ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
NOISE-IMMUNE SELF-TUNING OF GAS TURBINE ENGINE GAS TEMPERATURE METER

Изобретение относится к области систем измерения температуры газа газотурбинного двигателя (ГТД).
Известно самонастраивающееся устройство для измерения температуры, содержащее основной и вспомогательные термопреобразователи, подключенные соответственно к основному и вспомогательному корректирующим звеньям, блок сравнения, входы которого соединены с выходом основного термопреобразователя и выходом вспомогательного корректирующего звена, а выход подключен к исполнительному органу, выходы которого подключены к управляющим входам корректирующих звеньев [Шукшунов В.Е. Корректирующие звенья в устройствах измерения нестационарных температур. М., Энергия, 1970, с. 97, рис. 62].
Недостатками этого устройства являются низкая динамическая точность и плохая помехоустойчивость.
Существует также другое самонастраивающееся устройство для измерения быстроизменяющихся температур, содержащее последовательно соединенные термопреобразователь, второй сумматор, первый дифференциатор, первый блок умножения, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, выходом которого является значение, последовательно соединенные блок косвенного определения температуры, блок сравнения, вторым входом которого является выходное значение с первого сумматора, второй дифференциатор, второй блок умножения, второй вход которого является выходом первого дифференциатора, интегрирующий усилитель, выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные фильтр, входом которого является выход второго дифференциатора, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора. В этом устройстве самонастройка осуществляется по сигналу с выхода устройства и сигналу от блока косвенного определения температуры [Кудрявцев А.В., Петунин В.И., Шаймарданов Ф.А. О повышении динамической точности определения температуры газов за турбиной газотурбинного двигателя. - Тезисы докл. Всесоюзной научн. конференции Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов, т. 2, Харьков, 1980, с. 50].
Однако данное устройство обладает невысоким качеством переходных процессов подстройки постоянной времени корректирующего звена при различных начальных условиях. Кроме того, устройство обладает низкой помехоустойчивостью, что отрицательно сказывается на качестве процессов измерения температуры.
Термопару можно рассматривать как инерционное звено с передаточной функцией [Черкасов Б.А. Автоматика и регулирование воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1988. - 360 с., Интегральные системы автоматического управления силовыми установками самолетов / Под ред. А.А. Шевякова. - М.: Машиностроение, 1983. - 283 с.]:
,
т
где K - коэффициент передачи термопары;
т
Т - постоянная времени термопары.
т
г
С изменением режима работы ГТД и условий полета постоянная времени термопары Т изменяется в соответствии с изменением расхода обтекающего ее газа G:
тр
гр
, где T и G - расчетные значения.
Для обычных экранированных термопар с протоком газа, устанавливаемых на ГТД, постоянная времени в стартовых условиях находится в пределах (1,5…4) с.
Для компенсации динамической погрешности термопары в цепь измерения после термопары необходимо ввести последовательный компенсатор инерционности термопары (КИТ) с передаточной функцией:
,
к
где K - коэффициент передачи КИТ;
т
Т - постоянная времени КИТ;
к
к
τ<<Т.
Тогда передаточная функция всего измерителя температуры:
,
и
т
к
где K=KK.
При компенсации динамической погрешности термопары, близкой к идеальной
к
т
(Т=Т), получим
и
где K - коэффициент передачи измерителя;
к
τ - постоянная времени КИТ.
к
т
к
т
В других случаях будет или недокомпенсация (Т<Т), или перекомпенсация (Т>Т), причем недокомпенсация приводит к забросу температуры газа, а перекомпенсация - к недобору тяги в замкнутой САУ ГТД во время переходных процессов.
к
Выполнение условия (1) на различных режимах ГТД и при разных условиях полета возможно только за счет изменения Т в самонастраивающемся измерителе температуры газа.
При построении самонастраивающихся измерителей температуры газа используются косвенные измерения различных параметров ГТД.
Рассмотрим самонастраивающееся устройство для измерения быстроизменяющихся параметров [Кудрявцев А.В., Шаймарданов Ф.А., Фрид А.И., Рыжов И.Д. Самонастраивающееся устройство для измерения быстроизменяющихся температур, Авторское свидетельство №1122904].
