Міністерство промислової політики України

Науково-виробнича корпорація

„Київський інститут автоматики”

УДК 62-55:681.515

Маглюй Сергій Анатолійович

Синтез цифрових регуляторів локальних систем керування основними параметрами газотурбінного двигуна

05.13.07 – автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-виробничій корпорації „Київський інститут автоматики” Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник – Заслужений діяч науки України, доктор технічних наук, професор

Гостєв Володимир Іванович, провідний науковий співробітник

Військового інституту телекомунікацій та інформатизації Національного

Технічного університету України „Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор Воронін Альберт Миколайович,

провідний науковий співробітник Інституту космічних досліджень

Національного космічного агентства України,

- кандидат технічних наук Карпов Євген Миколайович, доцент кафедри

авіаційних двигунів Національного авіаційного університету України.

Провідна установа – Національний технічний університет України „Київський політехнічний

Інститут”, кафедра технічної кібернетики.

Захист відбудеться „24” вересня 2003 року о 13.00 годині на засідання спеціалізованої вченох ради К 26.818.01 НВК „Київський інститут автоматики” за адресою: 04107, Київ – 107, вул.. Нагірна, 22 корп. 1, к. 219.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 04107, Київ-107, вул.. Нагірна, 22, НВК „КІА”, вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НВК „Київський інститут автоматики”.

Автореферат розісланий „20” серпня 2003 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Л.П. Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Газотранспортна галузь є одним з найбільших в народному господарстві споживачів природного газу. Найекономічнішим способом транспортування газу є трубопровідний. Природний газ поступає зі свердловин під тиском 100…200 кгс/см2. Незважаючи на великі (до 2,5...3 м) діаметри труб, тиск газу по довжині газопроводу знижується, тому існує потреба через певні відстані (звичайно 150...200 км) підвищувати тиск перекачуваного газу. Найперспективнішими газоперекачуючими агрегатами (ГПА) є газотурбінні, оскільки джерелом енергії для них служить сам перекачуваний газ, крім того, газотурбінні ГПА забезпечують швидкий запуск з холодного стану, мають високий ККД, малі розміри, просту та надійну конструкцію, розвивають велику потужність. Газотурбінні ГПА не тільки піднімають тиск в магістральному трубопроводі (на 20 кгс/см2 і більше), але і забезпечують задану витрату газу. Автоматичне керування газотурбінним ГПА здійснюється на етапах пуску та зупинки і є особливо необхідним для стабілізації основних параметрів ГПА при змінному навантаженні.

Застосування автоматики є необхідною умовою, тому що лише на цій основі досягнення високої ефективності та забезпечення безаварійної експлуатації газопроводу стають можливими. Підвищення ефективності з впровадженням автоматизації пояснюється не тільки скороченням експлуатаційних витрат, зменшенням чисельності обслуговуючого персоналу. Більш істотною є та обставина, що оптимальні (економічно найвигідніші) режими роботи ГПА можуть підтримуватися тривалий час лише за умови його автоматизації. Автоматичне керування основними параметрами ГПА надзвичайно важливе ще і тому, що оптимальні режими роботи ГПА практично завжди є граничними (що знаходяться біля аварійних режимів), і допустимі відхилення параметрів (температури газу, швидкостей обертання турбін) не повинні перевищувати 1...2% від їх номінальних значень.

На компресорних станціях газопроводів набули поширення стаціонарні газотурбінні установки (ГТУ) та транспортні газотурбінні двигуни (ГТД). На даний час та у перспективі широке застосування отримують двокомпресорні двовальні (двороторні) і трьохвальні (із вільною силовою турбіною) ГТД, які забезпечують високу економічність за номінальних та змінних режимів і будь-яке практично необхідне відношення тиску в циклі.

Автоматизація силових установок з газотурбінними двигунами для літаків, інших літальних та рухомих носіїв також має першочергове значення. Експлуатація ГТД в умовах, коли режими роботи двигуна необхідно дуже часто і в широких діапазонах змінювати за допомогою керуючих діянь за наявності значних обурюючих впливів, неможлива без вживання систем автоматичного керування основними параметрами двигуна. Так, для двовального (двороторного) газотурбінного двигуна основними системами автоматичного керування є система керування температурою газу за турбінним блоком, системи керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску. До цих систем висувають жорсткі вимоги з високої динамічної точності та швидкодії.

Існуючі способи регулювання ГТД засновані, в основному, на вживанні гідромеханічних систем. Компоненти цих систем вимагають дуже високої точності виготовлення і настройки, сигнали керування в них обчислюються механічно, удосконалення гідромеханічних систем є вельми дорогим, алгоритми керування обмежені і важко перенастроюються. Але гідромеханічні системи мають дуже високу надійність, чим і пояснюється їх широке вживання.

