CC BY
149
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
УДК 629.7.035
Г. Г. КУЛИКОВ, В. Ю. АРЬКОВ, В. С. ФАТИКОВ, Г. И. ПОГОРЕЛОВ
МЕТОДОЛОГИЯ ПОЛУНАТУРНОГО КОМПЛЕКСНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГТД И ЕГО СИСТЕМ
Обсуждаются проблемы построения адекватной структурной комплексной модели ГТД с целью полунатурного исследования поведения САУ при системных отказах. Предложены структура и технология построения адекватной комплексной модели ГТД на примере ТРДДФ для полунатурного моделирования, включающие специальный комплекс моделей переключения режимов функционирования и реконфигурации системы управления, контроля и диагностики БАБЕС при системных отказах. Структурная комплексная модель; система автоматического управления; контроля и диагностики; ГТД; системные отказы; полунатурный моделирующий комплекс; модель переключения; реконфигурация
Обсуждается проблема полунатурного функционального комплексного моделирования авиационной газотурбинной силовой установки (в том числе и многодвигательной) при «нештатной» работе отдельных ее систем и подсистем. Одновременная работа систем управления, контроля и диагностики может приводить к «коллизиям», которые необходимо учитывать при проектировании и доводке системы «ГТД + FADEC» [5].
Поэтому актуальной является проблема методологии и соответствующей технологии комплексного полунатурного исследования ГТД и его систем.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Главными задачами, требующими решения в плане данной проблемы, являются:
• обеспечение адекватности структуры комплексной модели ГТД и его систем реальной силовой установке;
• технология комплексного моделирования системы «ГТД + БАБЕС» с учетом отказов в составе полунатурного моделирующего комплекса (ПМК);
• методика полунатурного исследования ГТД при системных отказах.
Современная концепция полунатурного моделирующего комплекса (ПМК)
Основным инструментальным средством комплексных исследований системы «ГТД +
Контактная информация: (347) 272-89-81 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 08-08-97041
БАБЕС» являются полунатурные моделирующие стенды и комплексы. Современная концепция [3] полунатурного моделирующего комплекса (ПМК) предусматривает два уровня моделирования. Нижний уровень - это полунатурные модели «ГТД + FADEC» (ГТД - математическая модель реального времени, FADEC - натурный блок). Верхний уровень составляют информационные модели самолетных систем, связанных с FADEC по каналам информационного обмена, при этом их линии связи - это физические модели реальных. Наличие в составе ПМК системы имитации отказов линий делает его наиболее целесообразным инструментальным средством для полунатурного исследования комплексной модели «двигатель + FADEC» при системных отказах. Структура ПМК показана на рис. 2.
Комплексное моделирование авиационной газотурбинной силовой установки при штатной и «нештатной» работе отдельных ее систем и подсистем предполагает обеспечение адекватности модели ГТД и его систем.
Обеспечение адекватности структуры полунатурной комплексной модели «ГТД + ЕАБЕС»
Основным условием адекватности структуры полунатурной комплексной модели «двигатель + FADEC» в первую очередь является ее «полнота» - соответствие реальной силовой установке по количеству моделируемых систем, функциональных взаимодействий систем и подсистем, а также информационных и энергетических связей. К традиционной модели ГТД необходимо добавить модели систем,
обеспечивающих его функционирование, а именно следующие системы [2]:
1) автоматического управления и контроля (в составе ПМК - это натурный блок FADEC);
2) топливные;
3) диагностики;
4) пусковые;
5) воздушные;
6) смазки и суфлирования;
7) гидравлические;
S) дренажные.
Модель каждой из указанных систем в ПМК должна представлять собой комбинацию физических моделей соответствующих датчиков и исполнительных механизмов FAD EC и математической (линейной, кусочно-линейной) модели гидропневмомеханической исполнительной части в реальном времени. Для комплексной модели ГТД и его систем необходимо иметь набор моделей, соответствующих трем состояниям:
• нормальному («штатному») функционированию;
• отказным ситуациям;
• реконфигурации системы и работе на безопасном режиме.
Для газовоздушного тракта (ГВТ) ГТД к моделируемым отказным ситуациям относятся:
• «помпаж» компрессора;
• «нерозжиг» основной камеры сгорания;
• погасание основной камеры сгорания;
• «нерозжиг» форсажной камеры сгорания;
• погасание форсажной камеры сгорания;
• открытие (закрытие) сопла на безфор-сажных и форсажных режимах;
• другие.