Устройство содержит последовательно соединенные термопреобразователь 1, второй сумматор 9, первый дифференциатор 2, первый блок 3 умножения, первый сумматор 4, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 9, выходом которого является значение  ( - значение температуры на выходе корректирующего звена), последовательно соединенные блок 7 косвенного определения температуры, блок 5 сравнения, вторым входом которого является выходное значение с первого сумматора 4, второй дифференциатор 10, второй блок 11 умножения, второй вход которого является выходом первого дифференциатора 2, интегрирующий усилитель 6, выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения 3, последовательно соединенные фильтр 8, входом которого является выход второго дифференциатора 10, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора 9.
k
Устройство формирует значение T по закону:
где λ - постоянная величина;
- производная по времени сигнала  на выходе термопреобразователя;
- производная величины , где  - значение сигнала, вырабатываемого блоком косвенного определения температуры.
k
Блок сравнения 5 по сигналам с выхода блока 7 косвенного определения температуры  и выхода сумматора 4, который является одновременно и выходом устройства, формирует сигнал рассогласовании . После дифференцирования во втором дифференциаторе 10 сигнал  умножается в блоке 11 на сигнал , поступающий с выхода дифференциатора 2, и далее поступает на вход интегрирующего усилителя 6 с коэффициентом усиления λ. С выхода усилителя 6 сигнал T, пропорциональный величине (2), подается на вход блока 3 умножения, при этом постоянная времени корректирующего звена устанавливается равной постоянной времени термопреобразователя.
Выходной сигнал  формируется сумматором 4 по сигналам с выхода первого блока 3 умножения и с выхода второго сумматора 9.
При использовании устройства для измерения температуры газа ГТД в системе автоматического регулирования заброс по температуре газа уменьшается почти в 3 раза, что позволяет более точно выходить на установившийся режим работы ГТД [Кудрявцев А.В., Шаймарданов Ф.А., Фрид А.И., Рыжов И.Д. Самонастраивающееся устройство для измерения быстроизменяющихся температур, Авторское свидетельство №1122904].
Наиболее близким по достигаемому техническому результату, выбранным за ближайший аналог является самонастраивающийся измеритель температуры газа ГТД, построенный по принципу замкнутых самонастраивающихся систем (СНС) с эталонной моделью, где в качестве эталонной модели используется модель ГТД по каналу температуры газа ; ДТ - датчик температуры; Д - дифференциатор; БУ - блок умножения; НП - нелинейный преобразователь; И - интегратор. [Петунин В.И. Определение температуры газа ГТД с помощью косвенных измерений // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. №1. - С. 51-55]. В предложенной схеме используется МТ-модель температуры газа, описываемая, например, в [Гуревич О.С., Гольберг Ф.Д. Интегрированное управление силовой установкой многорежимного самолета / О.С. Гуревич, Ф.Д. Гольберг, О.Д. Селиванов. Под общ. ред. О.С. Гуревича. - М.: Машиностроение, 1994. - 304 с.].
Для данного измерителя используется следующий алгоритм цепи самонастройки:
2
к1
2
к1
к
к2
к
к1
к2
Для повышения динамической точности измерителя в рассмотренной СНС наряду с замкнутым контуром самонастройки используется также разомкнутый контур самонастройки постоянной времени корректирующего звена по частоте вращения ротора высокого давления n (через НП, в соответствии с зависимостью T от n, получается приближенное значение постоянной времени корректирующего звена T). Более точная подстройка постоянной времени корректирующего звена T осуществляется с помощью постоянной времени T в контуре подстройки, т.е. постоянная времени корректирующего звена является суммой двух значений Т=T+T.
Недостатком рассматриваемых измерителей температуры газа ГТД [Кудрявцев А.В., Шаймарданов Ф.А., Фрид А.И., Рыжов И.Д. Самонастраивающееся устройство для измерения быстроизменяющихся температур, Авторское свидетельство №1122904, Петунин В.И. Определение температуры газа ГТД с помощью косвенных измерений // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. №1. - С. 51-55, рисунок 1] является низкая помехоустойчивость, так как наличие двух дифференциаторов приводит к возникновению дополнительных помех в схемах.
В качестве прототипа рассмотрим измеритель [Петунии В.И. Определение температуры газа ГТД с помощью косвенных измерений // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. №1. - С. 51-55, рисунок 1].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является построение такого измерителя, который не уступает по качеству переходных процессов аналогичным измерителям температуры газа ГТД, но обладает более высокой помехоустойчивостью, чем известные аналоги.
