Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка системы автоматического управления газотурбинным двигателем с селектором

Содержание

1. Введение. Обзор литературы, формулировка проблемы и методов ее решения

1.1 Силовые установки и принцип их работы

1.2 Математические модели силовых установок

2. Теоретическое обоснование структуры и функциональных свойств технического объекта

2.1 Система автоматического управления силовыми установками

2.2 Структурная схема и ее описание

2.3 Описание работы схемы и составляющих ее устройств

3. Проектирование объекта на основе результатов теоретических исследований

3.1 Канал регулирования частоты

3.2 Расчет операционного усилителя

3.3 Измеритель частоты вращения

3.4 Проектирование и расчет датчика

3.5 Канал регулирования температуры

3.6 Выбор и принцип работы термопары

3.7 Расчет элементов термометра

3.8 Расчет термопары

3.9 Расчет и анализ погрешностей

3.10 Принцип работы и описание селектора

3.11 Исполнительное устройство

3.12 Система управления

3.13 Система индикации

3.14 Моделирование системы в Matlab 6.5

4. Заключение

5. Список литературы

6. Приложения.

1.Введение. Обзор литературы, формулировка проблемы и методов ее решения

Развитие и совершенствование авиационных двигателей невозможно без систем автоматического управления. Объясняется это, с одной стороны, сложностью рабочих процессов, протекающих в двигателях, а с другой - необходимостью оптимизации этих процессов для получения приемлемых удельных характеристик (удельные расход топлива и тяга, заданная надежность и другие), определяющих совершенство двигателя.

Системы автоматического управления (САУ) двигателями должны удовлетворять ряду требований, важнейшими из которых являются:

· обеспечение необходимого качества регулирования по основным параметрам рабочего процесса

· выдерживание оптимальных параметров рабочего процесса, при которых получаются приемлемые удельные характеристики

· защита двигателя от недопустимых рабочих режимов

· обеспечение требуемой надежности двигателя и согласование характеристик двигателя с характеристиками летательного аппарата

Эти требования, хотя и противоречивые, должны быть удовлетворены комплексно.

Эффективность СУ зависит прежде всего от ее удельных показателей (удельной тяги, удельной массы и удельного расхода топлива) и от эксплутационных высотно-скоростных и дроссельных характеристик на форсажных и бесфорсажных режимах.

В действительных условиях эксплуатации режим работы СУ часто и в широком диапазоне изменяется. Изменение режима и поддержание его мог бы осуществлять летчик, воздействуя на силовую установку. Для этого ему потребовались бы приборы, сообщающие информацию о задачах и результатах управления в любой момент времени, рычаги для приведения в действие управляющих органов и знание законов управления. Летчик непрерывно должен был следить за измерительными приборами, определять величины управляемых параметров, сравнивая, сравнивая эти величины с заданными значениями, принимать решения о направлении перемещения рычагов для ликвидации возникающих рассогласований.

Однако сложность СУ как объекта управления, специфические особенности газодинамических и тепловых процессов, происходящих в управляемом объекте, случайность действующих на него возмущений, которые быстро изменяются во времени в широком диапазоне, занятость экипажа в полете переработкой информации, необходимой для выполнения поставлено задачи, делают невозможным качественное ручное управление СУ. Решать задачу управления СУ в таких условиях возможно только средствами автоматики, которые позволяют свести функции управления лишь рычага управления двигателем (РУД).

1.1 Силовые установки и принцип их работы

Силовая установка (СУ) состоит из двигателей (один или несколько) с их системами управления, запуска, топливопитания, а также входных и выходных устройств для реверса тяги и движителей в виде воздушных винтов. Двигатель составляет основу СУ, которая предназначена для создания необходимой для полета ЛА тяги.

Современные СУ ЛА строятся на базе реактивных двигателей. Реактивным называют двигатель, тяга которого представляет собой силу реакции потока продуктов сгорания топлива, получающего ускорение в самом двигателе и вытекающего из него в окружающую среду со скоростью, большей скорости полета.

Все реактивные двигатели делятся на два основных класса: воздушно-реактивные и ракетные двигатели.

Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) - это двигатели, в которых химическая реакция окисления топлива осуществляется за счет кислорода атмосферного воздуха. В свою очередь ВРД можно разделить на прямоточные (или бескомпрессорные) воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) и газотурбинные двигатели (ГТД). В данном проекте будет использоваться газотурбинный двигатель.

В ПВРД воздух из входного устройства подается непосредственно в камеру сгорания. При этом сжатие воздуха осуществляется в воздухозаборнике за счет скоростного напора. ПВРД предназначены как для сверхзвуковых полетов при М=2..3 (СПВРД), так и для гиперзвуковых скоростей при М=6..7 (ГПВРД).

Рис. 1.1. Двухвальный двигатель

В ГТД для сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания, служит компрессор с приводом от газовой турбины. ГТД подразделяются на турбореактивные двигатели (ТРД) и турбовинтовые (ТВД).

Основными элементами одновального ТРД являются: входная часть двигателя, компрессор, камера сгорания, газовая турбина, реактивное сопло. Внешний воздух, сжатый в компрессоре, поступает в камеру сгорания, куда через форсунки подается топливо. Газы, образующиеся в результате сгорания топлива, протекают через турбину, приводя ее во вращение, и затем пройдя через реактивное сопло, вытекают с большой скоростью в атмосферу в сторону, противоположную направлению полета, тем самым создавая реактивную тягу.

Для увеличения тяги ТРД часто снабжают дополнительными камерами сгорания, которые располагаются за турбиной и называются форсажными. Сжигание дополнительного количества топлива в форсажной камере приводит к росту температуры газов и скорости их истечения, а следовательно, к росту тяги двигателя ТРДФ.

Разновидностью ТРД являются двухвальные двигатели. У них имеются два каскада компрессора, каждый из которых приводится во вращения от своей турбины. В двигателях такой схемы можно получить более широкую область устойчивых режимов работы компрессора, так как каждый из каскадов работает с меньшей степенью повышения давления воздуха по сравнению с одновальным двигателем.

