19/00 

Изобретение касается автоматического регулирования авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и предназначено для идентификации параметров динамических моделей ГТД по экспериментальным данным.

Известен способ идентификации коэффициента передачи ГТД путем измерения текущих значений входной и выходной координат двигателя, вычисления их средних значений и текущих отклонений от средних значений, вычисления коэффициентов разложения импульсной переходной функции в ряд Уолшаa₁, a₂, a_n} по которым затем вычисляются коэффициенты параметрической модели (передаточной функции), в том числе и коэффициент передачи.

Недостатком указанного способа является невысокая точность и сложность реализации, связанная с необходимостью подбора количества членов ряда Уолша n.

Известно устройство, реализующее данный способ, содержащий объект управления, блоки определения коэффициентов разложения импульсной переходной функции и нормализованной импульсной переходной функции, блок эталонных коэффициентов, блок распознавания, параметрическую модель, сумматор и блок настройки параметров.

Недостатком указанного устройства являются сложность, низкое быстродействие и невысокая точность.

Наиболее близким к изобретению, является способ идентификации матрицы коэффициентов передачи ГТД путем измерения текущих значений входной U(t) и выходных X_j(t) координат двигателя, вычисления их средних значений и текущих отклонений от средних значений, вычисления по ним значений взаимно корреляционной и автокорреляционной функций R (t) и R_uu(t), их интегрирования на интервале от -Т до Т и вычисления коэффициентов передачи по формуле
k_j= R(t)dt/ R_uu(t)dt
Недостатком указанного способа является то, что он сложен в реализации и не обеспечивает высокую скорость идентификации.

Операции вышеуказанного способа осуществляются устройством, содержащим регулятор, сумматор, двигатель как объект управления, фильтр, элемент сравнения и блок идентификации.

Недостатком этого устройства является невысокое быстродействие, связанное с необходимостью вычисления корреляционных функций и их интегрирования, и высокая сложность, так как блок идентификации содержит большое число элементов для вычисления корреляционных функций для значений сдвига по времени от -Т до Т.

Задачей изобретения является повышение скорости и точности идентификации матрицы коэффициентов передачи ГТД на установившихся режимах за счет принципиально нового существенно нелинейного способа идентификации.

Для этого в способе идентификации матрицы коэффициентов передачи ГТД путем измерения текущих значений входной и выходных координат двигателя, вычисления их средних значений и текущих отклонений от средних значений согласно изобретению вычисляют первые производные по времени частот вращения всех роторов, определяют отношения текущих отклонений выходных координат к текущему отклонению входной координаты в моменты времени, когда все вычисленные производные меньше по абсолютной величине заранее заданного значения ε и абсолютное значение текущего отклонения входной координаты больше заранее заданного значения ξ вычисляют оценки коэффициентов передачи как средние значения соответствующих полученных отношений в реальном времени.

Для решения задачи изобретения в устройстве, включающем регулятор, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом двигателя как объекта управления, один из выходов которого соединен входом фильтра, выход которого соединен с инвертирующим входом блока сравнения выходной координаты с заданным значением q, выход которого соединен с входом регулятора, согласно изобретению выход сумматора соединен также с входом блока определения текущего отклонения от среднего значения ΔU, выход которого соединен с входом блока сравнения величины ΔU с заданным значением ξ выход которого соединен с первым входом логического блока, остальные входы которого соединены с соответствующими выходами блока элементов сравнения величин (i= , где n число валов двигателя) с заданным значением ξ входы которого соединены с соответствующими выходами блока дифференциаторов, входы которого соединены с соответствующими выходами двигателя, выход блока определения текущего отклонения от среднего значения ΔU соединен также с входом ключа, управляющий вход которого соединен с выходом логического блока, а выход с первым входом блока делителей, остальные входы которого соединены с соответствующими выходами блока определения текущих отклонений от средних значений ΔX_j (j , где m число выходных координат двигателя), входы которого соединены с выходами двигателя, а выходы блока делителей с соответствующими входами первого блока ключей, управляющий вход которого соединен с выходом логического блока, а выходы с неинвертирующими входами блока сумматоров, выходы которого соединены с соответствующими входами блока интеграторов, выходы которого соединены с соответствующими входами второго блока ключей, управляющий вход которого соединен с выходом логического блока, а выходы с соответствующими инвертирующими входами блока сумматоров.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 зависимость между входным и выходным сигналами блока сравнения величины ΔU с заданным значением ξ на фиг. 3 зависимость между входным и выходным сигналами блока элементов сравнения величин (i= , где n число валов двигателя) с заданным значением ε на фиг. 4 пример реализации блока определения текущего отклонения от среднего значения; на фиг. 5 структурная схема канала определения k_j.