Спроби усунути недоліки гідромеханічних систем, щоб при цьому зберегти високий ступінь надійності, привели до створення електронних супервізорних систем, в яких електронна частина має обмежену “відповідальність” за підвищення або пониження тяги і працює тільки в області стаціонарних режимів, а приємистість та скидання газу здійснюються гідромеханічним пристроєм.

Виникнення все більш складних ГТД, працюючих майже на межі своїх можливостей, розробка надмініатюрних твердотільних великих інтегральних схем, підвищення цін на паливо зумовили розробку електронних цифрових систем з повною “відповідальністю”. Такі системи простіші та легші за гідромеханічні, їх набагато легше удосконалювати, і при цьому значно скорочується програма випробувань двигуна.

Розробці систем автоматичного керування параметрами ГТД присвячена велика кількість робіт вітчизняних та зарубіжних вчених, серед них роботи Шкоди А.В., Шев’яковa А.А., Добрянського Г.В., Мартьянової Т.С., Єпіфанова С.В., Кузнєцова Б.І., Богаєнка І.М., Грабовського Г.Г., Дюкова В.А., Кузьменка С.О., Рюмшина М.О., Самецького О.О. і ін. В цих роботах розглядаються, в основному, гідромеханічні системи автоматичного керування.

Теперішній етап розвитку теорії та техніки систем автоматичного керування характеризується істотним прогресом в області цифрових систем керування, що зумовлене розвитком засобів обчислювальної техніки, особливо мікропроцесорів і мікроЕОМ. Оскільки ГТД як об'єкт керування є аналоговим та описується безперервними математичними моделями, то використовують цифрові регулятори, які додають системам керування необхідні динамічні властивості. Математичний опис регуляторів і моделей об'єктів керування в дискретному часі дозволяє значно спростити синтез регуляторів і їх технічну реалізацію. На основі цифрових регуляторів можуть бути побудовані системи автоматичного керування будь-яких типів, а програмне забезпечення систем можна коректувати як при проектуванні, так і в процесі їх експлуатації. Розробка цифрових систем автоматичного керування параметрами ГТД є актуальною проблемою, а однією з основних задач при проектуванні цифрових систем автоматичного керування є задача синтезу цифрових регуляторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям наукових досліджень безпосередньо пов'язаний з тематикою науково-дослідних робіт, що проводяться в 2000-2003 роках в Науково-виробничій корпорації “Київський інститут автоматики” і ДК “УКРТРАНСГАЗ” в рамках державної програми України по енергозбереженню.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні якості (зменшенні динамічних похибок і підвищенні швидкодії) цифроаналогових локальних систем автоматичного керування двовального (двороторного) газотурбінного двигуна (системи керування температурою газу за турбінним блоком, систем керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску) шляхом застосування цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів.

Об'єктом дослідження є системи автоматичного керування параметрами газотурбінних двигунів, а предмет дослідження - підвищення динамічної точності і швидкодії локальних систем автоматичного керування двовального (двороторного) газотурбінного двигуна. Предмет дослідження визначає тему дисертаційної роботи, яка полягає в розробці синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів для двовального (двороторного) газотурбінного двигуна і дослідженні методом математичного моделювання основних локальних систем автоматичного керування параметрами двовального двоконтурного ГТД із синтезованими регуляторами, які забезпечують потрібну якість систем.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язувалися наступні основні науково-технічні задачі:

розробка математичних моделей локальних систем автоматичного керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна (системи керування температурою газу за турбінним блоком, систем керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску) разом із керуючими механізмами і синтезованими оптимальними за швидкодією цифровими регуляторами;

розробка методики параметричного синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів на основі обчислення оптимальних керуючих діянь на об'єкти керування при детермінованих і повільних діяннях на вході системи керування;

проведення досліджень цифроаналогових локальних систем автоматичного керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна (системи керування температурою газу за турбінним блоком, систем керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску) з синтезованими оптимальними за швидкодією цифровими регуляторами шляхом математичного моделювання із використанням інтерактивної системи МАТLAB.