В ТВД большая часть энергии газов используется в турбине. Турбина приводит во вращение компрессор и винт двигателя. Оставшаяся часть энергии газов используется, как и в ТРД, для создания реактивной тяги. Таким образом, тяга двигателя слагается из тяги, развиваемой винтом (около 90 % от общей тяги двигателя), и реактивной тяги (около 10 %). При небольших дозвуковых скоростях полета (до М=0,6..0,8) ТВД обладает более высокими экономическими показателями, чем ТРД. ТВД могут быть выполнены по двухвальной схеме. В этом случае одна турбина используется для вращения компрессора, вторая - для вращения винта.

В двухконтурных ТРД, или, как их еще называют, турбовентиляторных двигателях, имеются два воздушных контура. Первые низконапорные ступени компрессора работают как вентиляторы, создавая дополнительную тягу. В этих двигателях используются преимущества ТВД на низких скоростях полета благодаря применению вентиляторного контура и преимущества ТРД во внутреннем контуре на больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета.

Работа двигательной установки характеризуется величиной удельного расхода топлива и тяги величиной . Так как при регулировании ГТД затруднительно непосредственно измерить тягу и удельный расход топлива, то в качестве регулируемых используются другие параметры рабочего процесса, замер которых организовать легче. Эти параметры режима должны выбираться из условия получения заданных значений и , например максимальных значений или минимальных значений . Такими параметрами для ТРД являются частота вращения вала турбокомпрессора и температура газов в камере сгорания. Зависимость и от и показана на рис. 1.2.

(а) (б)

Рис.1.2. Характеристика ТРД

В качестве управляющих воздействий используется расход топлива в камере сгорания и - площадь сечения сопла. В данной работе будет использоваться как управляющее воздействие расход топлива. Изменяя расход, можно воздействовать как на температуру, так и на частоту вращения. Приведенные параметры ГТД выражаются через , и его физические параметры с помощью следующих соотношений:

 (1.1)

.

Здесь , - давление за компрессором и расход воздуха через него; - степень повышения давления в компрессоре.

1.2 Математические модели силовых установок

Получим уравнения движения силовых установок с различными типами ГТД как объектов управления при малых отклонениях режима работы от исходного установившегося. Применив преобразования Лапласа и Фурье к линеаризованным дифференциальным уравнениям, можно будет определить динамические характеристики СУ в виде передаточных функций и частотных характеристик.

Для двухвального ТРД уравнения движения роторов турбокомпрессоров высокого и низкого давлений при неизменных внешних условиях запишутся следующим образом:

После линеаризации и введения относительных величин приходим к следующей системе дифференциальных уравнений:

 (1.2)

Здесь

Отметим, что

Система (2) может быть записана в векторно-матричной форме

где -векторы входных и выходных координат; матрицы полиномов от параметра дифференцирования :

Приравнивания к нулю определитель матрицы получим характеристическое уравнение объекта управления

В все коэффициенты характеристического уравнения положительны, что определяет устойчивость двухвального ТРД как объекта управления.

Приведем более полную модель двухвального ТРД для

и

Система уравнений “вход-выход”:

(1.3)

Из (3) получаем передаточную матрицу двухвального ТРД

(1.4)

Как следует из (4), выходной сигнал по переменным зависит не только от входного сигнала, но также от его первой и второй производных.

Замена на в передаточной матрице ГТД позволяет перейти к динамическим характеристикам силовых установок в виде частотных характеристик, которые дают информацию о полосе пропускания объекта управления по всем каналам прохождения регулирующих и возмущающих воздействий.

Частотные характеристики двухвального ТРД имеют протекание, близкое к звену первого порядка. Характеристика показывает несколько большую инерционность двигателя по каскаду низкого давления относительно каскада высокого давления, что является типичным для двигателей двухвальной схемы.

2. Теоретическое обоснование структуры и функциональных свойств технического объекта

2.1 Системы автоматического управления силовыми установками

Силовая установка включает в себя ГТД, реактивное сопло и воздухозаборник, и соответственно в САУ СУ будем различать регуляторы расходов основного и форсажного топлива, направляющих аппаратов компрессора и вентилятора, регулируемого сопла и воздухозаборника. На рис.2.1. приведена схема регулирования двухвального двигателя.

Рис. 2.1. Схема САУ двухвального ТРД.

Входными параметрами СУ является тяга и мощность, подводимая к винту, которые и определяют энерговооруженность ЛА и ряд других его характеристик.

Основными для ГТД являются дроссельная и высотно-скоростные характеристики. Первая показывает зависимость тяги и других внутридвигательных параметров от частоты вращения, вторые -зависимость тяги двигателя от высоты и скорости полета и являются существенными при согласовании характеристик самолета и двигателя.

При выборе законов управления режимами ГТД следует учитывать ограничения, связанные с его живучестью. Сюда относятся ограничения по предельно допустимым параметрам: температуре газов, частотам вращения валов турбокомпрессора, максимальному и минимальному значениям ускорений и т. д.

На Рис. 2.2. показана область допустимых режимов работы ГТД. Кроме того, есть ряд параметров, которые определяют степень оптимальности режима работы, близость к границам устойчивости. Таким параметром, например является скольжение роторов S двухвальных ГТД, определяемое как отношение частот вращения роторов высокого и низкого давлений. В процессе разгона и дросселирования двигателя величина скольжения изменяется, что приводит к изменению запасов газодинамической устойчивости.

Законы управления силовой установкой выбирают исходя из назначения летательного аппарата, особенностей его эксплуатации. Обычно требования к статической и динамической точности регулиролвания параметров силовой установки определяются по степени их влияния на экономичность, тягу и ресурс.

Рис.2.2. Область допустимых режимов работы ГТД:

1- ограничение ; 2 - граница газодинамической устойчивости; 3 - граница устойчивой работы двигателя на режимах минимальной тяги; 4 - граница устойчивого горения в камере сгорания; 5 - линия установившихся режимов двигателя.

