ПОЛУНАТУРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к стендовым испытаниям систем автоматического управления и контроля газотурбинных двигателей (САУК ГТД).
Известен стенд для испытания топливо-регулирующей аппаратуры, содержащий насос и регулятор частоты вращения ротора двигателя (или насос-регулятор), причем в качестве силового привода применяются гидро-и электроприводы [Черкасов Б.А. Автоматика и регулирование воздушно-реактивных двигателей: Учебник для вузов по специальности «Авиационные двигатели.». - М. Машиностроение, 1988. - 360 с.].
Недостатком указанного стенда является большая масса и габариты, а также невозможность моделирования отказов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является стенд для испытаний систем автоматического управления газотурбинных двигателей, который содержит электронную систему управления, которая посредством имитаторов исполнительных механизмов (ИМ) соединена с машинной моделью ГТД, которая, в свою очередь, связана с имитаторами датчиков. Выход из блока имитаторов датчиков соединен с входом электронной системы управления. Машинная модель ГТД включает в себя интегратор, сумматор и два усилителя с коэффициентами А и В, причем, выходы данных усилителей подключены к входам общего сумматора [Абдулнагимов А.И., Арьков В.Ю. Полунатурный стенд для испытаний систем автоматического управления газотурбинных двигателей // XXXII Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах- М.: МАТИ., 2006- Т.2- с.161-162.].
Недостатком указанного стенда является невозможность моделирования отказов двигателя, исполнительных механизмов и датчиков в заданной последовательности и в заданных комбинациях.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности комплексных испытаний САУК за счет моделирования нескольких внезапных и постепенных отказов двигателя, датчиков и исполнительных механизмов.
j
j
ij
ij
ij
Поставленная задача решается с помощью полунатурного стенда для испытаний систем автоматического управления и контроля газотурбинных двигателей, включающего электронную систему управления, имитатор исполнительных механизмов, первый сумматор, первый интегратор, имитатор датчиков, причем выход электронной системы управления соединен с входом имитатора исполнительных механизмов, выход первого сумматора соединен с входом первого интегратора, выход которого соединен с входом имитатора датчиков, выход имитатора датчиков соединен с входом электронной системы управления, в отличие от прототипа дополнительно содержит усилитель с линейно нарастающими коэффициентами усиления A+ΔA(t) (где j=7...n+6), усилитель с линейно нарастающими коэффициентами усиления B+ΔB(t) (где j=7...n+6), наборное поле, представляющее собой массив k(n+10) тумблеров T (i=1...k, j=1...n+10), источник питания, k кнопок включения отказов, причем i-й вход наборного поля (где i=1...k) соединен с первыми контактами тумблеров T (где j=1...n+10), j-й выход наборного поля (где j=1...n+10) соединен с вторыми контактами тумблеров T (где i=1...k), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й, 6-й управляющие выходы наборного поля соединены с соответствующими 1-м, 2-м, 3-м, 4-м, 5-м, 6-м управляющими входами имитатора исполнительных механизмов на включение переменного короткого замыкания, постоянного короткого замыкания, движения с постоянной скоростью, переменного обрыва, постоянного обрыва и фиксации исполнительного механизма,
j
j
j
управляющие выходы с 7-го по (n+6)-й наборного поля соединены с управляющими входами усилителей A+ΔA(t) и B+ΔB(t) на включение j-го отказа двигателя (где j=1...n), (n+7)-й, (n+8)-й, (n+9)-й и (n+10)-й выходы наборного поля соединены с соответствующими управляющими входами имитатора датчиков на включение переменного короткого замыкания, постоянного короткого замыкания, переменного обрыва датчиков и постоянного обрыва датчиков, выход имитатора исполнительных механизмов соединен с входом усилителя с коэффициентами усиления B+ΔB(t), выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход первого интегратора соединен с входом усилителя с коэффициентами усиления A+ΔAj(t), выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, первые контакты k кнопок включения отказов соединены с положительной шиной источника питания, вторые контакты k кнопок включения отказов соединены с входом наборного поля, отрицательная шина источника питания заземлена.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема заявляемого стенда.
На фиг.2 представлена схема наборного поля стенда.
На фиг.3 представлена схема имитаторов исполнительных механизмов.
