Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ПЕТУНИН Валерий Иванович

СИНТЕЗ Логико-динамическиХ систем

автоматического управления

ГАЗОТУРБИННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

на основе согласования и адаптации

каналов управления

Специальность: 05.13.01

Системный анализ, управление и обработка информации

(в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Уфа Ц 2011

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники и защиты информации

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Научный консультант                доктор технических наук, профессор

Фрид Аркадий Исаакович

Уфимский государственный авиационный технический университет, кафедра вычислительной техники и защиты информации

Официальные оппоненты                доктор технических наук, профессор

Арьков Валентин Юльевич

Уфимский государственный авиационный технический университет, кафедра автоматизированных систем управления

доктор технических наук, профессор

Асанов Асхат Замилович

Казанский (Приволжский) федеральный университет, кафедра прикладной математики и информатики

доктор технических наук, профессор

Путов Виктор Владимирович

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ, кафедра систем автоматического управления

Ведущая организация        ФГУП Центральный институт авиационного моторостроения

им.аП. И. Баранова, г.аМосква

Защита состоится л____ _________ 2011 г. в ____ часов

на заседании диссертационного совета Д-212.288.03

Уфимского государственного авиационного технического университета

по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан л____ _________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д-р техн. наук, проф.                                                        В. В. Миронов

общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Газотурбинные двигатели (ГТД) современных маневренных летательных аппаратов (ЛА) являются сложными многорежимными нестационарными нелинейными объектами управления. Отличительной особенностью перспективных ГТД является рост числа регулируемых параметров и регулирующих воздействий, расширение диапазона условий работы и эксплуатационных режимов. Это приводит к необходимости повышения значений параметров рабочего процесса, увеличения точности их поддержания, ужесточения требований к системам автоматического управления (САУ).

Перспективными являются следующие задачи: разработка электронных интеллектуальных САУ ГТД; создание лэлектрического самолета и двигателя для него, в котором гидравлические и пневматические исполнительные устройства в системах ГТД заменяются электрическими двигателями; применение математических моделей двигателя в программно-алгоритмическом обеспечении современных САУ ГТД.

Современные методы и опыт построения САУ ГТД берут свое начало в работах ученых таких ведущих научных школ, как ЦИАМ (А. А. Шевяков, С. А. Сиротин, О. С. Гуревич, Ф. Д. Гольберг, О. Д. Селиванов, Г. В. Добрянский), ЛИИ (В. Т. Дедеш), ИПУ (В. Ю. Рутковский, С. Д. Земляков), МАИ  (Б. Н. Петров, Б. А. Черкасов), ППУ (В. Г. Августинович), УГАТУ (Ю. М. Гусев, Ф. А. Шаймарданов, Б. Г. Ильясов, В. И. Васильев, Г. Г. Куликов, Ю. С. Кабальнов, В. Г. Крымский, В. Н. Ефанов) и др. Наряду с этим необходимо также отметить большой вклад в решение данной проблемы ученых зарубежных университетов, научно-исследовательских организаций и фирм, занимающихся созданием ЛА, двигателей и бортового авиационного оборудования.

В то же время многие аспекты анализа и синтеза САУ ГТД остаются недостаточно исследованными.

Авиационный ГТД как объект управления имеет ряд особенностей, которые определяют требования к управляющей части САУ. В большинстве случаев ГТД являются объектами управления, число управляющих воздействий которых меньше числа управляемых координат. В САУ такими многосвязными объектами формирование управления часто осуществляется с помощью алгоритмов логического селективного выбора каналов управления. К таким системам относятся, например, САУ подачей топлива в камеры сгорания ГТД. Обычно применяется принцип селективного выбора, согласно которому регулируется параметр двигателя, наиболее приблизившийся к величине, определяемой программой регулирования. Селективный выбор реализуется с помощью алгебраических селекторов (АС). Такие системы, использующие логику упорядоченного выбора и имеющие динамическую часть в виде регуляторов и объекта управления, называются логико-динамическими САУ (ЛДСАУ).

В развитие теории и практики применения ЛДСАУ с АС внесли вклад И. И. Ахметгалеев, Л. И. Волгин, А. Н. Добрынин, Ф. А. Шаймарданов,  О. С. Гуревич, Ф. Д. Гольберг, Б. Г. Ильясов, Ю. С. Кабальнов и др.

Селекторы вводятся в САУ для устранения зоны совместной работы каналов управления и обеспечивают во всех условиях работы управляющее воздействие только одного из нескольких каналов управления, включаемых в работу в зависимости от режима работы объекта управления.

Однако это справедливо лишь для статических режимов работы системы управления. Как показано в работах А. Н. Добрынина, И. Л. Письменного,  О. С. Гуревича, Ф. Д. Гольберга, а также в исследованиях, проведенных автором, взаимодействие каналов сохраняется на переходных режимах и при действии возмущений. При этом возможно возникновение зоны совместной работы каналов при действии помех, а также режима обратного переключения каналов, скачков и перерегулирований по выходным координатам при различных динамических характеристиках каналов. Время работы САУ на режимах переключения каналов может быть достаточно большим. Это приводит к ухудшению динамических характеристик САУ ГТД и снижению ресурса двигателя. Поэтому актуальной задачей для ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов является обеспечение заданного качества переходных процессов в канале управления, замыкаемом через селектор, а также статической точности каналов при действии помех. Кроме того, специфика работы таких систем управления авиационными двигателями требует решения вопросов обеспечения их отказоустойчивости.

В ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов структура и динамические характеристики объекта управления являются различными по отдельным координатам. Это приводит к тому, что структура и параметры регуляторов в различных каналах на входе АС будут разными. При этом нарушаются условия переключения каналов, возникают забросы регулируемых величин, ухудшается качество САУ. Следовательно, возникает необходимость адаптации системы на режимах переключения каналов. Рассматриваемые логико-динамические САУ ГТД являются системами с переменной структурой, поэтому решение задачи их адаптации возможно на основе алгоритмов самоорганизации.

Анализ современных исследований в области обеспечения требуемых динамических характеристик и отказоустойчивости логико-динамических систем автоматического управления ГТД показывает, что имеется много решений этой проблемы, однако, как правило, они представляют собой жесткие алгоритмы, не учитывающие предысторию состояния отдельных переключаемых каналов и не использующие методы согласования этих каналов. Применение принципов самоорганизации для решения задач обеспечения требуемых динамических характеристик и отказоустойчивости, которое позволило бы придать таким системам свойство адаптации и учета предыстории, практически не встречается в научной литературе применительно к ЛДСАУ с селективным выбором каналов. На сегодняшний день не решены многие фундаментальные вопросы, связанные с выбором архитектуры и структуры средств самоорганизации применительно к САУ рассматриваемого класса.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют концептуальные теоретические и методологические основы синтеза рассмотренных логико-динамических систем, которые относятся к исполнительному уровню САУ ГТД и без решения которых, очевидно, невозможно качественное решение задач более высокого уровня управления, например, построение интеллектуальных систем управления двигателем. Отсутствует единая концепция построения ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов, следствием чего является нерешенная проблема, связанная с разработкой методов и алгоритмов повышения динамической точности и отказоустойчивости систем управления двигателями на режимах переключения каналов.

Комплексные, фундаментальные исследования, на проведение которых направлена работа, позволяют получить новые теоретические и практические результаты, актуальные для развития теории и практики систем автоматического управления ГТД. Следовательно, разрабатываемые в диссертационной работе вопросы синтеза логико-динамических САУ ГТД на основе согласования и адаптации каналов управления являются актуальными.

Цель работы

Целью диссертационной работы является повышение качества процессов управления авиационными двигателями на базе разработанных теоретических и методологических основ синтеза логико-динамических САУ ГТД путем согласования и адаптации каналов управления.

Задачи исследования

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка концепции построения ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на основе согласования и адаптации каналов управления.

2. Разработка математических моделей ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на режимах переключения.

3. Разработка методов синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов по критериям устойчивости и отказоустойчивости.

4. Разработка методов синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов по критерию качества переходных процессов на установившихся режимах.

5. Разработка методов синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на переходных режимах работы двигателя.

6. Разработка методов синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов по критерию помехоустойчивости при действии возмущений.

