РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ФОРКАМЕРЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ Российский патент 2016 года по МПК G01M9/00 

Изобретение относится к области аэродинамики, в частности к автоматическим системам управления воздушным потоком в аэродинамических трубах.

При проведении натурных экспериментов в аэродинамических трубах (АДТ) на сверхзвуковых режимах важное место занимает поддержание давления воздуха в форкамере с заданной точностью.

Известен регулятор давления воздуха в форкамере АДТ, содержащий задающее устройство, выход которого связан с первым входом регулирующего блока, исполнительный механизм, связанный с регулирующим дросселем, установленным в трубопроводе, соединенным с газгольдером и форкамерой, в которой установлен датчик давления, подключенный ко второму входу регулирующего блока, а также включающий в себя контур самонастройки (Тепляшин В.А., Джикидзе Ф.В. Самонастраивающаяся система автоматического регулирования давления в форкамере аэродинамической трубы. // Труды ЦАГИ. - 1969. - Вып. 1170. - С. 3-17).

Контур самонастройки состоит из модели замкнутой системы и блока, формирующего законы перестройки коэффициентов, введенных в систему для компенсации изменения динамических характеристик объекта регулирования. Модель является одним из основных элементов контура самонастройки и служит эталоном, на основе которого анализируются характеристики системы.

Однако данная система сложна в реализации и требует для построения модели замкнутой системы априорного знания статических и динамических характеристик объекта во всем диапазоне изменения его рабочих параметров.

За прототип принят регулятор давления воздуха в форкамере АДТ, содержащий задающее устройство, регулирующий блок, исполнительный механизм, жестко связанный с регулирующим дросселем, установленным в трубопроводе, связывающем газгольдер с форкамерой, в которой установлен датчик давления, соединенной посредством сопла с рабочей камерой, с установленной в ней испытуемой моделью, из корректирующей цепи, в которую входят датчик давления, установленный в газгольдере, нормирующий преобразователь, подключающий датчик давления к блоку коррекции (Авторское свидетельство СССР №728119, МПК G05D 16/20, 15.04.1980).

Однако регулятор не учитывает динамическую характеристику регулирующего дросселя: зависимости изменения эффективной площади его проходного сечения по ходу его плунжера dF/dS и приведенный удельный расход воздуха через дроссель; q(λ), от которого зависит скорость истечения воздуха через дроссель. Это ограничивает область применения устройства и снижает качество регулирования давления воздуха в форкамере аэродинамической трубы.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание устройства для регулирования давления воздуха в форкамере АДТ в широком диапазоне изменения приведенного удельного расхода воздуха через дроссель q(λ) и произвольной конфигурации щели регулирующего дросселя в функции положения его плунжера F(S) без каких-либо корректирующих устройств, тем самым обеспечив возможность применения устройства во всем диапазоне допустимых для АДТ значений числа М с высокой точностью в автоматическом режиме.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве регулирования давления воздуха в форкамере, содержащем задающее устройство, исполнительный механизм, датчики температуры, давления, положения, а также регулятор давления, регулятор давления состоит из сумматора отрицательной обратной связи по давлению, последовательно соединенных фильтра нижних частот и обращенной модели объекта управления, замкнутых положительной обратной связью через сумматор моделью объекта управления, входы регулятора подключены к задающему устройству и датчикам давления и температуры воздуха в форкамере, температуры и давления воздуха в газгольдере, положения плунжера регулирующего дросселя и критического сечения сопла.

Фиг. 1 - схема включения регулятора давления воздуха в форкамере в систему управления воздушным потоком АДТ.

Фиг. 2 - структурная схема замкнутой системы регулирования давления воздуха в форкамере АДТ.

Фиг. 3 - графики переходного процесса выхода воздуха в форкамере на заданное значение в сверхзвуковой АДТ для М=1.7.

Фиг. 4 - графики переходного процесса выхода воздуха в форкамере на заданное значение в сверхзвуковой АДТ для М=3.0.

На фиг. 1 представлена схема включения регулятора давления воздуха в форкамере в систему управления воздушным потоком АДТ. Газгольдеры 1 через регулирующий дроссель 2 соединены с форкамерой АДТ 3, которая, в свою очередь, через сопло 4 соединена с рабочей частью АДТ 5, в которой расположена испытуемая модель. Задатчик требуемого на эксперимент давления 6 соединен с цифровым регулятором давления 7, выход которого подключен ко входу приводного устройства дросселя 8. Входы регулятора давления 7 соединены с выходами датчиков температуры 9 и давления 10 в газгольдере, датчика положения плунжера регулирующего дросселя 11, датчиков давления 12 и температуры 13 в форкамере и датчиками, по которым определяется значение критического сечения сопла 14.

Воздух высокого или низкого давления из газгольдеров 1 через регулирующий дроссель 2 поступает в форкамеру АДТ 3 и через сопло 4 в рабочую часть 5, где установлена испытываемая модель. Заданное давление Р_0з в форкамере 3, сформированное задатчиком 6, поддерживается цифровым регулятором 7 через приводное устройство 8, перемещающим плунжер дросселя S, изменяющим его проходное сечение F. На входы цифрового регулятора давления кроме заданного значения давления в форкамере Р_0з подают сигналы датчиков: температуры Т_г 9 и давления Р_г 10 в газгольдере, хода (положения) плунжера дросселя S 11, давления Р₀ 12 и температуры T_ф 13 в форкамере, и значения критического сечения сопла F_кр 14.