Например, поддержание температуры газов с погрешностью приводит к потере 1%. Рассуждая аналогично, для остальных параметров можно сформулировать следующие требования к точности работы САУ СУ:

погрешность частоты вращения турбокомпрессора должна быть не более 0,2%;

погрешность поддержания приведенной частоты вращения - не более 0,5%;

температура газа на максимальном режиме - с погрешностью менее 0,5%;

значение суммарной степени повышения давления воздуха за компрессором - с допуском не более 1%;

переход двигателя с режима “малый газ” на “максимальный режим” - за время не более 5с;

при переходных процессах заданные величины использования располагаемых запасов газодинамической устойчивости должны поддерживаться с допуском не менее 5 %;

заданная величина минимального снижения суммарного коэффициента избытка воздуха в форсажной камере сгорания должна поддерживаться с допуском менее 1,5%;

перерегулирование в переходном процессе, вызванное возможными возмущениями, на максимальном режиме работы двигателя не должно быть больше 1%.

Эти и другие требования формулируются более точно при конкретной разработке САУ.

При управлении двигателем на максимальных режимах в задачу САУ входит обеспечение максимальной тяги при надежной температурной и прочностной защите. Поэтому для контроля состояния двигателя измеряют частоту и амплитуду вибрации и другие параметры. Чаще всего строятся ограничители с воздействием на расход топлива. На переходных режимах в электронных системах управления используется ограничение приведенного ускорения частоты вращения или комплекта параметров, обеспечивающего требуемое протекание процессов запуска, разгона и дросселирования. На крейсерских режимах используется один из законов управления расходом топлива:

и т. д.

Параметры двигателя на различных высотах и скоростях полета изменяются в широком диапазоне. Изменяя законы управления по H и M полета, можно получить лучшие характеристики по реактивной тяге, чем используя только один из них.

Для управления режимами работы основного контура ГТД широко используется замкнутые САУ частотой вращения с применением всережимных регуляторов с астатизмом 1-го порядка. Такие регуляторы позволяют получить достаточно высокое качество переходных процессов во всем диапазоне условий эксплуатации. Структурная схема САУ частотой вращения приведена на рис. 2.3

Рис. 2.3. Структурная схема САУ частотой вращения ГТД.

Для двигателей многовальных схем регулировать частоту вращения можно по каскадам высокого и низкого давлений. При этом динамика по контуру регулирования высокого давления остается практически такой же, как и для двигателя одновальной схемы. Объясняется это тем, что динамические свойства двигателей многовальных схем относительно частоты вращения каскада высокого давления описываются передаточной функцией, как для ТРД одновальной схемы.

(2.1)

где - коэффициенты усиления двигателя и регулятора; постоянные времени двигателя и регулятора.

Передаточная функция замкнутой системы по управляющему воздействию

(2.2)

Передаточная функция двигателя по каналу низкого давления имеет вид

(2.3)

Если в канале регулирования использовать изодромный регулятор, то характеристическое уравнение замкнутой системы имеет четвертый порядок. В общем случае область устойчивости системы с регулятором несколько меньше, чем с регулятором

Известны САР ГТД воздействующие на один регулирующий фактор - расход топлива в камере сгорания ГТД, содержащие измерители входных параметров, элементы сравнения и исполнительный механизм, причем сигнал с регулятора температуры газа непосредственно действует на настройку регулятора частоты вращения ротора ГТД.

Недостатком такой схемы является уменьшение запасов устойчивости, уменьшение допустимых коэффициентов усиления в канале управления, ухудшение статической и динамической точности регуляторов при совместной работе каналов. Для устранения отрицательного влияния взаимодействия регуляторов на характеристики САР с одним регулирующим фактором применяют системы, которые помимо каналов управления и регулирования содержат еще и селектор, позволяющий исключить зону совместной работы регуляторов и тем самым улучшить характеристики системы в целом.

Селекторы обеспечивают во всех условиях работы системы воздействие на регулирующий фактор только одного регулятора, включаемого в работу в зависимости от режима работы двигателя. В этом случае каждый из каналов управления работает автономно, и его параметры могут выбираться без учета взаимодействия с другими регуляторами. Обычно применяется принцип селектирования, согласно которому регулируется параметр двигателя, наиболее приблизившийся к величине, определяемой задающим воздействием регулятора (программой регулирования). Например, при управлении ГТД путем изменения расхода топлива в основную камеру сгорания на максимальных режимах работы двигателя, для того, чтобы все регулируемые параметры не превысили максимально допустимых значений (ограничение сверху), селектор должен пропустить на управление дозирующим устройством сигнал, соответствующий получению минимальной величины GT . Классифицируя по требуемой величине регулирующего фактора, такое селектирование называют селектированием по минимуму, а селектор - селектором минимальных сигналов управления (селектор min). С помощью селектирования по минимуму определяется очередность выполнения программ регулирования nmax=const, T4*=const, программы регулирования при приемистости и ряда других. Если же ограничивают минимальные значения параметров (ограничения снизу), то предпочтение отдается регулятору параметра, для поддержания которого требуется наибольший расход топлива, то есть осуществляется селектирование по максимуму (селектор max). Такой принцип применяется для согласования с регуляторами сброса газа, ограничения снизу расхода топлива.

Применение селекторов, устраняющих зону совместной работы, позволяет сохранить статическую точность и запасы устойчивости регулирования, свойственные автономным регуляторам параметров. Взаимодействие каналов управления при этом сохраняется на переходных режимах, характер которых зависит от программ регулирования, способов селектирования и динамических свойств регуляторов.

Наиболее близкой к требуемым характеристикам является САР ГТД, содержащая в своем составе измерители частоты вращения n, температуры газа за турбиной T4*, регуляторы этих параметров, селектор минимума, исполнительное устройство, воздействующее на расход топлива GТ ГТД.

Структурная схема САУ представлена на рисунке 2.4, где Pn , PT - регуляторы частоты вращения и температуры соответственно; Сел. min - селектор минимума; ИУ - исполнительное устройство; ГТД - газотурбинный двигатель; Иn, ИT - измерители частоты вращения и температуры газа соответственно.



Рис.2.4. САУ ГТД с селектором.

Работа селектора минимума описывается выражением:

(2.4)

или с учетом разности входных сигналов:

= U1 - U2

следующим образом:

.

Передаточные функции разомкнутых каналов:

WI (p)=Wn(p)WИУ(p)Hn(p)WИn(p);

WII (p)=WT(p)WИУ(p)HT(p)WИT(p).

Причем возможно, что:

WI(p)=WII(p)=W(p).