7. Реализация полученных теоретических результатов в виде методик, моделей и прикладных программ, предназначенных для проведения синтеза ЛДСАУ объектами с числом управляющих воздействий, меньшим числа выходных координат, на основе согласования и адаптации каналов управления.

Объект исследования

Объектом исследования диссертационной работы являются ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов.

Предмет исследования

Предметом исследования являются методы синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на основе согласования и адаптации каналов управления.

Методы исследования

При разработке теоретических положений диссертационной работы и решении указанных задач использованы методы теории автоматического управления авиационными силовыми установками, методы теории непрерывной логики и логико-динамических САУ, теории многосвязных САУ, теории нелинейных САУ, теории адаптивных САУ и методы математического моделирования.

На защиту выносятся

1. Концепция построения ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на основе согласования и адаптации каналов управления.

2. Математические модели многосвязных ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на режимах переключения.

3. Методы синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов по критериям устойчивости и отказоустойчивости.

4. Методы синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов по критерию качества переходных процессов на установившихся режимах.

5. Методы синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на переходных режимах работы двигателя.

6. Методы синтеза ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов по критерию помехоустойчивости при действии возмущений.

7. Методики, модели и прикладные программы, предназначенные для проведения синтеза ЛДСАУ объектами с числом управляющих воздействий, меньшим числа выходных координат на основе согласования и адаптации каналов управления.

Научная новизна

1. Новизна концепции построения ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов, базирующейся на основе согласования и адаптации каналов управления, состоит в использовании новой методологии, основанной на разработанных моделях логико-динамических САУ как единых систем и преобразовании многоканальных ЛДСАУ к эквивалентным одноканальным нелинейным системам по разности сигналов на входе селектора, что позволяет научно обосновать технические решения при построении этих систем и существенно повысить качество работы и ресурс ГТД.

2. Новизна математических моделей многосвязных ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на режимах переключения, базирующихся на методах структурных преобразований, состоит в эквивалентном кусочно-линейном описании АС, что впервые позволило свести анализ многосвязной ЛДСАУ с АС к исследованию поведения разности входных сигналов АС в эквивалентной одноканальной нелинейной системе на режимах переключения каналов.

3. Новизна метода синтеза отказоустойчивой САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС при колебательной неустойчивости одного из замкнутых каналов, основанного на установленном свойстве возникновения незатухающих колебаний в нелинейной системе с селектором одного устойчивого и одного колебательно неустойчивого канала, амплитуда которых зависит от соотношения задающих воздействий каналов, состоит в измерении сигнального возмущения, возникающего на входе АС при отключении неустойчивого канала, и его компенсации на выходе АС, что позволяет САУ плавно переключиться с помощью селектора с колебательно неустойчивого канала на устойчивый канал, сохранив при этом устойчивость САУ в целом и работоспособность ГТД.

4. Новизна метода синтеза САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС по критерию качества переходных процессов на установившихся режимах:

Ц с включением регуляторов перед селектором каналов, основанного на изменении задающего воздействия разомкнутого канала, состоит во введении контура сигнальной самонастройки в разомкнутый канал, работающего по разности сигналов на входе селектора замкнутого и разомкнутого каналов, и его отключении при замыкании данного канала;

Ц с включением регуляторов после селектора, основанного на компенсации импульсного сигнального возмущения, возникающего в момент переключения регуляторов, состоит в измерении данного сигнального возмущения, формировании компенсирующего сигнала и компенсации возмущения на выходе селектора,

что позволяет обеспечить плавное переключение каналов и заданное качество переходных процессов.

5. Новизна метода синтеза логико-динамических САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС на переходных режимах работы двигателя, основанного на измерении скорости изменения частоты вращения ротора двигателя, состоит во введении в каналы разгона и сброса астатизма на основе управляемого интегратора и формировании соответствующей логики его работы, что позволяет повысить точность реализации программ управления, улучшить динамические характеристики САУ ГТД - уменьшить время переходных процессов и увеличить тягу ГТД на режиме разгона.

6. Новизна метода синтеза помехоустойчивой САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС:

Ц с включением регуляторов перед или после селектора каналов, основанного на фильтрации помех на входах алгебраического селектора, состоит во введении одинаковых фильтров на входах селектора, а на выходе - звена, компенсирующего их динамические характеристики;

Ц с включением регуляторов перед селектором каналов, основанного на изменении задающего воздействия разомкнутого канала, состоит во введении перекрестной коррекции в разомкнутый канал, рассчитанной из условия фильтрации помех, и ее отключении при замыкании данного канала,

что позволяет обеспечить отсутствие зоны совместной работы, однократное переключение каналов и заданное качество переходных процессов.

7. Новизна метода синтеза многомерных логико-динамических САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС, базирующегося на изменении задающих воздействий разомкнутых каналов, состоит во введении в каждый разомкнутый канал контуров сигнальной самонастройки, работающих одновременно по разности сигналов замкнутого и данного разомкнутого каналов, что позволяет реализовать алгоритм самоорганизации системы на режимах переключения каналов и получить необходимое качество переходных процессов.

Новизна предложенных технических решений защищена двумя свидетельствами РФ на полезные модели, шестью патентами РФ и двумя положительными решениями на выдачу патентов РФ.

Обоснованность и достоверность результатов

Обоснованность результатов диссертационной работы основывается на использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, подтверждается корректным применением математического аппарата, согласованием новых результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность результатов подтверждается согласованностью экспериментальных данных и научных выводов, результатами имитационного моделирования и результатами полунатурных, натурных и летных испытаний. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик исследования.

Практическая ценность и внедрение результатов

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

1. Разработанные математические модели многосвязных логико-динамических САУ ГТД с селективным выбором каналов на режимах переключения позволяют существенно упростить структуру таких систем и в результате с меньшими временными затратами синтезировать САУ ГТД с заданными характеристиками.

2. Методы синтеза двухканальных логико-динамических САУ ГТД с селективным выбором каналов на основе динамического изменения задающего воздействия разомкнутого канала или использования адаптивного корректирующего звена после АС позволяют получить заданное качество переходных процессов во включаемом канале.

3. Метод синтеза логико-динамических САУ ГТД с селекторами каналов на переходных режимах объекта управления, основанный на введении управляемого интегратора в каналы разгона и сброса, позволяет построить астатическую САУ переходными режимами ГТД и тем самым повысить точность выдерживания программы управления и уменьшить время разгона. Показано, что при введении в каналы разгона и сброса САУ ГТД управляемого интегратора обеспечивается выдерживание требуемых программ управления, время разгона уменьшается на 13 %.

4. Методы синтеза помехоустойчивых САУ ГТД, основанные на фильтрации помех на входах АС, позволяют обеспечить отсутствие зоны совместной работы, однократное переключение каналов и заданное качество переходных процессов. Показано, что время переходного процесса уменьшается в этом случае на 8 %.

5. Метод повышения статической точности многосвязных логико-динамических САУ ГТД с селективным выбором каналов при действии возмущений, основанный на применении астатического корректора, позволяет ликвидировать статические ошибки на режимах переключения каналов и обеспечить поддержание заданного режима работы двигателя.

6. Метод синтеза многомерных логико-динамических САУ ГТД с селективным выбором каналов на основе согласования и адаптации каналов управления позволяет за счет включения контуров адаптации в каждый из разомкнутых каналов и их одновременной работе обеспечить заданное качество переходных процессов на режимах переключения каналов. Показано, что при включении контура адаптации в ЛДСАУ ГТД на режимах переключения реализуются монотонные переходные процессы, соответствующие эталонным моделям замкнутых каналов. Время регулирования, по сравнению с исходной системой, уменьшается на 31,5 %.

Внедрение результатов, полученных в работе:

1. Результаты диссертационной работы в виде методик исследования и методов повышения качества внедрены в практику проектирования САУ ГТД на Уфимском научно-производственном предприятии Молния и использовались при доработке алгоритмического и программного обеспечения САУ ГТД Д-27.

2. Результаты диссертационной работы в виде алгоритмов построения разработанных логико-динамических систем внедрены и используются на ряде предприятий авиационной промышленности Российской Федерации при создании и проектировании САУ перспективных ГТД.

