СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОМЕРНЫМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 2012 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к системам автоматического управления (САУ) сложных объектов, например газотурбинных двигателей (ГТД), в которых для регулирования нескольких параметров используется одно управляющее воздействие.

Известен способ регулирования n-мерного объекта с одним регулирующим воздействием [1], основанный на сравнении текущих значений регулируемых параметров с заданными, в котором с целью повышения точности регулирования из совокупности полученных сигналов рассогласований выделяют сигнал, имеющий алгебраически наименьшую (наибольшую) величину, и в зависимости от него формируют регулирующее воздействие.

Однако этот способ может быть использован лишь для управления статическими режимами работы объекта регулирования или объектом с одинаковыми статическими и динамическими характеристиками по различным выходным регулируемым координатам. В противном случае структура и параметры блока управления должны изменяться.

Это можно показать следующим образом.

Пусть объект регулирования имеет различные динамические характеристики по разным выходным координатам относительно регулирующего воздействия.

Передаточные функции объекта управления

по координате Y_i

по координате Y_j

где p - оператор преобразования Лапласа;

K_i, K_j - коэффициенты передачи;

А_i(р), А_j(р), В(р) - полиномы, зависящие от вида объекта.

Пусть K_i не равно K_j и A_i не равно A_j. Примем также, что порядок А_i(р) меньше, чем порядок В(р), а порядок А_j(р) равен порядку В(р).

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

Передаточная функция общего изодромного регулятора

Передаточные функции регулятора первого - W_i(p) и второго - W_j(р) каналов выбираются исходя из заданных требований к динамическим характеристикам каждого из них. Это можно сделать следующим образом. Потребуем, чтобы передаточные функции отдельных разомкнутых каналов без учета запаздывания измерителей координат удовлетворяли равенствам

где W_мi(p) и W_мj(p) - передаточные функции эталонных моделей разомкнутых каналов.

Если передаточные функции отдельных разомкнутых каналов выбрать в виде

то для получения необходимого качества регулирования выходных координат регуляторы, согласно (4) и (5), должны иметь, например, следующие передаточные функции:

Следовательно, W_i(p) не равно W_j(p), и САУ на основе такого способа регулирования не сможет обеспечить необходимые динамические характеристики при переключении каналов.

Известен способ регулирования энергетической установкой [2], который может быть рассмотрен в качестве ближайшего аналога.

Согласно этому способу происходит формирование в каждом из ряда каналов регулирования управляющих сигналов, пропорциональных отклонению текущей величины регулируемого параметра от заданной, выделение в качестве ведущего канала с наименьшей величиной управляющего сигнала и коррекция заданной величины регулируемого параметра в каждом из каналов пропорционально рассогласованию между управляющим сигналом и управляющим сигналом ведущего канала с ограничением скорости коррекции заданной величины, причем ограничение скорости коррекции снимают при снижении управляющего сигнала ведущего канала.

В результате анализа этого известного способа необходимо отметить, что он в ряде случаев не позволяет осуществить эффективное регулирование параметров объекта, так как коррекция заданной величины в «дежурном» режиме, когда канал разомкнут, осуществляется со статической ошибкой, а переход в «ведущий» режим, когда канал замкнут, при быстром изменении состояния объекта регулирования осуществляется с задержкой, равной постоянной времени цепи коррекции. Это приводит к дополнительной динамической ошибке в момент перехода в «ведущий» режим.

Целью изобретения является повышение динамической точности управления многомерным объектом с одним управляющим воздействием и с разными динамическими характеристиками по выходным координатам.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в способе управления многомерным объектом, включающем формирование в каждом из ряда каналов управления сигналов, пропорциональных отклонению текущей величины регулируемого параметра от заданной, формирование на основе этих отклонений с помощью регуляторов параметров управляющих сигналов, выделение в качестве ведущего канала с наименьшей величиной управляющего сигнала и коррекцию заданной величины регулируемого параметра в каждом из каналов, новым является то, что с целью повышения динамической точности эту коррекцию осуществляют с помощью контура адаптации, который по разности управляющих сигналов замкнутого канала и данного канала приближает условия переключения каналов к требуемым эталонным, определяемым по отклонениям каналов.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема системы автоматического управления многомерным объектом, например ГТД, поясняющая данный способ; на фиг.2 - результаты моделирования переходных процессов в САУ двухвального ГТД при управлении расходом топлива с контуром и без контура адаптации, при этом выходные координаты ГТД: частота вращения ротора компрессора n_K, частота вращения ротора вентилятора n_в и температура газа за турбиной - представлены в относительном виде

