УСТРОЙСТВО ВВОДА ЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ РАСХОДА И ЧИСЛА ОБОРОТОВ В СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
DEVICE FOR INTRODUCTION OF FREQUENCY SIGNALS OF FLOW AND NUMBER OF TURNOVER IN CONTROL SYSTEMS FOR BENCH TEST OF ROCKET AND SPACE EQUIPMENT

Расход компонентов топлив и число оборотов турбонасосных агрегатов относятся к наиболее важным параметрам жидкостных ракетных двигателей и ракет, по которым оценивается качество их функционирования. Они также входят в состав параметров систем аварийной защиты, к которым предъявляются наиболее жесткие требования по надежности и быстродействию. Особенностью сигналов датчиков этих параметров является близкая к пропорциональной зависимость амплитуды сигнала от частоты с достаточно вероятными изменениями амплитуды и формы сигналов, обусловленных, например, разбросом параметров магнитных вставок, зазорами в конструкции и биениями лопаток турбин.
Известно устройство ввода частотных сигналов в стендовые системы управления, содержащее операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, задающий генератор, таймер цикла, вычислитель вольт-секундной площади и порога, формирователь импульса и вычислитель частоты, при этом входной сигнал подключен к входу операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, а выход соединен с первым входом вычислителя вольт-секундной площади и порога, второй вход которого подключен к выходу задающего генератора, а выход - к первому входу формирователя импульсов, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу задающего генератора и первому входу вычислителя частоты, второй вход которого соединен с выходом таймера цикла, первый вход которого соединен с выходом задающего генератора (см. описание преобразователя оборотов в книге «Информационно-управляющие системы для стендовых испытаний ЖРД и двигательных установок». М.: Машиностроение / Машиностроение-Полет, 2012 г., стр. 122-125).
Устройство формирует импульсы из полуволн входного сигнала по их вольт-секундной площади и плавающему порогу, что является, как показала практика, наиболее надежным способом преобразования таких частотных сигналов.
Недостатком данного устройства является погрешность подсчета количества импульсов за задаваемый таймером цикла период времени, что может быть существенно, особенно при низких частотах входного сигнала. Увеличение упомянутого периода для повышения точности ухудшает временные характеристики системы управления, что особенно неблагоприятно для систем аварийной защиты.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении быстродействия ввода частотных сигналов в систему управления без потери точности.
Это достигается тем, что в известное устройство ввода частотных сигналов расхода и числа оборотов в системы управления для стендовых испытаний ракетно-космической техники, содержащее вычислитель частоты и подключенные к выходу задающего генератора таймер цикла и аналого-цифровой преобразователь, через который входной сигнал с выхода операционного усилителя, преобразованный в цифровую форму, поступает на первый вход тактируемого через второй вход задающим генератором вычислителя вольт-секундной площади и порога, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход которого подключен к генератору задающей частоты, а выход - к первому входу вычислителя частоты, второй вход которого соединен с выходом таймера цикла, введены подключенный своим первым входом к выходу аналого-цифрового преобразователя вычислитель среднего значения, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен с третьим входом формирователя импульсов, вычислитель сдвигов, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, второй и третий входы соединены соответственно с выходами таймера цикла и задающего генератора, а выход подключен к третьему входу вычислителя частоты, блок сравнения, вход которого соединен с выходом вычислителя частоты, и корректор цикла, вход которого соединен с выходом блока сравнения и выходом устройства, а выход - со вторым входом таймера цикла.
На чертеже представлена структурная схема устройства ввода частотных сигналов расхода и числа оборотов в системы управления для стендовых испытаний ракетно-космической техники.
Устройство содержит тактируемые задающим генератором 1 таймер цикла 2 и аналого-цифровой преобразователь 3, через который входной сигнал с выхода операционного усилителя 4, преобразованный в цифровую форму, поступает на вход вычислителя среднего значения 5 и вход вычислителя вольт-секундной площади и порога 6, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов 7, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами задающего генератора 1 и вычислителя среднего значения 5. Выход формирователя импульсов 7 подключен к первым входам вычислителя сдвигов 8 и вычислителя частоты 9, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом таймера цикла 2 и выходом вычислителя сдвигов 8, а выход соединен с входом блока сравнения 10, выход которого подключен к выходу устройства и входу корректора цикла 11, выход которого соединен со вторым входом таймера цикла 2. Выход задающего генератора 1 соединен также со вторыми входами вычислителя вольт-секундной площади и порогов 6 и вычислителя сдвигов 8. Выход таймера цикла 2 соединен также с третьим входом вычислителя сдвигов 8.
Устройство работает следующим образом. Значения входного частотного сигнала с датчиков расхода или числа оборотов, сформированные операционным усилителем 4 и в цифровой форме после аналого-цифрового преобразователя 3 с частотой опроса в десятки килогерц, определяемой задающим генератором 1, поступают в вычислитель среднего значения 5 и вычислитель вольт-секундной площади и порога 6. Обработка сигналов в них ведется как по положительной так и по отрицательной полуволнам частотного сигнала. Значения текущих порогов вычисляются, по формуле:
Sn=(Sn-1+S/K1)/2, где:
- Sn - текущий порог;
- Sn-1 - порог в предыдущем такте опроса входа;
- К1 - константа для настройки алгоритма обработки;
- S - текущая площадь.
Если площади всех импульсов будут одинаковыми, то величина Sn будет стремиться к S/K1.
Для вычисления среднего значения входного сигнала в вычислителе среднего значения 5 используется формула:
Yn=Yn-1+(Y-Yn-1) / K2, где:
- Yn - текущее среднее значение;
- Yn-1 - среднее значение на предыдущем такте опроса входа;
- K2 - константа для настройки алгоритма;
- Y - текущее значение амплитуды сигнала.
Формирователь импульсов 7 определяет начало импульса при значении вольт-секундной площади больше заданной уставки и при прохождении среднего значения сигнала из положительной в отрицательную полуволну, а сбрасывается при прохождении среднего значения сигнала из отрицательной в положительную полуволну. Далее производится вычисление частоты вычислителям частоты 9 с использованием выходных данных вычислителя сдвигов 8 известным методом сопрягающихся интервалов, при котором производится подсчет числа импульсов за время от начала последнего импульса в предыдущем цикле, задаваемом таймером цикла 2, до начала последнего импульса в текущем цикле. Блок сравнения 11 обеспечивает парирование встречающихся на практике случаев аномально малых по площади одиночных полуволн, когда импульсы не формируются. Этот дефект парируется блоком сравнения 10 выбором максимального значения частот, вычисленных по положительным и отрицательным полуволнам входного сигнала. Корректор цикла 11 формирует сигнал в таймер 2 для увеличения длительности цикла при малых значениях частоты входного сигнала.
Повышение быстродействия и точности измерения частоты входного сигнала в данном устройстве обеспечивается реализацией в реальном времени испытаний метода сопрягающихся интервалов за минимальное время без потери импульсов, а также более стабильным во времени формированием импульсов по комбинации использования значений порога вольт-секундной площади и среднего значения входного сигнала по сравнению с известными способами (например, по порогу вольт-секундной площади - патент РФ №2173022 и по переходу входного сигнала через ноль - патент РФ №2523166).
Дополнительным достоинством данного технического решения является возможность его реализации на базе микропроцессорной техники.