ГТД имеет различные динамические характеристики по выходным параметрам относительно расхода топлива, а именно:

по частоте вращения ротора передаточная функция ГТД

;

по температуре газа за турбиной передаточная функция ГТД

,

где - коэффициент передачи по n; - коэффициент передачи по T4*;

A(p), B(p), D(p) - полиномы, зависящие от конструктивных особенностей ГТД.

Порядок полинома А(p) на единицу меньше порядка полинома D(p), а порядок полинома B(p) равен порядку полинома D(p). Следовательно, как видно из передаточных функций Hn(p) и HT(p) газотурбинный двигатель является инерционным звеном по частоте вращения и практически безинерционным по температуре газа

Передаточная функция исполнительного устройства:

, (2.5)

где КИУ - коэффициент передачи ИУ; ТИУ- постоянная времени ИУ, то есть, исполнительное устройство является изодромным звеном.

При этом:

;

,

где К1 - коэффициент передачи цепи: исполнительное устройство - ГТД по частоте вращения ротора; К2 - коэффициент передачи цепи: исполнительное устройство - ГТД по температуре газа; Т2 - постоянная времени цепи: исполнительное устройство - ГТД по температуре газа.

Для получения необходимого качества регулирования частоты вращения и температуры газа, регуляторы этих параметров должны иметь следующие передаточные функции:

передаточная функция регулятора частоты вращения ротора ГТД:

, (2.6)

передаточная функция регулятора температуры газа:

, (2.7)

где Kn - коэффициент передачи регулятора частоты вращения; KT - коэффициент передачи регулятора температуры газа; TT = T2 - постоянная времени регулятора температуры газа.

Поведение UТ, а следовательно, и Т4* представлено на рисунке 2.5. Как видно из рисунка данная САР имеет низкую динамическую точность и заброс по температуре газа за турбиной Т4*. Для устранения этого недостатка, который заметно снижает ресурс ГТД, в структурную схему САР ГТД необходимо ввести корректирующие цепи, обеспечивающие более раннее переключение селектора на канал температуры и устранение заброса.

Рис. 2.5. САУ с корректирующим устройством и без него.

Устранение заброса по температуре газа в данной САР осуществляется путем коррекции задающего воздействия, поступающего на вход регулятора температуры, причем эта коррекция осуществляется только при работе САР в режиме регулирования частоты вращения, а в режиме регулирования температуры газа она выключается, не нарушая тем самым работу регулятора.

На основе изученной информации, можно сделать вывод, что существует множество видов систем регулирования ГТД, но принцип их построения и функционирования мало, чем отличаются один от другого. На основе этих принципов и будет проектироваться данная система. Она будет аналого-цифровая. Т.е. система измерения будет цифровой, а система регулирования аналоговой. Это объясняется тем, что аналоговые устройства более надежны, но цифровые более точны. Система измерения может быть преобразована в систему управления путем добавления ЦАП в обратную связь и перепрограммированием микропроцессора.

2.2 Структурная схема и ее описание

Структурная схема будет иметь вид как в приложении 1. Структурная схема состоит из трех блоков:

1. Блок регулирования

а. регуляторы частот вращения роторов низкого и высокого давлений, температуры.

б. датчики частоты вращения роторов высокого и низкого давлений, а также температуры газов за турбиной высокого давления.

в. электронный селектор минимума

г. электронный селектор максимума.

д. блок ограничения .

е. исполнительное устройство.

2. Резервная система индикации

а. ключ.

б. частотомер.

в. индикаторы.

3. Система измерения и индикации

а. коммутатор.

б. аналого-цифровой преобразователь.

в. микропроцессор

г. преобразователь в интерфейс RS-232.

д. монитор

2.3 Описание работы схемы и составляющих ее устройств

Схема представляет собой систему автоматического регулирования и отображения информации, с резервной системой отображения информации для повышения надежности для двух вального двигателя. Расход топлива регулируется по трем каналам, это канал частоты вращения роторов высокого и низкого давлений, а также канал регулирования температуры газов за ротором высокого давления. Датчики снимают сигналы соответствующие им и передают их на регуляторы. Причем формирование установочного значения происходит в зависимости от и . Далее с помощью селектора минимума исключается взаимное влияние трех каналов. Селектор максимума предотвращает тушение пламени в камере сгорания. Далее сигнал поступает на исполнительное устройство электромагнитного типа, которое управляет расходом топлива, а следовательно частотой вращения и температурой.

Система измерения представляет собой микропроцессорную систему. Коммутатор коммутирует аналоговые сигналы и передает его на аналого-цифровой преобразователь, далее сигнал обрабатывается микропроцессором и выдается на экран.

Резервная система индикации частоты вращения включает в себя ключ, который позволяет экономить место, частотомер, индикаторная система отображения информации.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Канал регулирования частоты

Канал регулирования частоты вращения состоит из регулятора частоты вращения, собранного на операционных усилителях DA1, DA2, DA3.Операционный усилитель DA2 является элементом сравнения, а значение задающего воздействия подается на DA1.

Рис. 3.1 Модуль регулятора частоты вращения

3.2 Расчёт операционного усилителя

Схема операционного усилителя показана на рисунке 3.2

Рис. 3.2

На выходе усилителя необходимо получить амплитуду минимального напряжения равную 2 В.

(т.е. Uвых=Uвых maxОУ=2 (В).

Возьмём операционный усилитель 140УД24.

Коэффициент усиления по напряжению будет равен:

=1000;

Пусть R1=50 Ом, тогда R2=50кОм. Знак «-» указывает то, что ОУ охватывает ООС, поэтому его можно не учитывать. Рассчитаем R3 ,как параллельное соединение R1 //R2 . R3 50 Ом. Выберем номиналы резисторов R1 , R2, R3 из ряда Е192. Данный усилитель подходит нам по частотному диапазону от 400(Гц.) до 4000(Гц.).

3.3 Измерители частоты вращения (тахометры)

В качестве датчиков используются индукционные преобразователи.

Приборы, предназначенные для измерения частоты вращения, называются тахометрами. Тахометры применяются для измерения частоты вращения вала двигателя и его агрегатов. По величине частоты вращения можно судить о тяге и о динамической и тепловой напряженностях.