Техническим результатом является повышение помехоустойчивости измерителя температуры газа ГТД.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в помехоустойчивом самонастраивающемся измерителе температуры газа газотурбинного двигателя, содержащем последовательно соединенные датчик температуры газа, дифференциатор, первый блок умножения и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры газа, последовательно соединенные датчик частоты вращения ротора высокого давления, блок нелинейных преобразований и второй сумматор, выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные датчик частоты вращения ротора низкого давления, модель температуры газа, элемент сравнения, второй блок умножения и интегратор, выход датчика частоты вращения ротора высокого давления подключен ко второму входу модели температуры газа, выход датчика температуры окружающей среды подключен к третьему входу модели температуры газа, выход датчика давления окружающей среды подключен к четвертому входу модели температуры газа, выход первого сумматора подключен ко второму входу элемента сравнения, в отличие от прототипа дополнительно введены первое пропорциональное звено, вход которого соединен с выходом дифференциатора, а выход подключен ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второе пропорциональное звено, вход которого соединен с выходом второго блока умножения и третий сумматор, второй вход которого соединен с выходом интегратора, а выход подключен ко второму входу второго сумматора.
Существо схемы поясняется чертежами.
т
т
На фиг. 1 представлена блок-схема измерителя температуры газа газотурбинного двигателя; на фиг. 2, фиг. 3 - результаты моделирования переходных процессов прототипа и предлагаемого измерителя при различных постоянных времени термопары (T=5 с на фиг. 2 и T=1 с на фиг. 3). Из фиг. 2, фиг. 3 видно, что схема предложенного измерителя температуры газа не уступает прототипу по качеству переходных процессов. На фиг. 4, фиг. 5 представлены результаты моделирования тех же двух измерителей при наличии помех, из которых видны преимущества предложенной схемы.
Помехоустойчивый самонастраивающийся измеритель температуры газа газотурбинного двигателя, содержащий последовательно соединенные датчик температуры газа (1), дифференциатор (2), первый блок умножения (3) и первый сумматор (4), последовательно соединенные датчик частоты вращения ротора высокого давления (5), блок нелинейных преобразований (6) и второй сумматор (7), выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения (3), последовательно соединенные датчик частоты вращения ротора низкого давления (8), модель температуры газа (9), элемент сравнения (10), второй блок умножения (11) и интегратор (12), выход датчика частоты вращения ротора высокого давления (5) подключен ко второму входу модели температуры газа (9), выход датчика температуры окружающей среды (13) подключен к третьему входу модели температуры газа (9), выход датчика давления окружающей среды (14) подключен к четвертому входу модели температуры газа (9), выход первого сумматора (4) подключен ко второму входу элемента сравнения (10), отличающийся тем, что дополнительно содержит первое пропорциональное звено (15), вход которого соединен с выходом дифференциатора (2), а выход подключен ко второму входу второго блока умножения (11), последовательно соединенные второе пропорциональное звено (16), вход которого соединен с выходом второго блока умножения (11), и третий сумматор (17), второй вход которого соединен с выходом интегратора (12), а выход подключен ко второму входу второго сумматора (7).
Предложенный измеритель температуры газа газотурбинного двигателя работает следующим образом. Рассмотрим промежуточную точку а (фиг. 1)
,
где
ε - рассогласование, равное ;
1
k - коэффициент усиления первого пропорционального звена;
- значение температуры на выходе термопары.
Тогда на выходе третьего сумматора получаем следующее:
,
где
2
k - коэффициент усиления интегратора;
3
k - коэффициент усиления второго пропорционального звена.
Таким образом, на выходе первого сумматора получаем выражение:
;
;
,
где
к1
Т - значение постоянной времени корректирующего звена, полученное схемой разомкнутой коррекции.
На выходе корректирующего контура сформировано управление значением постоянной времени корректирующего звена:
;
Алгоритм цепи самонастройки:
Так как заявляемая схема измерителя температуры газа ГТД использует только одно дифференцирующее устройство и изодромное звено в контуре самонастройки, она является более помехоустойчивой.