На фиг.4 представлен график положения ИМ u(t) при отказе, приводящем к движению механизма с постоянной скоростью до уровня ограничения.
На фиг.5 представлен график положения ИМ u(t) при отказе в виде обрыва электрической цепи, приводящем к фиксации механизма в одном положении.
На фиг.6 приведен график положения ИМ u(t)и отказе в виде короткого замыкания, приводящего к фиксации механизма в положении ограничения.
На фиг.7 представлена схема машинной модели ГТД.
На фиг.8 представлена схема имитаторов датчиков.
ij
ij
...
ij
j
j
Стенд содержит (см. фиг.1) электронную систему управления 1, имитатор исполнительных механизмов 2, усилитель с линейно нарастающими коэффициентами усиления A+ΔA(j) 3 (где j=7...n+6), усилитель с линейно нарастающими коэффициентами усиления B+ΔB(j) 4 (где j=7...n+6), первый сумматор 5, первый интегратор 6, имитатор датчиков 7, источник питания 8, наборное поле 9, представляющее собой массив k{n+10) тумблеров T (i=1...k, j=1...n+10), k кнопок включения отказов 10, причем i-и вход наборного поля 9 (где i=1...k) (см. фиг.2) соединен с первыми контактами тумблеров Т (где j=1n+10), j-й выход наборного поля (где j=1...n+10) соединен с вторыми контактами тумблеров T (где i=1...k), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й, 6-й управляющие выходы наборного поля 9 соединены с соответствующими 1-м, 2-м, 3-м, 4-м, 5-м, 6-м управляющими входами имитатора исполнительных механизмов 2 на включение переменного короткого замыкания, постоянного короткого замыкания, движения с постоянной скоростью, переменного обрыва, постоянного обрыва и фиксации исполнительного механизма, управляющие выходы с 7-го по (n+6)-й наборного поля 9 соединены с управляющими входами усилителей A+ΔA(t) 3 и B+ΔB(t) 4 на включение j-го отказа двигателя (где j=1...n), (n+7)-й, (n+8)-й, (n+9)-й и (n+10)-й выходы наборного поля 9 соединены с соответствующими управляющими входами имитатора датчиков 7 на включение переменного короткого замыкания, постоянного короткого замыкания, переменного обрыва датчиков и постоянного обрыва датчиков, выход электронной системы управления 1 соединен с входом имитатора исполнительных механизмов 2, выход имитатора исполнительных механизмов 2 соединен с входом усилителя с линейно нарастающими коэффициентами усиления B+ΔB(j) 4, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 5, выход первого сумматора 5 соединен с входом первого интегратора 6, выход первого интегратора 6 соединен с входом усилителя с линейно нарастающими
коэффициентами усиления A+ΔA(j) 3 и с входом имитатора датчиков 7, выход усилителя с линейно нарастающими коэффициентами усиления A+ΔA(j) 3 соединен с вторым входом первого сумматора 5, выход имитатора датчиков 7 соединен с входом электронной системы управления 1, первые контакты k кнопок включения отказов 10 соединены с положительной шиной источника питания 8, вторые контакты k кнопок включения отказов 10 соединены с входом наборного поля 9, отрицательная шина источника питания заземлена.
Стенд работает следующим образом.
Динамика газотурбинного двигателя моделируется с помощью системы дифференциальных уравнений в пространстве состояний
В качестве входа имитационной модели ГТД u(t) выступают массовый расход топлива и другие управляющие факторы. В качестве переменных состояния x(t) выбирают частоту вращения ротора турбокомпрессора. При этом переменные состояния одновременно являются выходными переменными.
ij
Тумблеры T (где i=1...k, j=1...n) в наборном поле 9 заранее устанавливают в состояние «замкнуто» или «разомкнуто», чтобы при выборе номера отказа вызывать соответствующие переключения в стенде и имитировать различные отказы датчиков и исполнительных механизмов (переменный и постоянный обрыв провода, переменное и постоянное короткое замыкание и исправное состояние), а также исправное состояние и различные отказы двигателя. Для включения i-го отказа нажимают соответствующую i-го кнопку включения отказа 10.
