Способ автоматического управления газотурбинным двигателем и система для его осуществления

 

Изобретение относится к управлению газотурбинными двигателями летательных аппаратов и позволяет повысить надежность управления силовой установкой. При отсутствии отказов управление двигателем 1 осуществляется основным электронным каналом 4 управления по сигналам с датчиков 2 параметров двигателя, при этом управляющий сигнал подается через первый коммутатор 6, электромеханический преобразователь 7 и второй коммутатор 8 на управляющий сервомотор 9. При работе на установившихся режимах в блоке 12 формируется равновесный управляющий сигнал. В случае отказа основного канала 4, определяемого блоком 5 контроля, логический блок 11 переключает управление двигателями. Если отказ происходит на переходном режиме, то включается управление двигателем от резервного электронного регулятора 10 переходных режимов, если на становившемся - определяется тип отказа (неисправность или сбой), если сбой - то возвращается управление двигателем основному каналу 4, если неисправность - происходит переключение на резервный гидромеханический канал 3 управления.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к автоматическому управлению газотурбинными двигателями (ГТД), и позволяет повысить надежность системы автоматического управления с основным электронным и резервным гидромеханическим каналами регулирования. Цель изобретения - повышение надежности управления при сохранении качества процессов регулирования. На фиг.1 представлена структурная схема системы автоматического управления (САУ), реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 - структурная схема блока формирования равновесного сигнала управления; на фиг.3 - схема логического блока; на фиг.4 - структурная схема блока контроля; на фиг.5 - диаграмма работы блока контроля при сбое; на фиг.6 - диаграмма работы блока контроля при отказе. Система для реализации способа автоматического управления ГТД 1 содержит датчики 2 параметров ГТД 1, подключенные к резервному гидромеханическому каналу 3 управления и первому вводу основного электронного канала 4 управления, первый выход которого подключен к блоку 5 контроля, а второй - к первому входу первого коммутатора 6, выход которого через электромеханический преобразователь 7 подключен к первому входу второго коммутатора 8, второй вход которого подключен к выходу канала 3, а выход - к управляющему сервомотору 9, связанному с ГТД 1. Кроме того, система содержит резервный электронный регулятор 10 переходных режимов, логический блок 11, блок 12 формирования равновесного управляющего сигнала и блок 13 выделения режима, первый и второй входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам канала 4, второй вход которого подключен к выходу регулятора 10, первый и второй выходы блока 5 соответственно к первому и второму входам блока 11, третий вход которого подключен к выходу блока 13, первый выход - к управляющему входу второго коммутатора 8, второй выход - к управляющему входу первого коммутатора 6, третий выход - к третьему входу канала 4, второй выход которого подключен к первому входу блока 12, выход которого подключен к второму входу первого коммутатора 6, а второй вход - к четвертому выходу блока 11. Основной электронный канал 4 управления выполнен в виде электронного регулятора 14 переходных режимов, электронного регулятора 15 установившихся режимов, третьего коммутатора 16 и селектора 17, выход которого подключен к первому входу первого коммутатора 6, а первый вход - к выходу третьего коммутатора 16, первые выходы регуляторов 14 и 15 подключены к входу блока 5, а их первые входы - к датчикам 2, второй выход регулятора 14 подключен к первому входу третьего коммутатора 16, второй вход которого подключен к выходу регулятора 10, второй выход регулятора 15 подключен к второму входу селектора 17 и второму входу блока 13, управляющий вход третьего коммутатора подключен к третьему выходу блока 11. Блок 12 формирования равновесного управляющего сигнала выполнен в виде последовательно соединенных элемента 18 сравнения, четвертого коммутатора 19 с вторым входом, подключенным к шине нулевого потенциала, и интегратора 20, выход которого подключен к второму входу первого коммутатора 6, первый вход элемента 18 подключен к второму выходу канала 4, второй вход - к выходу интегратора 20, управляющий вход четвертого коммутатора 19 подключен к четвертому выходу блока 11. Логический блок 11 содержит элементы И 21-23, инвертор 24 и элементы ИЛИ 25 и 26. Блок 5 контроля содержит устройство 27 выявления неисправностей, вход которого является входом блока контроля, устройство 28 задержки, первый вход которого соединен с выходом устройства 27, элементы И 29 и 30 и инвертор 31. Выход элемента И 29 является первым выходом блока 5, выход элемента И 30 - вторым выходом блока. Второй вход устройства 28 соединен с вторым выходом устройства 27 и вторым входом элемента