Перечисленные отказы могут сочетаться друг с другом в различных комбинациях и временной последовательности. Это может происходить на статических и переходных режимах работы двигателя.
Также должен быть определен перечень отказных ситуаций и для каждой из систем ГТД. Состав комплексной модели ГТД и его систем для реализации в ПМК приводится в таблице.
Технология построения адекватной
структурной модели ГТД и его систем
І. Структурную модель и технологию построения ГТД и его систем в рамках функционального моделирования целесообразно представить на трех уровнях:
• 1 уровень: Схемы агрегатирования, спецификации (в графических средах 3Б , 2Б, 1Б-представления);
• 2 уровень: модели взаимодействия подсистем (в графических средах 2Б, 1Б-пред-ставления);
• 3 уровень: схемы отдельных подсистем (в средах 2Б, 1Б-представления).
2. С другой стороны, методы системной инженерии [8], которые реализуются САЬ8-технологиями и стандартами качества менеджмента, в том числе и в производственных системах с полным циклом (проектирование + производство) предполагают переход от функционального моделирования и управления к процессному. Это накладывает соответствующие требования к определению структур процессов моделирования, проектирования, испытания и других производственных процессов. Построение таких процессных моделей моделирования и исследования функционирования систем контроля и диагностики для ГТД требует новых методологических разработок. В таких системах должны соблюдаться иерархия организации системы, состоящей из подсистем. Это позволит создавать метамодели с сетевой структурой, где будут объединены различные структуры.
Для этого предполагается разработать 2 класса моделей:
1) модели отдельных подсистем (3Б, 2Б, 1Б-представлений);
2) модели объединенных подсистем управления, контроля и реконфигурации (3Б, 2Б, 1Б-представлений)
Для 3Б графики и моделирования могут быть использованы программы AutoCAD, LMS МгШаНаЬ и др.
Пример 3Б-представления схемы агрегатирования ГТД представлен на рис. 1, заимствованном из [2].
3. Анализ известных организационных систем эксплуатации и ремонта показывает, что объективно существуют процессы контроля и диагностики отдельных подсистем ГТД, в которых реализуются процессы «сверху вниз», то есть от анализа дефекта, зафиксированного на верхнем уровне, до обнаружения и локализации в конкретном конструктивно сменном блоке (КСБ) и обнаружении отказов и локализации КСБ (локальной системой встроенного контроля) и анализа их воздействий на уровень системы [7]. Отметим, что эти процессы обеспечиваются функциональной организацией системы и в явной форме не контролируются.
Блок коммутации
Электронный
регулятор
Датчик температуры воздуха
Подкачивающий
Т опливо-масляный теплообменник
Блок системы контроля и диагностики двигателя
Распределитель топлива
Рис. 1. Состав агрегатов системы автоматического управления, контроля и топливопитания ТРДД (из [2])
Высокая степень информатизации и компьютеризации систем контроля и диагностики позволяют часть задач, которые решались наземными станциями обслуживания перенести на уровень борта самолета [7]. В этом случае требуется построение двух классов процессов:
• процессы создания систем управления и диагностики двигателя и его систем;
• процессы реализации контроля и диагностики в бортовых информационных и диагностических комплексах с оптимальным распределением между наземными и бортовыми системами.
4. Рассмотренный подход позволяет строить модели процессов, отвечающих условиям «прослеживаемости» (определение причин и следствий состояний отдельных систем и подсистем) и соответствия требованиям стандартов ИСО 9000, что позволяет решать обратную задачу при контроле и диагностике: имея факт отказа проследить влияние его на системы и подсистемы.
Пример реализации комплексной модели ГТД (ТРДДФ) и его систем как объектов
управления, контроля и диагностики на ПМК
Комплекс моделей ГТД как объекта управления:
• Базовая модель - поэлементная нелинейная термогазодинамическая [1, 4, 6], - моделирующая работу ГТД на штатных режимах в диапазоне применения, например, в виде:
X = / (XVи);
У = Ф( X V ,и); где X = [пі...]т - вектор переменных состояния; V = [М, Н, Ыпу, #отб ]т - вектор внешних
воздействий; и = [Ст, ана^0Тб, Ррс,...]Т -вектор управления; / ф - нелинейные операторы; У - вектор выходных координат.