Имитатор ИМ может быть реализован следующим образом (см. фиг.3). Имитатор содержит реле 11, 12, 13, 14, 15, 16, второй сумматор 17, третий сумматор 18, источник постоянного напряжения С 19, источник постоянного напряжения D 20, первый генератор переменных сигналов 21, третий интегратор 22, блок ограничения амплитуды 23. Имитатор ИМ содержит 6 управляющих входов: «переменное короткое замыкание» 1, «постоянное
короткое замыкание» 2, «скорость» 3, «переменный обрыв» 4, «постоянный обрыв» 5 и «фиксация» 6.
При имитации работы ИМ в исправном состоянии на все управляющие входы имитатора поступают нулевые сигналы с наборного поля 9. При этом все реле с 11 по 16 замыкают первые и третьи контакты. С выхода ЭСУ 1 управляющий сигнал поступает на вход интегратора 22 через замкнутые контакты реле 12, 13, 15, а выходной сигнал интегратора 22 на вход ограничителя 23. Выходной сигнал ограничителя 23 поступает на вход машинной модели ГТД.
При имитации переменного короткого замыкания входной электрической цепи ИМ на первый управляющий вход имитатора ИМ поступает напряжение питания с наборного поля 9. Этот сигнал вызывает срабатывание реле 11, в результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 11, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае выходной переменный сигнал с первого генератора переменного сигнала 21 поступает на второй вход второго сумматора 17, при этом на первый вход второго сумматора 17 поступает нулевое напряжение (логический ноль) с наборного поля 9. В результате, с выхода второго сумматора 17 переменный сигнал поступает на управляющую обмотку реле 12, что приводит к попеременному размыканию первого и третьего контактов и замыканию второго и третьего контактов. В результате выход ЭСУ 1 периодически замыкается на «землю».
При имитации постоянного короткого замыкания входной электрической цепи ИМ на второй управляющий вход имитатора ИМ поступает напряжение питания с наборного поля 9. В этом случае на второй вход второго сумматора 17 поступает нулевой сигнал с реле 11, а на первый вход поступает постоянное напряжение. На выходе второго сумматора 17 выдается напряжение питания (логическая единица), которое поступает на управляющую обмотку реле 12. В результате производится замыкание
второго и третьего контактов реле 12, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае выходная электрическая цепь ЭСУ 1 замыкается на "землю".
При имитации движения исполнительного механизма в одну сторону с постоянной скоростью до ограничения на третий управляющий вход имитатора ИМ поступает напряжение питания с наборного поля, которое вызывает срабатывание реле 13. При этом реле 13 замыкает второй и третий контакты, а первый и третий контакты размыкаются. Остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае постоянное напряжение с источника напряжения С 19 поступает на вход третьего интегратора 22 через замкнутые контакты реле 13 и 15. На выходе третьего интегратора 22 вырабатывается сигнал, изменяющийся с постоянной скоростью. Когда этот сигнал достигает заранее заданного уровня ограничения (что соответствует крайнему положению ИМ), этот сигнал ограничивается по амплитуде в блоке ограничения амплитуды 23. Форма полученного сигнала u(t) на имитаторе представлена на фиг.4.
При имитации переменного обрыва входной электрической цепи ИМ на четвертый управляющий вход имитатора ИМ поступает напряжение питания с наборного поля. Этот сигнал вызывает срабатывание реле 14, в результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 14, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае выходной переменный сигнал с первого генератора переменного сигнала 21 поступает на второй вход третьего сумматора 18, при этом на первый вход третьего сумматора 18 поступает нулевое напряжение (логический ноль) с наборного поля 9. В результате, с выхода третьего сумматора 18 переменный сигнал поступает на управляющую обмотку реле 15, что приводит к попеременному размыканию первого и третьего контактов и замыканию
второго и третьего контактов. В этом случае на вход третьего интегратора 22 поступает выходной сигнал ЭСУ 1 чередующийся с нулем напряжения.
При имитации постоянного обрыва входной электрической цепи ИМ на пятый управляющий вход имитатора ИМ поступает напряжение питания с наборного поля 9. В этом случае на второй вход третьего сумматора 18 поступает нулевой сигнал с реле 14, а на первый вход поступает постоянное напряжение. На выходе третьего сумматора 18 выдается напряжение питания (логическая единица), которое поступает на управляющую обмотку реле 15. В результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 15, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае на вход третьего интегратора 22 поступает нулевой сигнал и его выходной сигнал остается постоянным (см. фиг.5).