3. Научные результаты, полученные автором, внедрены в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета и используются при проведении занятий по дисциплинам: Основы автоматического управления, Основы теории управления и принятия решений, Цифровая обработка сигналов, Системы автоматического управления ЛА и их СУ для студентов специальностей Авиационные приборы и измерительно-вычислительные комплексы, Вычислительные машины, комплексы, системы и сети.

Основания для выполнения работы

Работа выполнена на кафедрах Авиационное приборостроение и Вычислительная техника и защита информации Уфимского государственного авиационного технического университета в соответствии с планами НИР Отраслевой лаборатории электронной автоматики авиационных силовых установок летательных аппаратов Минавиапрома (1980-1990 годы), в соответствии с Федеральной целевой программой Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальных наук на 1997-2000 годы и в соответствии с Федеральной целевой программой Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года.

Апробация работы

Основные положения и практические результаты работы, докладывались и обсуждались на научных конференциях и совещаниях различного уровня, в том числе на:

IV Всесоюзном совещании по управлению многосвязными системами (ИПУ, г. Москва, 1978 г.);

Всесоюзной научной конференции Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов (ХАИ, г. Харьков, 1980 г.);

VIII Межотраслевой научно-технической конференции по системам автоматического управления и топливопитания силовых установок с ГТД (ЦИАМ, г. Москва, 1988 г.);

Второй Всесоюзной конференции Системы автоматического управления ЛА (МАИ, г. Москва, 1988 г.);

VI Всесоюзном совещании Управление многосвязными системами (ИПУ, г. Суздаль, 1990 г.);

Втором Всероссийском Ахметгалеевском семинаре Аналитическая механика, устойчивость и управление движением (КГТУ, г. Казань, 1995 г.);

Х-XIV Международных научных конференциях Решетневские чтения, посвященных памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (СибГАУ, г. Красноярск, 2006-2010 гг.);

III Международной научно-технической конференции Авиадвигатели XXI века (ЦИАМ, г. Москва, 30 ноября - 3 декабря 2010 г.);

Научно-технических советах отделения 500 ЦИАМ в 2010-2011 гг;

Научно-технических семинарах кафедр Авиационное приборостроение и Вычислительная техника и защита информации УГАТУ в 2000-2011 гг.

Публикации

Список публикаций по теме диссертации включает 76 научных трудов, в том числе 15 статей в изданиях из перечня ВАК, 17 авторских свидетельств, свидетельств на полезные модели, патентов и положительных решений на изобретения, 6 свидетельств на регистрацию программ для ЭВМ. Восемь публикаций в изданиях из перечня ВАК выполнены без соавторов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, изложенных на 285 страницах, списка литературы из 295 наименований и трех приложений, содержит 150 рисунков и 15 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность профессорам А. И. Фриду и В. И. Васильеву за полезные консультации и советы.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования, указывается связь с научными программами, перечисляются подходы и методы решения задач, приводятся задачи, выносимые на защиту, отмечается их научная новизна и практическая ценность. Приводятся сведения об использовании результатов, апробации работы и публикациях.

В первой главе проводится анализ проблемы обеспечения динамической точности и отказоустойчивости современных и перспективных САУ авиационными ГТД. Рассматриваются принципы построения многосвязных САУ ГТД современных летательных аппаратов. Проводится анализ алгоритмов управления в многосвязных логико-динамических САУ. Рассматриваются особенности построения таких систем управления применительно к ГТД. Показано, что рассматриваемые логико-динамические САУ являются системами с переменной структурой, поэтому возникает необходимость адаптации таких систем на режимах переключения каналов к изменениям структуры системы.

Отмечено, что наиболее подходящим методом решения поставленной задачи является использование алгоритмов согласования каналов и самоорганизации систем управления. Приводится анализ методов согласования каналов управления и алгоритмов самоорганизации. Формулируются задачи, решаемые в диссертационной работе, и обосновывается их актуальность.

Показано, что в настоящее время отсутствуют теоретические и методологические основы анализа и синтеза рассмотренных логико-динамических систем, которые относятся к исполнительному уровню САУ ГТД и без решения которых, очевидно, невозможно качественное решение задач более высокого уровня управления, например построение интеллектуальных систем управления двигателем. Отсутствует единая концепция построения ЛДСАУ ГТД с АС, следствием чего является нерешенная проблема, связанная с разработкой методов и алгоритмов повышения динамической точности и отказоустойчивости систем управления двигателями на режимах переключения каналов.

Следовательно, комплексные, фундаментальные исследования, на проведение которых направлена работа, позволяют получить новые теоретические и практические результаты, актуальные для развития теории и практики систем автоматического управления ГТД. Поэтому разрабатываемые в диссертационной работе вопросы анализа и синтеза многосвязных логико-динамических САУ ГТД на основе алгоритмов согласования каналов и адаптации относительно режима переключения каналов являются актуальными.

Во второй главе разработана концепция построения многосвязных логико-динамических САУ на основе алгоритмов принятия решений, согласования каналов и адаптации. Показано, что многосвязная логико-динамическая САУ ГТД должна строиться как система с адаптивными каналами и самоорганизацией.

1. Рассмотрение математических моделей многосвязной логико-динами-ческой системы автоматического управления с селективным выбором каналов как единой системы с общим нелинейным элементом, а не как суммы математических моделей отдельных каналов.

2. Исследование многоканальной логико-динамической системы может быть сведено к исследованию эквивалентной одноканальной нелинейной системы относительно разности сигналов на входе селектора. Это позволяет провести анализ качества и синтез алгоритмов построения логико-динамических систем с заданными динамическими характеристиками.

3. В многосвязной САУ с селективным выбором каналов замкнутым всегда является лишь один канал управления, остальные каналы являются разомкнутыми и их характеристики можно целенаправленно изменять до момента времени их включения селектором.

4. В соответствии с принципом иерархии в логико-динамической САУ сначала строится контур самонастройки регуляторов отдельных каналов по результатам идентификации объекта управления (ГТД) или приближения их динамических характеристик к характеристикам эталонных моделей. Затем на его основе вводится контур самоорганизации, в котором производится оценка качества по разности выходных сигналов регуляторов на входах селектора, происходит принятие решения на включение того или иного канала и осуществляется адаптация условий переключения каналов за счет изменения задающих воздействий разомкнутых каналов.

5. Многосвязная логико-динамическая САУ ГТД должна строиться как система с адаптивными каналами и самоорганизацией на режимах переключения каналов.

Структурная схема логико-динамической САУ ГТД, предлагаемой в соответствии с данной концепцией, представлена на рисунке 1, где БСА - блок согласования и адаптации; БА - блок адаптации (самоорганизации); - выходной логический сигнал алгебраического селектора (АС); ИУ - исполнительное устройство; И - измерительные устройства; Р - регуляторы каналов.

Рисунок 1 - Концептуальная структурная схема ЛДСАУ ГТД

на основе согласования и адаптации каналов управления

к изменению структуры системы на режимах переключения

Уравнение АС максимального сигнала

;                                                                 (1)

уравнение АС минимального сигнала

,                                                                 (2)

где - входные сигналы селектора (; - выходной сигнал селектора; - число входных сигналов.

Общая постановка задачи оптимального управления двигателем по тяге и ресурсу на установившихся режимах формализуется в виде условия минимизации составного критерия-функционала

,                 (3)

где - повреждаемость, накопленная за время ;

, , - векторы состояния, управления, внешних и внутренних воздействий соответственно; - заданная тяга двигателя; - заданное (программное) положение рычага управления двигателем (РУД), определяемое бортовым вычислителем; - фактическое положение РУД; - постоянная времени самолета; - весовой коэффициент.

Алгоритмы принятия решений по селективному выбору каналов управления имеют следующий вид:

                                        (4)

Разработаны математические модели АС на основе непрерывной логики и получены его эквивалентные кусочно-линейные модели относительно разности сигналов на входе. Разработаны математические модели многосвязных логико-динамических САУ с АС, позволяющие проводить исследование таких систем на режимах переключения каналов. Показано, что многосвязная логико-динамическая САУ с АС может быть сведена к эквивалентной одноканальной нелинейной системе.

Согласно непрерывной или бесконечнозначной логике, операции получения максимального сигнала соответствует операция дизъюнкции, а операции получения минимального сигнала - операция конъюнкции. Следовательно,

;                                 (5)

.                                 (6)

Одним из основных режимов работы селектора в САУ является режим переключения с одного канала на другой, на котором можно рассматривать работу двух каналов, наиболее близких к переключению.