1) кусочно-линейная всережимная модель ГТД - получают из базовой модели по известной методике [1, 4, 6];
2) специальные кусочно-линейные модели ГТД:
• запуска двигателя, в том числе модель процесса зажигания;
• запуска форсажной камеры, в том числе модель процесса воспламенения;
3) кусочно-линейные модели ГТД для отказных ситуаций:
• «помпаж» компрессора;
• «нерозжиг» основной камеры сгорания;
• погасание основной камеры сгорания
• «нерозжиг» форсажной камеры сгорания;
• погасание форсажной камеры сгорания;
• несанкционированное открытие (закрытие) створок реактивного сопла на безфорсаж-ных и форсажных режимах.
4) модели систем:
• ММ топливной системы основного и форсажного контуров: насосы и дозаторы, приводы механизации турбокомпрессора, реактивного сопла, коллекторы форсунок, топливные фильтры и др.;
• пусковая система: стартер, система подачи топлива в камеру сгорания, система зажигания, система механизации турбокомпрессора, система электропитания агрегатов;
• системы смазки и суфлирования;
• воздушной системы;
• гидравлической системы реактивного сопла;
• дренажной системы.
Комплекс моделей ГТД и его систем как объектов контроля и диагностики
Модели ГТД и его систем как объектов контроля и диагностики в составе ПМК предназначены для формирования условий и значений параметров, обеспечивающих включение и выключение проверяемых алгоритмов контроля и диагностики с целью проверки реакции FADEC, то есть выдачи соответствующих сообщений в информационную модель самолетных систем и (или) в модели переключения для реконфигурации. В частности, это модели и алгоритмы:
• непрерывного контроля в полете параметров и сигналов;
• контроля предельно-допустимых значений параметров по фиксированным и изменяемым, в зависимости от режимов работы двигателя, границам;
• идентификации режимов работы двигателя для учета выработки ресурса двигателя;
• подготовки данных в обеспечение наземного контроля и прогнозирования технического состояния проточной части двигателя по трендам основных параметров;
• контроля наработки двигателя на режимах ограничения и общей наработки в часах и полетных циклах;
• обработки диагностической информации для обеспечения наземного контроля выработки ресурса деталей двигателя, лимитирующих его ресурс по малоцикловой усталости и длительной прочности;
• контроля процесса запуска, останова двигателя
• контроля процесса включения, работы и выключения форсажной камеры;
• контроля параметров двигателя на соответствие нормам на взлетных режимах;
• формирования и выдачи в бортовые системы самолета обобщенных сигналов о выявленных неисправностях по двигателю и его системам.
• другие.
Состав комплексной модели ГТД и его систем приведен в таблице. Концепция аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения автоматизированного комплекса информационного и полунатурного моделирования систем FADEC на всех этапах жизненного цикла рассмотрены в [2]. Аппаратная часть ПМК (процессоры, память, преобразователи, коммутационные панели, имитаторы датчиков, исполнительных механизмов, отказов линий связи и др.) собрана из стандартного промышленного компьютерного оборудования, ориентированного на работу в реальном времени. Модели двигателя и его систем в исправном состоянии и модели отказов создаются средствами визуального моделирования типа LabView и VisSim. Данная система обеспечивает дополнительные возможности:
• отработку алгоритмов контроля и диагностики силовой установки совместно с моделями имитации отказов двигателя и его систем - элементов ГТД, механизации турбокомпрессора, топливных, масляных и других систем и агрегатов;
• получение данных для оптимизации технических и алгоритмических решений контроля, диагностики и реконфигурации FAD EC.
На рис. 2 приведена структурная схема ПМК, позволяющая реализовать комплексную модель ГТД и его систем в составе многодвигательной силовой установки самолета, то есть весь перечень моделей согласно табл. 2 и, кроме того, информационные модели других ГТД и взаимодействующих с FADEC самолетных систем [З].
Т аблица
Состав комплексной модели ГТД и его систем для реализации в ПМК
гтд и его системы Модели нормального функционирования Модели формирования отказных ситуаций Модели переключения (реконфигурации системы ГТД + FADEC)
ГТД Базовая или кусочно-линейная ММ формирования отказов ГТД (перечисление отказов см. выше) Модели: • восстановления режима работы двигателя; • перехода на безопасный режим; • выключения двигателя.
FADEC-натурный блок Алгоритмы функционирования FADEC при отсутствии отказов ГТД и его систем • физическое моделирование обрывов и коротких замыканий сигнальных линий датчиков и исполнительных механизмов; • ММ формирования отказов ГТД и его систем для каналов контроля БАБЕС • переходов на дублирующие и резервные датчики и каналы управления; резервную систему управления; • выключения и восстановления режима работы двигателя.
