Файл: Арховский В.Ф. Основы автоматического регулирования учеб. пособие.pdf

В ГТД системой, работающей на принципе слежения, являет­ ся, например, система регулирования приведенного числа оборо­ тов двигателя. Функциональная (а) и принципиальная (б) схе­ мы такой системы показаны на рис. 2.8.

Приведенное число оборотов япр определяется следующим от­ ношением:

а-)

Рис. 2.8. Схемы системы регулирования приведенного числа оборо­ тов ГТД:

>а—функциональная; б—принципиальная

Втеории ВРД доказывается, что если поддерживать отноше­ ние (2.4) постоянным, то с изменением условий полета режим ра­ боты компрессора будет неизменным. Это позволяет поддержи­ вать основные параметры компрессора (ттк*, к. п. д. и др.) близ­ кими к наивыгоднейшим.

С изменением высоты и скорости полета (различное сочета­ ние их заранее неизвестно) в широком диапазоне изменяется и температура воздуха на входе в двигатель (а значит, и 7Д:). Чтобы поддержать /гпр = const, необходимо менять /гзаы в соот­ ветствии с изменением Ту*. Таким образом, САР приведенного числа оборотов является следящей системой. В системе преду­ смотрен одновременный замер 7\* чувствительным элементом 1 биметаллического датчика и /гзам чувствительным элементом 4 центробежного тахометра. Настройка системы на требуемое /гпр осуществляется РУД через специальный механизм. С изменени­

44

ем Т1 * перемещается свободный конец биметаллической пласти­ ны 1 и через рычаги 10, 2, кулачок 9 и суммирующей рычаг 3 перезатягивает пружину 5. Это приводит к вступлению в работу преобразующего 8 и исполнительного 6 элементов, а значит, и к движению дозирующей иглы 7. Игла так изменяет подачу топ­ лива в двигатель, что заданное /гпр восстанавливается. Для кор­ ректировки работы биметаллической пластины, а также выпол­ нения операции сравнения по закону (2.4), в систему введен спе­ циально спрофилированный кулачок 9.

В последнее время в следящие системы все чаще включают счетно-решающие устройства, в частности, электронные вычисли­ тельные машины. Это значительно повышает точность работы системы и улучшает качество регулирования, а также позволяет проводить процессы управления по оптимальным законам.

2.5.4. Системы оптимального управления

Системы оптимального управления относятся к большому классу кибернетических систем. Такого рода системы появились в технике сравнительно недавно. Бурное развитие кибернетиче­ ских устройств позволило создать целый ряд автоматических сис­ тем, которые самостоятельно решают множество технических за­ дач, в том числе и логического характера, с целью наиболее вы­ годного осуществления процесса управления. Однако это новое направление в развитии автоматических систем связано с опреде­ ленными трудностями (габариты систем, надежность их работы, относительно высокая стоимость и др.), что несколько тормозит внедрение их в некоторые области техники. По этой причине в авиационной технике системы оптимального управления только начинают внедряться, хотя в самом ближайшем будущем надо ожидать широкого использования их для управления полетом самолета, его отдельными узлами и агрегатами (двигатели и т. п.).

Системы оптимального управления достаточно изучены и ши­ роко эксплуатируются. Под о п т и м а л ь н ы м уравнением пони­ мается совокупность управляющих воздействий в сочетании с возможными ограничениями, которая обеспечивает получение наибольшей эффективности от управляемого объекта. Система автоматического управления будет оптимальной, если сама сис­

более оптимальный вариант изменения управляемых величин с целью получения от объекта управления наибольшей эффектив­ ности.

Каждый объект управления имеет определенные значения управляемых величин, при которых те или иные свойства его ис­ пользуются для нужд потребителя наиболее эффективно. Так, для самолета-перехватчика наиболее важным свойством являет­

45

ся тяга, развиваемая двигателями, значение которой выгодно иметь максимальным ‘независимо от условий полета. Такое тре­ бование выполнимо только при определенных сочетаниях раз­ личных параметров двигателей (числа оборотов, температуры газа перед турбинами и т. п.). Наибольшая эффективность от пассажирского самолета получается при минимальных значени­ ях удельного расхода топлива в различных полетных условиях.

Таким образом, наибольшая эффективность от объекта уп­ равления получается тогда, когда управляемая величина как

функция времени поддерживается на максимуме или минимуме. Такие предельные значения функции называются э к с т р е му - м а м и, а соответствующие им системы — э к с т р е м а л ь и ы м и.

В технических системах оптимальные значения управляемых величин обеспечивают автоматы оптимизации. Обычно их вы­ полняют по замкнутой схеме (с обратной связью). Принципиаль­ но работа автоматов оптимизации заключается в том, что на их вход поступают сигналы с выхода системы. Предварительно та­ кие сигналы преобразуются, усиливаются и т. д. В автомате про­ исходит формирование управляющего' воздействия, которое ав­ томатически настраивает систему на оптимальный режим ра­ боты.