Система автоматического управления многомерным объектом содержит последовательно соединенные селектор минимального сигнала 1, изодромный регулятор 2, исполнительное устройство 3 и газотурбинный двигатель 4, причем на входы селектора минимального сигнала 1 подключены N каналов управления, каждый из которых состоит из последовательно соединенных задатчика 5, первого элемента сравнения 6, суммирующего элемента 7, регулятора 8, второго элемента сравнения 9 и блока согласования 10, система также содержит измеритель 11, при этом выход блока согласования 10 подключен ко второму входу суммирующего элемента 7, выход селектора минимального сигнала 1 подключен ко второму входу второго элемента сравнения 9, выход газотурбинного двигателя 4, соответствующий данному каналу, соединен с входом измерителя 11, выход которого подключен ко второму входу первого элемента сравнения 6.

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Способ управления многомерным объектом осуществляют следующим образом.

В каждом канале управления САУ ГТД 4 сигнал с измерителя 11, пропорциональный выходной координате ГТД 4 по данному каналу, поступает на первый элемент сравнения 6, где сравнивается с выходным сигналом задатчика 5, при этом формируется выходной сигнал рассогласования Е_i, пропорциональный отклонению выходной координаты от заданного значения. Этот сигнал через суммирующий элемент 7 поступает на вход регулятора 8, выход которого U_i, подключен к i-му входу селектора минимального сигнала 1.

На выход селектора минимального сигнала 1 проходит выходной сигнал

того канала управления, который в данный момент по условиям работы ГТД требует меньшего расхода топлива. Сигнал с селектора минимального сигнала 1 через изодромный регулятор 2 и исполнительное устройство 3 изменяет расход топлива в камеру сгорания ГТД 4.

Как известно [3], обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр ГТД, наиболее приблизившийся к величине, определяемой программой регулирования. Следовательно, для получения необходимого качества управления переключение селектора должно происходить в момент равенства рассогласований между текущими значениями выходных координат и их задающими значениями, т.е. в момент равенства сигналов перед регуляторами

Проведенный анализ показывает, что отдельные регуляторы могут иметь разные параметры и даже разную структуру, например регулятор температуры газа является инерционным по отношению к регулятору частоты вращения ротора ГТД, поэтому селектор переключается с канала частоты вращения ротора на канал температуры газа с запаздыванием. В результате происходит заброс по температуре газа.

Таким образом, условие переключения селектора минимального сигнала 1

отличается от необходимого эталонного условия переключения САУ - равенства рассогласований между текущими значениями выходных координат и их задающими воздействиями

Следовательно, необходимо согласование этих условий. Как известно [4], согласование поведения отдельных каналов САУ возможно за счет контура управления их относительным движением. В данном случае оно обеспечивается за счет введения контура адаптации - сигнальной самонастройки по разности сигналов управления

на выходе регуляторов с воздействием на задающее воздействие разомкнутого канала системы. Это позволяет построить САУ ГТД, адаптивную к изменению ее структуры при переключении каналов селектором.

На выходе второго элемента сравнения 9 определяется разность сигналов на выходе регуляторов

где U_зам - выходной сигнал регулятора замкнутого канала;

U_j - выходной сигнал регулятора данного j канала.

Выходной сигнал ε_j второго элемента сравнения 9 через блок согласования 10 поступает на вход соответствующего регулятора 8 канала с помощью суммирующего элемента 7. Если j канал разомкнут, то ε_j у меньше нуля, и этот сигнал уменьшает задающее воздействие данного разомкнутого канала и тем самым корректирует момент переключения каналов. Если j канал - замкнут, т.е. является ведущим, то ε_j равно нулю, и этот сигнал не меняет задающее воздействие данного замкнутого канала.

Пусть замкнутым является i канал управления. Тогда контура сигнальной самонастройки работают во всех остальных N-1 разомкнутых каналах.

