CC BY
36
Новизна проведенных исследований заключается в предложенной уточненной физической картине протекающего процесса. Кроме того, проведенные экспериментальные исследования по своим условиям близки к тем, которые могут наблюдаться при полете летательного аппарата в атмосфере с большой дозвуковой скоростью при М > 0.25. Поэтому качественные и количественные результаты работы должны учитываться при аэродинамических и прочностных расчетах летательных аппаратов или при проектировании проточной части авиационного двигателя. Результаты экспериментальных исследований востребованы в ОАО "Омское моторостроительное конструкторское бюро".
ЛИТЕРАТУРА
1. Елисеев Ю. Б., Черкез А. Я. Об эффекте повышения температуры торможения при обтекании газом глубоких полостей. // Механика жидкости и газа. 1971. № 3.
2. Елисеев Ю. Б., Черкез А. Я. Экспериментальное исследование аномального аэродинамического нагрева тел с глубокой полостью // Механика жидкости и газа. 1978. № 1. С. 113-119.
3. Краснов Н. Ф., Кошевой В. Н., Калугин В. Т. Аэродинамика отрывных течений. М.: Высшая школа, 1988, 351 с.
4. Данлэп Р, Браун Р С. Экспериментальное исследование акустических пульсаций возбуждаемых периодическим срывом вихрей. // Ракетная техника и космонавтика. 1981. N2 4.0.142-143.
5. Заугольников Н, Л., Коваль М. А., Швец А. И. Пульсации потока газа в кавернах при сверхзвуковом обтекании. // Механика жидкости и газа. 1990. №2. С. 121-127.
6. Хэнки В. Л., ШенгДж. С. Расчет пульсаций давления в открытой полости. // Ракетная техника и космонавтика. 1980. Т. 18. N8 8.0. 38-46.
7. Думнов Г. Е. Колебания газа в трубах под воздействием периодически меняющегося давления // Механика жидкости и газа. 1978. №5. С. 177-180.
КУЗНЕЦОВ Виктор Викторович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Двигатели летательных машин" Омского государственного технического университета.
КОСТОГРЫЗ Валентин Григорьевич, кандидат технических наук, генеральный директор - главный конструктор ОАО "Омское моторостроительное конструкторское бюро".
ШПАКОВСКИЙ Денис Данилович, аспирант заочного отделения, инженер-конструктор 2 категории, ОАО "Омское моторостроительное конструкторское бюро".
В. В. ЖИЛЬЦОВ Е.В. ШЕНДАЛЕВА
Омский
научно-внедренческий центр "СибВПКнефтегаз-ЮКОС"
УДК 621.452.3.04.018
НОВЫЙ МЕТОД НАСТРОЙКИ ДОЗАТОРОВ ТОПЛИВА СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
В ДАННОЙ РАБОТЕ ПРЕДЛОЖЕН МЕТОД ИСПЫТАНИЙ И НАСТРОЙКИ ДОЗАТОРОВ ТОПЛИВА ЭЛЕКТРОННЫХ И ЭЛЕКТРОННО-ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПОИСКОВЫХ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ И АДАПТИВНОЙ (САМОНАСТРАИВАЮЩЕЙСЯ) МОДЕЛИ ИДЕНТИФИЦИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ.
Газотурбинные технологии находят все более широкое применение в топливно-энергетическом комплексе. Ряд ведущих нефтяных компаний России рассматривает их как альтернативное и перспективное решение вопросов энерготеплоснабжения и силовых приводов. Газотурбинные многоцелевые установки и приводы достаточно полно представлены в новой межрегиональной целевой программе "СибВПКнефтегазТЭК" на период 2002 - 2006 годов. В этой связи актуальность исследования и освоения новых эффективных технологий доводки и испытаний газотурбинных установок и двигателей не вызывает сомнений.
Электронная или элеитрогидравлическая система автоматического управления газотурбинных двигателей (САУ ГТД) работает совместно с гидравлической аппаратурой (дозатором топлива), осуществляющей непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания ГТД.