Методи дослідження. Дисертаційні задачі розв'язувалися із використанням загальних методів теорії аналогових, дискретних та цифрових систем автоматичного керування, зокрема методів оптимізації, методів перетворення Лапласа і z-перетворення, методів рішення диференціальних і різницевих рівнянь, методів ідентифікації і адаптації, а також математичного апарата інтерактивної системи МАТLAB.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації отримані наступні наукові результати:

розроблені математичні моделі локальних систем автоматичного керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна (системи керування температурою газу за турбінним блоком, систем керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску) разом із керуючими механізмами;

вперше визначені формули оптимальних керуючих діянь на вході об'єктів керування при діянні на вході систем керування, що лінійно змінюється, для моделей об'єктів, передавальні функції яких містять диференцюючі (форсуючі) ланки як першого, так і другого порядків;

вперше представлена методика параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів на основі обчислення оптимальних керуючих діянь на об'єкти керування при детермінованих і довільних діяннях на вході систем керування;

на основі запропонованої методики синтезу регуляторів в інтерактивній системі MATLAB вперше розроблені структурні схеми цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів, які можуть бути реалізовані як програмно, так і на інтегральних мікросхемах; на відміну від відомих “аперіодичних” регуляторів синтезовані регулятори “апроксимують” вхідне діяння на систему не східчастими (ступінчастими), а функціями часу, які лінійно змінюються, що дозволяє значно збільшити точність слідкування за корисним сигналом; важливою особливістю структурних схем цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів є те, що при практичній реалізації регуляторів на інтегральних мікросхемах структурні схеми є одночасно принциповими;

вперше представлені результати досліджень методом математичного моделювання основних систем керування параметрами двовального (двороторного) ГТД із синтезованими регуляторами при детермінованих і повільних діяннях на вході систем керування.

Результати дисертаційної роботи використані при проектуванні систем автоматичного керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна АИ-336-10 в приводі ГПА на підприємстві ДК “УКРТРАНСГАЗ” (протокол №2 від 3 квітня 2003р.).

Особистий внесок здобувача полягає у самостійному виконанні теоретичної і експериментальної частин роботи та інтерпретації одержаних результатів. Усі основні положення, викладені в дисертації, отримано здобувачем особисто. В опублікованих роботах в співавторстві здобувачем одержані наступні результати: в [1], [2] і [7] розроблена математична модель системи керування температурою газу двовального (двороторного) газотурбінного двигуна, вирішена задача синтезу оптимального за швидкодією регулятора для цієї системи і представлені результати дослідження системи при ступінчастих вхідних діяннях; в [3] система керування температурою газу досліджена при довільних вхідних діяннях; в [4] вирішена задача оптимального керування частотами обертання роторів двовального (двороторного) газотурбінного двигуна на базових режимах роботи при ступінчастих діяннях на вході системи; в [5] досліджена фаззі-система керування температурою газу двовального (двороторного) газотурбінного двигуна при компенсації динамічних властивостей об'єкта керування і датчика температури; в [6] визначені оптимальні керуючі діяння на об’єкти керування з форсуючими ланками; в [8] вирішена задача оптимального керування температурою газу в ГТД при компенсації дінамічних властивостей датчика температури; в [9] запропонована методика синтеза оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів систем автоматичного керування; в [10] запропоновані і досліджені фаззі-системи керування частотами обертання роторів двовального (двороторного) газотурбінного двигуна на базових режимах роботи; в [11] досліджена двоконтурна фаззі-система керування частотами обертання роторів двовального (двороторного) ГТД.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизація виробничих процесів” (м. Хмельницький, 16-19 травня 2002 р.), на міжнародній конференції по управлінню “Автоматика-2002" (м. Донецьк, 16-20 вересня 2002 р.), на IV міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація, керування рухом і конструювання авіаційно-космічної техніки” (м. Київ, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, 21-23 квітня 2003р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 15-17 травня 2003р.), на семінарах в НВК “Київський інститут автоматики”.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 наукових праць в журналах, затверджених ВАК України як фахові видання з технічних наук, та 2 статті у матеріалах двох міжнародних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Загальний об'єм роботи 138 сторінок, у тому числі 45 рисунків і таблиць, 5 сторінок використаних джерел і 18 сторінок додатка.

На захист виносяться:

математичні моделі локальних систем автоматичного керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна (системи керування температурою газу за турбінним блоком, систем керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску) разом із керуючими механізмами і синтезованими оптимальними за швидкодією цифровими регуляторами;

методика параметричного синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів на основі обчислення оптимальних керуючих діянь на об’єкти керування при детермінованих і повільних діяннях на вході системи керування та розроблені на основі запропонованої методики структурні схеми цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів;

результати математичного моделювання цифроаналогових локальних систем автоматичного керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна із синтезованими цифровими оптимальними за швидкодією регуляторами.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, показано її місце серед інших робіт у даній галузі науки, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведені дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок здобувача та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі коротко розглянуто основні термодинамічні процеси в газотурбінному двигуні і проведено дослідження динамічних характеристик двигуна, в результаті якого отримана математична модель двигуна як об'єкта керування, і наведені передавальні функції двовального (двороторного) двигуна за частотами обертання роторів компресорів низького і високого тиску та температурою газу за турбінним блоком. Показано, що ГТД як одномірний об’єкт керування описується коливальною ланкою з диференцюючою ланкою 1-го або 2-го порядку, причому, що вельми істотне, коефіцієнти в передавальних функціях будуть різними для різних режимів роботи двигуна.

