close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Витражи пленяют нас своим многомногоцветным светом,;pdf

код для вставкиСкачать
3450
УДК 629.7.036.54-63
К ВОПРОСУ О ТОЧНОСТИ ОТРАБОТКИ
УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
РАСХОДОВАНИЕМ ТОПЛИВА
ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТ
А.А. Муранов
Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Россия, 117997, Москва, Профсоюзная ул., 65
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: ракета-носитель, система управления расходованием топлива, способ
отработки, регулятор соотношения расходов компонентов топлива, коллекторный датчик импульсов, потенциометрическая обратная связь, исполнительный орган
Аннотация: Для систем управления расходованием топлива жидкостных ракетносителей рассмотрены объект управления, принципиальный алгоритм и возможные
формы представления управляющих переменных. Изложены принципы действия четырех способов отработки управляющих переменных систем с помощью исполнительного
органа (привода дросселя ракетного двигателя). Проведен сравнительный анализ рассмотренных способов реализации управляющих воздействий по точности работы. Для
каждого способа отработки предложены рекомендации, обеспечивающие повышение
точности работы исполнительного органа.
1. Введение
Среди множества бортовых систем управления жидкостных ракет-носителей (РН)
следует выделить класс систем управления расходованием топлива (СУРТ), предназначенных для повышения (на 10-15 %) энергетических характеристик РН методами и
средствами автоматического управления. Принципы работы и физические основы построения СУРТ изложены в 1.
В зависимости от тактико-технических характеристик и компоновочной схемы РН
СУРТ может объединить в себе ряд подсистем для решения следующих задач: внутриблочного и межблочного регулирования опорожнения баков окислителя и горючего,
прогнозирования момента времени окончания топлива и др.
Применение бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) в системе
управления РН позволило расширить функциональные возможности, усовершенствовать алгоритмы терминального управления и повысить точностные характеристики,
надежность и безопасность работы СУРТ 2.
При этом тактность (цикличность) работы БЦВМ приводит к дискретности измерения и управления в системе. В результате могут проявиться некоторые негативные
свойства в работе отдельных звеньев системы, например, запаздывание в измерениях
регулируемых переменных, отработке управляющих воздействий, что в конечном счете
ухудшает терминальную точность управления. Поэтому возникает необходимость в
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
3451
учете этих особенностей при синтезе алгоритмов СУРТ.
В данной работе исследуется только исполнительная часть СУРТ, состоящая, как
правило, из нескольких типов исполнительных органов для отработки управляющих
воздействий. Поэтому в дальнейшем из возможных исполнительных органов СУРТ ограничимся выбором привода дросселя жидкостного ракетного двигателя, реализующего управляющие сигналы для синхронизации расходования компонентов топлива из
баков ракетного блока.
Необходимость данного исследования объясняется тем, что на точностные характеристики СУРТ существенно влияет точность работы исполнительных органов. Поэтому целесообразно проанализировать возможные способы отработки управляющих
воздействий и разработать рекомендации для их совершенствования.
2. Объект управления
Управляемый процесс расходования компонентов топлива из баков ракетного блока описывается системой конечно-разностных уравнений 3, характеризующих динамику управляемых переменных, измерения координат объекта и реализацию управляющих воздействий. На объект управления действуют случайные возмущения: ненулевые начальные значения управляемых координат, ошибки измерения, погрешности
отработки управлений и внешние факторы на входе в ракетный двигатель 1.
Для физического представления структуры и особенностей объекта управления
кратко поясним принцип работы СУРТ двухкомпонентного ракетного блока.
В этих системах запасы компонентов в баках определяются при помощи дискретных уровнемеров. Датчики уровня окислителя и горючего представляют собой штанги
с набором равного количества I чувствительных элементов (ЧЭ), которые реагируют
на факт пересечения уровня, на котором они установлены, зеркалом жидкого компонента. Для номинального процесса опорожнения баков пересечение компонентами топлива уровней ЧЭ одинаковых, i -х (i  1, 2,..., I ) номеров происходит одновременно
(t о.i  t г.i ) . При наличии возмущений возникает неодновременность пересечения компонентами топлива уровней ЧЭ одинаковых номеров и появляется рассогласование
Δti  t о.i  t г.i  0 , которое однозначно характеризует рассогласование относительных
запасов окислителя и горючего на i -й паре ЧЭ уровнемеров. Сигнал Δti формируется в
усилителе-преобразователе и поступает на вход вычислительного устройства, где по
алгоритму управления рассчитывается управляющее воздействие ui . Отработка управляющего сигнала ui осуществляется с помощью привода дросселя, устанавливаемого в
одной из основных топливных магистралей двигателя после турбонасосного агрегата.
