СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК G05B15/00 

Изобретение относится к автоматическим системам управления, в частности, к управлению работой турбин, компрессоров, периодически работающих устройств.

Известны способы управления режимом работы двигателей (Ю.Н. Нечаев, P.M. Федоров, Теория авиационных газотурбинных двигателей, М., Машиностроение, 1978, т. 2, стр. 200-227), развитые еще в то время, когда компьютеры были маломощными, медленно действующими и громоздкими. Недостатком этих способов является необходимость непосредственного воздействия человека на двигатель для изменения его режима работы, что зачастую приводит к ошибочным или запоздалым решениям.

Известны также способы управления с помощью адаптивных цифровых систем с полной ответственностью, которые обеспечивают гидродинамическую устойчивость двигателя и предотвращают нарушение устойчивых режимов работы (Пратт-Уитни). Они имеют блок диагностики и снабжены алгоритмами обнаружения отказов в работе двигателя, позволяющими определить неисправности на определенных режимах работы и задать последовательность действий, необходимых для устранения этих неисправностей (C. F. Simmons, G. Brant, Enhanced fighter engine operability using full authority digital electronic control systems, preprint AIAA-88-3266; перевод в "Новости зарубежной науки и техники", сер. "Авиационное двигателестроение", М., ЦИАМ, 1989, вып. 6-7, стр. 12-19). Недостатком этих способов является то, что анализируют лишь условия полета и управляют режимом работы двигателя, предотвращая его выход на предельные показатели, но не определяют возможных предвестников неисправности в работе двигателя, наступающей по внутренним причинам. Вследствие такой регулировки зачастую сильно ограничивается интервал возможных рабочих режимов двигателя и не полностью используются его возможности. Для создания оптимальных алгоритмов такого управления необходима большая предварительная исследовательская работа и, тем не менее, не исключен элемент субъективизма в предписываемых алгоритмах.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту является способ автоматического управления работой двигателя с резким сбросом подачи топлива при возникновении автоколебаний газа в камере сгорания (J. H. Waters, Digital controller applied to the limitation of reheat combustion roughness, Proc. of AGARD conference, 1974, N15-1). Недостатком этого способа является предотвращение лишь уже развившихся колебаний, отрицательно сказывающихся на ресурсе двигателя, которое при больших колебаниях действительно требует резкого сброса подачи топлива, приводящего к заметному изменению тяги двигателя и, зачастую, к нежелательным последствиям.

Предлагаемый способ существенно отличается тем, что в процессе передачи сигналов датчиков, установленных на двигателе, на анализирующее вычислительное устройство заблаговременно определяется предвестник нарушения в работе двигателя с помощью компьютерной вейвлет-диагностики, на основе чего система автоматического управления с быстрым срабатыванием подает команду о регулировке работы двигателя, предотвращающую нарушения в режиме его работы.

Техническая задача изобретения - расширение диапазона управления двигателем путем повышения надежности и быстроты срабатывания системы обратной связи как в стационарных условиях, так и в процессе движения при установившихся и неустановившихся режимах работы, достигаемое за счет раннего обнаружения предвестников возможного нарушения режима работы и подачи команды о соответствующей регулировке.

Поставленная задача решается тем, что сначала проводится диагностика режима работы двигателя, состоящая в том, что с помощью датчиков, установленных на работающем двигателе, измеряют величину и изменение во времени его физических параметров (вибраций, деформаций, давления газов, акустических шумов и т. п.), в компьютерном блоке преобразуют эти сигналы в вейвлет-коэффициенты, анализируют их дисперсии и/или высшие корреляционные матрицы в разных масштабах, после чего на основании их изменений со временем и заложенных в него алгоритмов компьютер делает выводы о необходимости смены режима работы двигателя и способе осуществления этой операции, передает соответствующую команду в систему автоматического управления, которая проводит регулировку двигателя через исполнительное устройство. Таким способом достигается саморегулировка двигателя.

Заявляемый способ автоматического управления работой двигателя отличается высокой степенью надежности, обеспечиваемой свойствами диагностики с помощью вейвлет-анализа, быстродействием и точностью компьютерной обработки сигналов датчиков и подачи команды регулировки, а также многофункциональностью всей системы, когда помимо сигналов датчиков компьютерной обработке подвергается и другая информация (например, данные о полете в случае летательных аппаратов), и по результатам их совместной обработки по многим параметрам выбираются необходимые команды на выполнение конкретных операций из серии возможных способов регулировки двигателя, заложенных в компьютер. Все эти особенности вместе обеспечивают расширение диапазона управления двигателем, недостижимое с помощью предлагавшихся ранее способов.

