CC BY
95
Уфа : УГАТУ, 2010
Ъъоьм
Т. 14, № 5 (40). С. 10-14
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
И. А. Кривошеев, А. Г. Годованюк
УДК 629.7.035.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ГТД В СОСТАВЕ АДАПТИВНЫХ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
Предложена структура адаптивной отказоустойчивой системы автоматического управления и контроля (САУиК) для работы на борту самолета в случае отказа датчиков с целью повышения надежности, уменьшения затрат на доводку и испытания двигателя и ЛА в целом. Приведены разработанные алгоритмы и компоненты такой системы. САУ; испытания; доводка; ГТД
Характерными особенностями современных авиационных ГТД являются сложность конструкции, широкое применение электроавтоматики, развитой механизации и сложных законов управления для достижения требуемых характеристик [1, 4]. При этом к современным двигателям предъявляются высокие требования по ресурсу, надежности, безопасности полетов и экономичности при минимальных затратах и трудоемкости обслуживания.
Рис. 1. Классическая структура построения САУ
Как правило, автоматическая система управления выполняется отдельно [2] от исполнительных механизмов автоматики и передает им сигналы на изменение положений регулирующих органов, при этом работает по данным с датчиков и сигнализаторов двигателя и командам пилота (рис. 1). С подобной системой зачастую анализ рабочих параметров двигателя осуществляется производителем блоков управления двигателя после останова двигателя по программам регистрации.
1. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ
При разработке современных газотурбинных двигателей (ГТД) в рамках концепции БАБЕС в электронной (цифровой) САУиК (системе автоматического управления и контроля) ЛА и двигателя на борту (в полете) и на земле (после и между полетами) реализуются функции управления, контроля и диагностики самолета и двигателя. Наиболее перспективным направлением является объединение функций управления и контроля двигателя в одном агрегате, что позволяет значительно сократить количество блоков и датчиков, обеспечить снижение веса, повысить надежность и эксплуатационную технологичность.
Сигналы с датчиков (контроль)
Управление (сигналы на ИМ)
Рис. 2. Предлагаемая структура адаптивной отказоустойчивой САУиК
Контактная информация: (347) 273-06-35
2. АДАПТИВНАЯ САУ
В связи с вышеизложенным, с целью уменьшения затрат на доводку и испытания двигателя, САУ и ЛА в целом, авторами предложена структура адаптивной САУиК для работы на борту самолета в случае отказа датчиков. При этом для обеспечения адаптивности и отказоустойчивости САУ управляет моделью двигателя (рис. 2), а реальный двигатель следует за моделью, для быстродействия и обеспечения режима реального времени модель по структуре адаптируется к каналам контроля и управления, при этом используется набор моделей, с учетом разных комбинаций исправных и неисправных датчиков (и исполнительных механизмов); также на случай отказа всех датчиков имеется возможность для управления двигателем целиком по модели.
Рассогласование модельных сигналов и сигналов, поступающих с двигателя, может использоваться либо как признак неисправности конкретного датчика, либо как сигнал к идентифи-
кации модели (характеристик узлов). Для этого заранее определяются пороговые значения, переключение моделей в САУиК по команде логического блока реализует специальный коммутатор. Идентификацию моделей в САУиК по сигналам, поступающим с оставшихся исправными датчиков, реализуют специально для этого заготовленные идентификационные модели. Их тоже несколько - для разных комбинаций исправных датчиков. При этом желательно, чтобы для качественного анализа сигналов, выдачи команд в полете и анализа на земле инженерами записанных данных частота записи контролируемых параметров составляла по меньшей мере 100 Гц. Далее проанализированные данные поступают в управляющую математическую модель, которая выдает сигналы управления двигателем в зависимости от наличия команд, комбинаций исправных датчиков и отклонений параметров от заданных значений.
Рис. 3. Алгоритм идентификации параметров и характеристик ГТД по результатам испытаний и контроля в эксплуатации (для использования в составе адаптивной отказоустойчивой САУиК)
Такая новая концепция реализации САУиК ЛА и двигателя обеспечивает адаптивность и отказоустойчивость. Алгоритмы диагностики основаны на предложенном авторами обобщенном параметризованном представлении характеристик узлов, предварительном анализе влияния на их деформацию накопления отдельных видов дефектов, их связи с изменением характеристик двигателя в целом, с границами работоспособности двигателя и его элементов. Нанесение соответствующих ограничений на характеристики узлов, идентификация характеристик узлов [13] и их деформации по результатам контроля двигателя в эксплуатации позволяют локализовать отказы и предотказные состояния по видам дефектов и по элементам, где они имеют место. Это является основой нового эффективного алгоритма и метода параметрической диагностики.
