СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМИ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ
STAND FOR TESTING DIGITAL SYSTEMS FOR AUTOMATIC CONTROL, INSPECTION AND DIAGNOSIS OF MULTI-ENGINE PROPULSION SYSTEMS

Изобретение относится к области стендовых испытаний цифровых систем автоматического управления, контроля и диагностики (ЦСАУКиД) газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к полунатурным испытаниям ЦСАУКиД силовыми установками (СУ) летательных аппаратов типа FADEC, и может быть использовано для проведения комплексных исследований и тестирования алгоритмов ЦСАУКиД СУ в составе многодвигательной силовой установки.
Известен стенд для исследования системы управления летательного аппарата, содержащий бортовую реальную аппаратуру (испытываемую аппаратуру), имитаторы внешних воздействий (имитаторы датчиков) и исполнительных механизмов (ИМ), машинную модель летательного аппарата (математическую модель, воспроизводящую динамику движения объекта управления системы автоматического управления (САУ) с помощью средств вычислительной техники) [Е.Д. Горбацевич. Аналоговое моделирование систем управления. М.: Наука, 1984, с. 295].
Недостатком указанного стенда является сложность моделирования отказов двигателя, ИМ и датчиков, вызванная наличием большого количества аппаратно-программных средств, включаемых дополнительно в состав стенда, и невозможность проведения полунатурных испытаний систем управления многодвигательными СУ самолетов.
Аналогичным недостатком обладает стенд для испытаний ГТД совместно с цифровой системой автоматического управления и контроля (ЦСАУК), который содержит ГТД, ИМ, датчики, ЦСАУК, персональный компьютер, пульт, технологические стендовые системы, причем ИМ соединены с ГТД, персональный компьютер подключен через интерфейс к ЦСАУК, пульт соединен с ЦСАУК, технологические стендовые системы соединены с ГТД, пульт соединен с технологическими стендовыми системами, выход ГТД соединен с датчиками, [Куликов Г.Г., Арьков В.Ю., Погорелов Г.И., Хаит Л.Х. Унификация информационно-измерительных систем стендов для испытаний ГТД совместно с цифровой САУ // Авиационная промышленность - №5-6. - 1997 - 52-57 с.].
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является стенд для испытаний систем автоматического управления двигательными установками, содержащий функциональный блок информационной модели самолета - цифровую информационную модель САУ самолета, функциональный блок САУ СУ - натурную систему автоматического управления силовыми установками (САУ СУ), полунатурную модель первой двигательной установки (ДУ), информационные буферные модели ДУ. Полунатурная модель первой ДУ состоит из натурной электронной системы управления, имитаторов ИМ, машинной модели ГТД, имитаторов датчиков, при этом натурная электронная система посредством имитаторов ИМ соединена с машинной моделью ГТД, которая, в свою очередь, посредством имитаторов датчиков соединена с натурной электронной системой управления. Информационные буферные модели включают регистр приема и хранения информации, устройство расчета и модификации характеристик ДУ, устройство вывода, при этом вход регистра приема и хранения информации является входом информационной буферной модели, его выход соединен с устройством расчета и модификации характеристик ДУ, выход которого соединен с устройством вывода информации, выход которого в свою очередь является выходом информационной буферной модели. Выход цифровой информационной модели САУ самолета соединен с натурной САУ ДУ, которая посредством мультиплексного канала информационного обмена соединена с полунатурной моделью и информационными буферными моделями двигательных установок [патент РФ №2063622, дата публикации 10.07.1996 г. ].
Недостатками прототипа являются:
1. Сложность проведения исследований САУ, вызванная:
- наличием цифровой информационной модели САУ самолета, которая имеет ограниченную функциональность, программно не отвечающую современным требованиям при проведении испытаний цифровых САУ;
- наличием дополнительной реальной электронной системы управления ДУ в полунатурной модели, что существенно повышает затраты на испытания.