Представлена розроблена методика синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів для різних математичних моделей об’єктів керування, що описують ГТД, яка відрізняється від відомих наступним. Методика базується на знанні оптимальних керуючих діянь на вході об'єкта керування при діяннях, які лінійно змінюються і якими апроксимуються довільні діяння, що поступають на вхід системи керування. В методиці використані наближені формули для визначення швидкості зміни сигналу на вході системи керування і приросту швидкості на інтервалах регулювання. Методика включає структурне моделювання оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів на основі інтерактивної системи MATLAB, що вельми важливе при їх практичному використовуванні, оскільки дозволяє реалізувати такі регулятори як програмно, так і на інтегральних мікросхемах. Методика синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів має самостійне значення і може бути використана для різних лінійних моделей об'єктів керування.

Важливою особливістю структурних схем оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів, які одержані по запропонованій методиці, є те, що при практичній реалізації регуляторів на інтегральних мікросхемах їх структурні схеми є одночасно принциповими. Наприклад, для передавальної функції об'єкта керування схема оптимального за швидкодією цифрового регулятора має вигляд, зображений на рис. 1.

Амплітуди імпульсів тривалістю оптимального керуючого діяння на такий об'єкт керування при сигналі, що лінійно змінюється, на вході системи керування на -му інтервалі регулювання визначаються:

(1)

де

У формулах (1) , де - похибка на вході регулятора у момент початку n-го інтервалу регулювання тривалістю , тобто похибка в момент ; - шаг квантування; =3 - порядок об'єкта керування; - приріст швидкості на інтервалі регулювання; - перша різниця (середня швидкість) вхідного діяння на інтервалі регулювання; - перша різниця (середня швидкість) вхідного діяння на інтервалі регулювання . Структурна схема оптимального за швидкодією цифрового регулятора побудована безпосередньо за формулами (1).

За визначенням передавальна функція цифрового регулятора є відношення z- перетворення вихідної змінної регулятора (яка є керуючим діянням на об'єкт керування) до z- перетворення вхідної змінної регулятора (яка є похибкою розузгодження) за нульових початкових умов. Тому цифровий регулятор на кожному інтервалі регулювання можна описати для передавальної функції об'єкта керування дискретною передавальною функцією .

Рис.1

Важлива відмінність синтезованих по запропонованій методиці оптимальних за швидкодією регуляторів від відомих “аперіодичних” регуляторів полягає в тому, що вони відпрацьовують не східчасті (ступінчасті), а діяння, які лінійно змінюються і якими апроксимують довільні діяння, що поступають на вхід системи керування. Тому ці регулятори здатні забезпечити більш високу якість систем автоматичного керування, що характеризується поточними похибками розузгодження в замкнутій системі.

У другому розділі виконаний синтез цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів для системи автоматичного керування температурою газу за турбінним блоком ГТД (рис.2) на базових режимах його роботи і досліджена система з синтезованими цифровими регуляторами без компенсації і з компенсацією динамічних властивостей термопари і об’єкта керування. Показано, що в системі автоматичного керування температурою газу двовального (двороторного) ГТД з синтезованими цифровими регуляторами при заданому перерегулюванні не більш 2...3% можна одержати перехідні процеси (рис.3), час регулювання яких складає не більше 2,2с на максимальному МР і не більше 2,6с на середньому СР (крейсерському) режимах роботи ГТД, а за умови компенсації динаміки об’єкта керування цей час скорочується до 1...1,2с на всіх базових режимах роботи двигуна.

Рис.2

Рис.3

У третьому розділі виконаний синтез цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів для систем автоматичного керування частотами обертання роторів компресорів низького і високого тиску ГТД на базових режимах його роботи (рис.4), а також досліджені перехідні процеси систем із синтезованими цифровими регуляторами (на рис.5 приведені процеси на середньому (крейсерському) режимі роботи ГТД).

Рис.4

Рис.5

У четвертому розділі представлені результати дослідження локальних систем керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна при повільних вхідних діяннях. При повільному вхідному діянні , яке змінюється із максимальною швидкістю і максимальним прискоренням , вигідно розглядати еквівалентне гармонічне діяння , параметри якого визначаються із співвідношень Робота систем при повільних вхідних діяннях має дуже суттєві особливості. Основною вимогою тут є отримання високої динамічної точності. Результати математичного моделювання показують, що оптимальні за швидкодією цифрові регулятори забезпечують якісну роботу систем на всіх режимах роботи ГТД навіть при діяннях на вході систем керування, які швидко змінюються.

