CC BY
28
УДК 681.142
С.В. Лозня1, М.И. Торхов1, С.А. Пустовой1, В.А. Седристый2, Ю.В. Черкасов2 10бщество с ограниченной ответственностью «Котрис», Украина 2Государственное предприятие «Ивченко - Прогресс», Украина
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ДИАГНОСТИКА И НАСТРОЙКА САУ ПРИ МОТОРНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ТРДДФ
Предложена процедура выполнения автоматической диагностики сбоев измерительных каналов САУ, базирующаяся на идентификации в реальном времени авторегрессионных моделей сигнала со скользящим средним. Предложена процедура автоматизированной настройки алгоритмов фильтрации сигналов измерительных каналов замкнутых контуров электронной части САУ с применением оптимальных цифровых фильтров Калмана и Ак-кермана. Рассмотрены основные этапы выполнения автоматизированной настройки параметров замкнутых и разомкнутых контуров управления ТРДДФ на примере контуров управления реактивным соплом и дозаторами форсажного топлива. Приведенные подходы базируются на аппаратно-программном комплексе автоматизации испытаний двигателей КАМ-25Ф, созданном для решения задач сопровождения разработки и испытаний контуров управления соплом и форсажом двигателя АМ222-25Ф.
Система автоматического управления, аппаратно-программный комплекс автоматизации испытаний двигателей, автоматизированная диагностика и настройка параметров.
Введение
Обоснование структуры, синтез и настройка параметров электронных систем автоматического управления (САУ) является одной из наиболее ответственных, трудоемких и сложных проблем на этапе создания и доводки современных авиационных двигателей (АД), характеризующихся большим числом одновременно регулируемых параметров. Решение ее в значительной степени зависит от качества созданных математических моделей (ММ) двигателя и гидромеханических агрегатов САУ, уровня оснащенности моторных стендов специальными комплексами и системами, позволяющими автоматизировать сложные процедуры настройки и оптимизации параметров регуляторов разомкнутых и замкнутых контуров управления авиационным двигателем.
1. Формулирование проблемы
В настоящее время настройка параметров САУ производится разработчиками на полунатурных и моторных стендах АД, при этом оптимальность настройки определяется опытом разработчика, а
созданные ММ в основном применяются для оценки качества подобранных параметров [1,2].
Актуальной задачей является разработка процедур автоматизированной настройки параметров замкнутых и программных контуров управления АД с целью повышения качества настройки САУ и расширения ее возможностей на этапе серийных испытаний.
2. Решение проблемы
Автоматизированная диагностика и настройка параметров САУ турбореактивного двигателя с форсажной камерой сгорания (ТРДДФ) при моторных испытаниях двигателя реализованы на базе аппаратно-программного комплекса автоматизации испытаний КАИ-25Ф, созданного для решения задач сопровождения разработки и испытаний контуров управления соплом и форса-жом двигателя АИ222-25Ф.
В состав аппаратной части комплекса КАИ-25Ф входят (рис. 1):
— модуль сопряжения с объектом, обеспечивающий нормализацию и гальваническую развязку входных сигналов;
© С.В. Лозня, М.И. Торхов, С.А. Пустовой, В.А. Седристый, Ю.В. Черкасов, 2008
— индустриальный компьютер на РС-плат-форме, работающий под управлением операционной системы Windows XP;
— модуль оцифровки сигналов на базе RISK-процессорной платы аналого-цифрового преобразования (АЦП);
— модуль цифро-аналогового преобразования (ЦАП) для формирования управляющих сигналов;
— модуль имитации сигналов преобразователей первичной информации ТРДДФ;
— модуль последовательного канала связи со стендовым оборудованием по цифровому протоколу ARINC 429;
— модуль последовательного канала связи с электронным регулятором двигателя по последовательному цифровому интерфейсу.
Рис. 1. Состав аппаратной части комплекса КАИ-25Ф
Реализованная на базе данного комплекса система автоматизированной диагностики и настройки САУ ТРДДФ позволяет выполнять:
— сбор, архивирование и анализ данных моторный испытаний;
— автоматическую диагностику сбоев измерительных каналов САУ ТРДДФ;
— автоматизированную настройку алгоритмов фильтрации сигналов измерительных каналов замкнутых контуров электронной части САУ;
— автоматизированную настройку параметров замкнутых контуров управления ТРДДФ;
— автоматизированную настройку параметров программно-задающих устройств, управляющих запуском форсажной камеры сгорания (ФКС), противопомпажной системы, системы заполнения коллекторов ФКС и др.
