Система автоматического управления турбореактивным двигателем с форсажной камерой (ТРДФ)

0

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

 

Факультет энергетики и систем управления (ФЭСУ)

(факультет)

Кафедра электропривода, автоматики и управления в технических системах (ЭАУТС)

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине  Теория автоматического управления

 

Тема:  Система автоматического управления турбореактивным двигателем с форсажной камерой (ТРДФ)

 

 

 

Расчетно-пояснительная записка

 

 

 

Разработал студент                                  _____________________Одношивкин А.С._

                                                           Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Руководитель                                           _________________________Васильев Е.М._

                                                            Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Члены комиссии                                     _______________________________________

                                                           Подпись, дата              Инициалы, фамилия

                                                         _______________________________________

                                                           Подпись, дата              Инициалы, фамилия

Нормоконтролер                                     _______________________________________

                                                            Подпись, дата             Инициалы, фамилия

 

Защищена ____________________         Оценка _______________________________

                                 дата

 

 

 

 

2014

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

Кафедра электропривода, автоматики и управления в технических системах (ЭАУТС)

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине Теория автоматического управления

 

Тема работы: Система автоматического управления турбореактивным двигателем с форсажной камерой (ТРДФ)

 

 

 

 

 

Студент группы АТ-111 Одношивкин А.С.

Перечень вопросов, подлежащих разработке:

 

  1. Математическое описание.
  2. Выбор датчиков и исполнительных механизмов.
  3. Синтез.
  4. Проверка модели на ТЗ.

 

 

 

Сроки выполнения этапов _______________________________________________

Срок защиты курсовой работы ___________________________________________

 

Руководитель                                    _______________________        Васильев Е.М.

                                                                 Подпись, дата        Инициалы, фамилия

Задание принял студент                  _______________________  Одношивкин А.С.

                                                                       Подпись, дата         Инициалы, фамилия

Содержание

  1. Общие сведения об объекте и задачах его регулирования............................ 4
  2. Математическое описание ТРДФ как объекта регулирования………………....4
  3. Постановка задачи синтеза.............................................................................. 5
  4. Расчет МСАР ТРДФ......................................................................................... 6
    • Параметры датчиков и исполнительных механизмов системы............. 7
    • Обеспечение автономности САР по задающему воздействию.............. 8
    • Расчёт регулятора качества.............................................................................. 10
    •  Введение в МСАР возмущающего воздействия................................... 13
  1. Проверка результатов синтеза на модели в Mathlab.................................... 15
  2. Заключение...................................................................................................... 16

Список литературы............................................................................................. 17

 

 

  1. Общие сведения о принципе действия ТРРДФ

     Турбореактивный двигатель относится к классу тепловых установок, преобразующих потенциальную энергию газовой струи, создающей реактивную тягу.

     Сгорание топлива происходит в основной камере, размещённой между компрессором и турбиной, а также в форсажной камере, размещённой между компрессором непосредственно перед соплом.

     Управление тягой двигателя осуществляется изменением подачи топлива в камеру сгорания (основной режим) и в форсажную камеру (режим форсажа) с помощью рукоятки управления двигателем (РУД), расположенной в кабине экипажа. При этом переменными параметрами ТРДФ, отражающими изменение его тяги в основном режиме, служат, как правило, температура газов в камере сгорания и частота вращения турбокомпрессора. Вместе с тем, независимо от значения развиваемой тяги, ряд других параметров двигателя, характеризующих газодинамическую устойчивость его работы, должен автоматически поддерживаться в заданных пределах.

 

  1. Математическое описание ТРДФ как объекта регулирования

     Анализ основных режимов работы ТРДФ позволил выделить из числа его параметров следующие регулируемые величины: n – частота вращения турбокомпрессора, об/мин,с-1;

Тг – температура газов перед турбиной, K;   – коэффициент расширения турбины                         =

 Где  и  - давление газов на выходе компрессора и турбины соответственно.

    В качестве внешних воздействий, оказывающих наиболее существенное влияние на состояние ТРДФ, можно рассмотреть:  – расход топлива в основной камере, кг/с;

 - расход топлива в форсажной камере, кг/с;   - площадь сечения сопла,м2;

     Система линеаризованных дифференциальных уравнений, связывающих относительные приращения указанных входных и выходных переменных ТРДФ, выглядит следующим образом:

 

 

     В качестве номинального режима, относительно которого произведена линеаризация, выбран максимальный нефорсированный работы ТРДФ с параметрами  =150c-1;

αруд = 70º, Тг0 = 1200 К; πТ0 = 5; GT0 = 1.5 кг/с; Fco = 0.4 м2. Значение GT0 = 2.4 кг/с соответствует режиму максимального форсажа (αруд = 100º).