В качестве примера рассмотрим возможную схему оптималь­ ной системы управления ТРД,. установленного на транспортном самолете с большой дальностью полета. Для такого самолета система должна обеспечить полет с минимально возможным расходом топлива.

Из дроссельной характеристики ТРД (рис. 2.9) понятно, что это условие можно выполнить только на одном режиме работы

46

двигателя — крейсерском (вблизи числа оборотов /г1;р, где удельный расход топлива Сд близок к минимальному). Однако длительный полет обычно протекает при переменных внешних условиях, поэтому и крейсерский режим изменяется.

Функциональная схема такой системы приведена на рис. 2.10. Входными воздействиями для преобразующего-элемента (счетно­ решающего устройства) — автомата оптимизации является сиг­ нал А, формируемый по комплексу параметров, характеризую­ щих тягу двигателя R (непосредственный замер тяги в полете практического применения не нашел по причине, отмеченной в гл. I), и абсолютный расход топлива GT- Счетно-решающее уст­ ройство вырабатывает сигнал, пропорциональный Сд, согласно соотношению Сд= Gr/R , и передает его на экстремальный регу­ лятор автомата. Регулятор при этом обеспечивает подачу топли­ ва в двигатель в соответствии с сигналом оптимизации.

2.6. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПО ХАРАКТЕРУ УПРАВЛЯЮЩЕГО

y(t), которые вырабатываются управляющим устройством и дей­ ствуют на управляемый'объект с целью ликвидации рассогласо­ вания между действительным и предписанным значениями уп­ равляемой величины л:Вых(0- В зависимости от физических про­ цессов, происходящих в АУУ при выработке воздействия y(t) и его конструктивного оформления, сигнал управляющего воздей­ ствия может иметь различную продолжительность и вид даже при постоянном |Наличии отклонения управляемой величины.

Большинство существующих систем автоматического управ­ ления можно классифицировать по данному признаку на непре­ рывные и прерывные системы. В свою очередь, прерывные систе­ мы подразделяются на два подкласса: импульсные и релейные, причем последние можно считать прерывными только условно, так как в определенные периоды работы они могут вырабаты­ вать непрерывный постоянный сигнал.

2.6.1. Системы непрерывного управления

Система непрерывного управления — это такая система, в ко­ торой выработка управляющего воздействия осуществляется не­ прерывно, пока есть отклонение действительного значения управ­

47

должно ликвидировать отклонение управляемой величины, то знаки этих сигналов всегда противоположны.

Примером системы непрерывного управления может служить САР числа оборотов ВРД (в диапазоне работы центробежного

Рис. 2.11. Возможные изменения управляемых величин и управляющих воздействий для систем непрерывного и прерывного управления:

а—система непрерывного управления; б —импульсная система; в—ре­ лейная система

регулятора), выработка управляющего воздействия GT в кото­ рой осуществляется постоянно, пока есть отклонение управля­ емой величины (п) от ее заданного значения (см. рис. 1.11 и 2.4).

2.6.2.Системы прерывного управления

Вэтих системах процесс выработки управляющего воздей­ ствия осуществляется прерывисто. Рассмотрим импульсную и релейную системы прерывного управления.

1. И м п у л ь с н ы е с и с т е м ы . В импульсной системе про­ цесс управления даже при непрерывном отклонении действитель­ ного значения управляемой величины протекает прерывисто, в виде импульсов определенной продолжительности 7\, проходящих через равные промежутки времени Г0 (длительность импульсов).

На рис. 2.11, б показано отклонение управляемой величины АА'гвых(/) и два вида возможных управляющих воздействий у' (t) и y"{t), вырабатываемых импульсными АУУ. Уровень управля­ ющих воздействий можно изменять за счет амплитуды А и час­ тоты следования импульсов.

В качестве примера импульсной системы рассмотрим систему ограничения температуры газа перед турбиной ВРД (рис. 2.12).

48

В элементе сравнения (ЭС) сравниваются два сигнала. Один сигнал снимается с чувствительного элемента (ЧЭ) (блока сдво­ енных термопар, термо-э. д. с. на которых пропорциональна тем­ пературе газа перед турбиной). Другой сигнал поступает от за­ датчика в виде опорного напряжения, пропорционального зара­ нее заданной максимально допустимой температуре газа перед турбиной. При превышении сигнала от ЧЭ над постоянным снг-

зателю

Рис. 2.12. Принципиальная схема автоматической системы ог­ раничения температуры газа перед турбиной ВРД

налом от задатчика ЭС вырабатывает сигнал, пропорциональ­ ный управляющему воздействию системы, который поступает на преобразующий элемент (ПЭ). Задатчик, ЭС и ПЭ обычно мон­ тируются в одном корпусе, называемом усилителем-регулятором температуры — УРТ. В случае повышения температуры газов сверх допустимой преобразованный и усиленный электрический сигнал рассогласования (управляющее воздействие) поступает с УРТ на исполнительный элемент (ИМ), в качестве которого при­ менен электромагнит. Сердечник электромагнита вместе с кла­ паном 2 втягивается, преодолевая натяжение пружины 1, и от­ крывает отверстие 3, соединяя правую полость сервомотора (СМ) со сливом. Поршень 4 СМ переводит регулирующий ор­ ган (РО) (наклонную шайбу 6 плунжерного насоса 5) на умень­ шение подачи топлива (уменьшение угла наклона шайбы 6). При этом температура газа перед турбиной снижается до допу­ стимой.

