СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования (САР) газотурбинного двигателя (ГТД).

Известна САР ГТД, воздействующая на один регулирующий фактор, содержащая измерители выходных параметров, элементы сравнения и исполнительный механизм, причем сигнал с регулятора температуры газа непосредственно действует на настройку регулятора частоты вращения ротора ГТД [Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов/ Под ред. А.А.Шевякова М.: Машиностроение, 1983 - 283 с. Стр. 108, рис.3,7]. Недостатком такой схемы является уменьшение запасов устойчивости, уменьшение допустимых коэффициентов усиления в канале управления и ухудшение динамической точности регулирования при совместной работе регуляторов.

Известна САР ГТД, в которой для устранения отрицательного влияния взаимодействия регуляторов на характеристики системы регулирования с одним регулирующим фактором применяют системы, которые включают в себя каналы регулирования частоты вращения ротора ГТД и температуры газа, селектор минимума и исполнительный механизм [Боднер В.Д., Рязанов Ю.А, Шаймарданов Ф.А. Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1973. - 248 с. Стр. 181, рис.4,6]. Недостатком этой схемы является то, что взаимодействие каналов управления сохраняется на переходных режимах.

Наиболее близким по достигаемому техническому результату, выбранным за ближайший аналог, является САР ГТД, содержащая измерители частоты вращения ротора ГТД и температуры газа, регуляторы этих параметров, селектор минимума, исполнительное устройство, воздействующее на расход топлива [Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов /Под ред. А.А.Шевякова - М.: Машиностроение, 1983. -283 с. Стр. 126, рис.3.26].

Эта САР ГТД имеет невысокую динамическую точность и заброс по температуре при селектировании, что можно объяснить следующим образом.

ГТД имеет различные динамические характеристики по разным выходным параметрам управления относительно расхода топлива.

Рассмотрим САР двухмерным объектом с одним управляющим воздействием, в которой используется алгебраический селектор. Первый канал этой САР является каналом управления, определяющим режим работы объекта по выходной координате Y₁ его заданная величина Y₁₀ зависит от времени. Второй канал - канал ограничения, его заданная величина Y₂₀ является постоянной и определяет максимальный режим работы объекта по координате Y₂.

Передаточные функции объекта управления по координате Y₁:

по координате Y₂:

где K₁, K₂ - коэффициент передачи;
A₁(p), A₂(p), B(p) - полиномы, зависящие от вида объекта.

Примем, что порядок A₁(p) меньше, чем порядок B(p), а порядок A₂(p) равен порядку B(p).

Такое математическое описание характерно, например, для динамических характеристик газотурбинного двигателя по частоте вращения ротора и температуре газа при изменении расхода топлива в камеру сгорания.

Передаточная функция исполнительного устройства:

где K_ИУ - коэффициент передачи исполнительного устройства;
T_ИУ - постоянная времени исполнительного устройства.

То есть исполнительное устройство является изодромным звеном.

При этом


где K₁ - коэффициент передачи цепи исполнительное устройство - ГТД по частоте вращения ротора;
K₂ - коэффициент передачи цепи исполнительное устройство - ГТД по температуре газа;
T₁ - постоянная времени цепи исполнительное устройство - ГТД по температуре газа.

Для получения необходимого качества регулирования частоты вращения ротора ГТД и температуры газа регуляторы этих параметров должны иметь следующие передаточные функции:
Передаточная функция регулятора частоты вращения ротора ГТД W_n(p):
W_n(p) = K_n, (6)
где K_n - коэффициент передачи регулятора частоты вращения ротора ГТД;
Передаточная функция регулятора температуры газа ГТД W_T(p):

где K_T - коэффициент передачи регулятора температуры газа;
T_T = T₁ - постоянная времени регулятора температуры газа.

Инерционность датчика температура газа должна быть скорректирована так, чтобы измеритель температуры был безынерционным. Тогда передаточные функции отдельных разомкнутых каналов W₁(p) и W₂(p) имеют вид:


где K = K_nK₁ = K_TK₂ - коэффициент передачи отдельного разомкнутого канала.

При выполнении (8) и (9) в отдельных каналах регулирования обеспечивается желаемое качество переходных процессов.

Для получения необходимого качества регулирования переключение селектора должно происходить в момент равенства рассогласований между текущими значениями параметров и установками параметров [Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов /Под ред. А.А.Шевякова - М. : Машиностроение, 1983. - 283 с. Стр.110], то есть сигналов перед регуляторами. Из анализа видно, что регулятор температуры газа является инерционным по отношению к регулятору частоты вращения ротора ГТД, поэтому селектор переключается с запаздыванием. В результате происходит заброс по температуре газа.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение динамических характеристик САР путем устранения заброса температуры, скачков по температуре и зоны совместной работы каналов, что приводит к повышению ресурса ГТД.