2.1 Подсистема сбора, анализа и архивирования информации
Функции сбора информационных сигналов и преобразования их в унифицированные сигналы 4-20мА выполняет модуль сопряжения с объектом (рис. 1). Нормированные сигналы оцифровываются модулем АЦП с частотой 40 Гц и масштабируются в значения физических величин, размерность которых оптимальна для отображения и работы последующих подсистем комплекса.
По каналу АЯШС 429 обеспечивается передача регистрируемой комплексом информации в штатную стендовую систему регистрации. Через интерфейс Я8422/485/232 осуществляется взаи-
модействие комплекса с электронным регулятором двигателя.
Все результаты опроса каналов АЦП, а также расчетные параметры и переменные, в автоматическом режиме записываются в архивную базу данных комплекса.
В комплексе имеется модуль отображения трендов реального времени. Модуль трендов является сетевым приложением, и может функционировать на удаленном компьютере, подключенном посредством стандартного сетевого интерфейса Windows.
Файлы архивной базы данных имеют стандартный формат электронных таблиц «*.csv». Данный формат поддерживается такими программами как Microsoft Office Excel, Open Office Calc и др. Помимо представленных программ, поддерживающих просмотр файлов архива, в комплексе имеется интегрированное средство работы с файлами архивов «StorageKAI25F». Данный модуль представляет собой средство автоматической обработки, просмотра и анализа архивных данных, со следующими функциональными возможностями: трендовый анализ, ZOOM-анализ, маркерный анализ, скроллинг трендов, распечатка отчетов, экспорт данных испытаний.
2.2. Автоматическая диагностика сбоев измерительных каналов САУ
Принцип формирования диагностического сигнала исправности измерительного канала САУ ТРДДФ основан на идентификации в реальном времени моделей сигнала и оценке качества прогнозирования значений сигнала с применением полученной модели.
В качестве моделей временного сигнала измерительных каналов применяются авторегрессионные модели со скользящим средним. При появлении дефекта измерительного канала модель стационарного временного сигнала дает существенные ошибки прогноза в сравнении с измеренным сигналом, что свидетельствует об отказе. Дефект регистрируется в виде увеличения шума ошибок прогнозирования.
В качестве примера рассмотрим зарегистрированные тренды параметров при испытаниях замкнутого контура управления степенью повышения давления воздуха за вентилятором (рис. 2) с воздействием на площадь сопла (рис. 3) ТРДДФ.
Рис. 2. Временной сигнал исправного канала давления воздуха за вентилятором ТРДДФ
Рис. 3. Изменение положения соила при исправном канале давления воздуха за вентилятором ТРДДФ
При нарушении контакта в разъемах измерительного канала давления воздуха за вентилятором САУ ТРДДФ, как видно из рис. 4, возможно появление скачкообразных изменений сигнала, не превышающих 1,5% от диапазона измерения, и соизмеримых с погрешностью измерительного канала. Такой низкий уровень сбоев не пригоден для отсева допусковыми и перекрестными методами контроля, и в то же время, приводит к видимым отклонениям положения управляющего органа замкнутого контура стабилизации степени повышения давления воздуха за вентилятором (рис. 5).
% 1
о чп 1ГГ 1=л 7<П эап 1Т1 .-Л ш НГ.- зщ
Рис. 4. Временной сигнал канала давления воздуха за вентилятором ТРДДФ при наличии дефекта в разъеме АЦП
Рис. 5. Изменение положения сопла ТРДДФ при наличии дефекта в разъеме АЦП
Для полученных исходных сигналов идентифицируются авторегрессионные модели и определяются ошибки прогноза. Как видно из рис. 6а, максимальная амплитуда ошибок прогноза для исправного канала измерения давления не превышает 0,2% от диапазона измерения.
«гг ------р.]™™» „„ яв
прт*
-а. ооз
■■ШПШННПЯ
К> *} Ы ВО 100 1»р 1» я
II с.даю г? «лая т3) - «аз
а)
Рис. 6. Авторегрессионная модель и ошибка прогнозирования: а) — исправного измерительного канала; б) — неисправного измерительного канала
В то же время для отказавшего канала давления за вентилятором ошибки прогноза составляют порядка 1% от диапазона измерения, то есть в 5 раз превышают аналогичную величину в исправном канале, что уже вполне достаточно для реализации допусковых процедур контроля (рис. 6б).