Типы индукционных преобразователей. Индукционные преобразователи, в качестве естественной входной величины имеют скорость механического перемещения и поэтому непосредственно могут применяться в приборах для измерения скорости линейных или угловых перемещений.

Примерами подобного использования индукционных преобразователей являются датчики приборов для измерения скорости вращения валов (тахометры), представляющие собой небольшие генераторы постоянного тока, а также датчики приборов для измерения вибраций, т. е. приборов для измерения переменных во времени линейных и угловых перемещений и ускорений. Так как выходное напряжение индукционных преобразователей пропорционально скорости вибрации подвижной части, то для получения напряжения, пропорционального пути (амплитуде вибраций) или ускорению, выходное напряжение индукционного преобразователя подвергается интегрированию и дифференцированию с помощью интегрирующих или дифференцирующих цепей или усилителей.

По принципу действия индукционные преобразователи можно разделить на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление на пути постоянного магнитного потока остается неизменным, а индуктированная Э. Д. С. наводится в катушке благодаря линейным и угловым колебаниям катушки в зазоре магнита. При этом в некоторых практических конструкциях катушка остается неподвижным, а перемещается магнит. В преобразователях второй группы как постоянный магнит, так и катушка неподвижны, а индуктированная Э. Д. С. наводится путем изменения магнитного потока вследствие колебаний полного магнитного сопротивления магнитной цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора в этой цепи. Преобразователи второй группы подходят заданным параметрам данного курсового проекта. В преобразователях первой группы магнитный поток не изменяется, и расчет магнитной цепи и Э.Д.С. преобразователя производится обычными приемами расчета постоянных магнитов.

В преобразователях второй группы необходимо учитывать переменную составляющую магнитного потока, обусловленную изменением во времени магнитного сопротивления потоку, а также влияние поверхностного эффекта на ее распределение.

Если наибольшее изменение магнитного потока равно

Где F-магнитодвижущая сила магниты, а Rm и (Rm+ДRm)-крайние значения магнитного сопротивления, т.е. без зуба и с зубом. Тогда действующее значение потока равно

А Э.Д.С.

(3.1)

Рис. 3.2

Рисунок, поясняющий принцип работы датчика с индукционным преобразователем.

На валу укреплен стальной зуб, который при вращении вала проходит мимо зазора неподвижно установленной магнитной системы с постоянным магнитом, уменьшая магнитное сопротивление этой системы согласно кривой Rm. При этом в катушке, надетой на магнит, наводятся импульсы Э.Д.С., примерная форма которых показана кривой е.

Независимо от качества выполнения системы, старения магнита, расстоянием между валом и магнитом и любых других факторов частота выходных импульсов в герцах всегда будет в точности равна числу оборотов вала в секунду.

Максимальная частота таких датчиков не превышает нескольких сотен герц, поэтому они работают с аналоговым измерительным устройством типа конденсаторного частотомера. Для получения более высоких частот, при которых становится оправданным использование цифровых частотомеров, целесообразно строить датчик в виде реактивного генератора с зубчатым ротором.

3.4 Проектирование и расчет датчика

Датчик частоты вращения предназначен для выдачи электрических импульсов напряжения, частота следования которых пропорциональна угловой скорости вращения вала авиадвигателя. Датчик работает совместно с индуктором, который является неотъемлемой частью двигателя и в состав датчика не входит.

Принцип действия датчика заключается в индуцировании электрических импульсов напряжения в обмотке датчика за счет изменения сопротивления магнитной цепи при вращении, индуктора под торцом датчика.

Датчик частоты вращения (рис.3.3) состоит из катушки 1, постоянного магнита 2, корпуса 3 и штепсельного разъема 4.

Датчик является генератором электрических импульсов напряжения и работает следующим образом: при вращении индуктора каждый из его зубьев проходит в непосредственной близости от торца датчика, результатом чего является возникновение ЭДС, индуцируемой в катушке датчика.

Рис. 3.3 Датчик

Частота импульсов напряжения, снимаемая с датчика, соответствует частоте прохождения зубьев мимо его торца, зависит от частоты вращения индуктора и, следовательно, вала двигателя.



Рис. 3.4

Рассчитаем параметры катушки

Выберем провод по ГОСТ 7262-70, из ряда стандартов выбираем провод ПЭВ-1. Диаметр провода d=0.08(мм.) Катушка имеет следующие геометрические размеры: D0=8(мм.), DНАР=15(мм.), d0=5(мм.), d1=7(мм.), D=18(мм.), h=10(мм.), H=15(мм.).

1)Внутренний диаметр обмотки (периметр)

2)Радиальная толщина обмотки

3)Количество витков в одном слое

4)Количество слоев

5)Общее количество витков

6)Средняя длина витка

7)Длина всей намотки провода

8)Сечение провода катушки

9)Активное сопротивление катушки

где -удельное сопротивление меди,

тогда R=551(кОм)

Максимальная частота на выходе датчика:. Где z-число зубьев ротора, n-количество оборотов в минуту. Минимальная

Максимальное выходное напряжение на выходе датчика будет 2(В.), минимальное 0.002(В). Необходим усилитель.

3.5 Канал регулирования температуры

Модель регулятора температуры газа за турбиной ГТД выполнена на ОУ DA5, DA6, DA7.

Рис. 3.5 Канал регулирования T.

В качестве датчиков применяются термоэлектрические термометры. Термоэлектрические термометры применяются для дистанционного измерения температуры в широких пределах, как для общетехнических, так и специальных измерений. В качестве датчиков используются термопары, а в качестве указателей - магнитоэлектрические гальванометры

Действие термоэлектрического термометра основано на явлении возникновения электродвижущих сил в цепи, составленной из двух разнородных проводников (Эффект Зеебека).

Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников, возникает термоэдс, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток ), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления

Направление термотока определяется следующим образом: в нагретом спае ток течет от металла с меньшим значением a к металлу, у которого коэффициент термоэдс больше. Например, для термопары железо (М1) - константан (М2) абсолютные коэффициенты термоэдс соответственно равны: a1 = +15.0 мкВ/К (для железа) и a2= -38.0 мкВ/К (для константана). Следовательно, ток в горячем спае направлен от константана к железу (от М2 к М1).

3.6 Выбор и принцип работы термопары

автоматический управление термопара усилитель

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух последовательно соединенных пайкой или сваркой разнородных металлических проводников М1 и М2. В сочетании с электроизмерительными приборами термопара образует термоэлектрический термометр, шкала которого градуируется непосредственно в К или °С.

Рис. 3.5. Термопара

На рис. 3.5 показаны схемы включения термопары в измерительную цепь:

Погрешности и методы компенсации.

Термоэлектрические термометры имеют следующие погрешности:

- температурные методические погрешности (изменение температуры холодного спая)

- температурные инструментальные погрешности (изменение параметров указателя и электрической цепи при изменении температуры окружающей среды)

- погрешности от паразитных ТЭДС

- погрешности от неполного контакта приемника с окружающей средой.

- погрешности от влияния посторонних магнитных полей.

Компенсация методической температурной погрешности осуществляется биметаллическим компенсатором, воздействующим на упругость противодействующей пружины, подбором характеристик термопар, как это сделано в термометрах типа ТВГ, применением специальных электрических схем компенсации.

Погрешности от паразитных ТЭДС компенсируются правильным подбором характеристик соединительных проводов. Например, соединительные провода делают из тех же сплавов, что и термопары.

Погрешности от влияния магнитных полей устраняются экранированием магнитной системы указателя.

Термоэлектрический термометр состоит из термопары, соединительной цепи и гальванометра (рис. 14), d, lэ -диаметр и длина электродов



Рис. 3.6 Схема термометра

Таблица 3.1

Тип термопары:	Х-К
Напряжение питания	=15 В.
Диапазон измерений:	300 - 1200 ОС
Суммарная погрешность %:	1,5
Выход	аналоговый

3.7 Расчет элементов термометра

При расчете элементов прибора выбираются конструктивные параметры и определяются статические и динамические характеристики звеньев.

Рис. 3.7. Структурная схема термометра.

Структурная схема прибора показана на рис.15. Здесь W1(p), W2(p), W3(p), W4(p) - соответственно передаточные функции термопары, электрической цепи, магнитоэлектрического преобразователя и подвижной системы гальванометра.

3.8 Расчет термопары

Звено 1 - чувствительный элемент (термопара). Без защитного чехла передаточная функция будет:

(3.2)

где S1 - чувствительность, определяемая по градуированным характеристикам;

1 - постоянная времени термопары;

здесь СР - среднее значение теплоемкости спая электродов [Дж/кг С]

d - диаметр одного электрода [м];

k - коэффициент теплоотдачи от среды к электродам [Вт/м2 С];

1, 2, - соответственно плотности материалов электродов спая [кг/м3].

Выражение для чувствительности будет



где е1 - Э.Д.С. при MAX,

е2 - Э.Д.С. при 0.5MAX.

е1=25 мВ.

е2=12,5мВ.

a=0.011 b= 0

;

Рис. 3.8. Принципиальная электрическая схема

Звено 2 - электрическая цепь , преобразующая Э.Д.С. в силу тока i

Передаточная функция звена имеет вид:

 (3.3)

где постоянная времени 2 равна:

Здесь: Rтп - сопротивление датчика температуры

RIIГ - сопротивление гальванометра

Lp - индуктивность рамки гальванометра.

Сопротивление соединительных проводов и электродов термопары:

(3.4)

где ' - удельное сопротивление [Ом*м];

- температурный коэффициент сопротивления [1/град];

l - длина соединительных проводов или электродов [м];

- площадь поперечного сечения электродов (принимаем d=dСП).

Исходя из колебаний температуры окружающей среды ( от -60 до +250 С) и задаваясь допустимой погрешностью измерения сопротивления прибора

можно определить сопротивление гальванометра

(3.5)

где изменения сопротивления внешней цепи в функции термопары не превышаю величены

Задаваясь допустимой погрешностью от измерения сопротивления и можно определить по формуле (2) сопротивление гальванометра

Если удовлетворить условию:

то сила тока I в гальванометре обращается в нуль, и мост находится в равновесии.

Если одно из сопротивлений плеч моста, например Rx, является переменным, зависящим от измеряемого параметра x, то сила тока I при этом изменяется. Следовательно между силой тока I и величиной сопротивления Rx при постоянных значениях других сопротивлений и при постоянном напряжении питания U существует однозначная зависимость вида

I=f(x),

Позволяющая преобразовать изменение сопротивления в изменение силы тока.

В магнитоэлектрических гальванометрах угол отклонения подвижной системы пропорционален корню квадратному из мощности Pг=Rг*I2, рассеиваемой в рамке.

Наибольшая мощность соответствует согласованию сопротивления гальванометра (нагрузки) и эквивалентного генератора т.е.

Rг=a1*R2+a2*Rx, где

a1=R1/(R1+R2), a2=R3/(R3+Rx)

При заданном Rx для увеличения Рг сопротивление R1 необходимо уменьшить до предела. На практике не удается уменьшить R1 до сопротивления, меньшего Rx, так как начинают сказываться другие факторы (нагрев сопротивления плеч моста, потребная мощность источника тока и др.)

В том случае, когда R1=R3, R2=Rx максимум выражения для мощности Рг будет при R1=Rx/2, таким образом Rг=(3/2)Rx.

Отсюда Rx=R3=66.3 Ом. R1=R3=50 Ом.

(3.6)

где RP - сопротивление рамки при гальванометра.

=16.6 Ом - сопротивление термоконпенсации;

- температурный коэффициент (для медной обмотки =4*10-3 1/град);

1 - температурный коэффициент резистора термокомпенсации (для резистора ММТ-13 ГОСТ 10688-63 1=-2.4*10-2 1/град);

Rд - дополнительное сопротивление (принимается не более 0.2 от RГ). Rд 20 Ом

Таким образом, из выражения (3) можно определить сопротивление рамки гальванометра RP

Звено 3 - магнитная система гальванометра, преобразующая силу тока в цепи рамки при взаимодействии его с полем постоянного магнита во вращающий момент рамки

(МДВ).

При выборе и расчете параметров гальванометра следует определить размеры магнита, активную площадь рамки F, магнитную индукцию в зазоре B, число витков рамки и определить чувствительность S3.