Для двух входных сигналов общим алгебраическим представлением логических операций дизъюнкции и конъюнкции являются следующие выражения:

для селектора максимального сигнала

;                 (7)

для селектора минимального сигнала

,                 (8)

где .

При непрерывная логика позволяет представить операции дизъюнкции и конъюнкции в терминах алгебраических операций. При этом привлекаются операции выделения модуля величины и единичные функции. Важным информативным параметром для АС и, следовательно, для САУ является разность его входных сигналов, т.е. выходных сигналов переключаемых каналов. Тогда, относительно разности входных сигналов

                                                                                        (9)

выражение, описывающее работу АС двух величин, преобразуется с использованием операции выделения модуля следующим образом:

,                                 (10)

где для селектора максимального сигнала; для селектора минимального сигнала.

При использовании единичных функций получаем:

;                                                                 (11)

.                                                                         (12)

Следовательно, АС при может быть представлен относительно разности входных сигналов в виде трех эквивалентных нелинейных структур, где - нелинейность типа модуль; и - нелинейности типа ключ.

На основе разработанных математических моделей АС для многосвязной логико-динамической САУ -мерным объектом с АС двух сигналов и не переключаемыми каналами (рисунок 2) получена эквивалентная одноканальная нелинейная относительно сигнала система (рисунок 3).

Рисунок 2 - Структурная схема многосвязной САУ ГТД с АС

Рисунок 3 - Эквивалентная структурная схема многосвязной

САУ ГТД с АС

Здесь нелинейность типа модуль.

Этот метод при отсутствии неселектируемых каналов, то есть при , , , позволяет получить достаточно простые соотношения:

;                                                         (13)

;                                                         (14)

;                                                         (15)

;                                                 (16)

.                                                 (17)

Следовательно, анализ многосвязной логико-динамической САУ ГТД на режимах переключения каналов сводится к исследованию поведения координаты в полученной эквивалентной одноканальной нелинейной системе, например, с помощью методов гармонической или статистической линеаризации, для которых порядок линейной части системы не является ограничением. Изменение знака связано с переключением каналов. Устойчивые периодические колебания по говорят о наличии колебаний в САУ с АС. Стремление в бесконечность связано с неустойчивостью исходной САУ.

В третьей главе рассмотрены особенности обеспечения устойчивости логико-динамических САУ ГТД с селективным выбором каналов на основе эквивалентных нелинейных одноканальных систем. Проведен анализ устойчивости режима переключения каналов с помощью метода гармонической линеаризации. Определены условия возникновения и параметры режима переключения каналов. Разработаны методы синтеза отказоустойчивых ЛДСАУ при колебательной неустойчивости одного или нескольких каналов. Проведено моделирование таких САУ

Характерным режимом работы САУ с АС является режим переключения каналов. В ряде случаев такое переключение может быть непрерывным или достаточно длительным и существенно нарушать нормальную работу САУ. Режим непрерывных переключений каналов характеризуется наличием незатухающих колебаний по разности сигналов на входе АС

.                                         (18)

Изменение знака связано с переключением каналов. Переключения возможны, если

.                                                                                 (19)

Оценим условия существования колебаний координаты в соответствии с моделью САУ (рис. 3) при методом гармонической линеаризации.

Коэффициенты гармонической линеаризации, полученные для нелинейности типа модуль, имеют вид:

;                                                         (20)

,                                                                 (21)

где - постоянная составляющая сигнала на выходе нелинейности;

.

Параметры автоколебаний (, , ) находятся из решения системы трех уравнений:

по постоянной составляющей

,                                                         (22)

по гармонической составляющей

                                                                        (23)

и по соотношению (19),

В результате такого исследования получаем, что необходимыми условиями существования режима непрерывных переключений каналов в САУ с АС, являются колебательная неустойчивость одного из каналов и выполнение определенных соотношений между задающими воздействиями каналов. При выполнении этих условий возникает режим устойчивых колебаний, амплитуда которых зависит от разности задающих воздействий каналов.

Проведен синтез отказоустойчивых логико-динамических САУ с селекторами каналов при апериодической и колебательной неустойчивости одного или нескольких каналов управления. Разработаны программы и проведено моделирование логико-динамической САУ ГТД с колебательной неустойчивостью одного из каналов. Показана возможность обеспечения устойчивости логико-динамической САУ при колебательной неустойчивости двух каналов.

Структурная схема САУ ГТД при колебательной неустойчивости одного из каналов и скачкообразном отключении отказавшего канала приведена на рисунке 4, где УОК - устройство определения колебаний; УОЗ - устройство определения зоны совместной работы каналов; П - переключатель; ЛУ - логическое устройство; ДУ1 и ДУ2 - дифференцирующие устройства; ЗУ - запоминающее устройство; Р1 и Р2 - регуляторы каналов; И1 и И2 измерительные устройства.

Во время переключения САУ с неустойчивого канала регулирования на устойчивый канал ограничения происходит импульсное возмущение на входе АС и заброс по выходному параметру устойчивого канала, что отрицательно влияет на работу ГТД. Для устранения заброса по температуре вводится компенсация импульсного возмущения.

Итак, рассмотренное решение позволяет обеспечить отключение вышедшего из строя канала регулирования и переход на управление с помощью устойчивого канала ограничения, сохраняя устойчивость всей системы в целом.

Рисунок 4 - Структурная схема отказоустойчивой САУ ГТД с АС

при колебательной неустойчивости одного из каналов

В четвертой главе предложен метод анализа качества переходных процессов в многосвязных логико-динамических САУ с селективным выбором каналов. Показано, что качество переходных процессов в таких САУ зависит от соотношения динамических характеристик объекта управления по переключаемым координатам. В зависимости от структуры системы возможно появление запаздывания в переключении каналов и заброса ограничиваемой координаты или появление скачков по координатам и режима обратного переключения каналов. Следовательно, необходимо согласование переключаемых каналов управления.

Разработан метод синтеза отдельных каналов управления логико-динамических САУ ГТД по критерию заданного качества переходных процессов при изменении структуры системы. Предложены различные методы согласования каналов управления и проведен синтез адаптивных логико-динамических САУ по критерию заданного качества переходных процессов газотурбинного двигателя.

Предложена общая методика синтеза многосвязных логико-динамических САУ с селективным выбором каналов.

На рисунке 5 представлена структурная схема адаптивной САУ ГТД, где и - регуляторы отдельных каналов; - общий регулятор; - устройство согласования каналов; П - переключатель сигнала согласования; ЛУ - логическое устройство; - выходной сигнал АС минимального сигнала; - выходной сигнал АС максимального сигнала. В САУ определяется разность сигналов на выходе селекторов минимального и максимального сигналов

,                                                 (24)

где - выходной сигнал регулятора замкнутого канала; - выходной сигнал регулятора разомкнутого канала.

Рисунок 5 - Структурная схема адаптивной двухмерной САУ ГТД

Как было отмечено выше, регуляторы, например, частоты вращения ротора и температуры газа имеют разные динамические характеристики, в результате чего условие переключения селектора минимального сигнала

                                                                                (25)

отличается от необходимого условия переключения САУ - равенства рассогласований между текущими значениями выходных координат и их задающими воздействиями

.                                                                                 (26)

Следовательно, необходимо согласование этих условий. Как известно, согласование поведения отдельных каналов САУ возможно за счет контура управления их относительным движением. В данном случае оно обеспечивается за счет введения контура адаптации - сигнальной самонастройки по разности сигналов на выходе регуляторов с воздействием на задающее воздействие разомкнутого канала системы. Это позволяет построить САУ ГТД, адаптивную к изменению ее структуры при переключении каналов селектором.

Пусть замкнутым является канал регулирования частоты вращения ротора, т.е. первый канал. Тогда выход контура сигнальной самонастройки включен с помощью первого суммирующего элемента на вход регулятора температуры газа - второго разомкнутого канала.

Сигнал на выходе регулятора частоты вращения ротора

.                                                                         (27)

Сигнал на выходе регулятора температуры газа

.                                 (28)

Тогда разность сигналов на выходе регуляторов

.                 (29)

При и достаточно большой величине получаем

,                                                                 (30)

или

,                                                                         (31)

где - достаточно малый коэффициент передачи.

