1.1. Обзор существующих схем регулирования

Построение систем регулирования ГТД, при котором регулирование ряда параметров осуществляется путем воздействия на один регулирующий фактор, характерно для управления основным контуром двигателей различных схем, где этим фактором является расход топлива G_Т. Характер взаимодействия каналов регулирования различных параметров в системах с одним регулирующим фактором в значительной мере определяется способами согласования отдельных регуляторов, а также принципами их построения.

1. Системы гидромеханического типа

В системах гидромеханического типа для согласования регуляторов использу­ется ряд специальных устройств, обеспечивающих при изменении условий полета и режима работы двигателя необходимую последовательность выполнения программ регулирования. При этом обычно изменением расхода топлива регулируется частота вращения ротора, а программы ограничения предельных величин других параметров выполняются путем воздействия через согласующие устройства на основной регулятор. Несколько возможных схем устройств для согласования работы регуляторов двух параметров Х и Y* показаны на рис.1.1.

г)

Рис. 1.1 – Схемы устройств для согласования работы регуляторов:

а – параллельное соединение;

б – последовательное соединение;

в – с одним управляющим элементом;

г – с воздействием на настройку регулятора.

Рис. 1.2 – Система регулирования основного контура ГТД:

РТ – регулятор температуры газа;

О – ограничитель давления Р_к;

РП – регулятор приемистости;

1 – пружина в механизме настройки регулятора частоты вращения;

2 – маятниковая полость;

3 – статическая приставка;

4 – исполнительный механизм;

5 – дозирующий кран.

Здесь с основным регулятором частоты вращения ограничитель температуры газа согласуется по схеме на рис. 1.1, г, ограничитель максимальной величины давления за компрессором приемистости – по схеме на рис. 1.1, а.

Соответствующим выбором нелинейных характеристик согласующих устройств и регуляторов ограничиваемых параметров обеспечиваются определенный диапазон и последовательность работы каждого из регуляторов, если предельные значения параметров регулирования, заданные программами ограничения, не достигаются одновременно. Однако изменение внешних условий и режима работы двигателя могут приводить к такому изменению параметров, когда одновременно несколько из них достигают максимальных допустимых значений. В таком случае становится возможной совместная работа регуляторов этих параметров в определенном интервале их изменения, называемом зоной совместной работы. То же самое происходит, если при работе ограничителя продолжает работать и основной регулятор, причем зона совместной работы при таком сочетании существует всегда, пока работает ограничитель. Согласующие устройства, показанные на рис. 1.1, в общем случае не позволяют исключить совместную работу регуляторов. Происходящее при этом взаимодействие регуляторов, воздействующих на один регулирующий фактор, оказывает влияние на основные показатели регулирования (статическую точность, устойчивость, переходные процессы).

1.1.2 Влияние взаимодействия регуляторов в зоне совместной работы на статическую точность регулирования

Для объяснения одной из причин появления ошибок регулирования на установившихся режимах работы систем с одним регулирующим фактором рассмотрим систему регулирования двух параметров, где для согласования работы регуляторов используется устройство с астатическим исполнительным механизмом типа, показанного на рис. 1.1, а. Пусть программы регулирования параметров Х и Y двигателя в зависимости от параметра Т*_вх выбраны так, что при Т*_вх<Т*_вх1 выполняется программа X_max=const, а при Т*_вх>Т*_вх1 программа Y_mах=соnst. Требуемое изменение параметров регулирования в зависимости от величины Т*_вх показано кривыми 1—2—3 и 4—5—6 на рис. 1.3.

Рис.1.3 – Программы регулирования при совместной работе регуляторов.

Рис.1.4 – Структурная схема системы регулирования:

1–двигатель;

2–исполнительный механизм;

3,4–регуляторы параметров X и Y.

На рис. 1.4 приведена структурная схема системы регулирования, где W_дх(p)=K_дх(p)/D_дх(p); W_дy(p)=K_дy(p)/D_дy(p)—передаточные функции двигателя по параметрам Х и Y; W_х(p)=K_х(p)/D_х(p); W_y(p)=K_y(p)/D_y(p)—пeредаточные функции каналов формирования сигналов управления по параметрам Х и Y, —передаточная функция исполнительного механизма. Нелинейные статические характеристики в каналах управления предназначены для отключения регулятора того параметра, величина которого меньше заданной.

Вне зоны совместной работы, когда каждый из регуляторов работает автономно, передаточные функции регуляторов параметров Х и Y имеют вид:

; ; (1.1)

т. е. оба регулятора являются астатическими.

Здесь все K(p) и D(p) определяются следующим образом:

; ; (1.2)

m_i<l_i; i=дх, дy, и.м, х, у.

Если регуляторы обоих параметров работают одновременно (h_G=h_x+h_y), передаточные функции для каждого из каналов управления принимают вид:

;

(1.3)

;

Выражения (1.3) являются передаточными функциями статических регуляторов. Таким образом, в зоне совместной работы регуляторы обоих параметров, астатические при автономной работе, станут статическими, и изменение внешних условий и режима работы двигателя приведет к появлению статической ошибки регулирования. Для CAP ГТД в зоне совместной работы регуляторов, воздействующих на один регулирующий фактор, на установившихся режимах характерно снижение величин регулируемых параметров по отношению к заданным настройкой регуляторов, которое может достигать 0,5...1%. В результате вместо программ регулирования 1—2—3 и 4—5—6 в системе реализуются программы 1—7—8—3 и 4—9—10—6 (рис. 1.3), соответствующие пониженным значениям Х и Y в зоне совместной работы (заштрихована).

Рассмотрим зависимость величин статических ошибок, возникающих при совместной работе регуляторов, от характеристик системы регулирования. Для системы (рис. 1.4), в которой используется согласующее устройство, показанное на рис. 1.1, а, максимальное отклонение (уменьшение) величин регулируемых параметров при взаимодействии регуляторов в зоне совместной работы может быть определено по формулам:

;

(1.4)

;

где =X₀/Y₀;

K_xy=(дх/ду)—коэффициент, характеризующий взаимосвязь регулируемых параметров в окрестности точки 1, где X=X_max. и Y=Y_mах;

X₀, Y₀—отклонения параметров Х и Y, соответствующие перемещениям клапанов согласующего устройства от полностью закрытого положения (где регулятор не действует на регулирующий фактор) до положения на равновесном режиме работы системы.

Из соотношений (1.4) видно, что величины максимальных статических ошибок зависят как от характеристик двигателя, так и от характеристик регулятора.

Применяя (1.4), например, в случае работы регулятора частоты вращения с ограничителем температуры газа, для вычисления наибольшего возможного снижения величин регулируемых параметров имеем формулы:

;

(1.5)

,

где _T=n₀/Т*_Г0; K_Tn=(dТ*_Г/dn)_1.

Влияние взаимодействия регуляторов на статические характеристики системы иллюстрирует рис. 1.5, где в плоскости регулируемых параметров показана линия 1—2, которая является статической характеристикой двигателя, и прямые 1—3 и 1—4, представляющие собой статические характеристики регуляторов при их автономной работе, когда они поддерживают заданные значения параметров Х=Х_тах и Y=Y_mах.

Рис. 1.5 – Влияние взаимодействия регуляторов на статические характеристики системы.

Очевидно, все три линии пересекутся в одной точке 1. Откладывая от точки 1 в направлениях уменьшения величин Х и Y отрезки длиной X₀ и Y₀, определяющие уменьшения параметров регулирования при перемещении клапанов согласующего устройства, и, соединяя прямой полученные точки 5 и 6, найдем линию рабочих режимов системы при совместной работе регуляторов. В точке ее пересечения со статической характеристикой двигателя X=X_m, Y=Y_m.

Аналогичные результаты дает рассмотрение систем с согласующими устройствами, схемы которых приведены на рис. 1.1, б, в, г.

Итак, взаимодействие регуляторов в зоне совместной работы приводит к ухудшению статической точности регулирования, вызывая снижение величин регулируемых параметров по отношению к заданным уставками регуляторов. Это снижение сопровождается потерями тяги и экономичности двигателя, и в ряде случаев может быть недопустимым.