Заявляемый способ поясняется изображенной на чертеже блок-схемой. Блок-схема состоит из двигателя 1, датчика 2 сигналов о его режиме работы, измерительного устройства 3, компьютера 4, системы автоматического управления 5 и исполнительного устройства 6. Для многофункциональных летательных аппаратов 7 (самолет, спутник и т.п.) эта блок-схема дополняется устройством 8, накапливающим другую информацию об аппарате (например, данные о полете).

Способ осуществляется следующим образом. Датчик 2 на двигателе 1 регистрирует физические параметры (вибрацию, деформации, колебания давления, акустические шумы и т. п. ) работы двигателя и передает их на измерительное устройство 3, преобразующее эти данные в набор чисел, характеризующий изменение величины параметров со временем через определенные интервалы времени, затем этот набор поступает в компьютер 4, который проводит вейвлет-анализ путем вычисления соответствующих вейвлет-коэффициентов, их дисперсии и высших корреляционных матриц на разных масштабах, и в случае обнаружения их заметного изменения по сравнению с нормальным режимом работы двигателя выбирает способ регулировки работы, согласуя его также с информацией о полете, и выдает команду в систему автоматического управления 5, которая приводит в действие исполнительное устройство 6, меняющее режим работы двигателя согласно полученной команде.

Учет разных физических параметров работы двигателя и других данных о полете и выбор на основе этого из многих способов управления наиболее адекватного определяет многофункциональность способа. Его надежность достигается за счет многократной проверки правильности команд, выдаваемых компьютером, путем взаимоконтроля выводов, получаемых из дисперсионного вейвлет-анализа и дополнительных высших корреляционных матриц на разных масштабах. Быстродействие способа обеспечивается локальностью вейвлет-анализа и скоростью обработки данных на компьютере. Способ не требует вмешательства человека.

Основная задержка в блок-схеме обратной связи обусловлена скоростью ввода, обработки и вывода информации с компьютера. Она ограничена снизу не быстродействием компьютера, а в основном скоростью протекания физических процессов и способом их обработки и анализа. Заявляемый способ был осуществлен на работающем компрессоре авиационного газотурбинного двигателя при трех режимах его работы, когда скорость вращения ротора менялась от 76 до 81 и 100% от предельно допустимой. Согласно проведенным измерениям преобразование первичного сигнала датчика, вейвлет-анализ данных, накопленных за некий ограниченный интервал времени, взаимная проверка полученных в результате этого анализа выводов и выдача команды на исполнительное устройство занимают в использованном способе около 0.2 с. Сигналы с восьми датчиков поступали с интервалом 1 мс. Величина 0.2 с определяется в основном скоростью процесса перехода от вейвлет-дисперсии нормального режима к дисперсии предвестника, который длится при таком представлении заметно дольше. Предвестник возможного нарушения в работе компрессора, обнаруживаемый компьютером, состоит в том, что за достаточно большое время (около 2.5 с при нормальной нагрузке и около 1 с при предельной нагрузке) до проявления нарушений (помпажа) в работе компрессора дисперсия вейвлет-коэффициентов при 4-кратном интервале разрешения на определенном корреляционном уровне уменьшается на 30-40%. Именно длительность этого спада и его диагностирования суммарно даeт величину 0.2 с, много меньшую длительности предвестников 1-2.5 с, что позволяет иметь большой запас времени, чтобы уверенно начинать плавную регулировку режима работы. Четкое указание предвестника и его быстрое распознавание являются основными преимуществами заявляемого способа, поскольку выявить какие-либо предвестники другими способами за столь длительное время до наступления помпажа не удается.

По сравнению с прототипом этот способ допускает более быстрое и надежное управление с учетом многих параметров без резкой смены режима работы, что обеспечивается эффективной диагностикой с помощью вейвлет-анализа ранних предвестников отклонений в работе двигателя и наличием быстрой обратной связи.

Предложенный способ может быть использован для автоматического управления режимом работы любых регулярно (в частности, периодически) работающих двигателей как при установившихся, так и неустановившихся режимах работы с целью предотвращения неполадок в работе и аварий.

Изобретение относится к автоматическому управлению работой двигателей с помощью системы обратной связи, использующей новый математический метод вейвлет-анализа. Технический результат заключается в повышении надежности, который достигается за счет того, что сигналы датчиков, установленных на двигателе, преобразуются компьютером, подвергаются на нем вейвлет-анализу, и по изменению на определенных масштабах характеристик вейвлет-коэффициентов компьютер судит о необходимости смены режима работы двигателя, автоматически выдает команду об этом через систему управления, и исполнительное устройство проводит необходимую регулировку. 1 ил.

Способ автоматического управления работой двигателя с использованием обратной связи, основанный на компьютерной обработке снимаемых с двигателя через датчик сигналов, отличающийся тем, что при компьютерной обработке вычисляют вейвлет-коэффициенты сигналов датчика, их дисперсии и высшие корреляционные матрицы, проводят их анализ с последующей подачей управляющей команды о регулировке режима работы через исполнительное устройство на двигатель.