 

 

Рис.1. Схема расположения основных узлов ТРДФ

 

     Система линеаризованных дифференциальных уравнений, связывающих относительные приращения указанных входных и выходных переменных ТРДФ, выглядит следующим образом:

 

T() +  =  +  ;

 

 =  -   ;

 

 =  +  -  +   ;

 

                                                      

 

 
 

 

 

         МСАР

 

 

 

 

                                                                                               

                                                                                                     

                                                                                           

 

Рис.2 Многомерный объект регулирования

 

 

 

 

 

 

  1. Постановка задачи синтеза

     На основании полученной модели ТРДФ синтезировать многомерную систему автоматического регулирования, выполняющую следующие функции:

     обеспечение требуемого значения времени регулирования tpn, перерегулирования σn и установившейся ошибки   εn частоты вращения n турбокомпрессора при ступенчатом перемещении РУД из положения “малый газ” (αруд = 40º ) в положение “максимальный нефорсированный режим” (αруд = 70º ). Указанное требование характеризует так называемую приемистость двигателя;

    поддержание параметра πТ на номинальном уровне πТ0 с допустимым отклонением εx во всех режимах работы двигателя. Это условие предотвращает срыв работы турбокомпрессора (помпаж), возникающий при превышении πТ своего критического значения;

      фиксирование значений параметров n и Tг на номинальных уровнях  и  Тг0 с допустимыми отклонениями εn и εTг возникающими при форсировании двигателя. Означенная функция САР отражает требование неизменности параметров работы турбокомпрессора при ступенчатом переводе двигателя из основного режима в режим максимального форсажа. 

 

 

 

Параметры ТРДФ и требуемые показатели качества его регулирования:

 

Параметры и показатели качества

 

Т,с

 

 

 

 

 

 

 

0,3

0,5

0,8

1,54

1,6

1,5

0,1

 

Параметры и показатели качества

 

 

 

 

,%

 

,%

 

,%

 

,%

 

0,12

0,53

0,5

10

5

10

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Расчет МСАР ТРДФ

Заданные значения коэффициентов:

 

Перепишем систему дифференциальных уравнений в матричном виде:

 

 

 

 

 

 

 

Найдём передаточную матрицу объекта по задающему воздействию:

 

 

  • Параметры датчиков и исполнительных механизмов системы

 

   Датчик частоты вращения индукционного типа последовательно включён с преобразователем “частота-напряжение”. Абсолютная чувствительность kn = 0.1 (В·с)/рад. Инерционность измерения пренебрежимо мала по сравнению с длительностью переходных процессов в ТРДФ.

     Датчик температуры газов представляет собой термопару, последовательно включённую с форсирующим устройством компенсации её инерционности. Абсолютная чувствительность kT = 5 мВ/100 К.

     Датчик отношений давлений газов мембранного типа последовательно включён с индуктивным преобразователем линейных перемещений мембраны в электрическое напряжение. Абсолютная чувствительность k = 2 В.

     Задающее устройство основного режима – потенциометрический преобразователь

40º<αруд<70º в напряжение 3 В <UП.зад< 16 В. Коэффициент передачи kа0 = 0.4 В/град.

     Задающее устройство форсажного режима – потенциометрический преобразователь

70º<αруд<100º в напряжение 0 <  Uф.зад < 12 В. Коэффициент передачи kаф = 0.4 В/град.

     Исполнительные механизмы управления подачей топлива в основную и форсажную камеры представляют собой малоинерционные электромеханические преобразователи управляющих напряжений в линейное перемещение дроссельной иглы в соответствующих топливопроводах. Коэффициенты передачи kGТф = 0.2 (кг/с)/В;

kGT = 0.1 (кг/с)/В.

    Механизм регулирования сечения сопла содержит электромеханический сервопривод, управляющий быстродействующим гидроусилителем. Добротность механизма

kf = 0.2 (м2/с)/В.

 

 

Датчики:

 

 

Исполнительные механизмы:

 

 

 

Структура МСАР объекта с исполнительными устройствами и датчиками:

                                                                            

 

Исполнительные

ус-ва

 

Объект

 

Датчики

 

                                                                                                                           

                                                                                                                        

                                                                                                                     

 

 

 

4.2. Обеспечение автономности САР по задающему воздействию

 

 

     Условие автономности замкнутой САР сводится к более простому условию диагональности разомкнутой системы  ().

