Для стабилизации точности измерения необходимо обеспечить выполнение условия S = const при любых условиях измерений.
Техническая реализация дискриминаторов, как правило, основывается на принципе суммарно-разностной обработки сигналов.
Технически для формирования ДХ, как правило, используется фазовый детектор (ФД), использующий два входных сигнала:
измеряемый - U Изм (t) = U Изм max Cos (щt+ Ш Изм ),
опорный - U Оп (t) = U Оп max Cos (щt+ ш Оп ),
где U max амплитуда сигнала, ш фаза сигнала.
Выходной сигнал ФД:
U ФД (t) = U Изм max Ч U Оп max Cos (ш Оп - Ш Изм ),
зависит от произведения амплитуд входных сигналов и косинуса разности их фаз.
В радиопередающих устройствах (РПУ) РЛС системы автоматического регулирования (САР), как правило, предназначены для стабилизации частоты зондирующего сигнала.
САР приемника (РПрУ) позволяют обеспечить требуемую точность определения координат целей в пространстве.
Кроме того, системы автоматического регулирования РПрУ позволяют в автоматическом режиме (без участия человека) поддерживать требуемые значения коэффициентов усиления и фазовых сдвигов в каналах.
Точность измерения сигналов ошибок по всем измеряемым РЛС координатам напрямую зависит от настройки приемника. Количественно эту зависимость позволяет оценить дискриминаторная характеристика - UCOjD.
Для малых угловых рассогласований (jD) дискриминаторная характеристика угловой следящей системы (ССц) выражается соотношением:
U CO ц Д ? Kц?цД*К ФД *(Kц/К У )*Uo*Cos(гц-гУ)цД*м.
где: К ФД - коэффициент передачи фазового детектора (ФД) по напряжению;
Kц,К У - коэффициент передачи по напряжению разностного и суммарного каналов;
Uo - амплитуда сигнала опорного канала;
гц-гУ - фазовые сдвиги в разностном и суммарном каналах;
м - коэффициент, характеризующий суммарную диаграмму направленности антенны;
цД - угол между направлением на цель и равносигнальным.
Точность измерения угловых координат существенно зависит от соотношения Kj и КS, стабильности амплитуды Uo, и разности электрических длин приемных каналов (gj-gS), которые в процессе функционирования могут меняться по случайному закону.
Для повышения точности измерения необходимо обеспечить :
равенство во времени коэффициентов передачи Kj и КS,
стабильность Uo,
равный фазовый сдвиг в каналах.
Аналогичные задачи возникают при обеспечении точности измерения Д. Дискриминационная характеристика СС Д имеет вид
UCOД» КФД Ч(KД/КS)ЧUoЧCos(gД-gS)DЧД.
Для стабилизации указанных параметров в состав РПрУ введены системы автоматического регулирования:
АРУ - автоматической регулировки усиления (Uo);
АВУ - автоматического выравнивания усиления (Kj = KД = КS);
АРФ - автоматического регулирования фазы опорного сигнала (gД=gj=gS).
АРУ, АВУ и АРФ построены по однотипным схемам, рассмотрим принцип из работы на примере АРУ.
Автоматическая регулировка усиления (АРУ) обеспечивает стабильность уровня сигнала на выходе усилителя при изменении уровня входного сигнала. В современных приёмниках уровень входного сигнала может изменяться в широких пределах: от 60 дБ в приёмниках радиосвязи и до 120 дБ в радиолокационных. Нормальная работа аппаратуры требует, чтобы изменения выходного сигнала приёмника не превышали 4-6 дБ. Для выполнения этих требований глубина регулировки усилителя системой АРУ должна составлять 56-116 дБ.
В зависимости от решаемых АРУ задач рассматривают:
- быстрые АРУ (БАРУ) для защиты приемника от мощных помеховых сигналов;
- шумовые АРУ (ШАРУ) - для регулирования уровня усиления приемника по шумовому сигналу;
- АРУ измерительных радиолокационных приемников для обеспечения точности измерений координат.
Систему АРУ измерительного приемника рассмотрим на примере РПрУ РЛС с КППРИ. АРУ представляет собой цифровую САР с астатизмом 1-го порядка.
Задача системы АРУ - стабилизировать выходной сигнал главного усилителя приемника точно на значении Uo.
Дискриминатором в АРУ служат: фазовый детектор (ФД), работающий в режиме амплитудного детектора, преобразователь напряжения в цифровой код (ПНК) и логарифмический преобразователь. ФД позволяет измерить напряжение на выходе главного усилителя, подать измеренное значение на ПНК а полученный код на логарифмический преобразователь (на рис.7 - синий цвет).
Рисунок 7 - Упрощенная структурная схема АРУ
Характеристика логарифмического преобразователя (ЛП) подобрана таким образом (рис. 8), что номинальному значению Uo соответствует входной код ЛП - 21, которому соответствует выходной код «0».
Рисунок 8 - Характеристика ЛП АРУ
Если же значение Uo не соответствует номиналу, выходной код ЛП отличается от нуля и поступает на сглаживающее устройство - сумматор и набор ячеек ОЗУ (на рис. 1 - красный цвет).
В ОЗУ хранятся управляющие коды АРУ для объекта управления - главного усилителя (на рис. 8 - зеленый цвет). Количество ячеек определяется максимальным возможным числом целей, которые одновременно может обрабатывать приемник.
В случае получения ненулевого кода ошибки с выхода ЛП, этот код в сумматоре складывается с управляющим кодом АРУ из ячейки ОЗУ и полученная сумма записывается в ОЗУ. Новое значение управляющего кода поступает на объект управления - главный усилитель (ГУС). Особенностью ГУС является возможность оперативно менять коэффициент усиления под действием управляющего цифрового кода за что его назвали электронным цифровым аттенюатором (ЭЦА ГУС). Изменение коэффициента усиления приводит значение Uo к номиналу.
1.4 Выбор и обоснование разрабатываемой системы
1.4.1 Обоснование системы автоматического управления газотурбинным двигателем с селектором
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.9 приведена схема регулирования двухвального двигателя.
Рисунок 9 - 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. 10 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.
Рисунок 10 - 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. 11.
Рисунок 11 - 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.