Статическая характеристика имеет вид

где - ток в рамке при e=5.36*10-3 i=58 мкА;

- чувствительность;

В - индукция магнитного зазора;

F=2rl - активная площадь рамки;

r,l - соответственно радиус и длина рамки;

- число витков рамки.

Передаточная функция 3-го звена будет

Для расчета статической характеристики необходимо расчищать параметры магнитной цепи.

Размеры магнита выбираются из условия получения для данного материала необходимого коэффициента запаса

(3.7)

где LМ, FМ - развернутая длина и площадь сечения магнита [м];

LЗ, FЗ - общая длина и площадь сечения воздушного зазора [м];

Для сплава литого ЮНДК 25А КЗ=23

Учитывая что

Где - угол шкалы прибора (=360)

b,l,r - ширина, длина и радиус рамки ()

Задавшись l=0.02 м получим

Принимая FЗ=FМ и задаваясь величиной зазора 2=LЗ=4*10-3 м по формуле (16) можно определить длину магнита

После выбора материала и размеров постоянного магнита по кривой размагничивания определят рабочую индукцию в зазоре. Для этого рассчитывают угловой коэффициент примой проводимости tg

, (3.8)

Где - проводимость в рабочем зазоре;

FP,FЗ,FМ - площади рабочего зазора, воздушного зазора и магнита (обычно SМ= FP=FЗ=FМ);

- коэффициент масштабов В и Н по диаграммам размагничивания;

- коэффициент рассеяния (=2).

GP=11.25

Рабочая индукция в зазоре B=1.31.

Определим параметры рамки прибора. Длина одного витка равна

где lP и 2r - длина активной и неактивной стороны рамки

Число витков рамки находится по формуле

где - удельный вес обмотки рамки (для меди =8.3*102 Н/м3)

- удельное сопротивление (для меди =1.75*10-8 Ом*м)

Q - вес изоляции [Н] (Q=2*10-2 Н).

2680

Найдя кол-во витков рамки далее определим активную площадь раки F, и определим чувствительность:

F=0.0056 м2

S3=1.966

МДВ=1.14*10-4 г/м

Звено 4 - подвижная система, осуществляющая преобразование момента MДВ в угловое перемещение стрелки указателя .

Статическая характеристика имеет вид

где СЖ- суммарная жесткость двух пружин.

Чувствительность 4-го звена будет

Передаточная функция звена 4, если пренебречь постоянной демпфера, определяется выражением:

(3.9)

где - постоянная времени;

0 - собственная частота (Обычно при f0=7.5 0=47.1 Гц)

T=0.021

J - приведенный момент инерции рамки и связанных с ней деталей (Обычно J=(1.9…3..9)*10-4 кг*м2) J=2*10-4 кг*м2

- коэффициент относительного демпфирования (следует выбирать в переделах =0.7..1.0)

КД - коэффициент демпфирования

(Обычно КД=(4..6)*10-4 Н*м*с) КД=5 )*10-4 Н*м*с

Жесткость одной пружины определяется по формуле

где b,h,L - соответственно ширина, толщина и длина спиральной пружины;

E - модуль упругости материала пружины,

обычно принимают b=(0.5…0.7)*10-3 м, b=0.6*10-3м Е=11.7 Тпа - для фосфористой бронзы.

Толщина пружины находится из соотношения

где MAX - допустимое напряжение материала пружины (для фосфористой бронзы MAX=6*105 г/см2)

Длина пружины



следовательно жесткость двух пружин составит

СЖ=0.0035

S4=280

3.9 Расчет и анализ погрешностей

Погрешности термоэлектрических термометров складываются из погрешностей, вносимых датчиком, электрической цепью и гальванометром.

1. К погрешностям вносимых датчиком (термопарой) относятся следующие

Погрешность из-за потерь от теплоизлучения и теплопроводимости. Эта погрешность является методической. Для ее уменьшения следует увеличить длину погружаемой части датчика, уменьшить толщину стенок защитного кожуха, теплоизолировать не погруженную часть датчика и место его крепления. При расчете эту погрешность можно не учитывать.

2. Температурная погрешность (вносится электрической цепью), вызванная изменением электрических сопротивлений термопары, соединительных проводов и рамки гальванометра.

Расчет погрешности ведется по формуле

(3.10)

где - абсолютная температурная погрешность гальванометра: ОКР0 =900-20=880 0С

R, TC - температурные коэффициенты (R=0.004, TC=-0.006)

Относительная температурная погрешность будет равна

где max - максимальный угол отклонения стрелки гальванометра.

3. Погрешности вносимые гальванометром.

Складываются из производственно-технологических и температурной инструментальной погрешности. Относительная инструментальная погрешность определяется выражением

Значения параметров B,F,,L,b,h,E были определены выше

для практических расчетов отклонения этих величин не должны превышать следующих значений:

B=0.08 T

F=20*10-6 м2

=2 витка

L=2*10-3 м

b=0.02*10-3 м

h=0.0016*10-3 м

E=19.6 МПа

R=3 Ом

=1,35

3.10 Принцип работы и описание селектора

В электронной САУ при создании объединенных регуляторов сравнительно просто решается вопрос их взаимодействия при воздействии на один управляющий орган. Электронный селектор практически исключает взаимное влияние регуляторов.

Схема электронного регулятора приведена на рисунке 3.9

Рис. 3.9. Селектор максимума.

Пока напряжение (при и ), оно определяет выход схемы. Если напряжение становится больше, чем , то оно проходит на выход. Высокая точность выполнения функции определяется использованием операционных усилителей перед диодами: погрешность диодов, приведенная ко входу, уменьшается в А раз, где А-коэффициент усиления разомкнутого операционного усилителя.

Селектор максимума выбирает из входных сигналов такой, который дозирует максимальный расход топлива. Включение селекторов минимального и максимального сигналов обеспечивает надежную работу двигателя как на установившихся, так и на переходных режимах. На селектор максимума подается сигнал блока, который ограничивает минимальный расход топлива с целью не допустить погасания пламени в камере сгорания.

3.11 Исполнительное устройство

В электронных системах управления силовыми установками наибольшее распространение в качестве преобразователей электрических управляющих сигналов в перемещение исполнительных органов получили электромагнитные исполнительные механизмы рис. 3.10

Рис. 3.10. Исполнительный механизм электромагнитного типа.