Для получения устойчивой работы системы и осуществления пропорциональной зависимости между сигналом на выходе из УРТ н перемещением клапана 2 в схеме (в УРТ) применена спе­ циальная автоколебательная импульсная выработка сигнала. Электромагнит при этом работает с определенной частотой вклю-

49

чення, благодаря чему процесс слива топлива из правой полости СМ циклически повторяется (пока будет превышение темпера­ туры Т3* над допустимой). В этом случае система работает как импульсная. И только при резком забросе температуры УРТ вы­ дает на электромагнит постоянный сигнал, тем самым не допус­ кая перегрева лопаток турбины.

2. Р е л е й н ы е с и с т е мы . Релейными называются такие системы, в которых управляющее воздействие может принимать определенные постоянные значения (в том числе и нулевые) в зависимости от сигнала управляемой величины.

На рис. 2.11, в показано графическое изображение изменения управляемой величины хВыХ(0 и управляющего воздействия y(t) в релейной системе. АУУ начинает вырабатывать сигнал у(1) только при достижении сигналом хвых(() некоторого значения

X вых (/) ■

К релейным системам можно отнести и позиционные систе­ мы, в которых процесс управления осуществляется ступенчато путем изменения положения регулирующего органа по отдель­ ным позициям. Такие системы нашли широкое применение в ВРД. Это двухили многопозиционные САР реактивного сопла и сверхзвукового входного устройства, системы управления ревер­ сом тяги и поворотом лопаток направляющего аппарата осевого компрессора и др.

На рис. 2,13 показана принципиальная схема системы пере­ пуска воздуха из компрессора ВРД в атмосферу, которая может служить примером позиционной системы управления/ Ее приме­

50

нение позволяет увеличить запас по помпажу * и повысить к. п.д. высоконапориого компрессора на нерасчетных режимах работы, облегчить запуск и улучшить приемистость двигателя (если пе­ репуск можно осуществить в диапазоне чисел оборотов двига­ теля выше числа оборотов малого газа ям.г). В рассмотренной схеме перепуск воздуха осуществляется через клапан перепуска на запуске двигателя (от П\до п2) . Сигналом входного воздействия здесь является замеренное число оборотов двигателя, а выходным сигналом—площадь окна F клапана перепуска. Из рис. 2.14 вид­ но, что эта система двухпозиционная (положения — «закрыто» и «открыто»). Принципиально работа системы заключается в сле­ дующем (см. рис. 2.13).

Рабочая жидкость под постоянным давлением рраб—const по­ ступает по каналу 3 к командному золотнику 2. Слева золотник 2 нагружен силой, развиваемой грузиками центробежного тахо­ метра 1. Справа на золотник действует сила от командного дав­ ления жидкости р„ом, величина которого зависит от дросселиро­ вания жидкости на кромке А золотника 2 и сопротивления в канале 4. От золотника 2 жидкость под давлением ррас по кана­ лу 14 поступает к двухпозиционному золотнику 6, положение которого зависит от давления жидкости рл<0м, подводимой по ка­ налу 5. При небольшом значении рком (в диапазоне чисел оборо­ тов двигателя п^~п2) золотник 6 пропускает через себя жид­ кость с давлением ррав, которая по каналам 15 и 10 поступает под поршень клапана перепуска 11. Пружина 12 клапана сжата и клапан 13 открыт, осуществляя стравливание воздуха из дви­ гателя. Это положение показано на рис. 2.13.

•При превышении давления pli0M (при п > п 2) над усилием, развиваемым пружиной 9, двухпозпцнонный золотник 6 опуска­ ется и соединяет полость под поршнем клапана 11 со сливом (через каналы 10, 7, 8). Под действием усилия пружины 12 и давления сжатого в компрессоре воздуха клапан 13 садится на свое седло, отсекая перепуск воздуха.

Величина командного давления в каждый момент зависит от числа оборотов п. Чем выше п (в диапазоне работы клапана пере­ пуска), тем больше центробежная сила от грузиков, тем правее перемещается золотник 2. Это приводит к увеличению прохода жидкости через кромки золотника в полость Б и росту давлейия в ней до тех пор, пока оно не уравновесится усилием от центро­ бежных грузиков. Такому состоянию элементов системы будет соответствовать определенное положение кромок А золотника 2. В этом случае Рц = сп2, где Рц— центробежная сила, развивае­ мая грузиками; с — коэффициент пропорциональности. Это соот­ ношение известно из курса теоретической механики.

* Помпаж — неустойчивый режим работы компрессора ВРД.

51