1
1
2
Рассмотрим предложенную схему и прототип измерителя температуры газа ГТД, с точки зрения влияния помех, возникающих на выходе дифференциатора. Пусть в предложенной схеме на выходе дифференциатора возникают помехи ƒ. В прототипе [Петунин В.И. Определение температуры газа ГТД с помощью косвенных измерений // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. №1. - С. 51-55] используется два дифференциатора, поэтому на выходе первого дифференциатора возникают помехи ƒ, на выходе второго дифференциатора помехи ƒ, описываемые равномерным законом распределения, с математическим ожиданием, равным 0, и дисперсией 0,01. При рассмотрении предполагается, что  и . Получим выражения для значения  в обоих измерителях.
Выражение для значения  в прототипе выглядит следующим образом:
Линеаризуем выражение (5):
где
- базовое значение помех на выходе первого дифференциатора;
1
Δƒ - отклонение значения помех от базового значения на выходе первого дифференциатора;
- базовое значение постоянной времени термопары в замкнутом контуре самонастройки;
к2
ΔT - отклонение величины постоянной времени термопары от базового значения в замкнутом контуре самонастройки.
к2
Выражение для значения T выглядит следующим образом:
.
После линеаризации:
где
0
ε - базовое значение величины ε;
Δε - отклонение значения величины ε от базового значения;
- базовое значение помех на выходе второго дифференциатора;
2
Δƒ - отклонение значения помех от базового значения на выходе второго дифференциатора.
Запишем выражение (7) с помощью преобразования Лапласа.
где
p - оператор дифференцирования.
Подставим выражение (8) в (6):
.
0
Так как  и , то ε=0, и .
Получим следующее выражение для :
,
.
Тогда
Выражение (9) описывает влияние помех на выходной сигнал в прототипе.
Аналогичным образом получим выражение для значения  в предложенной схеме:
Линеаризуем выражение (10) и получим выражение (11):
где
- базовое значение помех на выходе дифференциатора;
1
Δƒ - отклонение значения помех от базового значения на выходе дифференциатора;
- базовое значение постоянной времени термопары в замкнутом контуре самонастройки;
к2
ΔT - отклонение величины постоянной времени термопары от базового значения в замкнутом контуре самонастройки.
к2
Выражение для значения ΔT выглядит следующим образом:
,
,
где
0
ε - базовое значение величины ε;
Δε - отклонение значения величины ε от базового значения.
Так как рассматривается поведение системы «в малом», то заменим интеграл величиной , где p - оператор преобразования Лапласа.
Подставим выражение (12) в (11):
.
0
Так как  и , то ε=0, и .
Получим следующее выражение для :
,
.
Тогда
3
При увеличении значения коэффициента k величиной  можно пренебречь на высоких частотах (характерных для помех), тогда выражение для  (13) упростится до (14):
Выражение (14) описывает влияние помех на выходе дифференциатора на выходной сигнал в предложенной схеме.
1
3
Из сравнения (9) и (13) видно, что в предложенной схеме, чем больше значение коэффициентов k и k, тем сильнее подавляется помеха, т.е. тем больше помехоустойчивость в сравнении с прототипом.
т
т
На фиг. 2, фиг. 3 показаны переходные процессы при единичном скачке температуры газа в прототипе и предлагаемом измерителе температуры газа ГТД, при постоянной времени термопары, равной T=5 с и T=1 с, из которых видно, что качество переходных процессов предлагаемой схемы измерителя не уступает качеству прототипа. Кривая 1 - переходный процесс на выходе измерителя, соответствующий схеме [Петунин В.И. Определение температуры газа ГТД с помощью косвенных измерений // Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. №1. - С. 51-55]. Кривая 2 - переходный процесс на выходе измерителя, соответствующий предложенной схеме. Выход на заданное значение двух измерителей практически одинаковый. На установившемся режиме кривые 1 и 2 ведут себя тоже примерно одинаково.
т
т
На фиг. 4, фиг. 5 представлены результаты моделирования тех же измерителей при наличии помех, из которых видно, что предложенная схема обладает большей помехоустойчивостью, чем прототип. По кривым видно, что при воздействии помех, наиболее помехоустойчивой является предлагаемая схема (кривая 2) при постоянной времени термопары, равной T=5 с и Т=1 с.
Заключение
Таким образом, в предлагаемом измерителе, вместо двух дифференциаторов (см. прототип), используется только один дифференциатор совместно с изодромным звеном в контуре самонастройки. В результате снижается уровень помех в предлагаемом измерителе и, как следствие, повышается помехоустойчивость измерителя в целом.