При полунатурных стендовых испытаниях дозатора топлива в режиме реального времени совместно с электронными или электрогидравлическими САУ ГТД и моделью ГТД в контуре обратной связи возникают вопросы оптимальной настройки как самого дозатора топлива в соответствии с его математической моделью с помощью его регулировочных элементов (регулировочных винтов), так и алгоритмов управления электронной или электронно-гидравлической САУ ГТД. При этом использование сложного математического аппарата моделирования характеристик, идентификации реальных параметров, методов линеаризации характеристик часто не дает
удовлетворительного результата при совместном испытании и настройке системы "электронный регулятор - дозатор топлива".
В предлагаемом методе испытаний и настройки дозаторов топлива используется модель тракта регулирования электронного регулятора по частоте вращения ротора турбины ГТД, что является наиболее простым и надежным решением в отличие от полного моделирования электронного регулятора или использования реального электронного регулятора. Кроме того такой подход позволяет распараллелить процессы создания, испытания, наладки электронных регуляторов и топливных дозаторов, что ускоряет создание электронных и электронногидро-механических САУ ГТД.
Использование беспоисковых алгоритмов идентификации и адаптивной (самонастраивающейся) модели идентифицируемых параметров, настраиваемой на минимум (или достаточную малость) разности (невязки) выходных сигналов реального объекта и модели, возбуждаемых одним и тем же входным сигналом, обеспечит оптимальную настройку передаточной функции дозатора топлива.
Идентификация осуществляется в классе детерминированных (с точностью до вектора параметров) моделей. При этом идентифицируемый объект описывается в виде ■хмых(')~^ где вектор параметров а(г) счита-
ется в общем случае неизвестной функцией времени.
Беспоисковые алгоритмы идентификации с адаптивной (самонастраивающейся) моделью ориентированы на
функционирование в реальном масштабе времени, построены на основе минимизации функционалов невязки, обладающих памятью (интегральных функционалов) и позволяют проводить идентификацию и настройку параметров дозатора топлива в темпе испытаний, не используя тестового режима.
Следует сказать, что задача синтеза алгоритма настройки адаптивной модели, также как и задача построения адаптивных систем регулирования с эталонной моделью имеет лишь субоптимальные решения, настраиваемая модель задается в виде ххд'ш (/)=Ри [х„Л Ща" (/),/]. Вход-
ные ситалы объекта и модели одинаковы (г)), а выходные сигналы имеют одинаковую размерность, так что можно рассматривать вектор невязки дх^. (/)= хвш (г) - (/). Задача беспоискового алгоритма идентификации с адаптивной моделью заключается в том, чтобы на основе Дд-аЬАЧ. (/) и, возможно, (г), I так управлять вектором параметров модели, чтобы аА'(г)= (')>'] была мини-
мальной или достаточно малой. Это возможно при одинаковых или примерно одинаковых видах операторов р .и р", что означает в большинстве случаев приближение в пространствах параметров л" (/)=а(/), то есть параметрическую идентификацию.
На рис. 1 представлена схема испытания и настройки дозатора топлива.
Дозатор топлива
шгш
|И 1и| |и |У| |У| |У|
у у у
Блок
настройки
Эталожая Уодел, дозатора толтаа
Модель ЭР Тракт регулфоваиня частоты вртцамя
Иышатор эадатчмиа
параметра, задания и реального положения исполнительного механизма дозатора топлива, а также уравнения или передаточные функции самого регулятора. Модель тракта регулирования электронного регулятора осуществляет поддержание заданного выходного параметра дозатора топлива.
Эталонная передаточная функция дозатора топлива, реализованная моделью дозатора, представляет собой два последовательно соединенных апериодических звена с передаточными функциями:
w?(p) = -
В первом эвене - модели электромеханического исполнительного механизма токовый сигнал управления / преобразуется в угол поворота а или перемещение выходного элемента исполнительного механизма; во втором звене -модели дозирующего узла угол поворота или перемещение выходного элемента исполнительного механизма преобразуется в расход топлива Сг на выходе дозирующего узла дозатора топлива. Для реализации заданной настройки дозатора топлива на входы блока настройки подаются управляющий токовый сигнал / дозатора, сигнал а угла поворота или перемещения электромеханического исполнительного механизма и выходной параметр С7 дозатора топлива. При этом управляющий сигнал / подается в блок настройки также через эталонную модель дозатора.
