Исследование устройства цифрового управления осевым усилием, действующим на ротор турбомашины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование устройства цифрового управления осевым усилием, действующим на ротор турбомашины

А.М. Дроконов, А.И. Власов, А.Д. Николаев

Аннотация

Рассмотрена структура системы цифрового управления осевым усилием, действующим на ротор турбомашины. Представлены результаты исследования системы на экспериментальном стенде.

Ключевые слова: турбомашина, ротор, осевое усилие, система регулирования, устройство цифрового управления.

Исследуемое устройство цифрового управления (УЦУ) системой стабилизации осевого усилия, действующего на ротор турбомашины, было спроектировано и изготовлено в виде модели специального блока применительно к системе автоматического регулирования (САР) турбомашины. В качестве управляющей микроЭВМ УЦУ на модельном стенде выбрана однокристальная микроЭВМ AT90S8535, имеющая в своем составе аналого-цифровой преобразователь (АЦП), линию связи с внешней управляющей ЭВМ и три таймера, два из которых работают в режиме источника широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Источник ШИМ используется в качестве цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Функциональная схема электронной системы питания и управления моделью электромагнитного думмиса, служащего для регулирования уровня осевой нагрузки на упорный подшипник, показана на рис. 1. В ней в качестве управляемого источника питания (УИП) использован импульсный мостовой преобразователь напряжения с релейным регулятором тока. В соответствии с принятой функциональной схемой сигнал с датчика осевого усилия поступает на АЦП, встроенный в микроЭВМ. Датчик осевого усилия выполнен в виде тензометрического моста, размещенного на упругой балочке. В микроЭВМ реализуется вычисление задания на ток по алгоритму интегрального регулятора (И-регулятора). В соответствии с результатами вычислений формируется код задания на ток электромагнита, который определяет параметр ШИМ. Выходной сигнал ШИМ поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ), а затем на вход суммирующего усилителя, определяющего разность между заданием на ток и реальным значением тока электромагнита. Далее работает релейный регулятор тока, выполненный на релейном элементе (РЭ). Основные функции УЦУ реализуются программно. Программное обеспечение микроЭВМ реализует функции цифрового И-регулятора осевого усилия и содержит модуль для обеспечения связи с центральной ЭВМ и выполнения поступающих от нее команд. Для центральной ЭВМ разработаны программы управления каналом связи, реализующие передачу данных о задании на величину осевого усилия, а также отладочные средства для проверки работоспособности УЦУ и программирования микроЭВМ.

Управляющая программа микроЭВМ AT90S8535 [2] функционирует в режиме реального времени, обеспечивая выполнение трех задач:

- регулирование осевого усилия;

- реализация алгоритма запуска и останова системы питания;

- обеспечение связи с центральной ЭВМ и интерпретации получаемых команд.

Программа регулятора осевого усилия реализует алгоритм цифрового интегрального регулятора и функционирует в режиме реального времени по прерыванию от АЦП, подключенного к датчику осевого усилия. При этом тактовая частота АЦП выбрана равной 1/128 тактовой частоты микропроцессора, что составляет 62,5 кГц. АЦП работает в непрерывном режиме, в котором время преобразования составляет 13 периодов тактовой частоты АЦП. Таким образом, несущая частота регулятора - частота квантования по времени - составляет 4,8 кГц. При тактовой частоте процессора 8 МГц цикл прерывания от АЦП длится 1666 машинных циклов. Программа, реализующая алгоритм цифрового регулятора, выполняется за время, соответствующее 150 машинным циклам. Оставшиеся 90% времени достаточны для поддержания обмена информацией с центральной ЭВМ, а также других логических функций.

