Научная статья на тему 'Использование моделей ГТД в составе адаптивных отказоустойчивых систем управления и контроля'

Использование моделей ГТД в составе адаптивных отказоустойчивых систем управления и контроля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
347
96
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
САУ / ИСПЫТАНИЯ / ДОВОДКА / ГТД / AUTOMATIC CONTROL SYSTEM / TESTING / DEVELOPMENT / TURBOJET

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кривошеев И. А., Годованюк Алексей Геннадьевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Кривошеев И. А., Годованюк Алексей Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Turbojet mathematical models deployment in adaptive failure-safe control and surveillance systems structure

There is suggested turbojet mathematical models deployment in adaptive failure-safe control and surveillance systems structure for airborne operation in case of transducer’s breakdown for the purpose of enhancement reliability, expenditure decrease for turbojet and aircraft development and testing. Displayed developed algorithms and components of that system.

Текст научной работы на тему «Использование моделей ГТД в составе адаптивных отказоустойчивых систем управления и контроля»

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.