Топливная система; топливная система форсажной камеры. Нелинейные, кусочнолинейные ММ (с основными нелинейностями) • физическое моделирование отказов цепей датчиков и исполнительных механизмов; • ММ формирования отказов агрегатов, приводов, коллекторов, фильтров по контролируемым параметрам; • ММ розжига на земле и в полете • исполнительных частей дублирующего, резервного канала управления, резервной системы управления; • выключения форсажной камеры; • переходов на безфорсажный режим (штатного и аварийного).
Система запуска • ММ подсистемы управления стартером; • ПМ системы зажигания ММ формирования отказов по контролируемым параметрам подсистем управления стартером, систем зажигания, розжига, топливной системы. Модели запуска ГТД в ожидаемых условиях эксплуатации
Система смазки и суфлирования Имитационная ММ по контролируемым параметрам 1. ММ формирования отказов системы по контролируемым параметрам: • количеству масла в баке; • температуре и давлению на входе в двигатель, в полостях опор двигателя. 2. Физические модели (имитаторы) датчиков и сигнализаторов наличия стружки, перегрева масла в опорах турбин, компрессоров, центрального привода и коробки приводов; засорения маслофильтра Модели перехода на безопасный режим.
Системы воздушные, гидравлические, дренажные Аналогично системам смазки и суфлирования Аналогично системам смазки и суфлирования Аналогично системам смазки и суфлирования
Система регистрации и передачи информации
Рис. 2. Структурная схема ПМК, реализующего комплексную модель ГТД и его систем в составе многодвигательной силовой установки самолета
Полунатурное моделирование отказов ГТД и его систем
Задачей системы полунатурного моделирование отказов ГТД и его систем в составе КПМ является моделирование как одиночных, так и «следственных» отказов, то есть автоматического включения отказов двигателя, его систем, датчиков и исполнительных механизмов в заданной последовательности. Динамика ГТД и его систем в случае имитации і-го отказа моделируется с помощью дифференциального уравнения:
х = (А + AіA)x(ґ) + (Б + ДіB)u(t).
Выходной сигнал определяется в следующем виде:
ние входной электрической цепи имитатора исполнительного механизма; фиксации положения исполнительного механизма; имитации движения исполнительного механизма с постоянной скоростью до положения ограничения. Также в исполнительной системе физически имитируются; обрыв; короткое замыкание выходной электрической цепи имитатора датчика. Логику переключения ключей для имитации отказов датчиков, исполнительных механизмов и двигателя задает оператор с помощью к(п + 6) признаков в программно управляемом наборном поле [9].
Шд ' 1 ' 1 1 1 ' '
и ^3 _ 7:
хЦ) = | [(А + А; А) хЦ) + (В + А гВ)и(/ )]<^.
0
То есть отказы двигателя и его систем моделируются путем изменения коэффициентов динамических моделей. Для внезапных отказов - это скачкообразное изменение коэффициента А на величины АА, В на АВ. Величина этих скачков определяется заранее по модели двигателя и его систем для каждого отказа. Например, в случае обрыва лопатки компрессора снижается КПД компрессора, что выражается в соответствующем изменении коэффициентов АА и АВ в динамической модели. Другие отказы двигателя, например, прогорание камеры сгорания или разрушение лопатки турбины приводит к другим изменениям коэффициентов АА и АВ. Аналогичный определяются отказы и в моделях систем двигателя.
Исполнительная система имитации отказов (рис 2.) физически имитирует: обрыв; замыка-
Рис. 3. Измеренные значения параметров
При работе контура регулирования частоты вращения ротора низкого давления пнд был имитирован обрыв цепи датчика пнд в момент времени ^ (рис. 9). Встроенная система контроля регулятора обнаружила обрыв и выдала дискретный сигнал «обрыв датчика»
(рис. 4). Далее был сформирован сигнал «отказ измерительного канала» МБ. В процессе парирования отказа произошла реконфигурация FADEC с переходом на регулирование степени повышения давления.
В момент времени ^3 была восстановлена электрическая цепь отказавшего датчика. Восстановление датчика было обнаружено встроенной системой контроля (ВСК), но структура FADEC не изменилась (в соответствии с логикой данной FADEC).