     Если обозначить желаемую передаточную матрицу системы

 
   

 

 

 =  =   

 

То необходимый регулятор получается обычным решением матричного уравнения:

 

 = -1 .

 

 

 

Обозначим желаемую передаточную матрицу разомкнутой системы:

 

 

 

 

 

Получим регулятор автономности:

 

 

 

Звено  получилось физически нереализуемым. Перейдём к физической реализации звена, добавив малый корень в знаменатель:

 

 

Осуществим проверку автономности на модели в Matlab:

 

 

n(t)

 

 

πт(t))

 

πт(t)

 

n(t)

 

Gt = 0

Fc = 1

 

Gt = 1.5

Fc = 0

 

 

 

4.3. Расчёт регулятора качества

     Согласно ТЗ, требуется обеспечить требуемое значение времени регулирования tpn = 0.5 с, перерегулирования σn = 10% и установившейся ошибки εn = 5% частоты вращения n турбокомпрессора, а также ошибки

  = 10%. Исходя из этого мы сделаем монотонный процесс с нулевой ошибкой и временем регулирования . Этим параметрам соответствует инерционное звено 1-го порядка, с постоянной времени  

Объект рассматривается без возмущения.

 

 
 

Регулятор качества

 

Регулятор автономности

 

 

Объект

 

                                        R

    g                                                                                                                   y     

                               -                                                                                                    

 
   

 

 

 

 

 

Найдем R:                    

 ;

 ;

;

;

;

;

;

;

;

Получаем:

Звено  получилось физически нереализуемым. Перейдём к физической реализации звена, добавив малый корень в знаменатель:

 

 

 

 

Проверка качества САР на модели в Mathlab:

n, 10-3c

 

 

 

Gt = 15

 

 t,c

 

     πт

 

Fc = 1

 

    t,c

     Получены нулевые ошибки, а также требуемое время регулирования для частоты вращения n турбокомпрессора  = 0.45 с. (по ТЗ требуется 0.5с)

 

  • Введение в МСАР возмущающего воздействия

 

Структурная схема МСАР:

                                                                                                      f

 

               
   

Регулятор автономности

 

 
   

Регулятор качества

 
       

Объект

 
   
 
 
 

 

 

              g                                                                                                                   y     

                               -                                                                                                       

 

 
   

 

 

   Дифференциальные уравнения в матричном виде для канала возмущения:

 

 

 

 

Найдём передаточную матрицу объекта по возмущающему воздействию:

 

 

Получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вид канала возмущения на модели в Matlab:

 

Реакция системы на ступенчатое возмущающее воздействие:

       
 

n, об/с

 
 

πт

 
 

 

 

Gтф = 2.4

 

πт

 

n

 

t,c

Gтф = 2.4

 

n,об/с

 

t,c

Система отрабатывает возмущение.

 

 

 

  1. Проверка результатов синтеза на модели в Mathlab.

Общий вид системы:

 

     Реакция системы на ступенчатое перемещение РУД  из положения “малый газ” (αруд = 40º ) в положение “максимальный нефорсированный режим” (αруд = 70º )

(на 7 секунде) и на форсирование двигателя (начиная с 17-ой секунды):

n·0.1,об/с

T· 10-3,K

πт

 

Коффициент расширения

турбины πт

 

Температура газов

перед турбиной Тг

 

Частота  вращения

турбокомпрессора, n

 
  1. Заключение

     На основе линеаризованных дифференциальных уравнений парогенератора, которые описывают его процесс, мы смоделировали МСАР в Matcad и Mathlab.

Исследовав МСАР нам потребовалась провести синтез, который в дальнейшем удовлетворил ТЗ.

 

-      Время регулирования частоты вращения n турбокомпрессора  = 0.35

(по ТЗ требовалось 0.5с)

-      Перерегулирование  = 0% (по ТЗ требовалось 10%)

-      Ошибка  = 0% (по ТЗ требовалось 5%)

-      Ошибка  = 0% (по ТЗ требовалось 10%)

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

 

  1. МУ 152-97 Теория управления. Сборник комплексных контрольных заданий по дисциплинам "Теория управления" и Автоматизация технологических процессов и производств" ВГТУ Воронеж 1997
  2. Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов, Под ред. А.А.Шевякова. М

 

 

 Скачать:  У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Категория: Курсовые / Курсовые по авиации

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.