Устройство содержит (см. фиг. 1) регулятор 1, выход которого соединен с первым входом сумматора 2, выход которого соединен с входом двигателя 3, один из выходов которого соединен с входом фильтра 4, выход которого соединен с инвертирующим входом блока 5 сравнения выходной координаты с заданным значением q, выход которого соединен с входом регулятора 1, выход сумматора 2 соединен также с входом блока 6 определения текущего отклонения от среднего значения ΔU, выход которого соединен с входом блока 7 сравнения величины ΔU с заданным значением ε выход которого соединен с первым входом логического блока 8, другие входы которого соединены с соответствующими выходами блока 9 элементов сравнения величин (i= , где n число валов двигателя) с заданным значением ε входы которого соединены с соответствующими выходами блока 10 дифференциаторов, входы которого соединены с соответствующими выходами двигателя 3, выход блока 6 определения текущего отклонения от среднего значения ΔU соединен также с входом ключа 11, управляющий вход которого соединен с выходом логического блока 8, а выход с первым входом блока 12 делителей, остальные входы которого соединены с соответствующими выходами блока 13 определения текущих отклонений от средних значений ΔX_j (j= , где m число выходных координат двигателя), а выходы с входами первого блока 14 ключей, управляющий вход которого соединен с выходом логического блока 8, а выходы с неинвертирующими входами блока15 сумматора, выходы которого соединены с соответствующими входами блока 16 интеграторов, выходы которого соединены с соответствующими входами блока 17 ключей, управляющий вход которого соединен с выходом логического блока 8, а выходы с инвертирующими входами блока 15 сумматоров, входы блока 13 соединены с выходами двигателя Х₁ X_m.

Способ реализуется следующим образом.

Сигнал, соответствующий входной координате ГТД, например расходу топлива G_т с сумматора 2 поступает также на блок 6 определения текущего отклонения от среднего значения входной координаты ΔU, который может быть реализован, как показано на фиг. 4. Реальные физические сигналы типа расхода топлива содержат шумовую составляющую f, вызванную внутренними шумами исполнительных механизмов регулятора, представляющих собой усилители мощности. Сигнал, соответствующий полученному значению отклонения ΔU, сравнивается с сигналом, соответствующим заданному значению ε в блоке 7. При выполнении условия ( U > ξ ) выдается логический сигнал "1", который поступает в логический блок 8. Это предотвращает деление на ноль и переполнение (насыщение) в блоке 12 делителей. Сигналы, соответствующие частотам вращения роторов двигателя, с выходов двигателя 3 подаются на блок 10 дифференциаторов, с выходов которого сигналы, соответствующие первым производным по времени от частот вращения роторов двигателя, подаются на блок 9 элементов сравнения величины (i= i= , где n число валов двигателя) с заданным значением ε где сравниваются с сигналом, соответствующим значению ε. Одновременное равенство нулю всех производных ... соответствует статическому режиму работы двигателя. При выполнении условий < ε, где i= , выдаются логические сигналы "1", которые поступают в логический блок 8. На выходе логического блока 8 формируется логический сигнал "1", открывающий ключ 11 и все ключи первого блока 14 ключей и второго блока 17 ключей только при одновременном выполнении всех n+1 условий ( U > ε и < ε, где i= ). Сигналы, соответствующие выходным координатам двигателя (включая частоты вращения роторов двигателя), подаются на блок определения текущих отклонений от средних значений выходных координат ΔX_j 13(j , где m общее число выходных координат двигателя, куда входят частоты вращения n роторов X₁ X_n и другие газодинамические параметры X_n+1 X_m, например температуры и давления по тракту двигателя), с выходов которого сигналы, соответствующие текущим отклонениям ΔX_j (j ), поступают на блок 12 делителей, куда поступает и сигнал с выхода ключа 11, соответствующий величине текущего отклонения от среднего значения входной координаты двигателя ΔU. С выходов блока делителей сигналы, соответствующие величинам отношений , поступают через первый блок 14 ключей на неинвертирующие входы сумматоров блока 15 сумматоров. Далее сигналы с выходов блока сумматоров пропускаются через интеграторы блока 16 интеграторов и через второй блок 17 ключей подаются на соответствующие инвертирующие входы сумматоров блока 15 сумматоров, образуя отрицательную обратную связь при открытых ключах блока 17 ключей. Взятые вместе блоки 14-17 представляют собой блок усредняющих фильтров при открытых ключах блоков 14 и 17 ключей, при этом сигналы на выходах блока 16 интеграторов соответствуют коэффициентам передачи ГТД по m выходным координатам двигателя. При закрытых ключах блоков 14 и 17 ключей блок 16 интеграторов имеет на своих входах сигналы, соответствующие нулю, и сигналы на выходах блока 16 интеграторов, соответствующие коэффициентам передачи ГТД, сохраняют свою величину постоянной. На фиг. 5 приведена структура j-го канала усреднения отношения . При закрытых ключах 14 (j) и 17 (j) схема работает как фильтр низких частот, а при разомкнутых ключах как устройство выборки и хранения, так как выходной сигнал интегратора не изменяется при нулевом входном сигнале. Таким образом, при включении устройства первоначально заданные значения коэффициентов передачи двигателя (начальные условия на интеграторах блока 16 интеграторов) начинают уточняться и, по окончании процесса настройки, будут отслеживаться.