Преимуществами используемой технологии диагностики каналов является ее достаточная вычислительная эффективность, так как идентификация авторегрессионных моделей не требует итеративных оптимизационных процедур, а результирующая модель всегда устойчива.
2.3. Автоматизированная настройка алгоритмов фильтрации сигналов измерительных каналов САУ
Фильтрация измеренных сигналов осуществляется с применением оптимальных цифровых фильтров Калмана и Аккермана. Автоматизированная процедура настройки фильтров измерительных каналов на примере сигналов измеренного давления топлива и скорости его нарастания в пусковом коллекторе ФКС включает:
1. Выбор участка трендов заданного положения дозатора и измеренного давления топлива из архива моторных испытаний (рис. 7).
Рис. 7. Осциллограмма изменения заданного положения дозатора и измеренного давления топлива в коллекторе
2. Автоматическая идентификация модели давления топлива и скорости его изменения по заданному положению дозатора (рис. 8) и оценка качества моделирования (рис. 9).
-28,3502 101,495 1.26315Е-14 -1.41326Е-15 -3.67686Е-14 М,!-'--,! 1 4 0,2245
-101,495 5.62702Е-14 -6,94025Е-15 -5,97134Е-14
-1.34456Е-14 -1,58278
1,0341Е-13 0,499747.' -7.97212Е-14 3.83985Е-14
и, 1'- -
-0,336537 -22,9285
-3,84394Е-15 -2,9366Е-14 -3,72308Е-15
-0,499747 -5,53522Е-15 1,42539Е-14
-1,58278 -7,11067Е-14 -3,3782Щ|
М8508Е-14 11:0 07 -51,2823
7,30357Е-15 51,2823 -16,8407
-0,706029 -0,610095 -0,333416
-2,23410 1,50643 0,0072236 1,32662 -1,6127 0,609897 0,0025711
Рис. 8. Непрерывная модель состояния дозатора пускового коллектора ФКС
Рис. 9. Оценка качества модели состояний динамики давления пускового коллектора
3. Синтез оптимального вектора усиления и на его основе параметров наблюдателя (рис.10), обеспечивающего заданное размещение полюсов наблюдателя (алгоритм Аккермана) или оптимальную оценку при наличии шумов измерений (фильтр Калмана).
Рис. 10. Дискретный наблюдатель Аккермана для оценки давления топлива в пусковом коллекторе
4. Анализ качества работы фильтра при имитации сигнала с шумами датчика давления (рис. 11).
Рис. 11. Имитация сигнала с шумами датчика давления топлива
2.4. Автоматизированная настройка параметров замкнутых контуров управления ТРДДФ
Автоматизированная настройка параметров замкнутых контуров управления ТРДДФ основывается на базе моделей, полученных при настройке фильтров измеренных сигналов и на
примере контура стабилизации давления форсажного коллектора включает:
1. Синтез для полученной модели параметров ПИД-регулятора, обеспечивающего заданные технические требования к качеству переходный процессов (рис. 12).
Рис. 12. Синтез ПИД-регулятора положения дозатора пускового коллектора
2. Анализ качества переходных процессов при имитации динамики САУ с учетом реальных ограничений на управляющие воздействия (рис. 13).
Рис. 13. Имитация работы замкнутого контура САУ
2.5. Автоматизированная настройка параметров программных контуров управления
Основными этапами автоматизированной настройки программных регуляторов на примере программного контура управления соплом являются:
1. Подготовка трендов параметров для настройки программного контура управления соплом ТРДДФ (рис. 14).
2. Формирование программы управления соплом (табл. 1) по расходу топлива в форсажную камеру Бкг = ЩЕ).
3. Имитация работы САУ ТРДДФ при запуске и форсажной приемистости с оценкой газодинамической устойчивости компрессоров.