Эталонная модель дозатора представляется в частности линейной моделью, описываемой в дифференциальном виде
а = лэ*а + вэ*/. йг = сэ • Сг + £)э*а,
где аэ, вэ, сэ, £>э - заданные эталонные коэффициенты.
Соотношение коэффициентов дифференциальных уравнений и коэффициентов передаточных функций:
а
Рис. 1. Схема испытания и настройки дозатора топлива.
Г,э т,э 7, т-'
В зависимости от сигнала задания режима, например, по углу поворота рычага управления двигателем (РУД), формируемого моделью имитатором задатчика режима на выходе модели тракта регулирования электронного регулятора по частоте вращения, реализованной в аналоговом либо цифровом виде, появляется, например, токовый осциллированный сигнал управления дозатором топлива. При этом наличие модели задатчика режима также позволяет испытывать дозаторы топлива электронных и электрогидромеханических САУ при отсутствии установленного на них рычага управ-ления двигателем.
Токовый сигнал управления I дозатором топлива подается на электромеханический исполнительный механизм, преобразующий сигнал управления I в перемещение а исполнительного механизма, например, дозирующей иглы или крана, которое, в свою очередь определяет расход топлива ст, поступающего на вход расходомера топлива.
Сигнал вт также подается на вход стендовой модели ГТД, в которой реализуют математическое описание турбокомпрессора ГТД. С выхода стендовой модели ГТД сигнал потребной частоты вращения подается как задающий на вход электропривода, вращающего рессору насоса. Измеренный с помощью датчика сигнал частоты вращения подается на вход модели тракта регулирования электронного регулятора в качестве сигнала обратной связи по регулируемому параметру, где реализовано математическое описание тракта, определяются рассогласования сигналов задания и фактического значения регулируемого
Реальный дозатор топлива является нелинейным непрерывным объектом, уравнение которого можно записать в векторной форме
oí =а »н(а)+ в • g{¡)•
gt = с *u(gt)+d • Л(а)>
где а, в, с, d - матрицы коэффициентов,
н{a); g(l); u[gt) \ r(a) -нелинейныефункции.
Настройка дозатора топлива по эталонной модели производится с помощью блока настройки (рис. 2), который выдает управляющие сигналы на исполнительные устройства, осуществляющие в автоматическом режиме перемещения регулировочных элементов дозатора топлива либо выдает для моториста рекомендации по углам поворота регулировочных элементов дозатора.
Уравнение, описывающее адаптивную модель идентифицируемых параметров можно записать в виде:
á" = а" *н(а)+ 'g{¡),
GÍ' = CM«t/(Gr)+ U.R{а),
где а "' . в". См. d" - перестраиваемые коэффициенты, равные по окончании процесса идентификации коэффициентам уравнений, описывающих дозатор топлива,
ám, ам\ gj.g^- выходные параметры адаптивной модели идентифицируемых параметров, равных по окончании процесса идентификации выходным параметрам дозатора топлива.
к исполнительным УСТРОЙСТВАМ
Рис. 2. Схема блока настройки дозатора топлива.
Соответствующие векторы и матрицы объекта и адаптивной модели идентифицируемых параметров дозатора имеют одинаковые размерности, рассматриваются отклонения
Да = Да • Я(а)+ а*' • ан + ав • G(/).
agt = ас •u(gt)+ с" • au + ad • л(а). где аа-а-аи'< дв = в-в"'. дс = с-с", ad = d - d" Да=а-аА/; ДЯ = Я(а)-Я^хЛ/) ;
agt =gt- g?; ди = u(g7 )- u{g? )\ar = л(а) - rfp.м )
Величины М; а; ам; ам * ан ', лс? ; Ог"; С" • au считаются непосредственно наблюдаемыми или вычисляемыми через непосредственно измеряемые величины.
