СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Советский патент 1994 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к области автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД) летательных аппаратов.

Известна система автоматического управления (САУ) ГТД, в которой предусмотрено управление несколькими параметрами ГТД с воздействием на расход топлива. Выбор управляющего воздействия производится с помощью селекторов минимальных и максимальных значений сигналов.

Недостатком данной системы является низкое качество регулирования: низкая точность регулирования на малых частотах вращения, большая установившаяся ошибка в режиме разгона.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является САУ ГТД, содержащая селектор, первый вход которого соединен с выходом канала разгона, второй вход - с выходом канала стабилизации частоты вращения, третий вход - с выходом канала ограничения расхода топлива, входом подключенного к выходу формирователя программы ограничения расхода топлива, а выход через интегратор - с входом дозатора топлива.

Данная система характеризуется низким качеством регулирования, т. е. имеет следующие недостатки:
1) низкая точность управления разгоном ГТД на малых частотах вращения (на малых частотах вращения ГТД обладает большой инерционностью, кроме того, его динамические параметры очень сильно меняются по режиму и по внешним условиям, что делает практически невозможным достижение высокой точности регулирования по замкнутому циклу, которое реализует канал разгона);
2) большая установившаяся ошибка в режиме разгона (канал разгона осуществляет управление производной частоты вращения по отклонению от заданной программы; контур управления производной является статическим, он имеет большую статическую ошибку, существенное уменьшение которой путем увеличения коэффициента передачи, как правило, невозможно из-за снижения запасов устойчивости);
3) низкая точность реализации закона ограничения расхода топлива (канал ограничения расхода топлива осуществляет управление расходом топлива по отключению от заданной программы, при этом для получения информации о расходе топлива используется датчик положения дозирующей иглы; контур ограничения расхода топлива вносит динамическую ошибку, что приводит к понижению точности реализации закона ограничения расхода топлива).

Целью изобретения является повышение качества регулирования.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемой системы.

Предлагаемая система содержит первый селектор 1, первым входом связанный с выходом канала 2 разгона, а вторым входом - с выходом канала 3 стабилизации частоты вращения, управляемый интегратор 4, первым сигнальным входом подключенный к выходу первого селектора 1, вторым дополнительным сигнальным входом - к выходу первого элемента 5 сравнения, третьим дополнительным сигнальным входом - к выходу второго элемента 6 сравнения, управляющим входом - к выходу логического блока (ЛБ) 7 и к управляющему входу переключателя 8, а выходом - к первому входу сумматора 9, второй вход которого связан с выходом первого формирователя программы дозирования топлива (ФПДТ) 10, подключенным к вычитающим входам первого 5 и второго 6 элементов сравнения, второй селектор 11, первым входом соединенный с выходом формирователя программы ограничения расхода топлива (ФПОРТ) 12, связанным с суммирующим входом первого элемента 5 сравнения, вторым входом - с вторым ФПДТ 13, а выходом - с суммирующим входом второго элемента 6 сравнения и с первым входом переключателя 8, второй вход которого подключен к выходу сумматора 9, а также дозатор 14 топлива, связанный с выходом переключателя 8.

Система автоматического управления работает следующим образом.

ЛБ 7 реализует логику перехода с разомкнутого контура управления разгоном ГТД второго ФПДТ 13 на малых частотах вращения на замкнутый контур управления канала 2 разгона. В простейшем случае выходной сигнал k ЛБ 7 может выдаваться по следующему закону:
k = (1) где n - частота вращения ротора турбокомпрессора ГТД;
n₁ - величина частоты вращения, при достижении которой происходит переход с разомкнутого на замкнутый контур управления.

Переключатель 8 при k= 0 соединяет свой выход с первым входом, а при k= 1 - с вторым входом.

Если ФПОРТ 12 формирует программу ограничения максимального расхода топлива, то второй селектор 11 выполняется как селектор минимума, а интегратор 4 реализует следующий закон формирования выходного сигнала Δ :
Δ = 1и, (2) где z - выходной сигнал первого селектора 1;
Δ^огр - выходной сигнал первого элемента 5 сравнения;
Δ^o - выходной сигнал второго элемента 6 сравнения,
Δ^огр= G°о

_гр- G°1, (3) где G_огр^o - выходной сигнал ФПОРТ 12,
G₁⁰ - выходной сигнал первого ФПДТ 10,
Δ^°= G°2 - G°l (4) где G₂^o - выходной сигнал второго селектора 11.

Если ФПОРТ 12 формирует программу ограничения минимального расхода топлива, то второй селектор 11 выполняется как селектор максимума, а интегратор 4 реализует следующий закон формирования выходного сигнала Δ :
Δ = 1и. (5)
Первый селектор 1 представляет собой селектор минимума
z= мин(z₁, z₂), (6) где z₁ - выходной сигнал канала 2 разгона;
z₂ - выходной сигнал канала 3 стабилизации частоты вращения.