Таблица 1
Момент времени Режим Огг ПК кг/ч Огг ВК кг/ч Огг нк кг/ч Ой Е, кг/ч Ркг> см2
42:50 ПФ 730 2093 3400 6223 2260
43:25 1,6М 730 1774 2900 5404 2140
43:55 1,5М 730 1375 2275 4380 2000
44:15 Ф 730 1200 2000 3930 1936
44:40 ВК 730 1200 0 1930 1805
Рис. 14. Снятие программных значений площади критического сечения сопла для площадок дроссельной характеристики ТРДДФ
В качестве примера на рис. 15а приведены результаты имитации работы САУ ТРДДФ на переходных режимах без разомкнутого контура управления соплом по РУД и частоте вращения компрессора и настроенным программным регулятором (рис. 15б), обеспечивающим снижение используемых запасов газодинамической устойчивости вентилятора вследствие корректного согласования изменения расхода форсажного топлива и площади сопла.
При автоматизированной настройке параметров программного контура управления заполнением коллекторов ФКС выполняются:
1. Подготовка архивных трендов параметров заданного положения дозаторов и давления топлива перед форсунками с заполнением и без заполнения коллекторов.
2. Автоматическая идентификация на базе методов корреляционного анализа импульсных переходных характеристик и оценка транспортного запаздывания между изменениями заданного положения дозаторов и давления топлива по количеству коэффициентов, величина которых меньше доверительного уровня оценки импульсной характеристики (рис. 16).
б)
Рис. 15. Приемистость ТРДДФ на режимах «М-МФ-ВК-НК-Ф-ПФ»: а) - с не настроенным разомкнутым контуром управления соплом; б) — с настроенным разомкнутым контуром управления соплом
Рис. 16. Автоматизированная оценка времени заполнения коллекторов ФКС
3. Оценка времени заполнения коллектора по разности запаздывания в трендах с заполнением и без заполнения коллекторов.
4. Формирование программы заполнения коллекторов с учетом Ьдоз/&.
Выводы
Таким образом, реализованная на базе комплекса автоматизации испытаний КАИ-25Ф система автоматизированной диагностики и настройки параметров САУ при моторных испытаниях двигателя позволяет:
— контролировать отказы измерительных каналов САУ, уровень которых находится в диапазоне нормальной работы применяемых в настоящее время допусковых и перекрестных методов контроля;
— повысить качество настройки замкнутых и программных контуров управления САУ;
— сократить потребное время моторных испытаний двигателя за счет автоматизации про-
цедур поиска оптимальных параметров контуров управления САУ.
Литература
1. Васильев В.И., Гусев Ю.М., Иванов А.И. и др. Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1989. — 240 с.
2. Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов / Под ред. докт. техн. наук проф. ААШевякова. —М. Машиностроение, 1983. — 283 с.
Поступила в редакцию 16.06.08
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Епифанов С.В. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», г. Харьков.
Запропоновано процедуру виконання автоматичног diaznocmuKU збогв вим1рювалъних каналгв САК, що базуетъся на iденmuфiкaцii в реалъному чаа авторегресшних моделей сигналу з ковзаючим середшм. Запропоновано процедуру автоматизованого налаштування aлгoрumмiв фыътрацп cuгнaлiв вuмiрювaлънuх кaнaлiв замкнених кoнmурiв електронног частини САК 1з застосуванням оптималъних цифрових фiлъmрiв Калмана та Акермана. Розглянуто основш етапи виконання автоматизованого налаштування пaрaмеmрiв замкнених та рoзiмкненuх кoнmурiв керування ТРДДФ на прuклaдi кoнmурiв керування реак-тивним соплом та дoзamoрiв форсажного палива. Наведет тдходи базуютъся на створе-ному апаратно-програмному комплекЫ автоматизацП випробуванъ двигушв КАП-25Ф, який створений для ршення задач супроводу розробки та випробуванъ кoнmурiв керування соплом та форсажем двигуна АП222-25Ф.
Automatic diagnostics implementation procedure of automatic control system measuring channels failures is offered. Procedure is based on authentication of real time sliding middle avtoregressionnykh models. Procedure of the automated tuning of signals measurings channels filtration algorithms of electronic part automatic control system reserved contours is offered with the use of optimum digital filters of Kalman and Akkerman. The automated parameters tuning implementation basic stages of the reserved and broken a secret control contours of the turbojet engine with a forcing combustion chamber are considered. The example of the control contours tuning of the reactive nozzle and forcing fuel metering devices is resulted. The resulted algorithms are based on the created KAT-25F device-programmatic engines tests automation complex. The complex is created for the tasks decision of development and tests accompaniment offorcing fuel and reactive nozzle control contours.