3. РЯД ВОЗМОЖНЫХ РЕШЕНИЙ
ПРИ СОЗДАНИИ ГТД И ЕГО САУ
Создание современной силовой установки и ее САУ можно представить в виде последовательности этапов, на каждом из которых осуществляются расчетно-теоретические исследования с применением моделей различной сложности и различной степени соответствия натурным характеристикам элементов САУ, проводятся экспериментальные исследования и анализ полученных результатов, а также принимаются
решения по выполнению последующих этапов работы. При проведении расчетно-теорети-ческих исследований современных САУ ГТД возникает ряд трудностей, связанных с большим числом функций, выполняемых ею, большим диапазоном изменения внешних условий и режимов работы двигателей. В связи с этим создание САУ ГТД и проведение исследований с использованием таких моделей весьма трудоемкая задача.
11 2 ? оБУг.пш
п2 2
______ -■
=
60 65 70 75 ВО 85 п1пв>%
Рис. 4. Зависимость частоты вращения компрессора высокого давления от приведенной частоты вращения компрессора
низкого давления: 1 - результаты эксперимента; 2 - результаты, полученные по модели с априорными характеристиками;
3 - результаты, полученные по модели после
уточнения характеристик компрессора;
4 - результаты, полученные по модели после
уточнения характеристик
Рис. 5. Пример работы в режиме реального времени модели ГТД, реализованной в системе БСАБА ЬаЬУ1е'^ использующейся для испытаний агрегатов САУ
Обычно основной задачей испытаний является установление соответствия параметров двигателя техническому заданию. По существу, необходимо по некоторой совокупности параметров, измеряемых в процессе испытаний, построить полные характеристики ГДТ и его САУ, установить функциональные зависимости между входными и выходными параметрами, получить данные, необходимые для идентификации состояния двигателя и элементов автоматики, а также для оценки соответствия характеристик конкретных исследуемых экземпляров САУ и ГТД на установившихся и переходных режимах предъявляемым к ним техническим требованиям [5, 6, 7, 8, 12]. При решении этой задачи приходится сталкиваться с необходимостью получения и анализа большого объема информации, что объясняется рядом обстоятельств, связанных не только с изменением условий и режимов работы ГТД в широких пределах, но и с многоконтурностью современных САУ. Предложенный авторами алгоритм процессов получения и уточнения параметров и характеристик узлов по результатам испытаний и контроля в эксплуатации приведен на рис. 3.
Здесь использованы возможности разработанной в НИЛ САПР-Д технологии имитационного моделирования САМСТО и реализация проведена на основе специально разработанной для решения таких задач версии системы имитационного моделирования ГТД СИМ БУЮ (рис. 4) [10, 11, 13].
Рис. 6. Пример использования ПФЭ для получения фазового портрета
При этом обнаружено, что для конкретного двигателя (с определенным набором датчиков и исполнительных механизмов) рационально создание не универсальных, а специализированных моделей (соответственно - для идентификации и управления), при этом каждая из них строится с учетом номенклатуры предполагае-
мых исправных датчиков. У авторов имеется опыт создания и использования моделей ГТД в составе САУ, при этом модели (ГТД с соос-ным винтовентилятором, см. рис. 2, ТРДД) были реализованы в системе LabView (рис. 5).
Рассмотрен вариант, когда модели строятся в среде 8САБА LabView, но их отладка производится с использованием СИМ БУЮ, созданных в среде САМСТО. Кроме того, рассмотрен вариант, когда с использованием динамической модели ГТД в среде СИМ DVIGwp [3] формируется многомерный фазовый портрет, он аппроксимируется (например, с использованием ПФЭ, см. рис. 6), и полученные регрессионные модели (со структурой, ориентированной на задачи идентификации и управления, с учетом предполагаемого набора исправных датчиков) используются в составе адаптивной отказоустойчивой САУиК.
Рис. 7. Структура системы диагностики и контроля ТРДДФ
В условиях высокой стоимости авиационных двигателей эффективность их эксплуатации с одновременным выполнением требований безопасности полетов определяется не только их конструктивным совершенством, но и постоянным надежным и эффективным контролем и диагностированием технического состояния. Поэтому проблема разработки и применения в эксплуатации оптимальных средств и методов контроля, автоматизации процесса обработки информации о состоянии двигателя является одной из актуальных задач. Компоненты системы диагностики могут входить в состав адаптивной отказоустойчивой САУиК или использоваться автономно. На рис. 7 показана схема разработанной с участием авторов системы ди-
агностики и контроля состояния, используемой при доводке ТРДДФ.