2. Невозможность проверки функций контроля и диагностики натурной САУ СУ из-за программного отсутствия таких возможностей.
3. Ограниченное моделирование программных сигналов двигателя и отсутствие контрольно-проверочных функций в цифровой информационной модели САУ самолета.
4. Отсутствие моделирования заданной комбинации отказов в автоматизированном режиме.
5. Сложность проведения удаленных исследований САУ из-за отсутствия подключения стенда к рабочим местам пользователей.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение возможности проведения комплексных испытаний электронных систем управления с интегрированными функциями контроля и диагностики (ЦСАУКиД СУ) в составе многодвигательной силовой установки, снижение затрат на проведение исследований за счет использования полунатурной модели ДУ на основе эталонной ЦСАУКиД СУ, сохранение точностных характеристик, повышение информативности и достоверности исследований за счет введения информационно-измерительной системы.
Технический результат при осуществлении изобретения заключается в аппаратном расширении функциональных возможностей стенда за счет замены цифровой информационной модели САУ самолета на усовершенствованный функциональный блок информационной модели самолета - информационную модель самолетных систем (ИМСС), замены натурной САУ СУ на усовершенствованный функциональный блок САУ СУ - цифровую систему автоматического управления, контроля и диагностики силовыми установками (ЦСАУКиД СУ), введения модели ДУ, преобразователей сигналов ИМ, информационно-измерительной системы, матрицы моделей отказов, сервера многоканальных подключений, локальной вычислительной сети и системы управления стендом, что позволяет проводить комплексные исследования алгоритмов управления, контроля и диагностики ЦСАУКиД СУ, моделировать самолетные системы и отказы двигателя, датчиков и ИМ с возможностью удаленных испытаний в реальном масштабе времени.
Самолетные системы представляют собой стандартный набор бортовых систем (оборудования), которые обмениваются информацией с ЦСАУКиД СУ по каналу информационного обмена. Это, например, гидравлические, пневматические, электрические и другие системы управления самолетом, включая приборное оборудование кабины пилотов [Интернет-ресурс: http://www.migavia.com/design-features.html].
Следует отметить, что прототип и заявляемое техническое решение имеют функциональные блоки (соответственно цифровую информационную модель САУ самолета и информационную модель самолетных систем, натурную САУ СУ и ЦСАУКиД), выполняющие определенные схожие функции на качественно разном уровне:
1. В отличие от цифровой информационной модели САУ самолета в прототипе, схемотехника и программное обеспечение которой позволяло моделировать программные сигналы по тяге, давлению, температуре двигателя, в функциональном блоке информационной модели самолета по заявляемому решению - ИМСС - измененные схемотехника и программное обеспечение позволяют моделировать программные сигналы бортовой цифровой вычислительной машины, самолетных систем и его оборудования, а также выполнять функцию контрольно-проверочной аппаратуры [Погорелов Г.И., Азанов М.Р., Абдулнагимов А.И., Арьков В.Ю. Полунатурный стенд для испытаний САУ ГТД с имитацией датчиков и обеспечением информационного обмена с информационными моделями систем самолета // Сб. Мавлютовские тезисы, Уфа: УГАТУ, 2007; рекламный проспект ОАО УНПП «Молния», 2011 год].
ИМСС содержит модуль дискретных сигналов (интерфейсный блок), адаптер мультиплексного канала информационного обмена, адаптер канала информационного обмена, шину цифровых данных и ПЭВМ [Интернет-ресурс: http://www.gosniias.ru/pages/21-5.html].
2. ЦСАУКиД (например, FADEC) в заявляемом решении, в отличие от известной согласно прототипу натурной САУ ДУ, дополнительно включает в себя устройства контроля технического состояния, диагностики отказов элементов САУ ДУ и их парирования, а также усовершенствованное программное обеспечение [Интернет-ресурс: http://www.safran.ru/spip.php?articlel759].