Дроссель поворачивается на угол Δα i , изменяя в нужную сторону расходы и коэффициент соотношения расходов компонентов через двигатель. Описанная схема действий
выполняется при срабатывании i -й (i  1, 2,..., I ) пары ЧЭ уровнемеров.
3. Принципиальный алгоритм СУРТ
Принципиальный алгоритм позволяет кратко охарактеризовать основные закономерности фактической процедуры формирования управляющих воздействий.
Входной информацией для алгоритма управления являются измеренные моменты
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
3452
t о.i и t г.i срабатывания i -й (i  1, 2,..., I ) пары однономерных ЧЭ дискретных уровнемеров в баках окислителя и горючего.
В качестве управляющего сигнала u i (i  1, 2,..., I ) может быть принята некоторая
переменная алгоритма СУРТ из следующего перечня:
a) δK i  сигнал на изменение относительного отклонения от номинала K V коэффициента соотношения объемных расходов компонентов топлива через двигатель;
b) δK i  сигнал на реализацию относительного отклонения от номинала K V коэффициента соотношения объемных расходов компонентов топлива через двигатель;
c) K i  сигнал на реализацию коэффициента соотношения объемных расходов компонентов топлива через двигатель.
Вычисление управляющего сигнала СУРТ осуществляется в общем случае по рекуррентному алгоритму:
Δt i  t о.i  t г.i , i  1, 2,..., I ,
при i  1,
 Ai Δt i
ΔδK i  
 Ai ( Bi Δt i  Δt i 1 ) при i  1,
δK i  δK i 1  ΔδK i , δK 0  0 ,
K i  K V (1  δK i ) ,
где Δt i  измеренное временное рассогласование объемов компонентов топлива в баках на i -й паре сработавших ЧЭ уровнемеров; Ai , Bi  параметры алгоритма.
В представленный принципиальный алгоритм управления могут быть внесены некоторые изменения. В зависимости от начальных условий объекта управления и заданных требований к регулируемым координатам может быть дополнительно сформирован и отработан программный управляющий сигнал u i (i  0) в момент t 0 начала работы СУРТ и др. Кроме того, при разработке бортового алгоритма СУРТ вводятся операции алгоритмической защиты от возможных отказов и аномалий в работе элементов
измерительно-преобразовательного тракта системы.
Управляющий сигнал u i в виде переменной ΔδK i оказывается удобным для реализации с помощью привода дросселя, который при отработке производит суммирование
сигналов, т.е. является интегрирующим звеном. А управляющий сигнал в виде переменных δK i , K i используется, когда исполнительный орган является позиционером.
4. Способы отработки управляющих сигналов СУРТ
В практике проектирования систем СУРТ применяется ряд способов отработки управляющих сигналов u i , отличающихся принципами и алгоритмами действия, точностью и надежностью работы, приборной реализацией и др.
4.1. Регулятор соотношения расходов компонентов топлива
Необходимость создания в составе СУРТ ракетного блока контура регулирования
соотношения расходов компонентов топлива (РСК) вызывается требованием высокоточной отработки управляющих сигналов K i (i  1, 2,..., I ) при следующих условиях:
a) на СУРТ действуют большие и быстроменяющиеся случайные возмущения в виде
отклонений δK V (t ) от номинала K V коэффициента соотношения объемных расхоXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
3453
дов компонентов топлива (например, случайные внешние факторы на входах в двигатели I и II ступеней РН «Союз-2»);
b) нелинейность и разброс гидравлической характеристики дросселя;
c) инерционность отдельных звеньев СУРТ.
Контур РСК, используя измерения расходомеров в магистралях окислителя и горючего, осуществляет стабилизацию текущего значения K (t ) коэффициента соотношения объемных расходов компонентов топлива относительно уставочного значения
K i (i  1, 2,..., I ) , рассчитанного в уровнемерном контуре СУРТ  системе регулирования опорожнения баков (СОБ). В момент t 0 начала работы СУРТ уставочное значение
K i (i  0) задается равным номинальному коэффициенту K V .