Использование предлагаемого способа и устройства идентификации матрицы коэффициентов передачи ГТД обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
обеспечивается более высокая скорость идентификации матрицы коэффициентов передачи ГТД;
значительно упрощается устройство для идентификации матрицы коэффициентов передачи ГТД.

Использование: в технике автоматического регулирования авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), а именно для идентификации параметров динамических моделей ГТД по экспериментальным данным. Сущность изобретения: в способе измеряют текущие значения входной и выходной координат двигателя, вычисляют их средние значения и текущие отклонения от средних значений, вычисляют первые производные по времени частот вращения всех роторов, определяют отношения текущих отклонений выходных координат к текущему отклонению входной координаты в моменты времени, когда все вычислительные производные меньше по абсолютной величине заранее заданного значения ε и абсолютное значение текущего отклонения входной координаты больше заранее заданного значения e, вычисляют оценки коэффициентов передачи как среднее значение соответствующих полученных отношений в реальном времени. Устройство для реализации способа содержит сумматор 2, блок 6 определения текущего отклонения входной координаты от среднего значения приращения DU, блок 7 сравнения величины приращения ΔU с заданным значением ε, логический блок 8, блок 9 элементов сравнения величин dX_i/dt , где n - число валов двигателя) с заданным значением ε, блок 10 дифференциаторов, двигатель 3, ключ 11, блок 12 делителей, блок 13 определения текущих отклонений выходных координат от средних значений приращения DX_j, где m - число выходных координат двигателя), блоки 14 и 17 ключей, блок 15 сумматоров и блок 16 интеграторов. 2-6-7-8,9 8, 10 9, 3 10, 6-11, 8-11, 11-12, 1312, 3-13, 12-14, 8-14, 14 15, 15 16, 16 17, 8-17, 17 15. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

Способ идентификации матрицы коэффициентов передачи газотурбинного двигателя путем измерения текущих значений входной и выходных координат двигателя, определения их средних значений и текущих отклонений от средних значений, отличающийся тем, что определяют первые производные по времени частот вращения всех роторов двигателя, определяют отношение текущих отклонений выходных координат к текущему отклонению входной координаты в моменты времени, когда все производные меньше по абсолютной величине заранее заданного значения и абсолютная величина текущего отклонения входной координаты больше заранее заданного значения, а коэффициенты передачи идентифицируют как средние значения соответствующих полученных отношений.

2. Устройство для идентификации матрицы коэффициентов передачи газотурбинного двигателя, содержащее регулятор, подключенный выходом к входу сумматора, выход которого является управляющим выходом устройства, служащим для подключения входа двигателя, фильтр, вход которого является первым частотным входом устройства, служащим для подключения частотного сигнала вращения ротора первого вала X₁ двигателя, выход фильтра подключен к инвертирующему входу первого элемента сравнения с заданным значением выходной координаты двигателя, соединенного выходом с входом регулятора, отличающееся тем, что в устройство введены блок дифференциаторов, блок определения текущих отклонений выходных координат от средних значений, блок определения текущего отклонения входной координаты от среднего значения, второй элемент сравнения, блок элементов сравнения, логический блок, блок делителей, первый и второй блоки ключей, блок сумматоров, блок интеграторов и ключ, выход сумматора подключен к входу блока определения текущего отклонения входной координаты от среднего значения, связанного выходом с информационным входом ключа и входом второго элемента сравнения с заданным значением абсолютной величины текущего отклонения входной координаты, подключенного выходом к первому входу логического блока, связанного вторыми входами с соответствующими выходами блока элементов сравнения величин где n - число валов двигателя с заданной величиной, подключенного входами к соответствующим выходам блока дифференциаторов, входы которого являются соответствующими информационными входами устройства, служащими для подключения выходных координат соответствующих валов двигателя X₁ ... X_n, выход логического блока соединен с управляющими входами первого и второго блоков ключей и управляющим входом ключа, подключенного выходом к входу делителя блока делителей, связанного входами делимых с соответствующими выходами блока определения текущих отклонений выходных координат от средних значений где m - число выходных координат двигателя, выходы блока делителей подключены к соответствующим входам первого блока ключей, связанного выходами с соответствующими первыми входами блока сумматоров, подключенного вторыми (инвертирующими) входами к соответствующим выходам второго блока ключей, а выходами - к соответствующим входам блока интеграторов, выходы которого соединены с соответствующими информационными входами второго блока ключей и являются информационными выходами устройства.