Замена имеющихся функциональных блоков на ИМСС и ЦСАУКиД обеспечивает возможность проведения комплексных испытаний ЦСАУКиД СУ, позволяет исключить из полунатурной модели ДУ реальную электронную систему управления ДУ и тем самым снизить объем дорогостоящих натурных испытаний ЦСАУКиД СУ.
В отличие от машинной модели ГТД, используемой в составе полунатурной модели первой ДУ согласно прототипу, модель ДУ реализована на цифровой вычислительной машине или персональном компьютере, что позволяет воспроизводить динамику движения объекта управления ЦСАУКиД по формуле
где А и В - коэффициенты динамической модели, соответствующие исправному состоянию двигателя, x - переменная, в качестве которой могут выступать частоты вращения роторов турбокомпрессора и винтовентилятора; u - переменная, отражающая управляющее воздействие (расход топлива, углы остановки лопастей винтов и т.д.) [Куликов Г.Г., Арьков В.Ю., Фатиков B.C., Абдулнагимов А.И., Погорелов Г.И. Методология полунатурного комплексного функционального моделирования ГТД и его систем // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика СП. Королева, №3-2, 2009. - С. 392-400; патент РФ №68070, дата публикации 10.11.2007 г. ].
В отличие от имитаторов ИМ, используемых в составе полунатурной модели ДУ согласно прототипу, преобразователи сигналов ИМ преобразуют входные сигналы ИМ в желаемый выходной сигнал, эквивалентный реальным выходным сигналам электрических цепей, которые поступают на вход модели ГТД в виде управляющих сигналов. Кроме того, преобразователи ИМ функционируют во всем необходимом диапазоне электрических сигналов, позволяя преобразовать сигналы (типа напряжения или тока) в любой унифицированный выходной сигнал с высокой точностью. Состоят данные преобразователи из стандартных электронных плат ЦАП и АЦП так же, как и имитаторы ИМ согласно прототипу, однако их программная реализация является более совершенной [Интернет-ресурс: http://www.moluch.ru/archive/26/2825/].
1
1
Указанный технический результат достигается тем, что стенд для испытания ЦСАУКиД многодвигательными СУ содержит функциональный блок информационной модели самолета, функциональный блок САУ СУ, полунатурную модель первой ДУ, информационные модели со второй по n ДУ, причем функциональный блок информационной модели самолета посредством канала информационного обмена соединен с функциональным блоком САУ СУ, который посредством канала информационного обмена соединен с полунатурной моделью первой ДУ, выход полунатурной модели первой ДУ и выходы информационных моделей со второй по n ДУ соединены с функциональным блоком информационной модели самолета. При этом функциональный блок информационной модели самолета представляет собой информационную модель самолетных систем (ИМСС), функциональный блок системы автоматического управления силовой установкой представляет собой цифровую систему автоматического управления, контроля и диагностики силовыми установками (ЦСАУКиД СУ), стенд дополнительно содержит информационно-измерительную систему, матрицу моделей отказов, сервер многоканальных подключений, локальную вычислительную сеть, систему управления стендом, причем выход ИМСС соединен со вторым входом ЦСАУКиД СУ, выход которой соединен со вторым входом полунатурной модели первой ДУ, первый выход I полунатурной модели первой ДУ и первые выходы информационных моделей со второй по n ДУ соединены с входами информационно-измерительной системы, вторые выходы R полунатурной модели первой ДУ и вторые выходы информационных моделей со второй по n ДУ соединены с входами ИМСС, третий выход полунатурной модели первой ДУ соединен со входами информационных моделей со второй по n ДУ, первый выход матрицы моделей отказов соединен со входом полунатурной модели первой ДУ, со второго по n выходы матрицы моделей отказов соединены с информационными моделями со второй по n ДУ, выход сервера многоканальных подключений соединен с входом локальной вычислительной сети, выход которой соединен с входом системы управления стендом, первый выход которого соединен с входом матрицы моделей отказов, второй выход которого соединен с первым входом полунатурной модели первой ДУ, третий выход которого соединен с первым входом ЦСАУКиД СУ. Полунатурная модель первой ДУ включает преобразователи сигналов ИМ, модель ДУ, имитаторы датчиков, причем входом полунатурной модели первой ДУ является вход преобразователей сигналов ИМ, выход преобразователей сигналов ИМ соединен со входом модели ДУ, выход которой соединен со входом имитаторов датчиков, выход которых соединен со входом преобразователей сигналов ИМ, выход имитаторов датчиков является выходом полунатурной модели. Информационные модели со второй по n ДУ содержат блок расчета и модификаций характеристик двигательных установок, регистр приема и хранения информации, устройство вывода, причем входом информационной модели со второй по n ДУ является вход регистра приема и хранения информации, выход которого соединен с входом блока расчета и модификации характеристик двигательных установок, выход которого соединен с устройством вывода информации, выход которого является выходом информационных моделей со второй по n ДУ.