Следует отметить, что контур РСК предназначен не только для отработки управляющих сигналов СОБ, но и для выполнения самостоятельной задачи: быстрой компенсации (по сравнению с уровнемерным контуром) влияния случайных возмущающих
факторов δK V (t ) на объект управления, что способствует повышению точностных показателей работы СУРТ.
4.2. Коллекторный датчик импульсов
С помощью данного способа отработки управляющих сигналов СУРТ осуществляется изменение углового положения привода дросселя на требуемый угол Δ i , соответствующий управляющему сигналу ΔδK i (i  1, 2,..., I ) . Для этого используются блок
управления и коллекторный датчик импульсов (КДИ) обратной связи с привода дросселя двигателя.
Перед началом отработки управляющий сигнал ΔδK i , превышающий (по модулю)
величину ΔδK з.н. зоны нечувствительности, преобразуется в количество ni фронтов
импульсов КДИ по формуле:
ni   ΔδK i S  0,5 ,
где S  коэффициент связи между переменными ni и ΔδK i ,  A   целая часть числа
A.
В процессе отработки сигнала ΔδK i формируется команда на включение соответствующего привода в сторону открытия или закрытия дросселя, поворачивается в требуемом направлении вал привода дросселя, фиксируются фронты импульсов в виде переменной K и  1 , с помощью которой списывается до нуля переменная ni .
Величина ΔδK з.н. зоны нечувствительности задается из условия запрета отработки
управляющего сигнала ΔδK i , соответствующего повороту (при номинальных условиях)
выходного вала привода дросселя в течение одного такта работы БЦВМ.
Несомненным достоинством данного способа отработки управляющих сигналов
является независимость угла поворота Δα i от возможного разброса угловой скорости
выходного вала привода дросселя.
4.3. Потенциометрическая обратная связь с привода дросселя
Потенциометрическая обратная связь (ПОС) с привода дросселя используется, как
правило, в системе телеметрических измерений. Для перевода ПОС на отработку
управляющих сигналов СУРТ требуется повысить надежность и точность работы потенциометрического датчика. При этом способе отработки управляющий сигнал
δK i (i  1, 2,..., I ) преобразуется в угловое положение α i выходного вала привода дросXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
3454
селя по формуле:
δK i
,

где   коэффициент эффективности дросселя двигателя.
Блок управления стабилизирует текущее угловое положение α(t ) вала привода
дросселя относительно уставочного значения α i .
αi 
4.4. Временная отработка управляющих сигналов
При данном способе отработки управляющий сигнал ΔδK i (i  1, 2,..., I ) , превышающий (по модулю) величину ΔδK з.н. зоны нечувствительности, преобразуется в соответствующее изменение Δα i углового положения вала привода дросселя. С помощью
блока управления угловым положением поворачивается в требуемом направлении вал
привода дросселя в течение интервала времени t пр.i , рассчитанного по формуле:
ΔδK i
,
ω
где ω  номинальное значение угловой скорости выходного вала привода дросселя.
Достоинствами данного способа отработки являются простота алгоритма управления и надежность реализации управляющих сигналов.
t пр.i 
5. Анализ способов отработки управляющих сигналов СУРТ
Представленные в разделе 4 способы отработки управляющих сигналов можно
охарактеризовать несколькими показателями: точностью и надежностью работы, приборным составом, стоимостью и др. В данном разделе не ставится многокритериальная
задача выбора способа отработки, а проводится сравнительный анализ (с количественными оценками) способов отработки только по одному показателю – по точности работы исполнительного органа СУРТ.
Предварительно сделаем замечание о корректности такого сравнительного анализа.
Способ 4.1 отработки управляющих сигналов K i с помощью контура РСК выделяется
среди других рассмотренных способов. Он применяется, как уже упоминалось выше,
при действии на объект управления больших и быстроменяющихся случайных возмущений δK V (t ) , нелинейной характеристике дросселя и др. При таких условиях функционирования другие способы отработки управляющих сигналов не нашли применения, т.к. не обеспечивали требуемых точностных показателей СУРТ. Способы 4.2-4.4
отработки сигналов используются при действии на СУРТ типовых (для жидкостных
РН) возмущений и линейной гидравлической характеристике дросселя двигателя.
При способе 4.1 алгоритм РСК определяется в классе релейных (с зоной нечувствительности δK з.н. ) алгоритмов и вводится «скоростная» обратная связь с привода
дросселя. В результате выбора параметров зоны нечувствительности и обратной связи
осуществляется подавление автоколебаний регулируемой координаты в контуре РСК и
выполняются заданные требования к точностным показателям СУРТ.