Таким образом, за счет работы контура сигнальной самонастройки момент переключения селектора минимального сигнала приближается к условию переключения каналов по ошибкам каналов . Это, соответственно, позволяет ликвидировать заброс и обеспечить необходимое качество переходного процесса при замыкании и включении в работу регулятора температуры газа.

На рисунке 6, а и б приведены результаты моделирования переходных процессов в САУ двухвального ГТД при различных переключениях каналов:  а - с канала частоты вращения ротора на канал температуры газа; б - с канала температуры газа на канал частоты вращения ротора; с контуром и без контура адаптации. При этом выходные координаты ГТД и представлены в относительном виде .

Аналогичный подход используется при построении адаптивной САУ многомерного объекта управления с одним регулирующим воздействием. На рисунке 7 показана структурная схема адаптивной многомерной САУ ГТД, поясняющая данный способ.

В каждом канале управления определяется разность сигналов на выходе регуляторов

.                                                                         (32)

Сигнал через блок согласования поступает на вход соответствующего регулятора канала с помощью суммирующего элемента.

Контуры сигнальной самонастройки работают во всех каналах. Если -й канал - разомкнут, то , и этот сигнал уменьшает задающее воздействие данного разомкнутого канала и тем самым корректирует момент переключения каналов. Если -й канал - замкнут, т. е. является ведущим, то , и этот сигнал не меняет задающее воздействие данного замкнутого канала.

Качество переходного процесса включаемого канала существенно улучшается при введении контура адаптации - оно соответствует эталонным процессам отдельных каналов. САУ сохраняет заданное качество при изменении структуры, т.е. является адаптивной. Время регулирования, по сравнению с исходной системой, уменьшается на 31,5 %.

При реализации предложенных алгоритмов построения адаптивных логико-динамических САУ обеспечивается отсутствие перерегулирований по выходным координатам ГТД при переключении каналов управления, повышение ресурса двигателя и выполнение условия (3).

а

б

Рисунок 6 - Результаты моделирования переходных процессов в САУ ГТД

Рисунок 7 - Структурная схема адаптивной многомерной САУ ГТД

В пятой главе рассмотрены особенности применения логико-динамических САУ с АС при управлении переходными режимами ГТД. Разработан метод синтеза отдельных астатических регуляторов разгона и сброса ГТД на основе использования управляемого интегратора. Предложен метод синтеза астатических многосвязных логико-динамических САУ на переходных режимах ГТД. Показано, что введение астатизма позволяет существенно повысить точность выдерживания программы управления и уменьшить время разгона.

В существующих САУ ГТД, как правило, регуляторы разгона (РР) и сброса (РС) строятся как статические каналы управления производной частоты вращения ротора, что приводит к потере точности выполнения программ разгона и сброса. Невозможность получения астатизма в этих каналах связана с противоречиями между точностью и устойчивостью.

Передаточная функция ГТД по частоте вращения ротора при изменении расхода топлива

.                                                                 (33)

Передаточная функция изодромного регулятора

.                                                                 (34)

Пусть передаточная функция регулятора частоты вращения ротора

,                                                         (35)

а передаточная функция статического регулятора разгона

.                                                         (36)

Если передаточные функции исполнительного устройства , измерителя частоты вращения ротора , дифференциатора , то передаточные функции отдельных разомкнутых каналов САУ имеют следующий вид:

Ц канал регулирования частоты вращения ротора:

;                         (37)

Ц канал разгона:

.                         (38)

Следовательно, канал разгона является статическим по скорости изменения частоты вращения ротора.

Аналогично это можно показать для канала сброса частоты вращения ротора ГТД.

Таким образом, в таких системах возникают погрешности в реализации программ разгона и сброса ГТД по частоте вращения ротора.

Включение интегратора в каналы разгона и сброса позволяет сделать их астатическими и, соответственно, повысить точность выдерживания программ управления на переходных режимах. Например, для канала разгона получаем следующую передаточную функцию разомкнутой системы

,                         (39)

где - передаточная функция интегратора.

Аналогично это можно показать и для канала сброса.

Однако при работе САУ на режиме стабилизации частоты вращения ротора этот интегратор должен быть выключен, так как он нарушает требуемые динамические характеристики данного канала (37), в результате чего САУ теряет устойчивость.

Следовательно, необходимо управлять структурой САУ, в частности, работой интегратора в каналах стабилизации режима работы, разгона и сброса. Это можно выполнить с помощью управляемого интегратора (УИ).

Введение управляемого интегратора в каналы разгона и сброса, как и в случае коррекции отдельных каналов САУ с селектором, возможно в двух вариантах: до селектора и после селектора. Структурная схема САУ переходными режимами ГТД с включением УИ на выходе АС приведена на рисунке 8, где ЗЧВ, ЗР, ЗС - задатчики частоты вращения, разгона и сброса, соответственно; АСmin - алгебраический селектор минимального сигнала; АСmax - алгебраический селектор максимального сигнала; ИР - изодромный регулятор; Д - дифференциатор; УИ - управляемый интегратор; ЛУ1 и ЛУ2 - логические устройства; УМ - умножитель; КЗ - корректирующие звенья; и - сигнальные выходы алгебраических селекторов; и - логические выходы алгебраических селекторов.

Как показало проведенное моделирование, при полной приемистости время разгона для астатической системы меньше, чем для статической на 13 %.

Проведен анализ устойчивости и предложены методы ее обеспечения для логико-динамических САУ переходными режимами ГТД с учетом запаздывания в объекте управления. Показано, что временное запаздывание по изменению расхода топлива в ГТД оказывает существенное влияние на устойчивость статических каналов разгона и сброса режимов работы двигателя. Это влияние может быть устранено за счет рационального выбора структуры системы управления переходными режимами. Наиболее эффективным средством повышения устойчивости является введение регулятора Смита в каналы разгона и сброса.

Рисунок 8 - Структурная схема САУ переходными режимами ГТД

с включением УИ на выходе АС

В шестой главе рассмотрены особенности обеспечения помехоустойчивости логико-динамических САУ ГТД с АС на основе эквивалентных нелинейных одноканальных систем. Проведен анализ режима переключения каналов с помощью метода статистической линеаризации. Определены условия возникновения и параметры режима переключения каналов. Разработан метод синтеза многосвязных логико-динамических САУ с селективным выбором каналов по критерию помехоустойчивости при действии возмущений.

Наличие случайных помех в логико-динамических САУ ГТД с АС, действующих, в основном, на объект управления, приводит к нарушению необходимого условия переключения каналов и к возникновению режима случайного переключения даже для каналов с хорошими динамическими характеристиками. Режим случайного переключения каналов характеризуется случайным изменением знака разности входных сигналов АС и исследование этого режима, также как и при анализе устойчивости, можно привести к анализу поведения сигнала в эквивалентной нелинейной системе.

Для анализа влияния помехи на точность САУ ГТД с АС двух сигналов (рисунок 2) и воспользуемся эквивалентной моделью системы (рисунок 3) и методом статистической линеаризации в предположении, что выполняется гипотеза фильтра. Последнее условие, как известно, необходимо для того, чтобы закон распределения случайного процесса был нормальным.

Коэффициенты статистической линеаризации нелинейности модуль по математическому ожиданию и случайной составляющей имеют вид:

;                                 (40)

,                                         (41)

где - функция Крампа;

, - математическое ожидание и дисперсия сигнала .

Характеристики случайного сигнала определяются решением системы двух уравнений: по математическому ожиданию и дисперсии случайной составляющей .

Математическое ожидание сигнала равно

.                                                         (42)

Спектральная плотность случайной составляющей сигнала равна

(43)

и дисперсия -

.                                                                 (44)

В результате получаем

.                         (45)

При выравнивании каналов выражение (45) преобразуется к виду

.                                                         (46)

Таким образом, наличие помехи в одном из каналов приводит к изменению условия переключения каналов по сравнению с , когда помеха отсутствует. Например, при использовании АС минимального сигнала шумящий канал может включаться раньше, а выключаться позже. В этом случае происходит случайное переключение каналов, т.е. возникает зона совместной работы каналов, что приводит к смещению регулируемой величины канала, замыкаемом через селектор, от уставочного значения.