Сущность изобретения состоит в том, что на стенде для проведения комплексных испытаний ЦСАУКиД СУ используется полунатурная модель первой ДУ, остальные (n-1) ДУ заменяются информационными моделями, где в качестве (n-1) информационных моделей двигательных установок используются запомненные выходные параметры одной ЦСАУКиД СУ. Информационные модели (n-1) ДУ подключаются к ИМСС, которая, в свою очередь, взаимодействует с ЦСАУКиД СУ, что позволяет ЦСАУКиД работать в режимах управления, контроля и диагностики СУ с полным составом моделей самолетных систем, ДУ и ее отказами.
Сервер многоканальных подключений синхронизирует удаленные компьютеры пользователей, подключает их через локально-вычислительную сеть к стенду для проведения испытаний.
Система управления стендом посредством локальной вычислительной сети содержит кнопки включения/отключения стенда, программные тумблеры активации матрицы моделей отказов, задания режимов работы модели ДУ, имитаторов датчиков, преобразователей сигналов ИМ, информационно-измерительной системы.
Матрица моделей отказов включает отказы ДУ, датчиков и ИМ для проверки алгоритмов контроля и диагностики ЦСАУКиД СУ за счет передачи сигналов отказов в полунатурную и информационные модели. Матрица моделей отказов позволяет имитировать одиночные и множественные отказы, создавая различные последовательности и цепочки включения отказов.
Полунатурная модель первой ДУ используется для моделирования в реальном масштабе времени параметров одной ДУ, ИМ и датчиков в замкнутом контуре с реальной ЦСАУКиД СУ и передачи этих параметров на информационные модели ДУ.
Блок расчета и модификации характеристик ДУ используется для модификации характеристик ДУ в информационных моделях со второй по n ДУ. В указанном блоке производится заданное (расчетное) искажение выходных параметров со второй по n-ую моделях ДУ относительно первой ДУ, что повышает точность и достоверность исследований.
Информационно-измерительная система отображает (визуализирует), регистрирует выходные параметры ЦСАУКиД СУ и ее систем и обрабатывает их на ЭВМ.
На фигуре представлена структурная схема стенда для испытания ЦСАУКиД СУ, состоящей из n ДУ.