В последние годы в нашей стране и за рубежом интенсивно развиваются автоматизированные бортовые системы контроля ГТД на базе БЦВМ. Данные системы кроме функций «пассивных» систем контроля (систем индикации параметров экипажу и регистрации для обслуживающего персонала) обрабатывают информацию непосредственно в полете и выдают необходимые рекомендации экипажу.
С целью уменьшения затрат на испытания и доводку ГТД и его САУ требуется рациональное сочетание экспериментальных и теоретических исследований, моделирование и применение автоматизированной обработки результатов испытаний. С этой целью и предлагается структура адаптивного САУ для использования на бортовой модели двигателя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как мы видим из приведенных наиболее часто встречающихся структур взаимодействия САУ и ГТД с целью дальнейшей диагностики характеристик узлов двигателя и ГТД в целом, все полученные данные снимаются после останова двигателя по завершении полета или испытания. В таких случаях анализ данных проводится как разработчиком агрегатов управления, так и производителем самого ГТД, что в дальнейшем сказывается на надежности двигателя в положительную сторону, но при этом может занимать значительно больше времени, чем с использованием предлагаемой структуры САУ. Все это проводится с целью улучшения параметров цикла (температура газа перед турбиной и степень повышения давления в компрессорах, и др.) и уменьшения расхода топлива
[9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Черкасов Б. А. Автоматика и регулирование воздушно-реактивных двигателей: Учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 1988. 360 с.
2. Иноземцев А. А., Нихамкин М. А., Санд-рацкий В. Л. Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок. Системы: Учеб. Серия: «Газотурбинные двигатели». В 5 томах, т. IV. М.: Машиностроение, 2007. 194 с.
3. Тунаков А. П., Кривошеев И. А., Ахмедзя-нов Д. А. САПР газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 2005. 272 с.
4. Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. Управление ВРД / Под ред. д-ра техн. наук, проф. А. А. Ше-вякова. М.: Машиностроение, 1976. 344 с.
5. Сосунов В. А., Литвинов Ю. А. Неустановившиеся режимы работы авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.
6. Сиротин С. А., Соколов В. И., Шаров А. Д.
Автоматическое управление авиационными двигателями: учеб. для авиац. техникумов. М.: Машиностроение, 1991. 176 С.
7. Шевяков А. А. Автоматика авиационных и ракетных силовых установок. М.: Машиностроение, 1970. 660 с.
8. Синяков А. Н., Шаймарданов Ф. А. Системы автоматического управления ЛА и их силовыми установками: Учеб. М.: Машиностроение, 1991. 320 с.
9. Данилин О. Е., Бадамшин Б. И. Задача оптимизации удельного расхода топлива ТВВД на основе интеллектуальных методов управления // Электронные устройства и системы: Межвузовск. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 103-106.
10. Кривошеев И. А., Иванова О. Н., Горюнов И. М. Методы получения и использования характеристик узлов ГТД при имитационном моделировании // Вестник УГАТУ. 2006. № 3 (16). С. 127-135.
11. Кривошеев И. А., Иванова О. Н. Метод формирования и использования моделей ГТД на различных этапах проектирования, доводки и эксплуатации // Вестник УГАТУ. 2007. № 1 (19). С. 8-21.
12. Идентификация систем управления авиационных газотурбинных двигателей / В. Г. Августино-вич [и др.]. М.: Машиностроение, 1984. 200 с.
13. Иванова О. Н. Повышение эффективности идентификации имитационной модели по результатам испытаний // Проблемы современного машиностроения: Материалы всероссийск. молодежн. науч.-техн. конф. Уфа: УГАТУ, 2004. 180 с.
ОБ АВТОРАХ
Кривошеев Игорь Александрович, декан факультета АД, проф., науч. рук. НИЛ САПР-Д. Дипл. инж.-мех. (УГАТУ, 1976). Д-р техн. наук по тепл. двигателям ЛА (2000). Иссл. в обл. инф. техн. в двигателестроении.
| а Годованюк Алексей Геннадье-
^ ■'^г, вич, асп., мл. науч. сотр. каф.
,; авиац. двиг. Дипл. магистр техн. -- — г и технол. по авиа- и ракето-,/ строению (УГАТУ, 2006). Иссл. в Управления ГТД и их
