Brevet FR2061792A1 — publié le 19710625

' 2061792 La présente invention concerne une unité de commande électronique utilisable dans un système de contrôle en circuit fermé et elle concerne plus particulièrement mais non exclusivement une unité de commande électronique utilisable dans un système de contrôle en circuit fermé pour le contrôle de la tempéra-5 ture de la tuyère d'un moteur à turbine à gaz. Selon la présente invention, l'unité de commande électronique utilisable dans un système de contrôle en circuit fermé présente une entrée conçue pour se brancher sur le système à contrôler et pour en recevoir un signal d'erreur ; un amplificateur de fonctionnement comportant un amplificateur à gain élevé, un 10 circuit d'entrée branché entre ladite entrée et la borne d'entrée de l'amplificateur à gain élevé et une sortie conçue pour se brancher au système à contrôler ; et un moyen d'avance de phase relié entre ladite entrée et la borne d'entrée de l'amplificateur à gain élevé et conçu pour envoyer un signal d'erreur additionnel à la borne d'entrée de l'amplificateur à gain élevé quand le signal d'erreur de 15 phase avancée excède une valeur prédéterminée. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le moyen d'avance de phase comporte un circuit d'avance de phase et un amplificateur d'interrupteur différentiel dont une borne d'entrée est reliée à la sortie du circuit d'avance de phase, l'autre borne d'entrée recevant une tension de référence déterminée. 20 De préférence, le moyen d'avance de phase comprend aussi un moyen qui provoque un accroissement asymptotique du signal d'erreur additionnel ainsi produit Jusqu'à un niveau déterminé quand le signal d'erreur de phase avancée dépasse le niveau prédéterminé, ce moyen pouvant être conçu en outre pour provoquer une chute asymptotique du signal additionnel quand le signal d'erreur de 25; phase avancée tombe au-dessous du niveau prédéterminé. Les bornes de sortie de l'amplificateur d'interrupteur différentiel peuvent également être reliées à un moyen destiné à charger une capacitance, la tension aux bornes de cette dernière constituant le signal d'erreur additionnel. L'invention concerne également' un système de contrôle en circuit fermé 30 comportant un moyen de commande électronique tel qu'indiqué ci-dessus. Ce système de contrôle en circuit fermé peut par conséquent être destiné à contrôler la valeur d'un paramètre de fonctionnement, par exemple la température d'une tuyère et/ou la vitesse de rotation d'un arbre d'entraînement du compresseur d'un moteur à turbine â gaz ; le signal peut comporter alors un moyen de 35 production d'un signal électrique dépendant du paramètre de fonctionnement et 70 33802 2 2061792 un moyen comparateur de signaux conçu pour recevoir ce signal électrique et un signal de référence prédéterminé et pour fournir le signal d'erreur quand la valeur dudit signal électrique dépasse la valeur du signal de référence. Le système à contrôler peut comporter un électro-aimant relié à la borne 5 de sortie de l'amplificateur de fonctionnement., cet électro-aimant étant de préférence monté dans le circuit d'alimentation en retour ("feedback") de l'amplificateur de fonctionnement. De préférence, l'électro-aimant est relié en fonctionnement à une soupape du système de circulation de combustible d'un moteur à turbine à gaz, afin 10 de réduire le débit de combustible alimentant le moteur quand la valeur dudit signal électrique dépasse la valeur du signal de référence. L'invention concerne donc en outre un moteur à turbine à gaz muni d'un système de contrôle en circuit fermé comme indiqué cî-dessus. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réa-15 lisation de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels. - la figure 1 est un schéma de masse d'un moteur à turbine à gaz comportant un système de contrôle de la température de tuyère dans lequel se trouve un moyen de commande électronique selon la présente invention ; et 20 - la figure 2 est un schéma du circuit du moyen de commande électroni que de la figure 1 . Le moteur à turbine à gaz représenté à la figure 1 comporte, en série dans le sens de l'écoulement des gaz, une entrée d'air 10, un compresseur 12, un équipement de combustion 14, une turbine 16 reliée en entraînement au com-25 presseur 12, une tuyère d'échappement des gaz 18 et un convergent de propulsion 20. L'équipement de combustion 14 est alimenté en combustible provenant d'un réservoir 21 par une unité de contrôle du débit du combustible 22 comportant une soupape 24 de réduction du débit actionnée par un électro-aimant 26. 30 Un transducteur de température 28 est monté dans la tuyère d'échappement 18 et fournit un signal électrique en courant continu dont la tension est fonction de la température (T6) des gaz d'échappement du moteur. La sortie du transducteur 28 est reliée à une entrée 30 d'un comparateur 32 dont l'autre entrée 34 est reliée à une source 35 de tension de référence. Quand la tension fournie par 35 le transducteur 28 dépasse la tension de référence de la source 35, c'est-à-dire 70 33802 3 2061792 quand la température T6 dépasse sa valeur maximale permise, le comparateur 32 donne, à sa sortie 36, un signal d'erreur T6 dont la tension est proportionnelle à la différence entre la tension de référence et celle du transducteur. La sortie 36 du comparateur 32 est reliée à l'entrée 37 d'un moyen 38 5 de commande électronique qui comporte un amplificateur de fonctionnement 40 dont l'entrée 39 est reliée à l'entrée 37 et un circuit 44 d'avance de phase dont l'entrée 42 est également reliée à l'entrée 37. L'amplificateur de fonctionnement 40 comporte un amplificateur 46 à gain élevé présentant une entrée 48 et une sortie 50, un circuit d'entrée 52 étant branché entre l'entrée 39 et l'entrée 48. La 10 sortie 50 del'amplificateur 46 à gain élevé, constitue à la fois les sorties de l'amplificateur de fonctionnement 40 et du moyen de commande électronique 38 et elle est branché à l'électro-aimant 26 pour l'exciter. Une petite résistance RI relie l'électro-aimant 26 à la terre et un circuit 54 d'alimentation en retour ("feedback") relie la jonction entre la résistance RI et l'électro-aimant 26 à 15 l'entrée 48 de l'amplificateur 46 â gain élevé, ce qui fait que l'électro-aimant 26 est intégré dans le circuit d'alimentation en retour de l'amplificateur de fonctionnement 40. La sortie 56 du circuit 44 d'avance de phase est reliée à l'une des bornes d'entrée 58 d'un dispositif 60 d'interrupteur différentiel, l'autre borne d'entrée 20 62 de ce dernier étant reliée à une source 64 de tension de référence. L'interrupteur différentiel 60 présente deux positions, la première dans laquelle il permet la mise en charge d'une capacitance Cl par l'intermédiaire d'une résistance R2 reliée â une source de tension constante 66 et la seconde dans laquelle il permet la décharge de là capacitance Cl par l'intermédiaire d'une résistance R3. 25 La capacitance Cl est également reliée, par une résistance R4, à l'en trée 48 de l'amplificateur 46 à gain élevé. En fonctionnement, si le signal d'erreur T6 augmente comparativement lentement, par exemple lors d'accélérations modérées du moteur, il est amplifié dans le moyen de commande électronique 38 par l'amplificateur du fonctionne-30 ment 40 seul de façon à exciter l'électro-aimant 28. Ce dernier est ainsi excité progressivement et amène la soupape 24 â réduire le débit de combustible dans l'équipement de combustion 14 du moteur avec une lenteur relative afin de réduire T6. Toutefois, quand la vitesse d'accroissement du signal d'erreur T6 dépasse une vitesse prédéterminée, notamment lors d'accélérations brutales du moteur, 35 la tension du signal de sortie fourni par le circuit 44 d'avance de phase dépasse 70 33802 4 2061792 la tension de la source 64 de tension de référence. Cela provoque la commutation de l'amplificateur 60 d'interrupteur différentiel, ce qui entraîne la mise en charge de la capacitance Cl par la source 66 à tension constante. La tension aux bornes de la capacitance Cl augmente donc de façon asymptotique vers la 5 tension constante déterminée de la source 66 selon une raison exponentielle inverse et cette tension croissant de façon asymptotique est appliquée comme signal d'erreur additionnel à l'entrée 48 de l'amplificateur 46 à gain élevé par l'intermédiaire de la résistance RI. L'électro-aimant 26 est donc plus rapidement excité, ce qui fait que la soupape 24 réduit plus rapidement le débit de combustible 10 alimentant l'équipement de combustion 14 du moteur, et que T6 est abaissé plus rapidement. Quand la vitesse d'accroissement du signal d'erreur T6 tombe sous la vitesse prédéterminée, l'amplificateur 60 d'interrupteur différentiel revient dans sa position initiale, amenant la capacitance Cl à se décharger de façon asymptoti-15 que jusqu'à zéro selon une raison exponentielle inverse. On notera que les constantes de temps pour le chargement et le déchargement de la capacitance Cl ne sont pas nécessairement les mêmes et peuvent être de toute valeur convenable. Le moyen de commande électronique 38 présente donc un gain accru pour élever rapidement les signaux d'erreur T6 et réduire ainsi plus rapidement le dé-20 bit de combustible à l'équipement de combustion 14 du moteur. Cela abaisse à la fois la quantité dont T6 dépasse la valeur maximale permise et le temps total durant lequel T6 dépasse cette valeur maximale permise, ce qui réduit la fatigue du moteur due aux contraintes thermiques en augmentant sa durée de vie. Un circuit typique du moyen 38 de commande électronique est représenté 25 à la figure 2. L'amplificateur 46 à gain élevé comprend un amplificateur différentiel 70 à circuit intégré conçu pour alimenter un simple amplificateur constitué par un transistor TRI branché dans une configuration d'émetteur à la masse et relié à son tour pour alimenter deux étages de transistor TR2,TR3 à émetteur suiveur en cascade. Le gain de l'amplificateur différentiel 70 est suffisamment éle-30 vé pour la totalité du gain de l'amplificateur de fonctionnement 40 pour en être pratiquement indépendant. Une entrée de l'amplificateur différentiel 70 constitue l'entrée 48, tandis que l'autre entrée 48a est mise à la terre. Deux diodes D1,D2 placées en opposition sont montées en parallèle entre les entrées 48,48a de façon à bloquer la tension à l'entrée 48 à environ 0,7 volt d^fa masse. 35 Le dispositif 60 de commutation différentielle comporte également un 70 33802 5 2061792 amplificateur différentiel 72 à circuit intégré qui est monté pour alimenter un étage TR4 d'émetteur-suiveur qui est à son tour destiné â charger la capacitante Cl par l'intermédiaire de la résistance R2. La capacitance Cl se décharge à travers la résistance R3. Deux diodes D3, D4 montées en opposition sont branchées 5 en parallèle entre les entrées 58,62 afin de bloquer la tension à l'entrée 58 à environ 0,7 volt de la tension à l'entrée 62. Le circuit dlavance de phase 44 est de type simple et comporte une capacitance C2 et des résistances R5 et R6. Le circuit d'entrée 52 et le circuit 54 d'alimentation en retour de l'amplificateur de fonctionnement 40 sont constitués 10 d'éléments passifs et sont choisis pour donner à l'amplificateur de fonctionnement la réponse demandée en amplitude et en fréquence. On comprendra que l'on pourrait modifier le moyen de commande électronique décrit. Par exemple,la charge envoyée par l'amplificateur de fonctionnement 40 peut ne pas être incluse dans son circuit d'alimentation en retour, 15 tandis que tout type convenable d'amplificateur à gain élevé peut remplacer l'amplificateur 70. Le dispositif de commutation différentiel 60 pourrait également comporter un amplificateur différentiel conçu pour alimenter un relais commutateur. On comprendra également que le moyen de commande électronique dé-20 crit ci-dessus peut être utilisé dans des types de systèmes de contrôle en circuit fermé autres que les systèmes de contrôle de température des tuyères d'évacuation du gaz d'un moteur à turbine â gaz. En outre, le moyen de commande électronique peut être utilisé pour le contrôle de plusieurs paramètres, tels par exemple que la température des tuyères d'échappement et la vitesse de rotation de l'arbre 25 d'entrafnement du compresseur, en branchant simultanément un circuit de "gains maximaux" en série avec l'entrée 30 du comparateur 32. Dans ce cas, les signaux électriques dépendant des paramètres a contrôler seraient ënvoyés aux entrées correspondantes du circuit de "gains maximaux", seul le plus grand d'entre eux ou maximal étant transmis à la sortie du circuit. Un simple circuit â 30 "gains maximaux" comporte une pluralité de diodes, chacune d'elles étant branchée entre chaque entrée et une résistance commune. L'entrée la plus élevée en avant polarise sa propre diode et l'entrée inverse polarise l'autre ou les autres diodes. 70 33802 6 2061792 REVENDICATIONS 1 . Unité de commande électronique utilisable dans un système de contrôle en circuit fermé caractérisé en ce qu'il comporte : une entrée conçue pour recevoir un signal d'erreur du.système à contrôler ; un moyen amplificateur de fonctionnement comprenant un amplificateur â gain élevé, un circuit d'entrée reliant ladite entrée à l'entrée de P amplificateur à gain élevé, et une sortie conçue pour être branchée sur le système à contrôler ; un moyen d'avance de phase monté entre ladite entrée et l'entrée de l'amplificateur & gain élevé et conçu pour envoyer un signal d'erreur additionnel & l'entrée de l'amplificateur à gain élevé quand le signal d'erreur de phase avancée dépasse une valeur prédéterminée. 2 „ Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d'avance de phase comporte un circuit d'avance de phase et un amplificateur de commutateur différentiel ayant une entrée reliée à la sortie du circuit d'avance de phase et l'autre entrée adaptée pour recevoir une tension de référence constante déterminée. 3„ Unité selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen d'avance de phase comporte en outre, un moyen provoquant un accroissement asymptotique du signal d'erreur additionnel produit jusqu'à un niveau déterminé quand le signal d'erreur de phase avancée dépasse le niveau prédéterminé. 4. Unité selon la revendication 3 caractérisée en ce que le moyen provoquant l'accroissement asymptotique du signal d'erreur est conçu en outre pour provoquer une chute asymptotique du signal additonnel quand le signal d'erreur de phase avancée tombe au-dessous du niveau prédéterminé. 5» Unité selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 prises isolément caractérisée en ce que la sortie de l'amplificateur de commutateur différentiel est reliée à un moyen pour mettre en charge une capacitance, la tension aux bornes de cette dernière constituant le signal d'erreur additionnel. 6. Système de contrôle en circuit fermé caractérisé en ce qu'il comporte un système de commande électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes prises séparément. 7. Système de contrôle en circuit fermé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il est conçu pour contrôler la valeur d'un paramètre de fonctionnement, tel que la température delà tubulure d'évacuation des gaz et/ou la vi 70 33802 7 2061792 tesse de rotation d'un arbre d'entramement de compresseur d'un moteur â turbine à gaz. 8. Système de contrôle selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend un moyen produisant un signal électrique qui est fonction du paramètre de fonctionnement et un moyen comparateur de signaux destiné à recevoir ledit signal électrique et un signal de référence prédéterminé et conçu pour fournir un signal d'erreur quand la valeur dudit signal électrique dépasse la valeur du signal de référence. 9. Système de contrôle selon l'une quelconque des revendications 6,7 ou 8 prises séparément, caractérisé en ce que le système à contrôler comprend un électro-aimant relié à la sortie de l'amplificateur de fonctionnement. 10. Système de contrôle selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'électro-aimant est monté dans le circuit d'alimentation en retour de l'amplificateur de fonctionnement. 11. Système de contrôle selon les revendications 9 ou 10 prises séparément caractérisé en ce que l'électro-aimant est relié en fonctionnement à une valve du système de circulation du combustible d'un moteur à turbine à gaz, afin de réduire le débit de combustible alimentant le moteur quand la valeur du signal électrique dépasse la valeur du signal de référence. 12. Moteur à turbine â gaz caractérisé en ce qu'il comporte un système de contrôle en circuit fermé selon l'une quelconque des revendications 6 â 12 prises séparément.