СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК F02C9/28 

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

Известна CAP 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 CAP 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.

Известна CAP ГТД, в которой содержатся 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 CAP 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 CAP двухмерным объектом с одним управляющим воздействием, в которой используется алгебраический селектор. Первый канал этой CAP 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 К₁, К₂ - коэффициенты передачи;

А₁(p), А₂(p), В(p) - полиномы, зависящие от вида объекта.

Порядок А₁(p) меньше, чем порядок В(p), а порядок А₂(p) равен порядку В(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 К_иу - коэффициент передачи исполнительного устройства;

Т_иу - постоянная времени исполнительного устройства.

То есть исполнительное устройство является изодромным звеном.

При этом

где К₁ - коэффициент передачи цепи исполнительное устройство - ГТД по частоте вращения ротора;

К₂ - 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)

где К_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;

Т_T=Т₁ - постоянная времени регулятора температуры газа.

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

где К=K_nK₁=К_TК₂ - 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 уставками 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.

Наиболее близким по достигаемому техническому результату выбранным за ближайший аналог является CAP ГТД, содержащая каналы регулирования частоты вращения ротора ГТД и температуры газа, селектор минимума, исполнительный механизм, измерители частоты вращения ротора и температуры газа, задатчики частоты вращения ротора и температуры газа, корректирующее звено канала частоты вращения ротора, разностное корректирующее звено, запоминающее устройство, компаратор, дифференциатор, эталонную модель разомкнутого канала ограничения температуры газа, устройство самонастройки [патент РФ №2172857: МПК 7 F02С 9/28. 27.08.2001].

Передаточная функция исполнительного устройства такой системы имеет вид

Корректирующее звено канала частоты вращения ротора 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 с передаточной функцией

по логическому сигналу L компаратора 16, где L=0 при работе канала управления и L=1 при работе канала ограничения. При этом W_м1(p) и W_м2(p) - передаточные функции моделей разомкнутых каналов соответственно управления и ограничения.

Таким образом, при селектировании происходит структурное изменение корректирующего звена системы, которое приводит к появлению сигнального возмущения CAP выходным сигналом разностного корректирующего звена, зависящим от динамических характеристик 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 CAP в момент селектирования.

В рассматриваемой CAP сигнальное возмущение может быть определено, но сама система вследствие наличия селектора является нелинейной и прямая компенсация возмущения невозможна, так как она приводит к режиму переключении. Поэтому используется цепь компенсационной сигнальной самонастройки.

Компенсация динамической погрешности CAP достигается использованием эталонной модели канала ограничения температуры газа, компенсацией сигнального возмущения постоянным сигналом при включении корректирующего звена канала температуры газа и последующим устранением влияния постоянного сигнала при работе канала ограничения выходным сигналом контура сигнальной самонастройки, который компенсирует постоянный сигнал. Формирование постоянного сигнала осуществляется с помощью запоминающего устройства в момент селектирования, определяемый с помощью компаратора и дифференциатора. Таким образом, без сигнальной самонастройки в системе возникает статическая ошибка.

Недостатком такой схемы является то, что эта задача решается достаточно сложно.

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

Поставленная задача решается тем, что система автоматического регулирования газотурбинного двигателя, содержащая последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора, первый элемент сравнения, алгебраический селектор минимума, корректирующее звено канала частоты вращения ротора и суммирующее устройство, последовательно соединенные разностное корректирующее звено и ключ, причем выход алгебраического селектора минимума соединен со входом разностного корректирующего звена, а выход ключа соединен со вторым входом суммирующего устройства, последовательно соединенные исполнительное устройство, газотурбинный двигатель, измеритель температуры газа и второй элемент сравнения, причем выход суммирующего устройства соединен с входом исполнительного устройства, второй выход газотурбинного двигателя соединен с измерителем частоты вращения ротора, а выход второго элемента сравнения соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума, последовательно соединенные компаратор, дифференциатор и запоминающее устройство, причем входы компаратора подключены к выходам первого и второго элементов сравнения, а выход соединен со вторым входом ключа, выход разностного корректирующего звена соединен со вторым входом запоминающего устройства, 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 устройство компенсации, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход соединен с третьим входом суммирующего устройства.

Существо системы поясняется чертежами. На фиг.1 изображена структурная схема системы автоматического регулирования газотурбинного двигателя, на фиг.2 изображены результаты моделирования переходных процессов при селектировании, причем на фигурах:

2а - переходной процесс без компенсации;

2б - переходной процесс в заявляемой системе без компенсирующего устройства;

2в - переходной процесс в заявляемой системе.

Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя содержит последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора 1, первый элемент сравнения 2, алгебраический селектор минимума 3, корректирующее звено канала частоты вращения ротора 4 и суммирующее устройство 5, последовательно соединенные разностное корректирующее звено 6 и ключ 7, причем выход алгебраического селектора минимума 3 соединен со входом разностного корректирующего звена 6, а выход ключа 7 соединен со вторым входом суммирующего устройства 5, последовательно соединенные исполнительное устройство 8, газотурбинный двигатель 9, измеритель температуры газа 10 и второй элемент сравнения 11, причем выход суммирующего устройства 5 соединен со входом исполнительного устройства 8, второй выход газотурбинного двигателя 9 соединен с измерителем частоты вращения ротора 1, а выход второго элемента сравнения 11 соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума 3, последовательно соединенные компаратор 12, дифференциатор 13 и запоминающее устройство 14, причем входы компаратора 12 подключены к выходам первого 2 и второго элементов сравнения 11, а выход соединен со вторым входом ключа 7, выход разностного корректирующего звена 6 соединен со вторым входом запоминающего устройства 14, ко второму входу первого элемента сравнения 2 подключен задатчик частоты вращения ротора 15, а ко второму входу второго элемента сравнения 11 подключен задатчик температуры газа 16, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство компенсации 17, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 14, а выход соединен с третьим входом суммирующего устройства 5.