1
1
Стенд содержит функциональный блок информационной модели самолета, представляющий собой информационную модель самолетных систем 1, функциональный блок системы автоматического управления, представляющий собой цифровую систему автоматического управления, контроля и диагностики силовыми установками 2, полунатурную модель первой двигательной установки 3, информационные модели со второй по n двигательных установок 4, информационно-измерительную систему 5, преобразователи сигналов исполнительных механизмов 6, модель двигательной установки 7, имитаторы датчиков 8, регистр приема и хранения информации 9, блок расчета и модификаций характеристик двигательной установки 10, устройство вывода 11, матрицу моделей отказов 12, сервер многоканальных подключений 13, локальную вычислительную сеть 14, систему управления стендом 15, причем выход информационной модели самолетных систем 1 посредством канала информационного обмена соединен со вторым входом цифровой системы автоматического управления, контроля и диагностики силовыми установками 2, выход которой посредством канала информационного обмена соединен со вторым входом полунатурной модели первой двигательной установки 3, первые выходы I полунатурной модели первой двигательной установки 3 и информационных моделей со второй по n двигательных установок 4 соединены с входами информационно-измерительной системы 5, вторые выходы R полунатурной модели первой двигательной установки 3 и информационных моделей со второй по n двигательных установок 4 соединены с входами информационной модели самолетных систем 1, третий выход полунатурной модели первой двигательной установки 3 соединен с входами информационных моделей со второй по n двигательных установок 4, входом полунатурной модели первой двигательной установки 3 является вход преобразователей сигналов исполнительных механизмов 6, который соединен со входом модели двигательной установки 7, выход которой соединен с входом имитаторов датчиков 8, выход которого соединен с входом преобразователей сигналов исполнительных механизмов 6, выход имитаторов датчиков 8 является выходом полунатурной модели первой двигательной установки 3, входом информационных моделей со второй по n двигательных установок 4 является вход регистра приема и хранения информации 9, выход которого соединен с входом блока расчета и модификации характеристик двигательной установки 10, выход которого соединен с устройством вывода информации 11, выход которого является выходом информационных моделей со второй по n двигательных установок 4, первый выход матрицы моделей отказов 12 соединен с входом полунатурной модели первой двигательной установки 3, со второго по n-ый выходы матрицы моделей отказов соединены с входами информационных моделей со второй по n двигательных установок 4, выход сервера многоканальных подключений 13 соединен с входом локальной вычислительной сети 14, выход которой соединен с входом системы управления стендом 15, первый выход которого соединен с входом матрицы моделей отказов 12, второй выход которого соединен с первым входом полунатурной модели первой двигательной установки 3, третий выход которого соединен с первым входом цифровой системы автоматического управления, контроля и диагностики силовыми установками 2.
Реальный комплекс полунатурного моделирования ЦСАУКиД СУ работает следующим образом.
Сервер многоканальных подключений 13 создает каналы связи и подключает удаленные компьютеры по локально-вычислительной сети 14 к стенду. На сервере 13 ведется контроль доступа к данным испытаний и разграничение прав пользователей, которое устанавливается инженером заранее для каждого испытания. Система управления стендом 15, принимающая соответствующие сигналы, формирует управляющие команды для ИМСС 1, ЦСАУКиД СУ 2, полунатурной модели ДУ 3 и матрицы моделей отказов 12. ИМСС 1 моделирует дискретные сигналы бортовой цифровой вычислительной машины и общесамолетного оборудования, которые через канал информационного обмена поступают в ЦСАУКиД СУ 2. Каналы информационного обмена поддерживают распределенное управление в реальном масштабе времени с высоким уровнем безопасности.
1
1
ЦСАУКиД СУ 2 реализует функции приема, обработки и передачи информации между ИМСС 1, полунатурной моделью 3 первой ДУ и информационными моделями со второй по n ДУ 4 в соответствии с техническим заданием. В ЦСАУКиД СУ 2 производится расчет параметров n ДУ, контроль и диагностика отказов. Обмен информацией ЦСАУКиД СУ 2 с полунатурной 3 и информационными моделями ДУ 4 происходит циклически, передачей «кадра» информации. При передаче «кадра» информации из ЦСАУКиД СУ 2 в полунатурную модель первой ДУ 3 одновременно вектор выходных параметров полунатурной модели первой ДУ 3 запоминается в информационных моделях со второй по n ДУ 4, а также поступает на входы ЦСАУКиД СУ 2 и информационно-измерительной системы 5. Со второго по n-ый «кадры» информации записываются в регистр приема и хранения информации 9, где в блоке расчета и модификаций характеристик ДУ 10 искажаются относительно первой ДУ и через устройство вывода 11 (по каналам I и R) поступают на входы ЦСАУКиД СУ 2 и информационно-измерительной системы 5. ЦСАУКиД СУ 2 подает на вход полунатурной модели управляющие воздействия на преобразователи сигналов ИМ 6, которые, в свою очередь, преобразуют сигнал в код (унифицированный выходной сигнал), и подают его на вход модели ДУ 7 (в виде входных управляющих параметров). Выходные параметры модели ДУ 7 фиксируются имитаторами датчиков 8 и подаются на вход преобразователей сигналов ИМ 6 и выходы полунатурной модели первой ДУ 3.