Поэтому векторные сигналы невязки с, и е2 равны:
е, = Да - а1' • ан = аа *н(а)+а в *g(l), г2 = agt -с" • au = ас *u{gt)+ad *л(а),
где да =oi-а" . Д<5Г =GT - ó? , причем функции а" • ан и с1" • Дu получаем на выходах первого и второго умножителей 26,27.
Элементы матриц Ам, Вм, См, DM, А, В, С, D независимы друг от друга.
Для минимизации векторов невязки выбираем функции Ляпунова в виде положительно определенных квадратичных форм:
к, =^{аа»к»ааг + ab»l*abr), у, = ^(дс • м • аст + ad • n • adt)\
где к, l ,м, n-положительные определенные диагональные матрицы заданных постоянных коэффициентов, даг< авт • ДС7. adt - транспонированные матрицы разностей коэффициентов.
Тоща
V2 =ДС*М*ДСг+ДО*Лг*Д0г,
При условии, что
авт = • ■1 = - 7 ^• я(а)+ ая • 1 ■ АСГ = ""= -^)■+ № ' С,, д£)Г = _1.е2.а = _1{дС.у(Ог)+М).Л(а)}.а,
К, = - {аа • Я(а) + ав • 0(/)}г ,
^ = - {ДС • и(С7 ) + ао • й(а)}2,
то есть у< 0 при всех токовых сигналах / и коэффициентов матриц аа, ав, ас, Д£>. процесс устойчиво сходим.
При достаточно медленном изменении а, в, с, о можно записать уравнение настройки, реализуемые в анализаторах блока настройки:
а" =£, .|Л>Я(а)|гЛИбо а" = }е, .^.ЯЦ'' «А,
в" =е,.|/,.С(/)|глибо в" =|е,.|1.С(/)|г.Л,
С* = е , • |М • 1/(Ог ^ либо С" = |ег • |М • С/(Ог ^ • Л,
£>" =е2 .|л/.л(а)|глиб0 £>л/ = |е2 . л(а)|г . л .
На выходах интеграторов блока настройки получим коэффициенты а" , вм, с", £>Л/ дифференциальных уравнений, описывающих реальный дозатор топлива. Сравнение эталонных аэ,вэ, С3, £>э и идентифицируемых а"', В", С", О" коэффициентов происходит в блоках сравнения, с выходов которых сигналы разности заданных коэффициентов уравнений, описывающих дозатор, и эталонных коэффициентов ьа = а" -аэ; 8в = в" -в3\ 5С = С*' -Сэ; 50 = £>" - й3 поступают в блоки задания угла, в которых осуществляется определение величины перемещения исполнительных устройств.
Величина перемещения исполнительных устройств определяется в соответствии с характеристиками регулировочных элементов, определяемыми моделью чувствительности настроечных элементов.
Предложенный метод испытаний и настройки дозаторов топлива электронных и электронно-гидравлических САУ ГТД обеспечивает повышение точности настройки дозаторов топлива и значительное сокращение времени испытания и настройки при одновременном расширении функциональных возможностей испытательного стенда.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. С. 1655196 (СССР). Способ настройки и испытания дозатора топлива САУ ГТД и стенд для его осуществления. //В. В.Жильцов, Е. В. Шендалева. 1989
2. Справочник по теории автоматического управления. /Под ред. А. А. Красовского. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1987.-712 с.
3. Дидилов В., Новоселов В. Аппаратура для систем управления газотурбинными двигателями. //Газотурбинные технологии. Рыбинск.-2001. -№3. Стр. 26-28
ЖИЛЬЦОВ Валерий Васильевич, кандидат технических наук, член-корреспондент Академии технологических наук РФ, начальник Омского научно-внедренческого центра "СибВПКнефтегаз-ЮКОС".
ШЕНДАЛЕВА Елена Владимировна, ведущий специалист Омского научновнедренческого центра 'СибВПКнефтегаз-ЮКОС".