В процессе парирования отказа значение частоты вращения с отказавшего датчика было «зафиксировано» на уровне последнего надежного измерения пнд на период отказа
Т =
Примеры экспериментальных данных при испытаниях на ПМК даются на рис. 3, 4. [5]
SF ' ' ' 1 ' 1 1
и *3
, , Г
MF ' 1 1 1 1 1 1
Т -
Nch
Рис. 4. Дискретные сигналы при реконфигурации
В процессе реконфигурации наблюдается переходной процесс по расходу топлива От и частоте вращения ротора высокого давления пвд на рис. 3. Причина - расхождение в настройках «задатчиков» разных каналов регулирования, выявление которой представляет собой дополнительный результат совместной отработки алгоритмов управления и контроля FADEC на ПМК.
Таким же образом можно выявить и отработать ПМК и все другие несоответствия в алгоритмах.
ВЫВОДЫ
1. Разработаны подход и методология полунатурного исследования ГТД и его систем при отказах, основанные на построении комплекса моделей, соответствующих нор-
мальному функционированию, наличию отказов и режимам реконфигурации системы управления, контроля и диагностики (FADEC)
2. Рассмотренный подход позволяет обеспечить выполнение условий «прослеживае-мости» (определение причин и следствий состояний отдельных систем и подсистем ГТД), что позволяет решать обратную задачу при контроле и диагностике: имея факт отказа проследить влияние его на системы и подсистемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Куликов Г. Г., Черкасов Б. А. Математические модели, используемые в САПР двигателя и систем управления // Автоматика и регулирование реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1988. С. 323-343.
2. Иноземцев А. А., Нихамкин М. А., Санд-рацкий В. Л. Автоматика и регулирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учеб. М.:Машиностроение, 2008. Т. 5. 187 с.
3. Комплекс информационного и полунатурно-го моделирования для исследования систем автоматического управления и контроля многодвигательных силовых установок при их эксплуатации по состоянию / В.С. Фатиков [и др.] // Авиационнокосмическая техника и технология. 2005. № 2. С. 155-160.
4. Интеллектуальная система запуска для нового поколения авиационных ГТД / Е. В. Распопов [и др.] // Вестник УГАТУ. 2007. Т. 9, № 2(20). С. 153157.
5. Полунатурное моделирование отказов ГТД для испытаний систем контроля и диагностики двигателей / В. Ю. Арьков [и др.] // Авиационнокосмическая техника и технология. 2004. № 7(15). С. 167-173.
6. Dynamic Modeling Of Gas Turbines / G. Kulikov [et al]. Springer-Verlag, New York, 2004, 309 p.
7. Intelligent information technologies for control and diagnostics of gas turbine engines and their systems at all stages of their life cycle / G. Kulikov [et al]. // Proc. AMETMAS-NOE Int. Workshop on Problems of Technology Transfer, Ufa, 1999. P.121-124.
8. ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005 Информационная технология. Системная инженерия. Процессы жизненного цикла систем.
9. Способ полунатурных испытаний систем автоматического управления и контроля газотурбинных двигателей и стенд для его реализации / Г. Г. Куликов [и др.]. Пат. 2340883 Российская Федерация, МПК G01M 15/14. №2007118610/06, за-явл. 18.05.2007; опубл. 10.12.2008, Бюл. №34; Приор. 18.05.2007, №2007118610 (Российская Федерация). Введ. с 10.12.2008 по 18.05.2027.
ОБ АВТОРАХ
Куликов Геннадий Григорьевич,
проф., зав. каф. АСУ. Дипл. инж. по автоматиз. машиностроения (УАИ, 1971). Д-р техн. наук по систем. анализу, автоматич. упр. и тепловым двигателям (УАИ, 1989). Иссл. в обл. АСУ и упр. силовыми установками ЛА.
Фатиков Виктор Сергеевич,
вед. науч. сотр. каф. АСУ. Дипл. инж.-мех. по судовым машинам и механизмам (ЛИВТ), двигателям ЛА (УАИ, 1971). Канд. техн. наук по двигателям ЛА (УАИ, 1983). Иссл. в обл. автоматич. управления силовыми установками ЛА.
Арьков Валентин Юльевич,
проф. каф. АСУ. Дипл. инж. по пром. электронике (УАИ, 1986). Д-р. техн. наук по сист. анализу и упр-ю (УГАТУ, 2001).Иссл. в обл. идентификации и моделирования САУ ГТД.
Погорелов Григорий Иванович, зам. ген. дир. ФГУП УНПП «Молния». Дипл. инженер по электр. машинам и аппаратам (УАИ, 1977). Канд. техн. наук по автоматиз. технологическ. процессов и производств (УГАТУ, 2002). Иссл. в обл. автоматич. и автоматизир. систем измерений и управления.