Исполнительный механизм имеет поляризованную магнитную систему. Выходной шток заканчивается заслонкой, которая вместе с соплом осуществляет преобразование перемещения и изменение расхода жидкости. Регулятор, управляющий исполнительным устройством имеет вид как на рис.3.13

Рис. 3.11. Регулятор исполнительного устройства.

По сути данная схема представляет собой ОУ с умощненным выходом, охваченной общей обратной связью. Умощнение обеспечивается использованием каскада на дискретных транзисторах различного типа проводимости соответствующей мощности. Особенностью этого каскада является наличие в нем местной неединичной отрицательной обратной связи по напряжению (делитель R48, R49). Коэффициент передачи каскада оказывается при этом больше единицы (), благодаря чему, в частности, повышается коэффициент использования напряжения питания и, следовательно, коэффициент полезного действия. Однако его значение невелико.

3.12 Система управления

Данная система цифровая. Снимает сигнал с датчиков, коммутирует его, преобразует в цифровой, обрабатывает его и выдает на индикацию.

Коммутатор

Коммутатор предназначен для подключения одного из датчика давления на вход к источнику питания. Управление коммутатором осуществляется микропроцессорной системой, которая передает на него код с номером коммутируемого канала. Нашим требованиям удовлетворяет микросхема К590КН19.

Микросхема представляет собой 8 - канальный аналоговый коммутатор с дешифратором и регистром и предназначена для коммутации аналоговых сигналов с амплитудой . Особенностями ИС являются управление выборкой каналов коммутатора с помощью дешифратора; эффективная развязка между цифровой и аналоговой частями, исключение перекрытия каналов, отсутствие явления самоблокировки ( залипания ); малые выбросы переходного процесса; регистр на входе дает возможность непосредственного подключения к микропроцессору. В состав ИС входят узлы защиты входов от статического заряда или перенапряжения ( защита диодами диэлектрика под затвором входных транзисторов ); узлы согласования логических уровней ТТЛ (0,0000008 … 2,4 ) и КМОП (0.. 15 В ) с управляющими напряжениями КМОП аналоговых коммутаторов; узел памяти ( D - триггер ); узел кода преобразования на адресных входах в управляющий сигнал для аналоговых ключей коммутатора на элементах

Рис. 3.12. Коммутатор

И-НЕ; узел разрешения (блокировки сигнала на аналоговом выходе коммутатора ), закрывающий одновременно все каналы; узел формирования управляющих напряжений аналоговых ключей, узел аналогового ключа; узе защиты аналоговых входов ( ограничения тока, возникающего при появлении на входе ( выходе ) напряжение сигнала больше Uп ). Содержит 276 интегральных элементов. Корпус типа 427.18 - 1, масса не более 1,6 г.

Назначение выводов :

1 - вход аналоговый 8 11 - вход аналоговый 1

2 - напряжение питания (-Uп) 12 - вход аналоговый 2

3 - вход логический ( сброс ) R 13 - вход аналоговый 3

4 - вход логический А0 14 - вход аналоговый 4

5 - вход логический А1 15 - выход аналоговый

6 - вход логический А2 16 - вход аналоговый 5

7 - вход запись (логический) С 17 - вход аналоговый 6

8 - вход разрешение (логический) Е 17 - вход аналоговый 7

9 - общий

10 - напряжение питания (Uп)

Электрические параметры :

Номинальное напряжение питания 15 В 10%

Ток потребления :

При низком уровне управляющего напряжений :

От источника питания Uп 4мкА

От источника питания -Uп 4мкА

При высоком уровне управляющего напряжений :

От источника питания Uп 4мкА

От источника питания -Uп 4 мка

Входной ток низкого ( высокого ) уровня 0,2 мкА

Ток утечки аналогового входа 50 нА

Ток утечки аналогового выхода 70 нА

Время переключения при Rн = 10кОм;Сн = 40 пФ 150 нс

Сопротивление в открытом состоянии при Iном = 1мА 100 Ом

Предельно допустимые режимы эксплуатации.

Напряжение питания 13,5 … 16,7 В

Управляющее напряжение :

Низкого уровня 0… 0,8 В

Высокого уровня 4 … 16,5 В

Коммутируемое напряжение -15 … +15 В

Максимальный коммутируемый ток 20 мА

Температура окружающей среды -45 …+75

Аналогово-цифровой преобразователь.

Для реализации аналогово-цифрового преобразования выходного сигнала выберем микросхему К572ПВ1.Микросхема представляет собой 12 - разрядный АЦП последовательного приближения. Совместно с внешними компараторами напряжения (КН) или операционными усилителями (ОУ), с источниками опорного напряжения (ИОН), генераторами тактовых импульсов (ГТИ) ИС выполняет функции АЦП последовательных приближений с выводом параллельного двоичного кода через выходные каскады с тремя состояниями, а также умножающего ЦАП с параллельным и последовательным вводом информации совместно с внешними усилителями. ИС включают устройства для организации побайтового обмена информации с 8 - разрядной ШД микропроцессоров. В режиме АЦП есть возможность синхронной и циклической работы, производящего уменьшения числа разрядов и выводом данных в последовательном коде.

Аналоговая часть БИС включает ЦАП и две группы прецизионных резисторов для образования совместно с внешним ОУ или КН завершенных схем АЦП и ЦАП; цифровая часть БИС - логические узлы для построения АЦП последовательного приближения, а также дополнительные устройства для работы в режиме ЦАП.



Рис. 3.13. Аналогово-цифровой преобразователь

Содержат 1126 интегральных элементов. Корпус типа 4134.48 - 2, масса не более 5 г.

Назначение выводов :

1 - последовательный вход

2 - вход управления старшим разрядом (СР)

3 - напряжение питания ()

4 … 15 - цифровой вход/выход 1 … 12

16 - вход управления младшим разрядом (МР)

17 - вход управления режимом

18, 19, 20, 21, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 - свободные

22 - выход «цикл»

23 - вход сравнения

24 - напряжение питания

25 - вход тактовых импульсов

26 - выход «конец преообразования2

27 - вход «запуск»

28 - вход «цикл»

29 - вход стробирования ЦАП

30 - цифровая земля

...