На фиг. 2 представлена структурная схема замкнутой системы регулирования давления в форкамере АДТ, где цифрой 6 обозначен задатчик давления в форкамере Р_0з, 7 - регулятор давления в форкамере, состоящий из сумматора 16 отрицательной обратной связи по давлению, последовательно соединенных фильтра нижних частот 18, имеющего передаточную функцию F(p), и обращенной модели объекта управления 19, имеющей передаточную функцию М¹(р), замкнутые положительной обратной связью через сумматор 17 моделью объекта управления 20, имеющей передаточную функцию М(р), собственно объект управления 15, описываемый передаточной функцией Q(p), 12 - датчик давления в форкамере, сигнал которого является сигналом отрицательной обратной связи.

При идентичности объекта управления Q(p) и его модели М(р), т.е. при Q(p)=M(p) передаточная функция регулятора в операторной форме имеет вид

а передаточная функция замкнутой системы

В установившемся режиме W=F(p) и Р₀=Р_0з.

При малых отклонениях от установившегося режима объект управления представлен апериодическим звеном вида

где Т₀ - постоянная времени объекта управления, зависящая от числа М или F_кр(М)

К₀ - коэффициент усиления объекта управления

Р₀ - давление воздуха в форкамере;

Р_г - давление воздуха в газгольдере;

q(λ) - приведенный удельный расход воздуха через дроссель;

F_кр - критическое сечение сопла;

F - эффективная площадь сечения дросселя;

S- ход плунжера дросселя;

k, R - газовые постоянные;

V_ф - объем форкамеры;

Т_ф, Т_г - температура в форкамере и газгольдере соответственно.

Цифровой регулятор давления реализует функцию

u[n]=k₃Δр₀[n]+k₂(Δр₀[n]-Δр₀[n-1])/Δt+

+k₁(Δр₀[n]-2Δр₀[n-1]+Δр₀[n-2])/Δt²,

а коэффициенты регулятора вычисляются через текущие параметры объекта регулирования

k₁=T₀T_пр/K₀K_прT_f; k₂=(T₀+T_пр)/К₀К_прТ_f; k₃=1/K₀K_прT_f,

- Δt - временной интервал между тактами пересчета;

- n, n-1, n-2 - номера тактов пересчета;

- Δр₀[n], Δр₀[n-1], Δр₀[n-2] - рассогласование между заданным Р_0з и измеренным Р₀ значениями давления в форкамере на n, n-1, n-2 тактах соответственно;

- Т_f - постоянная времени фильтра нижних частот;

- T_пр, К_пр - постоянная времени и коэффициент усиления приводного устройства соответственно;

- u[n] - управляющий сигнал приводным устройством;

- Т₀, К₀ определяются выражениями (2), (3).

Фиг. 3 и 4 иллюстрируют переходный процесс выхода давления воздуха в форкамере на заданное значение в сверхзвуковой АДТ для М=1.7 и М=3.0 соответственно. Верхняя утолщенная кривая соответствует изменению давления в форкамере в относительных единицах давления измеренного и заданного на эксперимент Р_0отн=Р₀/Р_0зад. Нижняя утонченная кривая соответствует изменению положения плунжера регулирующего дросселя в относительных единицах измеренного и максимального S_отн=S/S_max.

Результаты использования устройства подтверждены математическим моделированием на имитаторе сверхзвуковой аэродинамической трубы. Процесс выхода на заданное давление и его поддержания с использованием предложенного регулятора иллюстрируется фиг. 3 (число Маха М=1.7) и фиг. 4 (число Маха М=3.0). Как видно из графиков P₀(t) при заданном числе М в широком диапазоне выход на заданное давление апериодический, без перерегулирования, что особенно важно на предельных для АДТ режимах по числу М. Точность поддержания Р₀ соответствует техническим требованиям. Устройство эффективно в АДТ с малым объемом форкамеры по отношению к объему газгольдера и (или) малой скоростью перемещения плунжера регулирующего дросселя.

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к аэродинамическим трубам. Устройство содержит задающее устройство, исполнительный механизм, датчики температуры, давления, положения, а также регулятор давления. Регулятор давления состоит из сумматора отрицательной обратной связи по давлению, последовательно соединенных фильтра нижних частот и обращенной модели объекта управления, замкнутых положительной обратной связью через сумматор моделью объекта управления. Входы регулятора подключены к задающему устройству и датчикам давления и температуры воздуха в форкамере, температуры и давления воздуха в газгольдере, положения плунжера регулирующего дросселя и критического сечения сопла. Технический результат заключается в возможности использования регулятора во всем диапазоне допустимых для АДТ значений числа М с высокой точностью в автоматическом режиме без корректирующих устройств. 4 ил.

Устройство регулирования давления воздуха в форкамере, содержащее задающее устройство, исполнительный механизм, датчики температуры, давления, положения, а также регулятор давления, отличающееся тем, что регулятор давления состоит из сумматора отрицательной обратной связи по давлению, последовательно соединенных фильтра нижних частот и обращенной модели объекта управления, замкнутых положительной обратной связью через сумматор моделью объекта управления, входы регулятора подключены к задающему устройству и датчикам давления и температуры воздуха в форкамере, температуры и давления воздуха в газгольдере, положения плунжера регулирующего дросселя и критического сечения сопла.