Brevet FR2283323A1 — publié le 19760326

La présente invention a pour objet un dispositif de régulation tachymétrique perfectionné destiné à équiper un moteur à turbine à gaz ou turboréacteur alimenté en carburant à un débit variable et comprenant un corps rotatif tournant à un régime variable. Les caractéristiques de réponse d'un moteur à turbine à gaz monté sur un avion sont variables en fonction du point de fonctionnement de ce moteur, donc en fonction des conditions de vol. C'est ainsi, par exemple, que la variation de poussée ou de régime obtenue à partir d'une variation du débit de carburant injecté dans le moteur n'est pas la même selon que I'avion, sur lequel est monté ce moteur, vole à faible altitude ou forte altitude, faible vitesse ou forte vitesse, etc... De même, si l'on fait varier brutalement, à un instant donné, le débit de carburant injecté dans le moteur, la nouvelle poussée ou le nouveau régime du moteur ne pas instantanément, mais seulement après un certain temps qui dépend, lui aussi, des conditions de vol. Dans le cas, qui sera considéré plus spécialement ciaprès, d'un moteur à turbine à gaz dans lequel le régime N est piloté par action sur le débit O de carburant, on peut définir pour ce moteur, d'une part, un gain G et, d'autre part, une constante de temps T. Le gain t est égal au rapport tL N , N une une variation Q du étant la variation de régime corrélative à débit de carburant. La constante de temps T est égale au temps mis par le régime pour atteindre environ les 2/3 - ou plus exactement, la fraction (t - 1) - de sa nouvelle valeur, à la suite d'une variation bru e tale du débit de carburant. Pour un moteur donné, le gain G et la constante de temps T sont tous deux fortement variables suivant le point de fonctionnement du moteur. C'est ainsi, par exemple, qu'en altitude, les valeurs du gain et de la constante de temps sont beaucoup plus fortes qu'au sol. Si l'on équipe un moteur à turbine à gaz d'un dispositif de régulation tachymétrique classique et si l'on considère la chaîne de régulation constituée par l'ensemble formé par ledit dispositif de régulation et le moteur, on constate qu'il est impossible d'obtenir, pour cette chaîne, des performances transitoires globales (dépassement transitoire, temps de réponse, fréquence propre) invariantes quelles que soient les conditions de vol, puisque cette chaîne est composée, d'une part. d'un élément (le dispositif-de régulation) à caractéristiques de réponse fixes, et, d'autre part, d'un élément (le moteur) à caractéristiques de réponse variables. Il en résulte que le dispositif de régulation, s'il est adapté pour conférer au moteur des performances optimales pour un point de fonctionnement donné, risquera au contraire d'être mal adapté pour d'autres points de fonctionnement. Par- exemple, dans certains cas défavorables (en particulier, en altitude), la stabilité de la chaîne ne pourra être obtenue avec une marge suffisante qu'au détriment des performances dans les autres cas (en particulier, au sol). La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, par la mise en oeuvre de moyens qui réalisent l'adaptation permanente et exacte du dispositif de régulation au moteur, quelles que soient les conditions de fonctionnement de ce dernier. L'idée qui est à la base de la présente invention repose sur la constatation que, si le gain et la constante de temps d'un moteur à turbine à gaz sont tous deux fortement variables dans le domaine de fonctionnement de ce dernier, par contre le rapport T G de ces deux paramètres est sensiblement constant (avec une approxi- mation de l'ordre de 10%), quelles que soient les conditions de vol. Le moteur peut donc être considéré, de ce point de vue, comme un système à un seul paramètre variable de façon indépendante. Comme on le verra, cette constatation conduit à une simplification radicale des moyens qui réalisent l'adaptation du dispositif de régulation. L'invention part d'un dispositif de régulation d'un type connu comprenant - un détecteur d'écart qui délivre un signal d'erreur fonction de la différence (N - No) entre la valeur instantanée N du régime du mo teur et une valeur