Кроме этого, имеется возможность фиксации исполнительного органа в заданном состоянии, когда исполнительный механизм перестает выполнять команды регулятора. При этом на шестой управляющий вход имитатора ИМ поступает напряжение питания с наборного поля 9. Этот сигнал вызывает срабатывание реле 16, в результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 16, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае выход источника постоянного напряжения D 20 соединяется со вторым контактом реле 16. В итоге на выходе блока имитатора ИМ устанавливается постоянный выходной сигнал, который не меняется при выходе.
j
j
Машинная модель ГТД может быть реализована следующим образом (см. фиг.7). Машинная модель ГТД содержит первый сумматор 5, первый интегратор 6, усилитель с линейно нарастающими коэффициентами усиления A+ΔA(t) 3, усилитель с линейно нарастающими коэффициентами усиления B+ΔB(t) 4, и имеет n управляющих входов для включения имитации отказов двигателя с 1-го по n-ый. Усилитель с линейно нарастающими
j
1
j
1
коэффициентами усиления A+ΔA(t) 3 содержит 2n реле 25, 27, пятый сумматор 29, второй умножитель 31, источник постоянного напряжения А 33 с генераторами линейно нарастающего напряжения ΔA(t)...ΔAn(t) 36-37. Усилитель с линейно нарастающими коэффициентами усиления B+ΔB(t) 4 содержит 2n реле 24, 26, четвертый сумматор 28, первый умножитель 30, источник постоянного напряжения В 32 с генераторами линейно нарастающего напряжения ΔB(t)...ΔBn(t) 34-35.
Нормальное функционирование двигателя при отсутствии отказов имитируется с помощью четвертого сумматора 28 и пятого сумматора 29, первого умножителя 30 и второго умножителя 31, источников постоянного напряжения В 32 и А 33. Коэффициенты А и В соответствуют исправному состоянию двигателя. Все реле с 24-27 находятся в исходном состоянии, т.е. замкнуты первый и третий контакты. Второй и третий контакты реле 24-27 разомкнуты, при этом на выходе четвертого сумматора 28 получаем сигнал пропорциональный коэффициенту В, а на выходе пятого сумматора 29 -сигнал пропорциональный коэффициенту А. В результате имитационная модель двигателя определяет величину производной в соответствии с формулой .
i
i
Имитация постепенных отказов двигателя (например, постепенный износ деталей или постепенное ухудшение характеристик двигателя) производится путем постепенного изменения величины коэффициента модели за счет плавного нарастания добавок ΔА(t) и ΔB(t).
1
n
1
n
Данная модель двигателя позволяет имитировать n типовых постепенных отказов двигателя с помощью соответствующих добавок к коэффициентам ΔA(t)...ΔA(t) и ΔB(t)...ΔB(t).
При имитации выбранного i-го отказа двигателя нажимают i-ю кнопку включения отказов 10, на соответствующий управляющий вход машинной модели ГТД поступает напряжение питания с выходов 7 по n+6 наборного поля 9. Данный сигнал вызывает срабатывание соответствующих реле 24, 25, 26, 27, что приводит к замыканию первого и третьего контактов реле 24, 25,
i
i
i
i
i
i
26, 27, а второй и третий контакты разомкнуты. Сигналы с генераторов линейно нарастающего напряжения ΔB(t) 34-35 через соответствующие реле поступают на соответствующие входы четвертого сумматора 28, а сигналы с генераторов линейно нарастающего напряжения ΔA(t) 36-37 - на соответствующие входы пятого сумматора 29. На выходе четвертого сумматора 28 формируется постоянное напряжение величиной B+ΔB(t) которое умножается на выходной сигнал ИМ u(t) в первом умножителе 30. На выходе пятого сумматора 29 формируется постоянное напряжение величиной A+ΔA(f), которое умножается на выходной сигнал модели двигателя x(t) во втором умножителе 31. Полученные после умножения сигналы {A+ΔA(t))x и (B+ΔB(t))u складываются в первом сумматоре 5, полученный сигнал интегрируется в первом интеграторе 6. Таким образом, динамика газотурбинного двигателя в случае имитации i-го постепенного отказа двигателя моделируется с помощью дифференциального уравнения
i
i
= (А+ΔA(t))x(t)+(B+ΔB(t))u(t),т.е.
.