У додатку наведені формули для визначення оптимальних керуючих діянь на об'єкт керування при сигналі на вході системи керування, що лінійно змінюється.

ВИСНОВКИ

1.Існуючі способи регулювання газотурбінних двигунів засновані, в основному, на вживанні гідромеханічних систем. Компоненти цих систем вимагають дуже високої точності виготовлення і настройки, сигнали керування в них обчислюються механічно, удосконалення гідромеханічних систем є вельми дорогим, алгоритми керування обмежені і їх важко перестроювати. Але гідромеханічні системи мають дуже високу надійність, чим і пояснюється їх широке вживання. Поява все більш складних ГТД, які працюють майже на межі своїх можливостей, розробка надмініатюрних твердотільних великих інтегральних схем, підвищення цін на паливо зумовили розробку електронних цифрових систем з повною “відповідальністю”. Такі системи простіші і легші гідромеханічних, їх набагато легше удосконалювати, причому значно скорочується програма випробувань двигуна. Розробка цифрових систем автоматичного керування параметрами ГТД є актуальною проблемою, а однією з основних задач при проектуванні цифрових систем автоматичного керування є задача синтезу цифрових регуляторів.

2.Вирішена задача синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів для двовального (двороторного) газотурбінного двигуна і досліджені методом математичного моделювання основні локальні системи автоматичного керування параметрами ГТД з синтезованими регуляторами, які забезпечують необхідну якість систем.

3.Розроблені математичні моделі локальних систем автоматичного керування ГТД (системи керування температурою газу за турбінним блоком, систем керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску) разом із керуючими механізмами і синтезованими оптимальними за швидкодією цифровими регуляторами. Розроблена методика параметричного синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів на основі обчислення оптимальних керуючих діянь на об'єкти керування при детермінованих і довільних діяннях на вході системи керування. Важливою особливістю структурних схем оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів, які одержані по запропонованій методиці, є те, що при практичній реалізації регуляторів на інтегральних мікросхемах їх структурні схеми є одночасно принциповими. Важлива відмінність синтезованих по запропонованій методиці оптимальних за швидкодією регуляторів від відомих “аперіодичних” регуляторів полягає в тому, що вони відпрацьовують не східчасті (ступінчасті), а діяння, які лінійно змінюються і якими апроксимують довільні діяння, що поступають на вхід системи керування. Тому ці регулятори здатні забезпечити більш високу якість систем автоматичного керування, що характеризується поточними похибками розузгодження в замкнутій системі.

4.Проведено дослідження цифроаналогових локальних систем автоматичного керування ГТД з синтезованими оптимальними за швидкодією цифровими регуляторами шляхом математичного моделювання з використанням інтерактивної системи МАТLAB.

5.На підставі наукових результатів, одержаних в дисертаційній роботі, можна проектувати мікропроцесорні локальні системи керування параметрами двовального (двороторного) газотурбінного двигуна (а також двигунів інших типів), які забезпечують оптимальне за швидкодією керування при східчастих (ступінчастих) вхідних діяннях і достатньо високу точність відробітку довільних вхідних діянь шляхом включення в замкнутий контур системи синтезованих оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів.

6.Достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій підтверджена результатами теоретичних розрахунків і математичного моделювання.

7.Розроблена в дисертації методика синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів дає можливість проектувати цифрові системи автоматичного керування з високою якістю, яка визначається точністю відробітку задавального діяння і характером перехідного процесу, тобто поведінкою системи як на сталих, так і в перехідних режимах. Одержані в дисертації результати можуть бути використані при створенні перспективних цифрових систем керування параметрами газотурбінних двигунів.

8. Для системи автоматичного керування температурою газу за турбінним блоком ГТД запропонований спосіб компенсації динамічних властивостей датчика температури (термопари) і за умови достатньо точної ідентифікації параметрів ГТД на базових режимах роботи запропонована компенсація динамічних властивостей об'єкта керування. Виконаний синтез цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів для системи автоматичного керування температурою газу без компенсації і з компенсацією динамічних властивостей термопари, а також із одночасною компенсацією динамічних властивостей термопари і об'єкта керування.

9. Досліджені перехідні процеси в системах автоматичного керування температурою газу за турбінним блоком ГТД з синтезованими цифровими регуляторами. Як показують розрахунки і моделювання, при оптимальному керуванні перехідні процеси в системах закінчуються за кроків квантування. Тому тривалість перехідних процесів залежить від величини кроку квантування. Із зменшенням кроку квантування значно зростає амплітуда імпульсів керування, перехідний процес з аперіодичного переходить в коливальний і різко зростає перерегулювання. Таким чином, швидкодія систем обмежується або заданим перерегулюванням перехідних процесів, або допустимим посиленням, необхідним для формування амплітуд імпульсів керування. При заданому перерегулюванні перехідних процесів мінімальні кроки квантування, а значить, і мінімальна тривалість перехідних процесів для різних режимів роботи ГТД виявляються різними.