Поставленная задача решается тем, что система содержит последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора, первый элемент сравнения и алгебраический селектор минимума, последовательно соединенные исполнительное устройство и газотурбинный двигатель, причем газотурбинный двигатель соединен с измерителем частоты вращения ротора и измерителем температуры газа, последний соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума, ко второму входу первого элемента сравнения подключен задатчик частоты вращения ротора, а ко второму входу второго элемента сравнения подключен задатчик температуры газа, отличающаяся тем, что дополнительно содержит корректирующее звено канала частоты вращения ротора, два суммирующих элемента, разностное корректирующее звено, первый ключ, запоминающее устройство, компаратор, дифференциатор, третий элемент сравнения, второй ключ, эталонную модель разомкнутого канала ограничения температуры газа, четвертый элемент сравнения, устройство самонастройки, причем к выходу алгебраического селектора минимума подключены последовательно соединенные корректирующее звено канала частоты вращения ротора, первый суммирующий элемент и второй суммирующий элемент, выход которого соединен со входом исполнительного устройства, также к выходу алгебраического селектора минимума подключено разностное корректирующее звено, выход которого соединен с первым входом первого ключа и первым входом запоминающего устройства, причем выходы первого ключа и запоминающего устройства соединены соответственно со вторым и третьим входами первого суммирующего элемента, входы компаратора подключены к выходам первого и второго элементов сравнения, а выход соединен со вторым входом первого ключа и со входом дифференциатора, выход которого соединен со вторым входом запоминающего устройства, выход задатчика температуры газа соединен с первым входом третьего элемента сравнения, последовательно с которым соединен второй ключ и эталонная модель разомкнутого канала ограничения температуры газа, выход которой соединен со вторым входом третьего элемента сравнения, а второй вход второго ключа соединен с выходом компаратора, входы четвертого элемента сравнения соединены с выходами второго и третьего элементов сравнения, а выход соединен со входом устройства самонастройки, выход которого соединен со вторым входом второго суммирующего элемента.

Существо системы поясняется чертежами. На фигуре 1 изображена структурная схема системы автоматического регулирования газотурбинного двигателя, на фигуре 2 изображены результаты моделирования переходных процессов при селектировании, причем на фигурах:
2a - переходной процесс в рассмотренном ближайшем аналоге;
2б - переходной процесс в заявляемой системе без контура самонастройки;
2в - переходной процесс в заявляемой системе с контуром самонастройки.

Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя содержит последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора 1, первый элемент сравнения 2 и алгебраический селектор минимума 3, последовательно соединенные исполнительное устройство 4 и газотурбинный двигатель 5, причем газотурбинный двигатель 5 соединен с измерителем частоты вращения ротора 1 и измерителем температуры газа 6, последний соединен с первым входом второго элемента сравнения 7, выход которого соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума 3, ко второму входу первого элемента сравнения 2 подключен задатчик частоты вращения ротора 8, а ко второму входу второго элемента сравнения 7 подключен задатчик температуры газа 9, отличающаяся тем, что дополнительно содержит корректирующее звено канала частоты вращения ротора 10, два суммирующих элемента 11, 12, разностное корректирующее звено 13, первый ключ 14, запоминающее устройство 15, компаратор 16, дифференциатор 17, третий элемент сравнения 18, второй ключ 19, эталонную модель разомкнутого канала ограничения температуры газа 20, четвертый элемент сравнения 21, устройство самонастройки 22, причем к выходу алгебраического селектора минимума 3 подключены последовательно соединенные корректирующее звено канала частоты вращения ротора 10, первый суммирующий элемент 11 и второй суммирующий элемент 12, выход которого соединен со входом исполнительного устройства 4, также к выходу алгебраического селектора минимума 3 подключено разностное корректирующее звено 13, выход которого соединен с первым входом первого ключа 14 и первым входом запоминающего устройства 15, причем выходы первого ключа 14 и запоминающего устройства 15 соединены соответственно со вторым и третьим входами первого суммирующего элемента 11, входы компаратора 16 подключены к выходам первого 2 и второго 7 элементов сравнения, а выход соединен со вторым входом первого ключа 14 и со входом дифференциатора 17, выход которого соединен со вторым входом запоминающего устройства 15, выход задатчика температуры газа 9 соединен с первым входом третьего элемента сравнения 18, последовательно с которым соединен второй ключ 19 и эталонная модель разомкнутого канала ограничения температуры газа 20, выход которой соединен со вторым входом третьего элемента сравнения 18, а второй вход второго ключа 19 соединен с выходом компаратора 16, входы четвертого элемента сравнения 21 соединены с выходами второго 7 и третьего 18 элементов сравнения, а выход соединен со входом устройства самонастройки 22, выход которого соединен со вторым входом второго суммирующего элемента 12.

Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя работает следующим образом. В канале управления частотой вращения ротора сигнал с выхода газотурбинного двигателя 5 поступает на измеритель частоты вращения ротора 1 и далее на первый элемент сравнения 2, где сравнивается со значением уставки задатчика частоты вращения ротора 8. Выходной сигнал первого элемента сравнения 2, пропорциональный рассогласованию между заданной и текущей частотами вращения ротора, поступает на первый вход алгебраического селектора минимума 3, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный рассогласованию между заданной и текущей температурами газа. Этот сигнал поступает со второго элемента сравнения 7, сравнивающего температуру на выходе газотурбинного двигателя 5, поступающего через измеритель температуры газа 6, и значение уставки задатчика температуры газа 9. В САР ГТД обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр двигателя, наиболее приблизившийся к величине, определяемой уставкой регулятора (программой регулирования). Поэтому в заявляемой САР селектирование каналов происходит по сигналам рассогласования отдельных каналов. На выход алгебраического селектора минимума 3 проходит выходной сигнал того канала регулирования, который в данный момент по условиям работы ГТД требует меньшего расхода топлива.

С выхода алгебраического селектора минимума 3 сигнал поступает на корректирующее звено, вид которого зависит от того, какой канал САР работает, и далее через исполнительное устройство 4 с передаточной функцией

воздействует на расход топлива в газотурбинном двигателе 5.

Корректирующее звено канала частоты вращения ротора 10 включено постоянно, его передаточная функция

Корректирующее звено канала температуры газа с передаточной функцией

реализуется при включении канала температуры газа подключением к W_K1(p) разностного корректирующего звена 13 с передаточной функцией
W_K$$$(p) = W_K1(p) - W_K2(p) (13)
по логическому сигналу L компаратора 16, где L = 0 при работе канала управления и L = 1 при работе канала ограничения. При этом W_M1(p) и W_M2(p) - передаточные функции моделей разомкнутых каналов соответственно управления и ограничения.

Переключение корректирующих звеньев осуществляется с помощью первого ключа 14, управляемого компаратором 16.

Таким образом, при селектировании происходит структурное изменение корректирующего звена системы, которое приводит к появлению сигнального возмущения САР выходным сигналом разностного корректирующего звена 13, зависящим от динамических характеристики объекта управления.

Это вызывает скачок по температуре газа или режим обратного переключения каналов, что существенно ухудшает качество работы канала ограничения. Следовательно, необходима компенсация динамической погрешности САР в момент селектирования.

В рассматриваемой САР сигнальное возмущение может быть определено, но сама система вследствие наличия селектора является нелинейной и прямая компенсация возмущения согласно [Емельянов С.В., Коровин С.К. Новые типы обратной связи: Управление при неопределенности. -М.: Наука, Физматлит, 1997. - 352 с.] невозможна, так как она приводит к режиму переключений. Поэтому в работе для этой цели используется цепь компенсационной сигнальной самонастройки [Солодовников В.В., Шрамко Л.С. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями. - М.: Машиностроение, 1972. - 270 с.].

Компенсация динамической погрешности САР достигается использованием эталонной модели канала ограничения температуры газа с передаточной функцией.

Δ
замыкаемой в момент селектирования с помощью второго ключа 19, компенсацией сигнального возмущения постоянным сигналом F = D(t_СЕЛ) при включении корректирующего звена канала температуры газа и последующим устранением влияния сигнала F при работе канала ограничения выходным сигналом U_C контура сигнальной самонастройки, который компенсирует сигнал F и приближает координату Y₂ к координате Y_2M. Формирование сигнала F осуществляется с помощью запоминающего устройства 15 в момент селектирования, определяемый с помощью компаратора 16 и дифференциатора 17.

Произведем синтез контура самонастройки.

Уравнение по ошибке канала ограничения температуры газа:

Уравнение по ошибке эталонной модели:

Уравнение ошибки контура самонастройки:

Тогда уравнение выходного сигнала контура самонастройки получаем в виде:

где W_C(p) - передаточная функция контура самонастройки.

Следовательно,

где R₂(p) - передаточная функция разомкнутого контура самонастройки:

Передаточная функция контура самонастройки может быть реализована в виде ПИД - закона управления:

где K_П, K_И, K_Д, T_Д - коэффициенты, которые выбираются, исходя из динамических характеристик M₂(p) и W_K2(p), с учетом получения заданного качества процессов самонастройки.