Рис. 1. Структура устройства цифрового управления системой стабилизации осевого усилия: ОЭВМ - однокристальная микроЭВМ; ШИМ - широтно-импульсный преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; УИП - управляемый источник питания; РЭ - релейный элемент; ДР - драйвер силовых ключей; СП - силовой преобразователь; В - выпрямитель; ДТ - датчик тока; ДОУ - датчик осевого усилия; ЭМ - электромагнит; УС - устройство связи [1]; RS-232 - канал связи с ЭВМ

Полученные с АЦП данные, составляющие 10 двоичных разрядов, усекаются до 8 разрядов с целью защиты от помех и вычитаются из кода задания на осевое усилие. Полученная разность непрерывно суммируется. Суммирование выполняется в 16-разрядном сумматоре в виде целого со знаком в дополнительном коде. Сумма затем умножается на масштабный коэффициент и записывается в регистр широтно-импульсного модулятора (ШИМ), выполняющего функции ЦАП. При этом реализуется следующая формула цифрового интегрального регулятора:

,

где t - временной шаг квантования; T - постоянная интегрирования регулятора; U_ВХ, U_ВЫХ, U_ЗАД - соответственно напряжения (коды) на входе регулятора, на выходе регулятора и напряжение задания на осевое усилие.

При выбранных параметрах системы t = 208 мкс, T = 1…2 мс.

Генератор сигнала ШИМ, встроенный в микроЭВМ, работает с коэффициентом деления тактовой частоты процессора 1/1023. Частота ШИМ, составляющая 7,8 кГц, значительно превышает частоту квантования регулятора и фильтруется низкочастотным RC-фильтром.

При запуске системы питания модели блока САР турбомашины первоначально необходимо заблокировать работу регулятора, обеспечив плавное нарастание задания на ток электромагнита независимо от регулятора. Регулятор начинает работу при рассогласовании между заданием на осевое усилие и сигналом с датчика осевого усилия, близким к нулю. Данный алгоритм запуска реализует специальный программный модуль, активизируемый после подключения питания к системе управления или по команде от центральной ЭВМ.

Поддержание связи микроЭВМ с центральной ЭВМ и выполнение ее команд осуществляется посредством приема данных по прерыванию от последовательного канала. Передача данных реализуется программно. Принимаемые параметры записываются в кольцевой буфер и затем выбираются из него программой - интерпретатором команд. Данная программа работает в фоновом режиме и не мешает задаче регулятора.

Интерпретатор команд принимает данные, оформленные в виде пакета, содержащего маркер, адрес микроЭВМ, длину посылки, информационные байты и контрольную сумму. Прием каждого байта выполняется с контролем четности. Это обеспечивает высокую помехозащищенность принимаемой информации.

Система управления поддерживает следующие команды:

- запустить систему питания;

- изменить задание на осевое усилие;

- изменить параметры регулятора;

- записать данные с АЦП в память;

- передать данные центральной ЭВМ;

- переключить тип записываемых данных;

- перейти в ждущий режим записи данных.

Кроме того, поддерживается ряд команд, обеспечивающих настройку системы и проверку ее функционирования, а также программирование микроЭВМ.

Для экспериментального исследования процессов на стенде в управляющей программе микроЭВМ предусмотрены команды, реализующие функции цифрового осциллографа.

Основной задачей управляющей программы центральной ЭВМ является выдача задания на осевое усилие, а также команды на запуск и изменение (при необходимости) параметров регулятора (например, с целью его адаптации). Кроме того, программа обеспечивает контроль целостности и надежности канала связи. Предусмотрена также возможность записи управляющей программы в память микроЭВМ. Программа выполнена с использованием меню для выбора режима работы и может поддерживать связь с несколькими микроЭВМ.

стабилизация цифровой управление

Рис. 2. Переходная характеристика цифрового регулятора

Цифровой регулятор при выбранной частоте квантования ведет себя практически как непрерывный аналоговый интегратор с аналогичными параметрами. Основное влияние на динамические свойства регулятора оказывает низкочастотный RC-фильтр, сглаживающий напряжение ШИМ. Результат осциллографирования напряжения на выходе фильтра U_ВЫХ при изменении входного напряжения U_ВХ от нуля до 2,5 В (переходная характеристика) представлен на рис. 2. Как видно из графика, U_ВЫХ изменяется от нуля (ограничение снизу) до 4,9 В (ограничение сверху) практически линейно с постоянной времени интегрирования. Влияние фильтра сказывается только при переходе на участки ограничения.

Статические и динамические параметры системы стабилизации осевого усилия исследовались на модели блока САР турбомашины при мгновенном изменении осевого усилия. Статические характеристики системы представлены на рис. 3. В качестве задания на осевое усилие в управляющую микроЭВМ передавался код C, рассчитанный по формуле

где int - целая часть результата вычисления; F_ЗОУ - задание на осевое усилие, Н; F_ОУНОМ - номинальное осевое усилие, соответствующее 10-разрядному коду АЦП.

Рис. 3. Зависимость действующего на упорный подшипник осевого усилия от нагрузки на ротор установки

Из представленных на рис. 3 зависимостей видно, что осевое усилие, действующее на упорный подшипник, благодаря работе системы стабилизации изменяется незначительно при увеличении нагрузки на ротор установки. Увеличение осевого усилия при большем нагружении обусловлено ограничением действия цифрового регулятора.

Использование однокристальной микроЭВМ позволяет осуществлять цифровое осциллографирование сигнала с датчика осевого усилия или выхода цифрового регулятора осевого усилия. При этом результаты сохраняются в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) микроЭВМ, а затем по команде передаются в центральную ЭВМ и отображаются на экране дисплея. Ввиду ограниченности объема ОЗУ (512 байт) буферная память для записи результатов измерения принята равной 250 точкам. Данные записывались с интервалом времени 0,01 с. Синхронизация момента нагружения и начала измерения осуществлялась автоматически по уровню изменения выхода цифрового регулятора. Результат измерения осевого усилия, рассчитанный по коду данных, полученных с тензодатчика осевого усилия, представлен на рис. 4, где кривая 1 характеризует уровень осевого усилия FОС, воспроизводящего на стенде осевое давление на упорный подшипник, в системе с цифровым регулятором, а кривая 2 - в системе с аналоговым регулятором.

Рис. 4. Зависимость осевого усилия от времени при набросе нагрузки

Нагружение осуществлялось мгновенным увеличением осевого усилия на 55 Н при задании 200 Н. В начальный момент времени при нагружении осевое усилие возрастает примерно на величину возмущения (50 Н), а затем под действием регулятора плавно уменьшается до уровня задания. При этом усилие на подшипник за 100 мс уменьшается примерно на 60% от возмущения, за 200мс - на 85%. Как видно из графиков, динамические процессы стабилизации осевого усилия в системах с цифровым и аналоговым регуляторами имеют идентичный характер. Отличия обусловлены наличием в цифровой системе дополнительного фильтра на выходе широтно-импульсного модулятора, реализующего функции ЦАП.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали достаточную эффективность и работоспособность системы стабилизации осевого усилия, действующего на ротор турбомашины.

Использование цифровой системы регулирования усилия F_ОС показало ее существенные преимущества перед аналоговой системой. В частности, использование микроЭВМ позволило реализовать алгоритм запуска источника питания, заключающийся в плавном увеличении тока электромагнита и подключении регулятора в момент отсутствия рассогласования между заданием и отработкой. Это позволило избежать перерегулирования в процессе подключения системы.

Преимущество цифровой системы заключается также в стабильности параметров регуляторов и возможности их цифровой корректировки в процессе работы системы. Это позволяет реализовать алгоритмы адаптации регуляторов к параметрам системы, изменяющимся в зависимости от технологических особенностей турбоагрегата и самой системы стабилизации.

Применение управляющей ЭВМ дало возможность реализовать не только эффективное управление регуляторами, но и контроль за процессами в системе. Реализованные на стенде функции цифрового осциллографа позволили записывать и проводить дальнейшую цифровую обработку данных с выходов датчика осевого усилия и регулятора.

Список литературы

Low-Powered, Slew-Rate-Limited RS-485/RS482 Transceivers / Maxim Data Sheets.

8-bit AVR Microcontroller with 4K/8K Bytes In-System Programmable Flash / Atmel Data Sheets. - 1999. - 113р.

Размещено на Allbest.ru