10. Показано, що в системі автоматичного керування температурою газу двовального (двороторного) стендового ГТД з синтезованими цифровими регуляторами і з компенсацією динамічних властивостей термопари при заданому перерегулюванні не більш 2...3% можна одержати перехідні процеси, час регулювання яких складає не більше 2,2с на максимальному і не більше 2,6с на середньому (крейсерському) режимах роботи ГТД, а за умови компенсації динаміки об'єкта керування цей час скорочується до 1...1,2с на всіх базових режимах роботи двигуна. В результаті моделювання виявлено, що в системі керування температурою газу за турбінним блоком тривалість перехідних процесів зміни частот обертання роторів компресорів низького і високого тиску значно перевищує тривалість перехідних процесів зміни температури газу за турбіною: на максимальному і середньому режимах це перевищення приблизно в 2 рази, а в режимі малого газу - приблизно в 30 разів.

11. Виконаний синтез цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів для локальних систем автоматичного керування частотами обертання роторів компресорів низького і високого тиску стендового ГТД на базових режимах його роботи і досліджені системи з синтезованими цифровими регуляторами. Показано, що для максимального режиму роботи ГТД час регулювання для систем керування частотою обертання ротора компресора низького тиску і компресора високого тиску приблизно однаковий і дорівнює 1,2 с, але стале значення для системи керування частотою обертання ротора компресора низького тиску приблизно в 2,1 рази більше, ніж стале значення для системи керування частотою обертання ротора компресора високого тиску. На середньому (крейсерському) режимі роботи ГТД час регулювання для системи керування частотою обертання ротора компресора низького тиску приблизно рівний 0,95 с, час регулювання для системи керування частотою обертання ротора компресора високого тиску приблизно рівний 1,25 с; стале значення для системи керування частотою обертання ротора компресора низького тиску приблизно в 3,2 рази більше, ніж стале значення для системи керування частотою обертання ротора компресора високого тиску. В режимі малого газу роботи ГТД час регулювання для системи керування частотою обертання ротора компресора низького тиску приблизно рівний 2,3 с, час регулювання для системи керування частотою обертання ротора компресора високого тиску приблизно рівний 3 с; стале значення для системи керування частотою обертання ротора компресора низького тиску приблизно в 2,6 рази більше, ніж стале значення для системи керування частотою обертання ротора компресора високого тиску.

12. Показано, що керування частотами обертання роторів компресорів низького і високого тиску значно впливає на зміну температури газу за турбінним блоком ГТД. При цьому в системі керування частотою обертання ротора компресора низького тиску при відробітку східчастого вхідного діяння стале відхилення температури від первинного на максимальному і середньому базових режимах роботи ГТД значно менше ніж в системі керування частотою обертання ротора компресора високого тиску. Відхилення температури в перехідних процесах в цих системах відбувається із значним перерегулюванням, особливо в режимі малого газу.

13. Дослідження системи автоматичного керування температурою газу ГТД на базових режимах роботи при подачі на вхід системи еквівалентного гармонійного діяння , яким апроксимується довільне вхідне діяння з максимальною частотою рад/с і прискоренням (рад/с)2 (таке діяння для цієї системи достатньо швидкозмінне), показує, що оптимальний за швидкодією цифровий регулятор забезпечує якісну роботу системи на максимальному і середньому (крейсерському) режимах роботи газотурбінного двигуна. Максимальна поточна похибка розузгодження (без урахування початкового викиду у момент захоплення вхідного сигналу) на максимальному і середньому (крейсерському) режимах дорівнює 0,006. В режимі малого газу система працює значно гірше - максимальна поточна похибка розузгодження в системі 2,2.

14. Дослідження систем автоматичного керування частотами обертання роторів компресорів низького і високого тиску на базових режимах роботи ГТД при подачі на вхід системи еквівалентного гармонійного діяння , яким апроксимується довільне вхідне діяння з максимальною частотою рад/с і прискоренням (рад/с)2 (таке діяння для цих систем достатньо швидкозмінне), показує, що оптимальні за швидкодією цифрові регулятори забезпечують якісну роботу систем. Навіть при такому швидкозмінному діянні максимальна поточна похибка розузгодження (без урахування початкового викиду у момент захоплення вхідного сигналу) на всіх режимах роботи ГТД не перевищує 0,5. При зменшенні частоти еквівалентного гармонійного діяння (зменшенні максимальної швидкості і прискорення довільного вхідного діяння) точність слідкування зростає (зменшується поточна похибка розузгодження).

15. Синтезовані по запропонованій методиці цифрові оптимальні за швидкодією регулятори забезпечують оптимальні перехідні процеси з перерегулюванням не більш 2...3% мінімальним часом регулювання, а також достатньо малі похибки розузгодження в сталих режимах роботи ГТД. Крім того, що вельми важливе, оскільки параметри регулятора визначаються через параметри об'єкта керування, то за умови ідентифікації параметрів об'єкта такі регулятори набувають функцію самонастройки, а системи керування параметрами ГТД стають адаптивними.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Богданов В.О. Розрахунок оптимального за швидкодією регулятора системи управління температурою газу двовального двоконтурного газотурбінного двигуна // Вісник технологічного університету Поділля (м. Хмельницький). – 2002.- №3, Т.1(41). - С.12-16.

2. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Іванченко В.А. Оптимальне управління температурою газу двовального двоконтурного газотурбінного двигуна на базових режимах роботи // Механіка та машинобудування. - 2002. -№1. - С.107-117.

3. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Іванченко В.А. Дослідження системи управління температурою газу двовального двоконтурного газотурбінного двигуна при довільних вхідних діях // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2002.- №1 - С.36-42.

4. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Іванченко В.А. Оптимальне управління частотами обертання роторів двовального двоконтурного газотурбінного двигуна на базових режимах роботи // Автоматизація виробничих процесів._2002._№2 (15).- C.140-148.

5. Гостєв В.І., Кардаков О.Ю., Маглюй С.А. Фаззі-система керування температурою газу двовального двоконтурного газотурбінного двигуна при компенсації динамічних властивостей об’єкта керування і датчика температури // Вісті Академії інженерних наук України. - 2002. -№3(16). - С.42-47.

6. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Крайнев В.В. Оптимальні управляючі дії на об'єкти управління з форсуючими ланками другого порядку // Електротехніка і електроенергетика. - 2002.-№1.-С.49-53.

7. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Лозня С.В. Система управління температурою газу двовального двоконтурного газотурбінного двигуна // Матеріали міжнародної конференції з управління “Автоматика-2002”: Донецьк, 16-20 вересня 2002р.- Т.1.: Донецький національний технічний університет, 2002.-С.193-194.

8. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Успенський А.А. Оптимальне управління температурою газу в ГТД на базових режимах роботи при компенсації динамічних властивостей датчика температури // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління.- 2002.- №2. - С.139-142.

9. Гостєв В.І., Кардаков О.Ю., Коростельов О.П., Маглюй С.А. Методика синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів систем автоматичного керування // Вісник технологічного університету Поділля (м. Хмельницький). – 2003.- №3, Т.2 (51). – С.102-106.

10. Гостєв В.І., Маглюй С.А., Успенський О.А. Фаззі-системи управління частотами обертання роторів двовального двоконтурного газотурбінного двигуна на базових режимах роботи // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2002.- №2. - С.63-67.

11. Гостєв В.І., Иванченко В.А., Клюфас С.І., Маглюй С.А. Двоконтурна фаззі-система керування частотами обертання роторів двовального двоконтурного ГТД // Сбірник доповідей IV міжнародної науково-технічної конференції “Гіротехнології, навігація, керування рухом і конструювання авіаційно-космічної техніки” (Київ, 21-23 квітня 2003 р.): Частина 2.- К.: НТУУ ”КПІ ”, 2003.-С.36-40.

АНОТАЦІЯ

Маглюй С. А. Синтез цифрових регуляторів локальних систем керування основними параметрами газотурбінного двигуна. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07- автоматизація технологічних процесів. - Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики”, 2003.

Дисертація присвячена підвищенню якості (зменшенню динамічних похибок і підвищенню швидкодії) цифроаналогових локальних систем автоматичного керування параметрами двовального (двороторного) ГТД (системи керування температурою газу за турбінним блоком, систем керування частотою обертання роторів компресорів низького і високого тиску) шляхом застосування синтезованих цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів.

Розроблені математичні моделі систем керування параметрами ГТД разом із керуючими механізмами і синтезованими оптимальними за швидкодією цифровими регуляторами. Визначені формули оптимальних керуючих діянь на вході об'єктів керування при діянні на вході систем, що лінійно змінюється. Представлена методика параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів на основі обчислення оптимальних керуючих діянь на об'єкти керування. На основі запропонованої методики синтезу в інтерактивній системі MATLAB розроблені структурні схеми оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів, які можуть бути реалізовані як програмно, так і на інтегральних мікросхемах. Представлені результати досліджень методом математичного моделювання основних систем керування параметрами ГТД з синтезованими регуляторами при детермінованих і довільних діяннях на вході систем керування.