Имитация отказов происходит следующим образом. В заданные моменты времени в системе управления стендом 15 выбираются комбинации отказов и расписание их включения, управляющие сигналы посылаются матрице моделей отказов 12. Включение отказов вызывает соответствующие изменения в полунатурной 3 и информационных моделях со второй по n ДУ 4, что позволяет проверить реакцию ЦСАУКиД СУ 2 на отказы (алгоритмы парирования отказов). Имитируются отказы двигателя, датчиков и исполнительных механизмов: отказы по входным сигналам, отказы по выходным командам, отказы аппаратуры блока ЦСАУКиД СУ.
Динамика ДУ в случае имитации i-го отказа двигателя моделируется с помощью дифференциального уравнения
то есть
где скачкообразное изменение коэффициентов А на величины дельта А, В на дельта В приводит к определенному отказу из матрицы моделей отказов. Величина этих скачков определяется заранее по термодинамической модели двигателя для каждого отказа. К моделируемым состояниям двигателя относят исправное состояние, деградацию характеристик расхода топлива, тяги, температуры газа, «помпаж» компрессора, прогорание камеры сгорания, погасание камеры сгорания, разрушение лопатки турбины и другие.
К отказам датчиков и исполнительных механизмов относят обрыв электрической цепи, короткое замыкание, фиксацию ИМ в заданном состоянии, движение исполнительного механизма в одну сторону с постоянной скоростью до ограничения. Например, для фиксации ИМ в заданном состоянии на вход преобразователя сигналов ИМ поступает модифицированный сигнал из матрицы моделей отказов. На выходе преобразователя сигналов ИМ устанавливается постоянный выходной сигнал, который не меняется при выходе, тогда считается, что реальный ИМ перестает выполнять команды ЦСАУКиД.
В результате на мониторе информационно-измерительной системы отображаются все регистрируемые входные/выходные параметры ЦСАУКиД СУ и ее систем, моделируемые и диагностированные отказы/состояния ЦСАУКиД СУ и ее систем, ход проведения испытаний. Вся текущая информация записывается на носитель информации для последующего детального анализа.
Таким образом, введение ИМСС, ЦСАУКиД СУ, модели ДУ, информационно-измерительной системы, матрицы моделей отказов, сервера многоканальных подключений, локальной вычислительной сети и системы управления стендом позволяет расширить функциональные и аппаратные возможности стенда для проведения комплексных исследований и тестирования ЦСАУКиД в составе многодвигательных силовых установок.
Использование предлагаемого стенда для испытаний ЦСАУКиД СУ обеспечивает следующие преимущества:
1) позволяет моделировать самолетные системы и различные отказы датчиков, ИМ и двигателя при стендовых испытаниях ЦСАУКиД многодвигательных силовых установок, то есть обеспечивает возможность проведения комплексных испытаний ЦСАУКиД СУ;
2) снижает объем дорогостоящих натурных испытаний ЦСАУКиД СУ за счет исключения из полунатурной модели ДУ реальной электронной системы управления ДУ и использования только входных параметров ЦСАУКиД СУ, а также за счет автоматизированной отработки отказов путем их моделирования матрицей моделей отказов;
3) позволяет наблюдать и проводить исследования ЦСАУКиД СУ с удаленных компьютеров, используя для подключения к стенду интернет соединение.
4) повышает точность и достоверность исследований ЦСАУКиД СУ за счет использования информационно-измерительной системы.