Сигнал на выходе регулятора замкнутого канала

Сигнал на выходе регулятора разомкнутого канала

где W_c(p) - передаточная функция блока согласования 10. Тогда разность сигналов на выходе регуляторов

При W_c(p)=K и K, достаточно большим, получаем

ε_j→0; U_j→U_i,

или

где m - достаточно малая величина.

Таким образом, за счет работы контура сигнальной самонастройки момент переключения селектора минимального сигнала 1

приближается к условию переключения каналов по ошибкам каналов

Это, соответственно, позволяет ликвидировать заброс и обеспечить необходимое качество переходного процесса при замыкании и включении в работу регулятора j канала. При U_i, равном U_j, происходит переключение каналов, и далее при U_i, большим по сравнению с U_j - изменение состояния каналов: i канал становится разомкнутым, а j канал - замкнутым. Так как порядок знаменателей передаточных функций отдельных регуляторов W_i(p) и W_j(p) двухвального ГТД не выше двух, то контур самонастройки обеспечивает хорошее качество переходных процессов при достаточно высоких значениях коэффициента передачи K.

Результаты моделирования рассмотренной САУ ГТД, приведенные на фиг.2, при задающих воздействиях каналов

и выполнении условия (6) показывают, что за время протекания переходного процесса замкнутыми были каналы: частоты вращения компрессора, затем температуры газа и в конце - частоты вращения вентилятора. Качество переходного процесса включаемого канала существенно улучшается при введении контура адаптации - оно соответствует эталонным процессам отдельных каналов. САУ сохраняет заданное качество при изменении структуры, т.е. является адаптивной.

Итак, заявляемое изобретение позволяет осуществить адаптивное управление различными выходными координатами ГТД с помощью селектора каналов и контуров адаптации. Устраняются забросы выходных координат двигателя, обеспечивается заданное качество переходных процессов включаемого канала системы, что способствует повышению ресурса ГТД.

Источники информации

1. Авт.св. №377731 СССР; МПК G05b 13/02. Способ регулирования n-мерного объекта с одним регулирующим воздействием / Ф.А.Шаймарданов, В.И.Штоль, O.K.Полев. Заявка №1607488/18-24; заявл. 21.12.70; опубл. 17.04.73. Бюл. №18.

2. Авт.св. №1758260 РФ; МПК⁵ F02C 9/26. Способ регулирования энергетической установки / В.И.Кочуров, М.А.Минчин, В.А.Бабич. Заявка №4723856/06; заявл. 26.07.89; опубл. 30.08.92.

3. Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов / Под ред. А.А.Шевякова. - М.: Машиностроение, 1983. - 283 с., стр.110.

4. Мирошник И.В. Согласованное управление многоканальными системами. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 128 с., стр.21, рис.1.8.

Использование: в системах автоматического управления (САУ) сложных объектов, например газотурбинных двигателей (ГТД), в которых для регулирования нескольких параметров используется одно управляющее воздействие. Технический результат: устранение забросов выходных координат объекта управления, обеспечение заданного качества переходных процессов включаемого канала системы, что способствует повышению ресурса объекта управления. Осуществляется формирование в каждом из ряда каналов управления сигналов, пропорциональных отклонению текущей величины регулируемого параметра от заданной, формирование на основе этих отклонений с помощью регуляторов параметров управляющих сигналов, выделение в качестве ведущего канала с наименьшей величиной управляющего сигнала и коррекция заданной величины регулируемого параметра в каждом из каналов, при этом эта коррекция осуществляется с помощью контура адаптации, который по разности управляющих сигналов замкнутого канала и данного канала приближает условия переключения каналов к требуемым эталонным, определяемым по отклонениям каналов. 2 ил.

Способ управления многомерным объектом, включающий формирование в каждом из ряда каналов управления сигналов, пропорциональных отклонению текущей величины регулируемого параметра от заданной, формирование на основе этих отклонений с помощью регуляторов параметров управляющих сигналов, выделение в качестве ведущего канала с наименьшей величиной управляющего сигнала и коррекцию заданной величины регулируемого параметра в каждом из каналов, отличающийся тем, что эту коррекцию осуществляют с помощью контура адаптации, который по разности управляющих сигналов замкнутого канала и данного канала приближает условия переключения каналов к требуемым эталонным, определяемым по отклонениям каналов.