Передаточная функция W_C(p) в соответствии с (21) имеет следующий вид:

Если передаточная функция корректирующего звена канала температуры газа W_K2(p):

а передаточная функция эталонной модели разомкнутого канала ограничения температуры газа 20:

тогда передаточная функция разомкнутого контура самонастройки:

при выполнении условий

принимает следующий вид:

Следовательно, переходные процессы в контуре самонастройки имеют экспоненциальный характер и их быстродействие зависит от значения коэффициента K_И.

Решая соотношения (26) при известных K_И и Т_Д получаем


Итак, заявляемое изобретение позволяет осуществлять управление выходными величинами по двум каналам: каналу температуры газа и каналу частоты вращения ротора. Благодаря включенному в САР контуру самонастройки в системе не наблюдается заброса по температуре в момент селектирования, скачков по температуре и зоны совместной работы каналов, то есть переходной процесс имеет монотонный характер, что отличает ее от ближайших аналогов, и позволяет существенно повысить ресурс ГТД.

Система автоматического регулирования предназначена для газотурбинных двигателей (ГТД). Система регулирования ГТД содержит два канала управления: канал управления по частоте вращения ротора и канал ограничения температуры газа, алгебраический селектор минимума и исполнительное устройство. От известных схем данная система отличается тем, что она дополнительно содержит корректирующее звено канала частоты вращения ротора, два суммирующих элемента, разностное корректирующее звено, первый ключ, запоминающее устройство, компаратор, дифференциатор, третий элемент сравнения, второй ключ, эталонную модель разомкнутого канала ограничения температуры газа, четвертый элемент сравнения, устройство самонастройки, причем к выходу алгебраического селектора минимума подключены последовательно соединенные корректирующее звено канала частоты вращения ротора, первый суммирующий элемент и второй суммирующий элемент, выход которого соединен со входом исполнительного устройства, также к выходу алгебраического селектора минимума подключено разностное корректирующее звено, выход которого соединен с первым входом первого ключа и первым входом запоминающего устройства, причем выходы первого ключа и запоминающего устройства соединены соответственно со вторым и третьим входами первого суммирующего элемента, входы компаратора подключены к выходам первого и второго элементов сравнения, а выход соединен со вторым входом первого ключа и со входом дифференциатора, выход которого соединен со вторым входом запоминающего устройства, выход задатчика температуры газа соединен с первым входом третьего элемента сравнения, последовательно с которым соединен второй ключ и эталонная модель разомкнутого канала ограничения температуры газа, выход которой соединен со вторым входом третьего элемента сравнения, а второй вход второго ключа соединен с выходом компаратора, входы четвертого элемента сравнения соединены с выходами второго и третьего элементов сравнения, а выход соединен со входом устройства самонастройки, выход которого соединен со вторым входом второго суммирующего элемента. Такое выполнение системы позволит повысить динамическую точность регулирования при селектировании путем устранения заброса температуры, скачков по температуре и зоны совместной работы каналов. 2 ил.

Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя, содержащая последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора, первый элемент сравнения и алгебраический селектор минимума, последовательно соединенные исполнительное устройство и газотурбинный двигатель, причем газотурбинный двигатель соединен с измерителем частоты вращения ротора и измерителем температуры газа, последний соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума, ко второму входу первого элемента сравнения подключен задатчик частоты вращения ротора, а ко второму входу второго элемента сравнения подключен задатчик температуры газа, отличающаяся тем, что дополнительно содержит корректирующее звено канала частоты вращения ротора, два суммирующих элемента, разностное корректирующее звено, первый ключ, запоминающее устройство, компаратор, дифференциатор, третий элемент сравнения, второй ключ, эталонную модель разомкнутого канала ограничения температуры газа, четвертый элемент сравнения, устройство самонастройки, причем к выходу алгебраического селектора минимума подключены последовательно соединенные корректирующее звено канала частоты вращения ротора, первый суммирующий элемент и второй суммирующий элемент, выход которого соединен со входом исполнительного устройства, также к выходу алгебраического селектора минимума подключено разностное корректирующее звено, выход которого соединен с первым входом первого ключа и первым входом запоминающего устройства, причем выходы первого ключа и запоминающего устройства соединены соответственно со вторым и третьим входами первого суммирующего элемента, входы компаратора подключены к выходам первого и второго элементов сравнения, а выход соединен со вторым входом первого ключа и со входом дифференциатора, выход которого соединен со вторым входом запоминающего устройства, выход задатчика температуры газа соединен с первым входом третьего элемента сравнения, последовательно с которым соединен второй ключ и эталонная модель разомкнутого канала ограничения температуры газа, выход которой соединен со вторым входом третьего элемента сравнения, а второй вход второго ключа соединен с выходом компаратора, входы четвертого элемента сравнения соединены с выходами второго и третьего элементов сравнения, а выход соединен со входом устройства самонастройки, выход которого соединен со вторым входом второго суммирующего элемента.