Имитатор датчиков может быть реализован следующим образом (см. фиг.8). Имитатор датчиков содержит реле 38, 39, 40, 41, шестой сумматор 42, седьмой сумматор 43, второй генератор переменных сигналов 44, блок электрической имитации датчика 45 и имеет 4 управляющих входа: «переменное короткое замыкание» n+7, «постоянное короткое замыкание» n+8, «переменный обрыв» n+9 и «постоянный обрыв» n+10.
При имитации работы датчиков в исправном состоянии на все управляющие входы имитатора датчиков поступают нулевые сигналы с наборного поля 9. При этом все реле с 38 по 41 находятся в исходном состоянии (замкнуты первые и третьи контакты). С выхода машинной модели ГТД управляющий сигнал поступает на вход блока электрической имитации датчика 45, а выходной сигнал из блока электрической имитации датчика 45 поступает на вход ЭСУ 1.
При имитации переменного короткого замыкания выходной электрической цепи датчиков на первый управляющий вход имитатора датчиков поступает напряжение питания с (n+7)-го выхода наборного поля 9. Этот сигнал вызывает срабатывание реле 38, в результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 38, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты) с наборного поля 9. В этом случае выходной переменный сигнал со второго генератора переменного сигнала 44 поступает на второй вход шестого сумматора 42, при этом на первый вход шестого сумматора 42 поступает нулевое напряжение (логический ноль) с наборного поля 9. В результате, с выхода шестого сумматора 42 переменный сигнал поступает на управляющую обмотку реле 39, что приводит к попеременному размыканию первого и третьего контактов и замыканию второго и третьего контактов. Таким образом, на вход ЭСУ 1 поступает выходной сигнал с блока электрической имитации датчика 45 чередующийся с нулевым напряжением.
При имитации постоянного короткого замыкания выходной электрической цепи датчиков на второй управляющий вход имитатора датчиков поступает напряжение питания с (n+5)-го выхода наборного поля 9. В этом случае на второй вход шестого сумматора 42 поступает нулевой сигнал с реле 38, а на первый вход поступает постоянное напряжение. На выходе шестого сумматора 42 выдается напряжение питания (логическая единица), которое поступает на управляющую обмотку реле 39. В результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 39, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае выход блока имитатора датчиков 45 замкнут на нулевой провод источника питания, и на вход ЭСУ 1 поступает нулевой сигнал (см. фиг.6).
При имитации переменного обрыва выходной электрической цепи датчиков на третий управляющий вход имитатора датчиков поступает
напряжение питания с (n+9)-го выхода наборного поля 9. Этот сигнал вызывает срабатывание реле 40, в результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 40, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты) с наборного поля 9. В этом случае выходной переменный сигнал со второго генератора переменного сигнала 44 поступает на второй вход седьмого сумматора 43, при этом на первый вход седьмого сумматора 43 поступает нулевое напряжение (логический ноль) с наборного поля 9. В результате, с выхода седьмого сумматора 43 переменный сигнал поступает на управляющую обмотку реле 41, что приводит к попеременному размыканию первого и третьего контактов и замыканию второго и третьего контактов. В этом случае на вход ЭСУ 1 поступает выходной сигнал с блока электрической имитации датчика 45, который периодически прерывается обрывом электрической цепи.
При имитации постоянного обрыва входной электрической цепи ИМ на четвертый управляющий вход имитатора ИМ поступает напряжение питания с (n+10)-го выхода наборного поля 9. В этом случае на второй вход седьмого сумматора 43 поступает нулевой сигнал с реле 40, а на первый вход поступает постоянное напряжение с наборного поля 9. На выходе седьмого сумматора 43 выдается напряжение питания (логическая единица), которое поступает на управляющую обмотки реле 41. В результате производится замыкание второго и третьего контактов реле 41, а первый и третий контакты размыкаются. При этом остальные реле находятся в исходном состоянии (замкнуты первый и третий контакты). В этом случае на входе ЭСУ 1 электрическая цепь обрывается.
Использование предлагаемой полезной модели для испытаний САУК ГТД обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
а) позволяет моделировать несколько отказов датчиков, исполнительных механизмов и двигателя при полунатурных испытаниях САУК ГТД;
б) снижается объем натурных испытаний САУК ГТД на двигателе и
самолете.