CAP работает следующим образом: в канале частоты вращения ротора ГТД сигнал с измерителя частоты вращения 1, пропорциональный частоте вращения, поступает на первое сравнивающее устройство 2, где сравнивается с заданным значением задатчика частоты вращения ротора 15 и формируется выходной сигнал рассогласования, пропорциональный отклонению частоты вращения ротора ГТД от заданного значения. Этот сигнал поступает на первый вход алгебраического селектора минимума 3. Выходной сигнал с алгебраического селектора минимума 3 поступает на корректирующее устройство канала частоты вращения 4. Сигнал с корректирующего устройства канала частоты вращения 4 идет на первый вход суммирующего устройства 5.

В канале температуры газа за турбиной ГТД сигнал с измерителя температуры газа 10, пропорциональный среднему значению температуры газа за турбиной ГТД, поступает на вход второго сравнивающего устройства 11, где сравнивается с заданным значением температуры газа задатчика температуры газа 16 и формируется сигнал рассогласования, пропорциональный отклонению температуры газа от заданного значения. Этот сигнал поступает на второй вход алгебраического селектора минимума 3. Выходной сигнал с алгебраического селектора минимума 3 поступает на разностное корректирующее звено 6, откуда идет на первый вход ключа 7. Выход ключа 7 подключен к третьему входу суммирующего устройства 5.

Одновременно сигналы рассогласования с первого сравнивающего устройства 2 и со второго сравнивающего устройства 11 поступают на компаратор 12. Выходной сигнал идет на первый вход устройства запоминания 14, второй вход которого соединен с выходом разностного корректирующего звена 6. Сигнал с выхода устройства запоминания 14 идет на устройство компенсации 17, который соединен со вторым входом суммирующего устройства 5 и на второй вход ключа 7, выход которого подключен к третьему входу суммирующего устройства 5. Выход суммирующего устройства подключен к исполнительному устройству 8, управляющему расходом топлива ГТД.

Сумматор 5 складывает три пришедших сигнала, формируя тем самым сигнал коррекции управляющего воздействия. Этот сигнал ограничивает управляющее воздействие с выхода газотурбинного двигателя 9 и таким образом обеспечивает компенсацию динамической погрешности CAP при включении корректирующего звена W_K2(p). Переходные процессы при этом имеют монотонный характер.

В заявленной CAP при включении корректирующего звена канала температуры происходит импульсное возмущение, которое требуется компенсировать импульсным сигналом. Это происходит следующим образом: определяется величина импульсного возмущения, которое запоминается устройством запоминания, и формируется ступенчатый сигнал, который пропускается через устройство компенсации с передаточной функцией

вследствие чего формируется импульсное компенсирующее возмущение. То есть заявляемая система является инвариантной к структурному возмущению.

Итак, заявляемое изобретение позволяет осуществлять управление выходными величинами по двум каналам: каналу температуры газа и каналу частоты вращения ротора. Благодаря включенному в CAP контуру компенсации 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.

Использование: в системах автоматического регулирования (CAP) газотурбинных двигателей (ГТД). Технический результат: повышение динамической точности регулирования при селектировании путем устранения заброса температуры, скачков по температуре и зоны совместной работы каналов. Сущность изобретения: CAP ГТД содержит последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора, первый элемент сравнения, алгебраический селектор минимума, корректирующее звено канала частоты вращения ротора и суммирующее устройство, последовательно соединенные разностное корректирующее звено и ключ, причем выход алгебраического селектора минимума соединен со входом разностного корректирующего звена, а выход ключа соединен со вторым входом суммирующего устройства, последовательно соединенные исполнительное устройство, газотурбинный двигатель, измеритель температуры газа и второй элемент сравнения, причем выход суммирующего устройства соединен со входом исполнительного устройства, второй выход газотурбинного двигателя соединен с измерителем частоты вращения ротора, а выход второго элемента сравнения соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума, последовательно соединенные компаратор, дифференциатор и запоминающее устройство, причем входы компаратора подключены к выходам первого и второго элементов сравнения, а выход соединен со вторым входом ключа, выход разностного корректирующего звена соединен со вторым входом запоминающего устройства, ко второму входу первого элемента сравнения подключен задатчик частоты вращения ротора, а ко второму входу второго элемента сравнения подключен задатчик температуры газа. От известных схем данная система отличается тем, что она дополнительно содержит устройство компенсации, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход соединен с третьим входом суммирующего устройства. 2 ил.

Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя, содержащая последовательно соединенные измеритель частоты вращения ротора, первый элемент сравнения, алгебраический селектор минимума, корректирующее звено канала частоты вращения ротора и суммирующее устройство, последовательно соединенные разностное корректирующее звено и ключ, причем выход алгебраического селектора минимума соединен со входом разностного корректирующего звена, а выход ключа соединен со вторым входом суммирующего устройства, последовательно соединенные исполнительное устройство, газотурбинный двигатель, измеритель температуры газа и второй элемент сравнения, причем выход суммирующего устройства соединен со входом исполнительного устройства, второй выход газотурбинного двигателя соединен с измерителем частоты вращения ротора, а выход второго элемента сравнения соединен со вторым входом алгебраического селектора минимума, последовательно соединенные компаратор, дифференциатор и запоминающее устройство, причем входы компаратора подключены к выходам первого и второго элементов сравнения, а выход соединен со вторым входом ключа, выход разностного корректирующего звена соединен со вторым входом запоминающего устройства, 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 устройство компенсации, вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход соединен с третьим входом суммирующего устройства.