При переводе СУРТ на современную вычислительную базу дополнительно возникает возмущающий фактор, приводящий к автоколебаниям в контуре РСК,  существенное запаздывание в измерениях регулируемой координаты РСК на скользящем интервале Tнаб наблюдения, включающем N тактов работы БЦВМ. Для подавления автоXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
3455
колебаний модернизирован алгоритм контура РСК, который обеспечивает отработку
сигнала K i (i  0,1,..., I ) с погрешностью δK fi в диапазоне 1,5 % K V , определяемом
ошибками расходомеров и величиной δK з.н. зоны нечувствительности 4.
При способе 4.2 погрешность ΔδK fi отработки управляющего сигнала ΔδK i
(i  1, 2,..., I ) не превышает диапазона 1 % K m , что может значительно ухудшить терминальную точность СУРТ (здесь K m  номинальный коэффициент соотношения массовых расходов компонентов топлива через двигатель). Величина погрешности ΔδK fi
отработки зависит от импульсного характером обратной связи, выбега привода дросселя (после снятия напряжения питания по команде алгоритма) и др.
При способе 4.3 уставочное угловое положение α i (i  1, 2,..., I ) исполнительного
органа должно выполняться с погрешностью α fi в диапазоне 1 град., что соответствует погрешности δK fi в диапазоне 0,3 % K m при отработке управляющего сигнала δK i
с помощью типового привода дросселя ракетного двигателя.
При способе 4.4 управляющий сигнал ΔδK i (i  1, 2,..., I ) отрабатывается с погрешностью ΔδK fi в диапазоне 0,4 ΔδK i , определяемом, главным образом, разбросом (от
номинала) угловой скорости выходного вала привода и выбегом привода дросселя. При
больших (по модулю) сигналах ΔδK i СУРТ не обеспечивает выполнение заданных
требований по точностным характеристикам.
6. Рекомендации для повышения точности работы
исполнительного органа СУРТ
В данном разделе представлены рекомендации для повышения точности работы исполнительного органа СУРТ в рассмотренных выше способах отработки управляющих
сигналов. Эти рекомендации сводятся к совершенствованию алгоритмов отработки
управляющих сигналов и корректировке параметров в каждом такте работы БЦВМ или
на интервалах квантования СУРТ. Для выработки рекомендаций проводились исследования, связанные с моделированием процессов управления расходованием топлива и
получением оценок регулируемых координат в контуре РСК, блоках управления угловым положением привода дросселя и СУРТ. В конечном итоге только выполнение требований технического задания к точностным характеристикам СУРТ является основанием для использования конкретного способа отработки управляющих сигналов.
6.1. Рекомендации для способа 4.1 отработки сигналов K i
Рекомендации для способа 4.1 представлены в виде конкретных корректировок алгоритма контура РСК, необходимых для подавления автоколебаний и обеспечивающих
высокую точность отработки управляющих сигналов 4:
a) поднастройка (в каждом такте работы БЦВМ) параметров алгоритма РСК: зоны нечувствительности δK з.н. , порогового значения δK н регулируемой координаты, разделяющего непрерывное вращение привода дросселя и импульсный режим работы
со скважностью 0,5 и частотой 1/2 T0 (здесь T0  длительность такта БЦВМ);
b) компенсация запаздываний в измерениях регулируемой координаты РСК посредством прогнозирования будущего значения этой координаты.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
3456
Рекомендация a) реализована в СУРТ I и II ступеней РН «Союз-2» на этапе ЛКИ,
алгоритм контура РСК при этом обеспечивает отработку сигналов K i (i  0,1,..., I ) с
погрешностями δK fi в диапазоне 1,5 % K V . Выполнение рекомендации b) позволит
дополнительно уменьшить погрешности отработки сигналов K i .
6.2. Рекомендации для способа 4.2 отработки сигналов ΔδK i
Для способа 4.2 рекомендации направлены на совершенствование процесса отработки сигналов ΔδK i . Для этого необходимо выполнить следующие действия:
a) уменьшить «цену» (в % K m ) импульса КДИ в два раза, для этого надо считать и передние, и задние фронты импульсов КДИ;
b) синхронизировать моменты фиксации фронтов импульсов КДИ с моментами списывания управляющего сигнала ni (до нуля) с помощью переменной K и ;
c) контролировать возможные пропуски фронтов импульсов КДИ с целью дальнейшего устранения причин возникновения пропусков; пропуски фронтов импульсов
КДИ наиболее вероятны при изменении знака сигнала ΔδK i по сравнению с предыдущим сигналом ΔδK i 1 .