И 30, первый вход которого соединен с выходом инвертора 31. Выход устройства 27 также соединен с первым входом элемента И 29, второй вход которого соединен с выходом устройства 28 и входом инвертора 31. Способ автоматического управления ГТД осуществляется следующим образом. Сигналы с датчиков 2, измеряющих параметры ГТД 1, подаются на канал 4 (на регуляторы 14 и регулятор 15), а также на канал 3 и регулятор 10. Возможны два случая работы системы - штатная работа системы, когда исправен канал 4, и работа системы в случае отказов и сбоев в канале 4. Штатная работа предлагаемой системы. Сигналы с выхода регулятора 14 через коммутатор 16 и с выхода регулятора 15 поступают на входы селектора 17. Выходной сигнал селектора 17, равный по величине тому из его входных сигналов, амплитуда которого в данный момент времени минимальна (максимальна), подаются через коммутатор 6 на преобразователь 7 и далее на сервомотор 9, который управляет входной координатой двигателя, например расходом топлива в основной камере сгорания. Селектор 17 исключает совместную работу регулятора 15, в состав которого входят каналы регулирования, управляющие двигателем на режимах стабилизации регулируемых координат ГТД, например каналы регулирования n, Т_г*, π_k* и другие, и регулятора 14, в состав которого входят каналы регулирования, обеспечивающие разгон двигателя, сброс режима двигателя по заданным с учетом помпажа и предельных ограничений траекториям, например, каналы регулирования /P^*_кG_т/(P^*_к·n) и другие, где n - частота вращения турбокомпрессора; Т_г* - температура газов; π_k* - степень сжатия компрессора; Р_к* - давление за компрессором; G_т - расход топлива в камере сгорания. В соответствии с величиной регулируемого в данный момент времени параметра ГТД, измеряемого датчиками 2, основной электронный канал 4, управляя положением сервомотора 9, изменяет регулирующее воздействие на ГТД 1, например расход топлива в основную камеру сгорания, до тех пор, пока регулируемый параметр не становится равным своему заданному значению. На всех установившихся режимах работы равновесный сигнал на входе гидравлического астатического сервомотора 9 при отсутствии дестабилизирующих факторов имеет постоянную величину и равен нулю. При этом под установившимся режимом работы двигателя понимается такой режим, при котором двигатель работает под управлением регуляторов стабилизации, например каналов регулирования n, Т_к*, π_k* и т.д. Регулируемый параметр на установившемся режиме равен своему заданному значению в течение времени t > 1-10 с. Под переходным режимом работы двигателя понимается работа ГТД под управлением регуляторов разгона сброса, например каналов регулирования /P^*_кG_т/(P^*_к·n) и т.д. Однако, реально из-за наличия неидеальностей в характеристиках гидравлического управляющего сервомотора 9 (утечек, вызванных изменением температуры топлива, трения в поршне) равновесный сигнал имеет различную величину на различных установившихся режимах работы ГТД. Применительно к равновесному сигналу на входе электромеханического преобразователя 7 изменение относительно максимальной величины сигнала достигает 20-30%. Поэтому для того, чтобы входная координата ГТД сохранялась постоянной (фиксировалась) в течение времени поиска и парирования неисправностей основного электронного канала 4 при штатной работе системы, с помощью блока 12 определяется равновесный управляющий сигнал, для чего на вход блока 12 подается выходной сигнал основного электронного канала 4 (выход 2, фиг.1). Этот выходной сигнал пропорционален входному сигналу сервомотора 9. U_вых4 = U_вх9·К, где U_вых4 - выходное напряжение основного электронного канала 4; U_вх9 - входное напряжение управляющего сервомотора 9; К - коэффициент пропорциональности. Блок 12 представляет собой низкочастотный нелинейный фильтр, реализованный с помощью интегратора 20, охваченного через элемент 18 сравнения отрицательной обратной связью. На установившихся режимах работы ГТД и при отсутствии сбоев сигнал с четвертого выхода логического блока 11 в виде логического "нуля" поступает на управляющий вход коммутатора 19, при этом сигнал с выхода элемента 18 поступает на вход интегратора 20, а выходной сигнал интегратора 20, являющийся выходным сигналом блока 12, связан с равновесным управляющим сигналом следующей передаточной функцией W(P) = , где Р - оператор Лапласа; Т_Ф - постоянная времени низкочастотного фильтра, выбирается из условия Т_Ф ≥ 3-5 Т_сау, (Т_сау- максимальная постоянная времени замкнутых каналов регулирования) Т_Ф ≈ 5-10 с. Таким образом, величина выходного сигнала блока 12 для различных установившихся режимов работы ГТД отслеживает (с постоянной времени Т_Ф) величину сигнала на входе электромеханического преобразователя, удерживающего в равновесии управляющий сервомотор 9 при действии дестабилизирующих факторов. Блок 13, с помощью которого определяют, какой из регуляторов основного электронного канала 4 подключен в данный момент времени к управлению ГТД (регулятор 14 или 15), представляет собой компаратор, на два входа которого подают выходные сигналы с селектора 17 и регулятора 15 установившихся режимов. При совпадении по амплитуде этих сигналов выходной сигнал блока 13 представляется в виде логической "единицы", что соответствует работе САУ на электронном регуляторе 15 установившихся режимов. В противном случае сигнал на выходе блока 13 выделения режима представлен в виде логического "нуля", что соответствует работе САУ с электронным регулятором 14 переходных режимов, на второй вход коммутатора 19, при этом подается нулевой потенциал. Работа САУ при отказах и сбоях в основном электронном канале. Параметры основного электронного канала 4 контролируют блоком 5 контроля, имеющим один вход и два выхода. Результатом контроля могут быть следующие события: основной электронный канал 4 исправен; в основном электронном канале 4 происходит сбой; основной электронный канал 4 неисправен (происходит отказ). При исправном основном электронном канале 4 положение коммутаторов 6,8 и 16 соответствует положению, указанному на фиг.1. Появление логической "единицы" на первом выходе блока 5 контроля свидетельствует об отказе основного электронного канала. Время задержки, в течение которого логическая "единица" появляется на втором выходе блока контроля 5, используется для идентификации сбоя в основном электронном канале. С помощью устройства 27 выявления неисправностей (см.фиг.4) блока 5 контроля выявляются неисправности, например, по допусковому контролю в основном электронном канале 4, и формируется импульс, поступающий на первый вход первого элемента И 29, на второй вход которого подается этот же импульс, но задержанный в устройстве 28 задержки на время диагностики сбоя. Время задержки равно τ_зад и может быть переменным в зависимости от необходимой глубины контроля и особенностей САУ. Задержанный импульс, инвертированный инвертором 31, подается на первый вход элемента И 30, на второй вход которого подается импульс с выхода устройства 27 (см.фиг.5). На выходе элемента И 29 формируется сигнал логического "нуля" (выход первого блока 5 контроля), на выходе элемента И 30 при совпадении сигналов с выхода устройства 27 выявления неисправностей и инвертора 31 появляется сигнал логической "единицы", существующий на протяжении всего времени действия неисправности (см.фиг.5). Логический блок 11 управляет работой коммутаторов 6,8 и 16 в соответствии со следующими логическими выражениями, определяющими зависимость логических сигналов на его первом, втором, третьем и четвертом выходах от логических сигналов на его первом, втором и третьем входах: Вых 1 = Вх 1 Вх 3 Вых 2 = Вх 2 Вх 3 Вых 3 = (Вх 1 V Вх 2) Вых 4 = Вх 2 V При наличии сбоя (отказа) на установившихся режимах работы ГТД с помощью коммутатора 6 отключается основной электронный канал 4 от управления двигателем на время, задаваемое устройством 28 задержки, в течение которого производят идентификацию типа отказа (τ_зад ≅ 1-3 с) и обеспечивается парирование сбоев (отказов). С выхода блока 12 на электромеханический преобразователь 7 подается равновесный управляющий сигнал, фиксирующий входную координату ГТД (например расход топлива). Это дает возможность обеспечить требуемую полноту контроля (Р_к = 0,95, где Р_к - вероятность обнаружения отказа) и обеспечить повышение показателя надежности электронных систем (для современных систем Р_{без.раб} = 0,99992, где Р_{без.раб} - вероятность безотказной работы). Так как на переходных режимах работы ГТД фиксация расхода топлива в течение времени τ_зад ≅ 1-3 с приводит к снижению показателей качества регулирования, например к увеличению времени разгона, то при отказе (сбое) на переходных режимах основного электронного канала 4 управление передают резервному электронному регулятору 10 переходных режимов, который идентичен основному электронному регулятору 14 переходных режимов и подключается к входу селектора 17 с помощью коммутатора 16. Это действие обеспечивает повышение надежности выполнения функций электронной САУ без ухудшения качества процессов регулирования. В случае отказа основного электронного канала на установившихся режимах формируется на первом выходе блока 5 контроля логическая "единица" (см.фиг. 5), на первом выходе логического блока 11 формируется логическая "единица" и коммутатором 8 обеспечивается передача управления двигателем резервному гидромеханическому каналу 3. Таким образом, формирование равновесного управляющего сигнала, обеспечивающего фиксацию управляющего воздействия ГТД, и подача его на управляющий сервомотор через электромеханический преобразователь только на установившихся режимах работы двигателя и при наличии сбоев позволяет сохранить качество процессов регулирования системы. (56) Белкин Ю.С., Боев Б.В. и др. Интегральные системы автоматического управления установками самолетов. М.: Машиностроение, 1983, с.210, рис.5.5.

Формула изобретения

1. Способ автоматического управления газотурбинным двигателем путем регулирования параметров двигателя по сигналу управления, формируемому основным электронным каналом, допускового контроля управляющего сигнала основного электронного канала, идентификации типа отказа при отказе основного электронного канала и формирования на время идентификации типа отказа управляющего сигнала равным постоянной величине, переключения на управление двигателем от основного электронного канала в случае единичного сбоя или от резервного гидромеханического канала в противном случае, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при сохранении качества регулирования, дополнительно определяют режим работы двигателя, для установившегося режима формируют равновесный управляющий сигнал, при появлении отказа или сбоя основного электронного канала на переходном режиме переключают на время переходного режима управления двигателем на управление от резервного электронного регулятора переходных режимов, а при появлении отказа или сбоя основного электронного канала на установившемся режиме в качестве постоянной величины для формирования управляющего сигнала используют сформированный равновесный управляющий сигнал. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование равновесного управляющего сигнала производят путем отслеживания с заданной постоянной времени выходного сигнала основного электронного канала при установившемся режиме работы двигателя и отсутствии отказа основного электронного канала, при переходном режиме работы двигателя или отказе основного электронного канала равновесный управляющий сигнал формируют равным его значению на момент начала переходного режима или выявления отказа основного электронного канала. 3. Система для автоматического управления газотурбинным двигателем, содержащая датчики параметров газотурбинного двигателя, подключенные к резервному гидромеханическому каналу управления и первому входу основного электронного канала управления, первый выход которого подключен к блоку контроля, а второй - к первому входу первого коммутатора, выход которого через электромеханический преобразователь подключен к первому входу второго коммутатора, второй вход которого подключен к выходу резервного гидромеханического канала управления, а выход - к управляющему сервомотору, связанному с газотурбинным двигателем, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит резервный электронный регулятор переходных режимов, логический блок, блок формирования равновесного управляющего сигнала и блок выделения режима, первый и второй входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам основного электронного канала управления, второй вход которого подключен к выходу резервного электронного регулятора переходных режимов, вход которого подключен к датчикам параметров газотурбинного двигателя, первый и второй выходы блока контроля подключены соответственно к первому и второму входам логического блока, третий вход которого подключен к выходу блока выделения режима, первый выход - к управляющему входу второго коммутатора, второй выход - к управляющему входу первого коммутатора, третий выход - к третьему входу основного электронного канала управления, второй выход которого подключен к первому входу блока формирования равновесного управляющего сигнала, выход которого подключен к второму входу первого коммутатора, а второй вход - к четвертому выходу логического блока. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что основной электронный канал управления выполнен в виде электронного регулятора переходных режимов, электронного регулятора установившихся режимов, третьего коммутатора и селектора, выход которого подключен к первому входу первого коммутатора, а первый вход - к выходу третьего коммутатора, первые выходы электронных регуляторов переходных режимов и установившихся режимов подключены к входу блока контроля, а их первые входы - к датчикам параметров газотурбинного двигателя, второй выход электронного регулятора переходных режимов подключен к первому входу третьего коммутатора, второй вход которого подключен к выходу резервного электронного регулятора переходных режимов, второй выход электронного регулятора установившихся режимов подключен к второму входу селектора и второму входу блока выделения режима, управляющий вход третьего коммутатора подключен к третьему выходу логического блока. 5. Система по п.3, отличающаяся тем, что блок формирования равновесного управляющего сигнала выполнен в виде последовательно соединенных элемента сравнения, четвертого коммутатора с вторым входом, подключенным к шине нулевого потенциала, и интегратора, выход которого подключен к второму входу первого коммутатора, первый вход элемента сравнения подключен к второму выходу основного электронного канала управления, второй вход - к выходу интегратора, управляющий вход четвертого коммутатора подключен к четвертому выходу логического блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6