В простейшем случае z₁ - это скоppектиpованное значение разности между заданным и текущим значениями производной частоты вращения ротора турбокомпрессора n^,, а z₂ - скорректированное значение разности между заданным и текущим значениями частоты вращения n.

Будем считать, что выходной сигнал k ЛБ 7 выдается согласно (1), ФПОРТ 12 формирует программу ограничения максимального расхода топлива, второй селектор 11 представляет собой селектор минимума, а выходной сигнал Δ интегратора 4 выдается в соответствии с (2).

На малых частотах вращения (n<n₁) k= 0 и задающее воздействие G^o на входе дозатора 14 топлива формируется следующим образом:
G^°= G°2

= мин (G°3, G°о_гр), (7) где G₃^o - выходной сигнал второго ФПДТ 13.

В соответствии с (7) дозирование топлива на данном участке разгона осуществляется по программе, формируемой вторым ФПДТ 13, ограничиваемой "сверху" программой, которую реализует ФПОРТ 12. При этом согласно (2) Δ= Δ^o и поэтому
G°4

= G°2 (8) т. е. сигнал G₄^o на втором входе переключателя 8 отслеживает изменение сигнала G₂^o на его первом входе.

В момент достижения частоты вращения n₁ сигнал k на выходе ЛБ 7 согласно (1) становится равным единице (k= 1) и переключатель 8 соединяет дозатор 14 топлива с выходом сумматора 9, причем благодаря согласованию начальных условий (8) переключение не влечет за собой нежелательных переходных процессов.

В дальнейшем задающее воздействие G^o на входе дозатора 14 топлива формируется по закону
G^°= G°4

= G°1+Δ (9)
Программа первого ФПДТ 10 выбирается так, чтобы выполнялось условие
Δ<<G°1, (10) т. е. чтобы замкнутый контур лишь корректировал программу первого ФПДТ 10, работая в режиме малых отклонений.

После переключения интегратор 4 начинает интегрировать сигнал z по закону Δ = ∫ zdt с начальным условием Δ= Δ^o . Здесь z согласно (6) - минимальный из сигналов z₁ и z₂, где z₁ несет информацию о рассогласовании в контуре управления производной частоты вращения, а z₂- в контуре управления частотой вращения.

Пока z₁<z₂, работает канал разгона, дозатор 14 топлива отрабатывает задающее воздействие G^o, формируемое в соответствии с (9), и изменяет расход топлива G в сторону уменьшения рассогласования в контуре управления производной частоты вращения канала 2 разгона. При этом с учетом (10) статическая ошибка в контуре управления производной частоты вращения сравнительно мала.

После того как z₂ становится меньше, чем z₁, система переходит в режим стабилизации частоты вращения.

При работе замкнутых контуров управления ограничение максимального расхода топлива производится путем ограничения сигнала Δ сигналом Δ^орг согласно (2). (56) Боднер В. А. , Рязанов Ю. А. , Шаймарданов Ф. А. Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов. - М. : Машиностроение, 1973, с. 181, рис. 4.6.

Сущность изобретения: система автоматического управления содержит два формирователя 10 и 12 программы дозирования топлива второй селектор 11, два элемента сравнения 5 и 6, сумматор 9 и каналы разгона и стабилизации частоты вращения. Дозирование топлива на малых частотах вращения осуществляется по программе второго формирователя 12. Сигнал на втором входе переключателя 8 отслеживает изменение сигнала на его первом входе. В момент достижения частоты вращения n₁ перехода на замкнутый контур управления переключение не вызывает переходных процессов. Программа первого формирователя программы дозирования топлива выбирается так, чтобы замкнутый контур управления работал в режиме малых отклонений. Логический блок 7 реализует логику перехода с разомкнутого контура управления разгоном двигателя на замкнутый контур управления. При работе замкнутых контуров управления ограничение максимального расхода топлива производится путем ограничения сигнала Δ сигналом Δ^огр . 1 ил.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащая каналы разгона и стабилизации частоты вращения, подключенные к первому и второму входам первого селектора, выход которого соединен с входом интегратора, формирователь программы ограничения расхода топлива и дозатор топлива, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества регулирования, оно дополнительно содержит сумматор, управляемый переключатель, логический блок, два элемента сравнения, два формирователя программы дозирования топлива и второй селектор, интегратор выполнен управляемым и имеет управляющий и два дополнительных сигнальных входа, первый из которых соединен с выходом первого элемента сравнения, второй - с выходом второго элемента сравнения, а управляющий вход подключен к выходу логического блока, соединенному с управляющим входом переключателя, выход интегратора соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первого формирователя программы дозирования топлива, соединенному с вычитающими входами первого и второго элементов сравнения, выход сумматора подключен к второму входу переключателя, выход которого связан с дозатором топлива, а первый вход - с выходом второго селектора, соединенным с суммирующим входом второго элемента сравнения, формирователь программы ограничения расхода топлива соединен с суммирующим входом первого элемента сравнения и первым входом второго селектора, второй вход которого соединен с вторым формирователем программы дозирования топлива.