Для повышения помехоустойчивости САУ с селекторами каналов на входах АС или логической части системы должны включаться одинаковые фильтры и , а на выходе - звено , компенсирующее их динамические характеристики

.                                                         (47)

Рисунок 9 - Структурная схема помехоустойчивой САУ ГТД с астатическим

регулятором разгона

Такое включение фильтров является особенно необходимым для формирования логического выхода селектора . На рисунке 9 приведена структурная схема помехоустойчивой САУ ГТД с астатическим регулятором разгона, построенным с использованием информации по производной частоты вращения ротора ГТД , где , , - фильтры; УИ - управляемый интегратор; УМ - умножитель; ИР - изодромный регулятор; Д - дифференциатор. В САУ рассматривается случайная помеха , действующая по расходу топлива. Передаточные функции фильтров: , где постоянные времени: определяет фильтрующие свойства фильтров, а определяет качество переходных процессов. Показано, что время переходного процесса уменьшается, в этом случае, на 8 %.

Эффект выпрямления нелинейности типа модуль, обусловленный ее четно-симметричной характеристикой, приводит к появлению постоянного смещения на выходе АС, т.е. к статической ошибке в САУ, даже при отсутствии постоянной составляющей в гармоническом возмущении или при нулевом математическом ожидании случайного возмущения. Очевидно, что величина статических погрешностей зависит от уровня помех, приведенных ко входам АС, следовательно, для повышения статической точности необходимо использовать различные методы его уменьшения.

Проведен анализ статической точности логико-динамических САУ с селективным выбором каналов при действии гармонических и случайных помех. Предложены методы повышения статической точности многосвязных логико-динамических САУ ГТД с АС при действии помех, что позволяет существенно повысит точность поддержания режима работы двигателя. Показано, что для повышения статической точности САУ на режимах переключения каналов при наличии помех можно использовать астатический корректор, работающий в зоне совместной работы каналов.

Это обеспечивает необходимую точность поддержания тяги ГТД и выполнение условия (3).

В седьмой главе рассмотрена внедренная на УНПП Молния методика анализа качества переходных процессов, устойчивости и помехозащищенности САУ ГТД Д-27 на режимах совместной работы каналов.

Показано, что величина статической погрешности по при случайном возмущении по выходу измерителя температуры составляет 2,2 %.

На рисунке 10 приведена структурная схема САУ ГТД Д-27 с астатическим корректором, где УО - устройство определения зоны совместной работы каналов управления; ЛУ - логическое устройство; И - интегратор. При использовании астатического корректора происходит восстановление необходимого статического режима САУ ГТД по за время сек.

Рассмотрены результаты применения разработанной адаптивной логико-динамической САУ ГТД с согласованием каналов на входе многомерного селектора к системе управления двигателя РД-33.

Приведены результаты исследования САУ двигателя РД-33, объединяющие различные принципы построения ЛДСАУ, рассмотренные в предыдущих главах.

Показано что переключение системы с режима частичной приемистости на режим ограничения температуры газа при отсутствии контура адаптации происходит с перерегулированием по . При включении контура адаптации это переключение происходит плавно в виде монотонного переходного процесса, качество переходного процесса соответствует качеству эталонной модели канала температуры газа, время регулирования уменьшается на 34 %.

Рисунок 10 - Структурная схема САУ ГТД Д-27 с астатическим корректором

Таким образом, разработан метод адаптации логико-динамических САУ ГТД с селекторами к изменению структуры системы при переключении каналов, основанный на подстройке задающих воздействий разомкнутых селектором каналов. Применение рассмотренного метода адаптации позволяет существенно улучшить динамические характеристики таких систем управления, устранить перерегулирования выходных параметров на режимах переключения каналов и тем самым увеличить ресурс работы двигателя.

Предложено использование полученных результатов в логико-динамических САУ летательного аппарата (ЛА) с ограничением предельных значений параметров объекта управления.

Решены задачи ограничения угловой скорости крена при управлении углом крена и ограничения угла атаки при управлении углом тангажа ЛА. Показано, что эффективным средством построения САУ с автоматами ограничений является селективный выбор каналов управления.

Задача синтеза САУ с автоматами ограничений решена как задача приближения передаточных функций отдельных каналов к желаемым передаточным функциям. Приведены результаты синтеза таких систем. Показано, что включение автомата ограничения в САУ ЛА с помощью алгебраического селектора позволяет обеспечить необходимую точность ограничения и плавные переходные процессы при переключении каналов.

Рассмотрена возможность ограничения перегрузки при управлении угловым движением маневренного самолета за счет поворота вектора тяги. Решение этой задачи обеспечивается с помощью логико-динамического управления с АС в интегрированной САУ самолета и силовой установки.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

В приложении приведены материалы, поясняющие результаты синтеза различных ЛДСАУ с селективным выбором каналов управления.

основные результаты работы

В соответствии с предложенной концепцией построения ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов достигнута поставленная цель диссертационной работы: разработаны теоретические и методологические основы синтеза логико-динамических САУ ГТД на основе согласования и адаптации каналов управления, позволяющие повысить качество управления авиационными двигателями. Это можно рассматривать как научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

Получены следующие основные результаты работы.

1. Разработана концепция построения ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов, базирующаяся на основе согласования и адаптации каналов управления, отличающаяся использованием новой методологии, основанной на разработанных моделях логико-динамических САУ как единых систем и преобразовании многоканальных ЛДСАУ к эквивалентным одноканальным нелинейным системам по разности сигналов на входе селектора, что позволяет научно обосновать технические решения при построении этих систем и существенно повысить качество работы и ресурс ГТД.

2. Разработаны математические модели многосвязных ЛДСАУ ГТД с селективным выбором каналов на режимах переключения, базирующиеся на методах структурных преобразований, отличающиеся эквивалентным кусочно-линейным описанием АС, что впервые позволило свести анализ многосвязной ЛДСАУ с АС к исследованию поведения разности входных сигналов АС в эквивалентной одноканальной нелинейной системе на режимах переключения каналов.

3. Разработан метод синтеза отказоустойчивой САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС при колебательной неустойчивости одного из замкнутых каналов, основанный на установленном свойстве возникновения незатухающих колебаний в нелинейной системе с селектором одного устойчивого и одного колебательно неустойчивого канала, амплитуда которых зависит от соотношения задающих воздействий каналов, отличающийся измерением сигнального возмущения, возникающего на входе АС при отключении неустойчивого канала, и его компенсацией на выходе АС, что позволяет САУ плавно переключится с помощью селектора с колебательно неустойчивого канала на устойчивый канал, сохранив при этом устойчивость САУ и работоспособность ГТД.

4. Разработан метод синтеза САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС по критерию качества переходных процессов на установившихся режимах:

Ц с включением регуляторов перед селектором каналов, основанный на изменении задающего воздействия разомкнутого канала, отличающийся введением контура сигнальной самонастройки в разомкнутый канал, работающего по разности сигналов на входе селектора замкнутого и разомкнутого каналов, и его отключением при замыкании данного канала;

Ц с включением регуляторов после селектора, основанный на компенсации импульсного сигнального возмущения, возникающего в момент переключения регуляторов, отличающихся измерением данного сигнального возмущения, формированием компенсирующего сигнала и компенсацией возмущения на выходе селектора,

что позволяет обеспечить плавное переключение каналов и заданное качество переходных процессов.

5. Разработан метод синтеза астатических логико-динамических САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС на переходных режимах, основанный на измерении скорости изменения частоты вращения ротора двигателя, отличающийся введением в каналы разгона и сброса астатизма на основе управляемого интегратора и формированием соответствующей логики его работы, что позволяет повысить точность реализации программ управления, улучшить динамические характеристики САУ ГТД - уменьшить время переходных процессов и увеличить тягу ГТД на режиме разгона.

Показано, что при введении в каналы разгона и сброса САУ ГТД управляемого интегратора обеспечивается выдерживание требуемых программ управления, время разгона уменьшается на 13 %.