Ключові слова: газотурбінний двигун, система автоматичного керування, оптимальний за швидкодією цифровий регулятор, синтез, базовий режим роботи, математична модель, математичне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Маглюй С. А. Синтез цифровых регуляторов локальных систем управления основными параметрами газотурбинного двигателя.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов. - Научно-производственная корпорация “Киевский институт автоматики”, 2003.

Диссертация посвящена повышению качества (уменьшению динамических ошибок и повышению быстродействия) цифроаналоговых локальных систем автоматического управления параметрами двухвального (двухроторного) ГТД (системы управления температурой газа за турбинным блоком, систем управления частотой вращения роторов компрессоров низкого и высокого давления) путем применения синтезированных цифровых оптимальных по быстродействию регуляторов.

Разработаны математические модели локальных систем автоматического управления параметрами двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя вместе с исполнительными механизмами и синтезированными оптимальными по быстродействию цифровыми регуляторами. Определены формулы оптимальных управляющих воздействий на входе объектов управления при линейно изменяющемся воздействии на входе систем для моделей объектов, передаточные функции которых содержат дифференцирующие (форсирующие) звенья как первого, так и второго порядков. Представлена методика параметрического синтеза цифровых оптимальных по быстродействию регуляторов на основе вычисления оптимальных управляющих воздействий на объекты управления при детерминированных и произвольных воздействиях на входе систем управления. На основе предложенной методики синтеза регуляторов в интерактивной сиcтеме MATLAB впервые разработаны структурные схемы оптимальных по быстродействию цифровых регуляторов, которые могут быть реализованы как программно, так и на интегральных микросхемах; в отличие от известных “апериодических” регуляторов синтезированные регуляторы “аппроксимируют” входное воздействие на систему не ступенчатыми, а линейно изменяющимися функциями времени, что позволяет значительно увеличить точность слежения за полезным сигналом; весьма важной отличительной особенностью структурных схем оптимальных по быстродействию цифровых регуляторов является то, что при практической реализации регуляторов на интегральных микросхемах структурные схемы являются одновременно принципиальными. Представлены результаты исследований методом математического моделирования основных систем управления параметрами двухвального (двухроторного) ГТД с синтезированными регуляторами при детерминированных и произвольных воздействиях на входе систем управления.

На основании научных результатов, полученных в диссертационной работе, можно проектировать микропроцессорные локальные системы управления параметрами двухвального (двухроторного) газотурбинного двигателя (а также газотурбинных двигателей других типов), которые обеспечивают оптимальное по быстродействию управление при ступенчатых входных воздействиях и достаточно высокую точность отработки произвольных входных воздействий за счет использования синтезированных оптимальных по быстродействию цифровых регуляторов. Практическую ценность представляет методика параметрического синтеза оптимальных по быстродействию цифровых регуляторов на основе вычисления оптимальных управляющих воздействий на объект управления.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, система автоматического управления, оптимальный по быстродействию цифровой регулятор, синтез, базовый режим работы, математическая модель, математическое моделирование.

ABSTRACT

Magluy S.A. Synthesis of digital regulators of local control systems of main parameters of gas-turbine engine.- the Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.07 - аutomation of technological processes - Research-and-production corporation “ the Kiev institute of an automation ”, 2003.

The thesis is devoted to rise of quality (decrease of dynamic errors and rise of speed) of local systems of automatic control of two-spool (double-rotor) gas-turbine engine (control system of temperature of gas behind the turbine block, control system of a rotation frequency of a curl of a ventilator, control system of a rotation frequency of a curl of the compressor) by application synthesized digital optimum on speed of regulators.

The enough complete mathematical model of two-spool (double-rotor) gas-turbine engine as block diagram designed, which parameters are defined(determined) through coefficients of the influences physically expressing change of regulated values in a long of the value of affixed perturbation on base modes of operations of gas-turbine engine. The mathematical models of control systems of parameters of gas-turbine engine designed. The formulas of optimum control actions on an input of objects of control are defined at linearly varying effect on an input of systems. The technique of parametric synthesis digital optimum on speed of regulators represented on the basis of calculation of optimum control actions on objects of control. On the basis of the offered technique of synthesis in interactive system MATLAB the block diagrams optimum on speed of digital regulators designed which can be implemented as program, and on integral chips. The outcomes of researches by a method of mathematical simulation of main control systems of parameters of gas-turbine engine with the synthesized regulators represented at the determined and arbitrary effects on an input of control systems.

Keywords: gas-turbine engine, system of automatic control, optimum on speed a digital regulator, synthesis, base mode of operations, mathematical model, mathematical simulation.