demandée No, - un réseau correcteur qui élabore, à partir dudit signal d'erreur, un signal d'erreur-corrigé, ledit réseau correcteur comprenant un circuit dérivateur qui délivre un signal d'accélération fonction de la dérivée dN dudit régime par rapport au temps, et dt - un doseur sensible audit signal d'erreur corrigé et qui permet de faire varier, en fonction de ce signal, le débit Q de carburant alimentant le moteur. Suivant l'invention, le réseau correcteur d'un tel dispo sitif de régulation comprend, en combinaison - un premier amplificateur qui, à partir du signal d'erreur en prove nance dudit détecteur d'écart, délivre un signal d'erreur modifié, ledit amplificateur étant à gain réglable, - des moyens pour élaborer un signal fonction du gain variable G du moteur, - un dispositif de réglage de gain, sensible audit signal fonction du gain du moteur, etl-agencé de manière à régler le gain dudit premier amplificateur de façon que ce gain soit toujours égal à l'inverse G1 du gain du moteur, G - un deuxième amplificateur qui, à partir du signal d'accélération précité, délivre un signal d'accélération modifié, ledit amplifi cateur étant à gain constant préalablement ajusté pour être égal à la valeur (sensiblement constante, comme on l'a vu plus haut, pour un moteur donné) du rapport T entre la constante de temps G et le gain dudit moteur, et - un dispositif sommateur qui, à partir des signaux modifiés délivrés par lesdits premier et deuxième amplificateurs, délivre un signal de sortie fonction de la somme de ces deux signaux modifiés et constituant le signal d'erreur corrigé appliqué au doseur de débit de carburant. Suivant un mode d'exécution, les moyens pour élaborer un signal fonction du gain G du moteur, comprenant un modèle analogique asservi au moteur et qui, à partir de deux signaux d'entrée fonction respectivement du débit Q de carburant et du régime N du moteur, élabore un signal de sortie fonction de la valeur instantanée dudit gain. Suivant un autre mode d'exécution, les moyens pour élaborer un signal fonction du gain G du moteur, comprennent un générateur de fonction programmé de manière à contenir en mémoire la fonction G = f(N) - préalablement déterminée expérimentalement - qui exprime la relation existant, pour le moteur considéré, entre le gain et le régime, ledit générateur de fonction élaborant, à partir d'un signal d'entrée fonction du régime N du moteur, un signal de sortie fonction du gain G dudit moteur. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant des dessins que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. Sur les dessins - la figure 1 montre schématiquement un moteur à turbine à gaz équi pé d'un dispositif de régulation tachymétrique agissant sur le débit de carburant qui alimente ledit moteur, - la figure 2 est un diagramme fonctionnel de l'ensemble constitué par le moteur et un dispositif de régulation tachymétrique adapté suivant un premier mode d'exécution de l'invention, - la figure 3 est un diagramme fonctionnel analogue à celui de la figure 2, montrant un dispositif de régulation tachymétrique adapté suivant un deuxième mode d'exécution de l'invention, - la figure 4 est un diagramme fonctionnel simplifié illustrant le principe mis en oeuvre dans l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à turbine à gaz ou turboréacteur, désigné par le repère 1, destiné à être monté sur un avion. Ce moteur comprend, notamment, un com -presseur 2, une chambre de combustion 3, une turbine de détente 4, et une tuyère de propulsion 5. Le rotor du compresseur et celui de la turbine constituent ensemble un corps rotatif 6 dont la vitesse de rotation ou régime, désignée par N, peut être détectée au moyen d'un capteur 7, tel qu'une génératrice tachymétrique. La chambre de combustion 3 du moteur est alimentée en carburant en provenance d'une source 8, par un conduit 9 dans lequel est intercalée une pompe de mise en pression 10. Le débit de carburant a été désigné par Q. A ce moteur est associé un dispositif de régulation tachymétrique, désigné par le repère général 11, comprenant notamment un doseur 12 permettant de faire varier le débit Q de carburant alimentant le moteur. Ce dispositif de régulation réagit à un certain nombre de signaux d'entrée comprenant, notamment, un sig-nal fonction de la valeur instantanée (détectée par le capteur 7) du régime du moteur, un signal N fonction d'une valeur demandée pour ce régime, affichée par une manette de commande 13 à la disposition du pilote, et éventuellement un signal fonction du débit Q de carburant détecté par un capteur 14 intercalé dans le conduit 9. Comme on l'a vu plus haut, on..peut définir pour un tel moteur, un gain G = étant la variation de régime corrélative à une variation22 Q du débit de carburant), et une constante de temps T qui est égale au temps mis par le régime pour atteindre les 2/3 de sa nouvelle valeur, à la suite d'une variation brutale du débit de carburant. Ce gain et cette constante de temps sont, tous deux, fortement variables suivant le point de fonctionnement du moteur. Par contre, pour un moteur donné, le rapport de ces deux paramètres peut être considéré comme sensiblement constant dans tout le domaine de fonctionnement de ce moteur. Cette dernière remarque est essentielle dans le cadre de la présente invention. On décrira maintenant, en regard de la figure 2, un premier mode d'exécution de moyens permettant de réaliser l'adaptation permanente et exacte du dispositif de régulation Il au moteur 1 quelles que soient les conditions de fonctionnement de ce dernier. Le dispositif de régulation 11 représenté à la figure 2 comprend un détecteur d'écart 20 constitué, par exemple, par un amplificateur différentiel qui, à partir des signaux N (fonction de la valeur instantanée du régime du moteur) et N (affiché par la o manette de commande 13), délivre un signal d'erreur de régime fonction de la différence (N - No). Un réseau correcteur 21, qui sera décrit plus loinen détail, élabore, à partir du signal d'erreur (N - N ), un signal d'erreur corrigé auquel le doseur 12 est sensible en vue de faire varier, en fonction de ce signal, le débit Q de carburant alimentant le moteur. Le réseau correcteur 21 comprend un circuit dérivateur 22 qui délivre un signal d'accélération fonction de la dérivée dN dT du régime par rapport au temps, et dont la mise en oeuvre permet de compenser, dans une certaine mesure, la lenteur de réaction du moteur en autorisant, en régime transitoire, l'envoi d'un débit de carburant supérieur à celui qui serait théoriquement nécessaire pour atteindre le nouveau point de fonctionnement. Le réseau correcteur 21 comprend également un premier amplificateur 23 de gain A qui, à partir du signal d'erreur (N - N ) o en provenance du détecteur d'écart 20, délivre un signal d'erreur modifié, un deuxième amplificateur 24 de gain 3 qui, à partir du signal d'accélération HN en provenance du circuit dérivateur 22, dt délivre un signal d'accélération modifié, ainsi qu'un dispositif sommateur 25 (par exemple, un amplificateur-sommateur) qui, à partir des signaux modifiés en provenance des deux amplificateurs 23 et 24 délivre un signal de sortie fonction de la somme de ces deux signaux modifiés. Ce signal de sortie - qui constitue le signal d'erreur corrigé dont il a été question plus haut - est appliqué, après amplification dans un amplificateur de puissance 26, à dn dispositif de commande 27 (par exemple, un actuateur électrohydraulique) du doseur 12. Le réseau correcteur 21 comprend, en outre, des moyens permettant d'élaborer en permanence un signal fonction du gain variable G du moteur 1. Dans le mode d'exécution représenté à la figure 2, ces moyens comprennent un modèle analogique 28 asservi au moteur et qui, à partir de deux signaux d'entrée fonction respectivement du débit Q de carburant (détecté en 14, voir figure 1) et du régime N du moteur, élabore un signal de sortie fonction de la valeur instantanée dudit gain. L'amplificateur 23, qui peut entre, par exemple, un simple potentiomètre, est du type à gain réglable. Il est équipé, à cet effet, d'un dispositif de réglage de gain 23a (qui, dans le cas d'un amplificateur du type à potentiomètre, agit sur le curseur de ce dernier) permettant de faire varier, en fonctionnement, le gain A de cet amplificateur. Le dispositif de réglage de gain 23a est sensible au signal fonction du gain variable G du moteur, et il est agencé de manière à régler continuellement le gain de l'amplificateur 23 de fa con que ce gain A soit toujours égal à l'inverse l du gain dudit G moteur. L'amplificateur 23 délivre donc, à partir du signal d'erreur (N - No), un signal d'erreur modifié A(N - N ) = G - N ). L'amplificateur 24, qui peut, lui aussi, être un simple potentiomètre, est du type à gain constant. Le gain B de cet amplificateur est ajusté au préalable (par exemple, dans le cas d'un amplificateur du type à potentiomètre, par action sur le curseur de ce dernier), lors de la mise au point initiale du réseau correcteur 21, pour être égal à la valeur, sensiblement constante, du rapport T entre la constante de temps et le G gain du moteur considéré. L'amplificateur 24 délivre donc, à partir du signal d'ac célération dN, un signal d'accélération modifié dN = I.d. dt dt = G dt Le signal d'erreur corrigé, appliqué au doseur 12 est constitué par la somme des signaux modifiés en provenance des deux amplificateurs 23 et 24 et il est, par conséquent, donné par l'ex- pression dN - T ) + B . dN A(N - N) + B . dN = - (N - N ) + T o dt G o G dt Le mode d'exécution de la figure 3 ne diffère de celui de la figure 2 que par la nature des moyens employés pour élaborer ler signal fonction du gain G du moteur. Dans le cas de la figure 3, ces moyens comprennent un générateur de fonction 128 programmé de manière à contenir en mémoire la fonction G = f(N), préalablement déterminée expérimentalement, qui exprime la relation existant, pour le moteur 1 considéré, entre le gain G et le régime N dudit moteur. Le générateur de fonction 128 peut donc élaborer, à partir d'un signal d'entrée fonction du régime N du moteur, un signal de sortie fonction du gain G dudit moteur et qui est appliqué au dispositif de réglage de gain 23e de l'amplificateur 23. On donnera maintenant, en regard du diagramme fonctionnel de la figure 4, la justification théorique du choix particulier des' gains respectifs A et B des ampIificateurs 23 et 24. Du point de vue dynamique, le moteur à turbine à gaz 1 peut être considéré comme un système du premier ordre dont la fonction de transfert, en transformées de Laplace, est donnée par ltex- pression G , dans laquelle G et T sont respectivement le gain et la constanteTPde temps du moteur, et p la variable complexe de Laplace. Toujours en transformées de Laplace, la fonction de transfert de l'amplificateur 23 est égale à A, tandis que celle du réseau dérivé (comprenant le circuit de dérivation 22 et l'amplificateur 24) est égale à Bp. On désignera, enfin, par D(p) la fonction de transfert du doseur 12. La fonction de transfert en boucle ouverte (FTBO) de l'ensemble constitué par le moteur 1 et le dispositif de régulation 11 peut alors s'écrire FTBO = (A + Bp) . I)- (p) . G i + Tp d'où, après transformation FTBO = 1 t B Tp G G On voit donc que, si l'on réalise simultanément les condi tions A = 1 et B = m, on obtient une valeur fixe pour la fonction r G de transfert de l'ensemble 1- L'ensemble (moteur + dispositif de régulation) présente alors des performances identiques dans tout le domaine de fonctionnement du moteur. On réalise ainsi l'adaptation permanente et exacte de ce dispositif de régulation au moteur, pour toutes les conditions de vol. En raison du fait que T est sensiblement constant dans G tout le domaine de fonctionnement du moteur, l'identification B = T peut être effectuée une fois pour toutes lors de la mise au point G initiale du réseau correcteur 21. il suffit alors, pour réaliser le reste de l'adaptation désirée, d'effectuer uniquement l'identifica- tion A = GS ce qui s'obtient par action sur un seul organe (l'amplificateur 23) du dispositif de régulation et ne nécessite la détermination que du seul paramètre G, d'où une simplification radicale des moyens qui réalisent l'adaptation. On notera que cette adaptation peut être réalisée en temps réel et qu-'elle peut donc être très précise, ce qui ne serait pas possible si l'on devait déterminer séparément G et T. En effet, s'il est possible de déterminer le gain G du moteur (par exemple, au moyen du modèle analogique 28 représenté à la figure 2), il est, par contre, nécessaire, pour déterminer la-constante de temps T de ce moteur, de disposer d'un temps nettement supérieur à cette constante de temps. Dans ce cas, seule resterait possible une adaptation différée, beaucoup moins exacte que l'adaptation en temps réel permise par l'invention. Par contre, suivant l'invention, du fait que T est connu G et constant, tout se passe comme si, connaissant G, on en déduisait immédiatement T par une simple division. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. C'est ainsi, par exemple, que les divers composants du dispositif de régulation 11, au lieu d'être du type électrique ou élec tronique, pourraient être de type hydraulique, pneumatique ou fluidique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation tachymétrique destiné à un moteur à turbine à gaz alimenté en carburant à un débit variable Q, ledit moteur comprenant un corps rotatif tournant à un régime variable N fonction dudit débit de carburant, ledit moteur présentant, en fonctionnement, d'une part, un gain N N étant la variation de régime corrélative à une variante du débit de carburant, et, d'autre part, une constante de temps T égale au temps mis par le régime pour atteindre les 2/3 de sa nouvelle valeur à la suite d'une variation brutale du débit de carburant, ledit gain G et ladite constante de temps T étant tous deux variables dans le domaine de fonctionnement du moteur, ledit dispo sitif de régulation étant du type-comprenant - un détecteur d'écart qui délivre un signal d'erreur fonction de la différence (N - N ) entre la valeur instantanée N dudit régime et une valeur demandée N o - un réseau correcteur qui élabore, à partir dudit signal d'erreur, un signal d'erreur corrigé, ledit réseau correcteur comprenant un circuit dérivateur qui délivre un signal d'accélération fonction de la dérivée don dudit régime par rapport au temps; et dt - un doseur sensible audit signal d'erreur corrigé et qui permet de faire varier, en fonction de ce signal, le débit Q de carburant alimentant le moteurs ledit dispositif de régulation étant caractérisé en ce que son réseau correcteur comprend : - un premier amplificateur qui, à partir du signal d'erreur en pro venance dudit détecteur d'écart, délivre un signal d'erreur modi fié, ledit amplificateur étant à gain réglable - des moyens pour élaborer un signal fonction du gain variable G du moteur;; - un dispositif de réglage de gain, sensible audit signal fonction du gain du moteur, et agencé de manière à régler le gain dudit premier amplificateur de façon que ce gain soit toujours égal à l'inverse G du gain du moteur, G - un deuxième amplificateur qui, à partir dudit signal d'accéléra tion, délivre un signal d'accélération modifié, ledit amplifica teur étant à gain constant préalablement ajusté pour être égal à la valeur, sensiblement constante pour un moteur donné, du rapport entre la constante de temps et le gain dudit moteur; et G - un dispositif sommateur qui, à partir des signaux modifiés délivrés par lesdits premier et deuxième amplificateurs, délivre un signal de sortie fonction de la somme de ces deux signaux modifiés-et constituant ledit signal d'erreur corrigé. 2. Dispositif de régulation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour élaborer un signal fonction du gain G-du moteur comprennent un modèle analogique asservi au moteur et qui, à partir de deux signaux d'entrée fonction respectivement du débit Q de carburant et du régime N du moteur, élabore un signal de sortie fonction de la valeur instantanée dudit gain. 3. Dispositif de régulation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour élaborer un signal fonction du gain G du moteur, comprennent un générateur de fonction programmé de manière à contenir en mémoire la fonction G = f(N) - préalablement déterminée expérimentalement - qui exprime la relation existant, pour le moteur considéré, entre le gain et le régime, ledit générateur de fonction élaborant, à partir d'un signal d'entrée fonction du régime N du moteur, un signal de sortie fonction du gain G dudit moteur.