6. Разработан метод синтеза помехоустойчивой САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС:

Ц с включением регуляторов перед или после селектора каналов, основанный на фильтрации помех на входах алгебраического селектора, отличающийся введением одинаковых фильтров на входах селектора, а на выходе - звена, компенсирующего их динамические характеристики;

Ц с включением регуляторов перед селектором каналов, основанный на изменении задающего воздействия разомкнутого канала, отличающийся введением перекрестной коррекции в разомкнутый канал, рассчитанной из условия фильтрации помех, и ее отключением при замыкании данного канала,

что позволяет обеспечить отсутствие зоны совместной работы, однократное переключение каналов и заданное качество переходных процессов.

Показано, что время переходного процесса уменьшается, в этом случае, на 8 %.

7. Предложены методики, модели и программы, предназначенные для проведения анализа и синтеза ЛДСАУ на основе алгоритмов согласования каналов и адаптации. На их базе разработан метод синтеза многомерных логико-динамических САУ ГТД с согласованием каналов на основе АС, базирующийся на изменении задающих воздействий разомкнутых каналов, отличающийся введением в каждый разомкнутый канал контуров сигнальной самонастройки, работающих одновременно по разности сигналов замкнутого и данного разомкнутого каналов, что позволяет реализовать алгоритм самоорганизации системы на режимах переключения каналов и получить необходимое качество переходных процессов.

Показано, что при включении контура адаптации в ЛДСАУ ГТД на режимах переключения реализуются монотонные переходные процессы, соответствующие эталонным моделям замкнутых каналов. Время регулирования, по сравнению с исходной системой, уменьшается на 31,5 %.

8. С целью расширения возможностей применения ЛДСАУ на основе алгоритмов согласования каналов дополнительно разработан метод ограничения предельных значений параметров летательного аппарата, основанный на построении каналов управления основным и ограничения предельным параметрами, воздействующими на один управляющий орган летательного аппарата, отличающийся введением в закон управления алгоритмов согласования каналов на основе АС, осуществляющего выбор канала управления выходным параметром летательного аппарата, наиболее близким к заданному значению, что позволяет обеспечить необходимую точность ограничения и плавные переходные процессы при переключении каналов.

Список основных публикаций

Публикации в рецензируемых журналах из списка ВАК:

  1. Анализ устойчивости, статической и динамической точности систем автоматического управления с селектором / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. № 2. С. 16Ц20. (Личный вклад 2,5 ж.с.).
  2. Влияние гармонической помехи на точность систем автоматического управления с селектором / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. № 4. С. 81Ц82. (Личный вклад 1,5 ж.с.).
  3. Синтез многоканальной системы автоматического управления с алгебраическим селектором / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. № 1. С. 10Ц12. (Личный вклад 1,5 ж.с.).
  4. Принципы построения логико-динамических систем автоматического управления газотурбинными двигателями / В. И. Петунин // Вестник УГАТУ: научн. журнал Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. УГАТУ. 2003. Т. 4, № 1. С. 78Ц87.
  5. определение температуры газа ГТД с помощью косвенных измерений / В. И. Петунин // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. № 1. С. 51Ц55.
  6. Синтез систем автоматического управления газотурбинными двигателями с селектором каналов / В. И. Петунин // Вестник УГАТУ. Серия Управление, вычислительная техника и информатика. 2008. Т. 11, № 1 (28). С. 3Ц10.
  7. Особенности синтеза многосвязных систем автоматического управления с селектором каналов / В. И. Петунин // Вестник УГАТУ. Серия Управление, вычислительная техника и информатика. 2008. Т. 11, № 1 (28). С. 11Ц17.
  8. Эквивалентные структуры алгебраического селектора на основе непрерывной логики / В. И. Петунин // Вестник УГАТУ. Серия Управление, вычислительная техника и информатика. 2009. Т. 12, № 1 (30). С. 40Ц45.
  9. обеспечение устойчивости системы управления переходными режимами газотурбинного двигателя с учетом запаздывания в объекте управления / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Вестник УГАТУ. 2010. Т. 14, № 1 (36). С. 80Ц86. (Личный вклад 3,5 ж.с.).
  10. Синтез структуры и исследование астатического регулятора переходных режимов газотурбинного двигателя / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Вестник УГАТУ. 2010. Т. 14, № 2 (37). С. 118Ц127. (Личный вклад 5 ж.с.).
  11. Синтез систем автоматического управления летательными аппаратами с автоматами ограничений предельных параметров / В. И. Петунин // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 10. С. 18Ц24.
  12. Анализ и синтез систем автоматического управления авиационными газотурбинными двигателями с селекторами каналов по критерию помехоустойчивости / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Авиакосмическое приборостроение. 2011. № 3. С. 3Ц10. (Личный вклад 4 ж.с.).
  13. Повышение статической точности систем автоматического управления с селекторами каналов при действии помех / В. И. Петунин // Системы управления и информационные технологии. 2011. № 1 (43). С. 61Ц64.
  14. Метод построения адаптивных логико-динамических систем автоматического управления с селекторами / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 5. С. 49Ц56. (Личный вклад 4 ж.с.).
  15. Математические модели многосвязных систем автоматического управления с селекторами каналов / В. И. Петунин // Вестник УГАТУ. 2011. Т. 15, № 2 (42). С. 52Ц58.

Свидетельства на полезные модели и патенты:

  1. Свид. РФ № 2416 на полезную модель: МПК 6 F02C 9/28. Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя / В. И. Петунин,  А. И. Фрид, В. В. Васильев, Ф. А. Шаймарданов. Заявка № 95108046; Заявл. 18.05.95; Опубл. 16.07.96. Бюл. № 7.
  2. Свид. РФ № 3008 на полезную модель: МПК 6 F02C 9/28. Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя / В. И. Петунин,  А. И. Фрид, Р. Р. Зарипов, Ф. А. Шаймарданов. Заявка № 95110175; Заявл. 15.06.95; Опубл. 16.10.96. Бюл. № 10.
  3. Патент РФ № 2172857 на изобретение: МПК 7 F 02 C 9/28. Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя / В. И. Петунин,  А. И. Фрид, П. В. Кузнецов. Заявка № 2000102368; Заявл. 31.01.2000; Зарегистр. в Государственном реестре изобретений РФ 27.08.2001. Бюл. № 24.
  4. Патент РФ № 2272747 на изобретение: МПК 7 B64C 13/18. Адаптивный автопилот угла крена / А. Р. Нуриахметов, В. И. Петунин. Заявка № 2004117707; Заявл. 10.06.2004; Зарегистр. в Государственном реестре изобретений РФ 27.03.06. Бюл. № 9.
  5. Патент РФ № 2319026 на изобретение: МПК 8 F02C 9/28. Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя / В. И. Петунин,  А. И. Фрид, С. Т Кадырова. Заявка № 2006125865/06; Заявл. 17.07.2006; Зарегистр. в Государственном реестре изобретений РФ 10.03.2008. Бюл. № 7.
  6. Патент РФ № 2332580 на изобретение: МПК 8 F02C 9/28. Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя / В. И. Петунин,  А. В Шендеров. Заявка № 2006145148/06; Заявл. 18.12.2006; Зарегистр. в Государственном реестре изобретений РФ 27.08.2008. Бюл. № 24.
  7. Патент РФ № 2332581 на изобретение: МПК 8 F02C 9/28. Система автоматического регулирования газотурбинного двигателя / В. И. Петунин,  А. И. Фрид, С. Т. Кадырова. Заявка № 2007100448/06; Заявл. 09.01.2007; Зарегистр. в Государственном реестре изобретений РФ 27.08.2008. Бюл. № 24.
  8. Патент РФ № 2418964 на изобретение: МПК 8 F02C 9/28. Система автоматического управления частотой вращения ротора газотурбинного двигателя / В. И. Петунин, А. И. Фрид. Заявка № 2009136121/06; Заявл. 29.09.2009; Зарегистр. в Государственном реестре изобретений РФ 20.05.2011. Бюл. № 14.
  9. Положительное решение от 13.04.2011 о выдаче патента РФ на изобретение: МПК 8 B64C 13/18. Система автоматического управления углом тангажа и ограничения угла атаки летательного аппарата / В. И. Петунин, Э. Ю. Абдуллина, В. Н. Ефанов. Заявка № 2010107693/11; Заявл. 02.03.2010.
  10. Положительное решение от 22.04.2011 о выдаче патента РФ на изобретение: МПК 8 B64C 13/18, G05D 1/08. Система автоматического управления углом крена и ограничения угловой скорости крена летательного аппарата /  В. И. Петунин, Э. Ю. Абдуллина, В. Н. Ефанов. Заявка № 2010107596/11; Заявл. 02.03.2010.

Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ:

  1. Свид. РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2008610390. Моделирование системы автоматического управления газотурбинного двигателя с селектором / В. И. Петунин, А. В. Шендеров. Заявка № 2007614689; Заявл. 26.11.2007; Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 21.01.2008.
  2. Свид. РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2008613810. Моделирование системы автоматического управления двухвального газотурбинного двигателя с селектором каналов / В. И. Петунин, А. В. Шендеров. Заявка № 2008612650; Заявл. 16.06.2008; Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 8.08.2008.
  3. Свид. РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2009611535. Моделирование системы автоматического управления углом тангажа самолета / В. И. Петунин, Э. Ю. Кантимирова. Заявка № 2009610344; Заявл. 03.02.2009; Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 19.03.2009.
  4. Свид. РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2010614078. Моделирование системы автоматического управления температурой газа газотурбинного двигателя / В. И. Петунин, Г. С. Валиева. Заявка № 2010612367; Заявл. 26.04.2010; Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 23.06.2010.
  5. Свид. РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2010614388. Моделирование динамических характеристик САУ ГТД с селектором каналов и с включением корректирующих звеньев после селектора / В. И. Петунин, Д. Ф. Муфаззалов. Заявка № 2010612685; Заявл. 17.05.2010; Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 6.07.2010.
  6. Свид. РФ о гос. рег. программы для ЭВМ № 2010614454. Моделирование динамических характеристик САУ ГТД с селектором каналов и с включением корректирующих звеньев до селектора / В. И. Петунин, Д. Ф. Муфаззалов. Заявка № 2010612645; Заявл. 17.05.2010; Зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 7.07.2010.

Другие публикации:

  1. Выбор структуры основного контура самонастраиващейся системы управления газотурбинного двигателя / В. И. Петунин, А. И. Фрид, Ф. А. Шаймарданов // Электроника и автоматика: межвуз. науч. сб. Уфа: УАИ, 1977. № 2.  С. 107Ц112.
  2. Об одном методе структурных преобразований систем управления с идеальным алгебраическим селектором // Управление сложными техническими системами: межвуз. науч. сб. Уфа: УАИ, 1978. № 2. С. 67Ц72.
  3. О структурном преобразовании многосвязных систем управления с селектором / В. И. Петунин, А. И. Фрид, Ф. А. Шаймарданов // Электронные системы управления и контроля летательных аппаратов: межвуз. науч. сб. Уфа: УАИ, 1978. № 3. С. 52Ц55.
  4. Анализ устойчивости, статической и динамической точности систем автоматического управления с селектором / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Russian Aeronautics. 1999. Т. 42, № 2. С. 19Ц26. (Allerton Press, Inc. / Нью-Йорк). (Статья на англ. яз.).
  5. Влияние гармонической помехи на точность систем автоматического управления с селектором / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Russian Aeronautics. 1999. Т. 42, № 4. С. 120Ц122. (Allerton Press, Inc. / Нью-Йорк).
  6. Синтез многоканальной системы автоматического управления с алгебраическим селектором / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Russian Aeronautics. 2000. Т. 43, № 1. С. 11Ц14. (Allerton Press, Inc. / Нью-Йорк).
  7. Нейрокомпьютеры в авиации (самолеты) / Под ред. В. И. Васильева, Б. Г. Ильясова, С. Т. Кусимова. (Научная серия Нейрокомпьютеры и их применение, редактор А. И. Галушкин. Кн. 14): учебное пособие для вузов. М.: Радиотехника, 2004. 497 с. (В. И. Петунин - глава 7. С. 356Ц387).
  8. Синтез многомерной сау гтд с селектором каналов / В. И. Петунин,  С. Т. Кадырова // Решетневские чтения: матер. Х Междунар. науч. конф. Красноярск: Сибирск. гос. аэрокосм. ун-т, 2006. С. 95Ц96.
  9. Об инвариантности САУ ГТД с селектором каналов к изменению структуры / В. И. Петунин, С. Т. Кадырова // Вычислительная техника и новые информационные технологии: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2007. № 6. С. 48Ц55.
  10. Исследование устойчивости САУ ГТД с селектором каналов с помощью системы Matlab / В. И. Петунин, А. В. Шендеров // Вычислительная техника и новые информационные технологии: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2007. № 6. С. 41Ц47.
  11. Синтез законов управления канала тангажа автопилота / В. И. Петунин // Вестник УГАТУ. Серия Управление, вычислительная техника и информатика. 2007. Т. 9, № 2 (20). С. 25Ц31.
  12. Обеспечение устойчивости САУ ГТД с селектором каналов / В. И. Петунин, А. В. Шендеров // Решетневские чтения: матер. ХI Междунар. науч. конф. Красноярск: Сибирск. гос. аэрокосм. ун-т, 2007 С. 250Ц251.
  13. Помехоустойчивость систем автоматического управления ГТД с селектором на режимах переключения каналов / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Изв. вузов. Авиационная техника. 2007. № 4. С. 44Ц47.
  14. Помехоустойчивость систем автоматического управления ГТД с селектором на режимах переключения каналов / В. И. Петунин, А. И. Фрид // Russian Aeronautics. 2007. Т. 50, № 4. С. 409Ц414. (Allerton Press, Inc. / Нью-Йорк). (Статья на англ. яз.).
  15. определение температуры газа ГТД с помощью косвенных измерений / В. И. Петунин // Russian Aeronautics. 2008. Т. 51, № 1. С. 67Ц74. (Allerton Press, Inc. / Нью-Йорк). (Статья на англ. яз.).
  16. Синтез многосвязных систем автоматического управления с селектором каналов / В. И. Петунин // Решетневские чтения: матер. ХII Междунар. науч. конф. Красноярск: Сибирск. гос. аэрокосм. ун-т, 2008. С. 300Ц301.
  17. Синтез астатического регулятора переходных режимов газотурбинного двигателя / В. И. Петунин // Решетневские чтения: матер. ХIII Междунар. науч. конф. в 2 ч. Красноярск: Сибирск. гос. аэрокосм. ун-т, 2009. Ч. 1. С. 156Ц157.
  18. Синтез адаптивного регулятора температуры газа газотурбинного двигателя / В. И. Петунин, Г. С. Валиева // Решетневские чтения: матер. ХIII Междунар. науч. конф. в 2 ч. Красноярск: Сибирск. гос. аэрокосм. ун-т, 2009.  Ч. 1. С. 158Ц159.
  19. Моделирование системы автоматического управления углом тангажа с автоматом ограничения угла атаки летательного аппарата / В. И. Петунин, Э. Ю. Абдуллина // Решетневские чтения: матер. ХIV Междунар. науч. конф. в 2 ч. Красноярск: Сибирск. гос. аэрокосм. ун-т, 2010. Ч. 2. С. 416Ц417.
  20. исследование системы автоматического управления газотурбинным двигателем с астатическим регулятором переходных режимов / В. И. Петунин // Решетневские чтения: матер. ХIV Междунар. науч. конф. в 2 ч. Красноярск: Сибирск. гос. аэрокосм. ун-т, 2010. Ч. 2. С. 418Ц419.
  21. Применение методов самоорганизации в логико-динамических системах автоматического управления газотурбинными двигателями / В. И. Петунин,  А. И. Фрид // Авиадвигатели XXI века: матер. III Междунар. науч.-техн. конф. М.: ЦИАМ, 2010. С. 765Ц768.

Диссертант                                                                В. И. Петунин

ПЕТУНИН Валерий Иванович

СИНТЕЗ Логико-динамическиХ систем

автоматического управления

ГАЗОТУРБИННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

на основе согласования и адаптации

каналов управления

Специальность: 05.13.01

Системный анализ, управление и обработка информации

(в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Подписано в печать л____ _________ 2011 г. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Таймс.

Усл. печ.л. 2,0. Усл. кр.-отт.2,0 Уч.-изд. 2,0

Тираж 100 экз. Заказ № ____

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Редакционно-издательский комплекс УГАТУ

450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям