Классификация параметров объектов регулирования

В общем случае, любой физический объект, в каждый момент времени может характеризоваться набором параметров (физических величин). Для ГТД, схема которого приведена на рис. 2.1, такими параметрами являются:

· давление , температура , удельный расход воздуха в характерных i -х сечениях двигателя;

· степень повышения давления , обороты КВД и КНД , расход топлива в основной  и форсажных  камерах;

· коэффициенты полезного действия компрессора  и турбины ;

· величина развиваемой тяги P;

· положение перемещаемого конуса воздухозаборника h;

· углы установки лопаток (винта) ;

· площади выхлопных сопел и перепускных отверстий из внутреннего контура во внешний ;

· напряжение в деталях двигателя и их температура и т.д.

Для каждого режима полета желательно иметь оптимальное сочетание значений этих параметров, т.е. такую комбинацию, которая позволила бы получить заданную величину тяги и минимальный расход топлива при наименьших динамических и тепловых нагрузках на детали двигателя. Теоретически это может быть достигнуто в результате одновременного регулирования всех параметров, определяющих режим работы двигателя. Однако, одновременное регулирование большого числа параметров связано с большой конструктивной сложностью и снижением эксплуатационной надежности двигателя. Поэтому на практике, для регулирования стремятся выбрать такие параметры, которые наиболее полно и однозначно определяют тягу, удельный расход топлива, динамическую и тепловую нагруженность двигателя, а также поддаются измерению простыми и надежными способами.

С точки зрения теории управления, все параметры, определяющие текущее состояние объекта регулирования, подразделяют на три класса:

1. параметры характеризующие различные внешние и внутренние возмущения (возмущающие воздействия);

2. параметры значения которых поддерживаются при изменении возмущающих воздействий (регулируемые параметры);

3. физические величины, с помощью которых оказывается воздействие на регулируемые параметры с целью поддержания их заданных значений при изменении возмущающих воздействий (регулирующие параметры или регулирующие факторы).

Если с возмущающими воздействиями вопрос более или менее ясен, то при выборе управляемых и управляющих параметров зачастую существуют альтернативные варианты, среди которых следует отыскать оптимальный с точки зрения достижения цели управления, экономичности, эксплуатационной надежности и возможности реального управления.

Возмущающие воздействия подразделяются на внешние и внутренние. Внешние возмущения обусловлены изменением высоты и скорости полета, турбулентностью атмосферы. Их с некоторым приближением можно свести к изменению параметров заторможенного потока воздуха на входе в компрессор и численно характеризовать величинами  и . Диапазон изменения указанных величин зависит от пределов изменения скорости и высоты полета. В общем случае давление  может изменяться более чем в 100 раз, а температура  более чем в три раза. Внутренние возмущения связаны с непреднамеренным отклонением геометрии газовоздушного тракта от номинальных размеров (например, при появлении нагара), коэффициента полноты сгорания топлива, характеристик магистралей системы топливоподачи и т.д. Эти возмущения появляются в процессе выработки ресурса двигательной установки, а их формальный учет в математических моделях является довольно сложной задачей и в данном курсе рассматриваться не будет

Регулируемые параметры и регулирующие факторы. Наиболее полно характеризуют тяговую эффективность, экономичность двигателя и нагруженность его деталей такие параметры как число оборотов ротора двигателя n и температура газа перед турбиной .

Выбор n в качестве регулируемого параметра удобен еще и тем, что его величина легко может быть замерена.

Выбор  связан с прочностными характеристиками и ресурсом рабочих лопаток турбин. Недостатком использования  в качестве регулируемого параметра является малая точность измерения вследствие неравномерности поля температур газа перед турбиной, и отсутствия малоинерционных измерителей, надежно работающих при высоких температурах.

У двух вального ТРД с неизменяемой геометрией газовоздушного тракта в качестве управляемой величины может выбираться частота вращения  ТНД, Частота вращения ТВД  или температура газа перед турбиной . Единственным управляющим фактором такого ГТД является расход топлива .

В двухвальном ТРД с изменяемой площадью критического сечения сопла  (рис. 2.1) можно независимо управлять двумя параметрами рабочего процесса. Например, в качестве управляемых величин можно выбрать частоту вращения КНД  и температуру газа за турбиной , а в качестве управляющих – площадь критического сечения сопла  и расход топлива . В двигателях с изменяемой геометрией, управляемой величиной может быть и степень понижения давления в турбине

Двухвальные ТРД с форсажной камерой (ТРДФ) выполняются, как правило, с изменяемой площадью критического сечения сопла (рис. 2.1). Управляющими величинами таких двигателей являются расход топлива, подаваемого в основную и форсажную камеры (  и ), и площадь критического сечения сопла . В качестве управляемых величин могут выбираться: частота вращения одного из роторов, температура газа (за или перед турбиной) и температура в форсажной камере . При этом, наиболее часто,

· изменением расхода топлива осуществляется управление оборотами одного из роторов;

· изменением площади критического сечения сопла оказывается воздействие на температуру газа за (перед) турбиной или степень понижения давления на турбине;

· изменением расхода топлива, подаваемого в форсажную камеру, управляется температура в форсажной камере.

В общем случае основными регулируемыми в ТРД (в зависимости от их геометрии, рис.2.1) являются число оборотов ротора n, температура газов перед турбиной , степень повышения давления на турбине , температура в форсажной камере . Регулирующим воздействием могут быть расход основного топлива  , расход форсажного топлива , и площадь реактивного сопла F [4].

Сверхзвуковой воздухозаборник и ТРД можно рассматривать как самостоятельные объекты регулирования, заменяя существующие связи между ними аналогичными возмущающими воздействиями.

У одновального ТВД с одиночным винтом изменяемого шага (ВИШ) за управляемые величины принимается частота вращения ротора и температура газа перед турбиной, которые характеризуют мощность, экономичность и напряженность его деталей. Управляющими факторами являются расход топлива и угол φ установки лопастей ВИШ. В отличие от ТРД, изменение расхода топлива обычно используется для управления температурой, а угол установки винта управляет частотой вращения. Однако, принципиально возможно и другое распределение управляющих факторов между управляемыми величинами.