Указанные рекомендации целесообразно применить для отработки сигналов ΔδK i
(i  1, 2,..., I ) СУРТ III ступени РН «Союз-2». При этом погрешности ΔδK fi отработки
сигналов ΔδK i уменьшатся в два раза и будут находиться в диапазоне 0,5 % K m .
6.3. Рекомендации для способа 4.3 отработки сигналов δK i
Для успешной отработки управляющих сигналов δK i (или α i ) по способу 4.3 алгоритм блока управления угловым положением привода дросселя должен выполнить (в
каждом такте работы БЦВМ) следующие операции:
a) компенсация влияния отклонения (от номинала) напряжения питания потенциометрического датчика на измерения углового положения привода дросселя;
b) фильтрация ошибок измерения регулируемой координаты блока управления.
При выполнении этих рекомендаций блок управления угловым положением привода дросселя осуществляет отработку управляющих сигналов δK i (i  1, 2,..., I ) СУРТ с
погрешностями δK fi в диапазоне 0,3 % K m .
6.4. Рекомендации для способа 4.4 отработки сигналов ΔδK i
Временная отработка управляющих сигналов ΔδK i проводится при действии случайных неконтролируемых возмущений на поворот вала привода дросселя.
Для компенсации влияния разброса (от номинала) угловой скорости выходного вала привода дросселя на точностные характеристики СУРТ необходимо выполнить поднастройку (в момент срабатывания i -й (i  2, 3,..., I ) пары однономерных ЧЭ уровнемеров) параметров алгоритма СУРТ к изменению угловой скорости вала привода дросселя. При этом предполагается, что фактическая угловая скорость поворота вала привода
остается неизменной как при открытии, так и при закрытии дросселя двигателя. В
СУРТ должно отрабатываться значительное количество I ( I  12 ) управляющих сигналов ΔδK i (i  1, 2,..., I ). Эта операция приводит к снижению величин погрешностей
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
3457
ΔδK fi отработки сигналов, и СУРТ обеспечивает выполнение заданных требований к
точностным показателям.
Временная отработка управляющих сигналов ΔδK i может быть применена и без
компенсации влияния разброса угловой скорости выходного вала привода дросселя.
Для этого формируется комбинированная отработка управляющих сигналов ΔδK i с использованием способа 4.4 (при малых по модулю сигналах: ΔδK i  1 % K m ) и способа
4.2 (при других величинах сигналов ΔδK i ). При комбинированной отработке управляющих сигналов ΔδK i достигается значительное снижение погрешностей ΔδK fi отработки малых по модулю сигналов ΔδK i по сравнению со способом 4.2.
7. Заключение
Изложены четыре способа отработки управляющих воздействий с помощью исполнительного органа (привода дросселя ракетного двигателя) в системах СУРТ жидкостных ракет. Проведен сравнительный анализ рассмотренных способов реализации
управляющих воздействий СУРТ по точности работы исполнительного органа. Для каждого способа отработки разработаны рекомендации, обеспечивающие повышение
точности работы исполнительного органа. Некоторые из этих рекомендаций применены в СУРТ РН «Союз-2» и РН «Союз-СТ» на этапе летно-конструкторских испытаний,
что позволило повысить точностные показатели и надежность функционирования систем.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
Петров Б.Н., Портнов-Соколов Ю.П., Андриенко А.Я., Иванов В.П. Бортовые терминальные системы
управления (принципы построения и элементы теории). М.: Машиностроение, 1983. С. 18-23.
Андриенко А.Я., Иванов В.П., Портнов-Соколов Ю.П. Системы управления расходованием топлива
жидкостных ракет. История создания и пути развития // Космонавтика и ракетостроение. 1999. № 15.
С. 133-137.
Муранов А.А. Методы оценивания динамических процессов в системах управления расходованием
топлива жидкостных ракет на этапе ЛКИ // Материалы конференции «Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах» УТЭОСС-2012. СПб: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2012. Т. 1. С. 301-304.
Андриенко А.Я., Лосев Г.П., Тропова Е.И. Совершенствование алгоритмов действия расходомерных
контуров системы управления ракеты-носителя // Проблемы управления. 2009. № 4. С. 46-51.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа