Опыт, накопленный при создании систем автоматического управления (САУ) авиационных силовых установок, показывает, что при их исследовании и доводке наиболее эффективны стенды и комплексы полунатурного моделирования [-]. Стенд полунатурного моделирования (СПМ) газотурбинного двигателя (ГТД) и его САУ как система имитации внешней среды и рабочих процессов предназначен для исследований в условиях, наиболее приближенных к реальным. Полунатурные исследования при высокой информативности намного экономичнее, чем испытания реального объекта, поэтому они составляют основную часть отработки двигателя, САУ и других его систем посредством имитации их поведения во всех возможных режимах эксплуатации. По экспертным оценкам стоимость одного часа испытаний составляет []: опытно-летных - 20-80 тысяч $; стендовых двигательных - 2-3 тысячи $; полунатурных - 200 $.
Рис. 1 – Структурная схема стенда при полунатурном моделировании:
1 – динамическая модель силовой установки и моделируемых регуляторов; 2 – исследуемый регулятор; 3,4 – преобразователи
Имеется ряд разработанных и действующих СПМ, описанные в открытых источниках. Один из таких стендов, состоящий из аналоговой модели, корпуса двигателя (с демонтированными роторами компрессора и турбины) с автоматикой топливорегулирующей аппаратуры и органов механизации воздухозаборника, описан в [], использующийся для отработки законов управления механизацией (рис.1). При помощи стенда разработанного ОКБ «СУХОГО» и МГУ им. М. В. Ломоносова осуществляется интеграция разрабатываемой аппаратуры и программного обеспечения (математические модели на языках С и С++), и именно здесь обнаруживается основной объём ошибок, допущенных на предыдущих этапах проектирования []. Так же имеется СПМ разработки ФГУП «ГосНИИАС» (рис.2), предназначенный для наземной интеграции бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) и подвесных изделий летательных аппаратов, а также для сопровождения летных испытаний и подготовки летного и технического персонала []. В состав данного стенда входят: макет кабины с органами управления летательным аппаратом и приборами; система визуализации закабинного пространства; штатное бортовое радиоэлектронное оборудование летательного аппарата и подвесные изделия; имитаторы внешних физических условий и их воздействий на бортовые системы и на подвесные изделия летательных аппаратов; имитаторы отдельных бортовых систем; имитаторы подвесных изделий; вычислительный центр, содержащий персональные компьютеры с программным обеспечением, объединенные скоростной вычислительной сетью; аппаратура сопряжения вычислительного центра, имитаторов, бортовых систем, макета кабины; динамические стенды и их системы управления; сервисное оборудование; средства коммутации и кабельная сеть. Также он обеспечивает решение следующих задач: проверка протоколов сопряжения бортовых систем и подвесных изделий между собой по цифровым и другим каналам связи; аппаратная, программная интеграция бортовых систем в реальном масштабе времени; проверка режимов применения летательного аппарата; проверка логики взаимодействия бортовых систем на всех этапах применения летательного аппарата; проверка логики взаимодействия летчика с информационно-управляющим полем; подготовка летного и технического персонала; предварительная проверка условий проведения испытаний; оценки результатов летного эксперимента. Еще одна система – это программный комплекс для моделирования и анализа динамики самолета с системой управления в среде программирования MATLAB/Simulink для пилотажных стендов и стендов для экспериментальной отработки системы управления и ее элементов [], разработки ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского.
Рис. 2 – СПМ разработки ФГУП «ГосНИИАС»
Рассматриваемый полунатурный стенд [, , , ] включает в себя компьютерные модели объекта (ГТД), гидромеханических и пневматических исполнительных частей системы автоматического управления, контроля и диагностики (САУКД типа FADEC), физические модели датчиков и электрических исполнительных механизмов, а также натурные блоки системы управления типа FADEC. В настоящее время стенд полунатурного моделирования (СПМ) эффективно используется на всех этапах жизненного цикла системы управления типа FADEC. СПМ [, , , ] разработан на основе промышленного компьютера и стандартных преобразователей, что позволяет быстро реализовать полунатурные модели различных ГТД, в том числе ТВВД с соосными винтами.
Структура стенда представлена на рис. 3 и его внешний вид на рис. 4. СПМ состоит из цифровой модели силовой установки, оборудования согласования электрических характеристик, системы регистрации параметров систем. Необходимое оборудование (процессоры, память, преобразователи) собраны в единый аппаратно-программный комплекс из стандартного промышленного компьютерного оборудования, ориентированного на работу в реальном времени. К натурному оборудованию относится блок системы управления типа FADEC. Программное обеспечение выполнено на платформе SCADA NI LabVIEW и в ней же реализованы математические модели: ТВВД, его систем, исполнительных гидромеханических частей САУ, сервопривода лопастей и самого винтовентилятора.
Рис. 1 – Структурная схема стенда полунатурного моделирования ГТД и его САУ
Технические средства проверки и оценки функционирования систем автоматического управления и контроля и контроля (САУК) двигателей и силовых установок самолетов – стенды полунатурного моделирования (СПМ), контрольно-проверочная аппаратура предназначенные для разработки, экспериментальной доводки, производства, обслуживания в эксплуатации традиционно создаются разработчиками САУК для конкретного типа САУК. Эти разработки отличаются большим разнообразием структур и наличием большого количества нестандартных аппаратных и программных решений, особенно это касается системы имитации физических сигналов датчиков и исполнительных механизмов САУК, а также алгоритмического и программного построения подсистемы моделирования силовой установки.
Рис. 2 – СПМ для испытаний и настройки САУ ГТД
Рассматриваемый СПМ обеспечивает:
отработку алгоритмов контроля и диагностики силовой установки совместно с моделями имитации отказов двигателя и его систем – элементов ГТД, механизации турбокомпрессора, топливных, масляных и др. систем и агрегатов;
получение данных для оптимизации технических и алгоритмических решений контроля и диагностики.
Системы полунатурного и информационного моделирования, составляющие в комплексе СПМ, взаимодействуют между собой по каналам информационного обмена и локальной сети. Такое разделение обеспечивает возможность раздельного изготовления и отладки. В данном случае используется модель ГТД и натурная САУ.
Комплекс имитаторов датчиков и исполнительных механизмов состоит из стандартных плат ЦАП, АЦП, плат дискретного и релейного ввода-вывода сигналов. Все платы выпускаются промышленностью и доступны. Программное обеспечение (ПО) включает в себя: ПО отображения информации, ПО комплекса математических моделей и ПО автоматизированного проведения испытаний. ПО отображения информации обеспечивает отображение в графической форме состояния датчиков и исполнительных механизмов, отображение и передачу информационного потока полунатурной модели. ПО может быть как специализированным, так и универсальным, например Exсel с соответствующими надстройками. ПО автоматизированного проведения испытаний обеспечивает программирование испытаний САУК согласно методике проверки. В целом комплекс информационного и полунатурного моделирования (КИПМ) обеспечивает проверку и отработку всех функций САУК ГТД.
Ожидаемый эффект от функционирования КИПМ:
обеспечение работы стенда полунатурного моделирования в соответствии с поставленными требованиями;
автоматизация проведения испытаний, и, как следствие, сокращение времени испытаний САУК в среднем в 10 раз;
возможность анализа информации, получаемой в ходе проведения испытаний и отладки САУК;
упрощение управления стендом вследствие применения стандартных средств ввода ПЭВМ (клавиатура и мышь).
Вследствие использования этого комплекса возможно реализовать информационно-справочную документацию и базы данных по двигателям. В свою очередь эта документация будет отвечать требованиям CALS-технологий и уменьшит затраты на эксплуатацию ГТД в несколько раз.
- Литература:
Комплекс информационного и полунатурного моделирования для исследования систем автоматического управления и контроля многодвигательных силовых установок при их эксплуатации по состоянию / Фатиков В. С., Погорелов Г. И., Минаев И. И., Азанов М. Р., Куликов С. Г., Ищук В. П. // Авиационно-космическая техника и технология.-2005.-№ 2.- С.155-160.
Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов. Управление ВРД. Под ред. д-ра техн. наук, проф. А. А. Шевякова. М., «Машиностроение», 1976. - 344 с.
Распопов Е. В. Интеллектуальная система запуска для нового поколения авиационных ГТД. / Куликов Г. Г., Фатиков В. С., Арьков В. Ю. // Вестник УГАТУ, Уфа. - 2007. Т. 9, № 2(20). С. 153–157.
Куликов Г. Г. Методология полунатурного комплексного функционального моделирования ГТД и его систем. / Куликов Г. Г., Арьков В. Ю., Фатиков В. С., Погорелов Г. И. // Вестник УГАТУ, Уфа, 2009. Т. 13, № 2 (35). С. 88–95.
Погорелов Г. И. Автоматизированный комплекс доводки и испытаний цифровых САУ многодвигательных силовых установок самолетов: дис. канд. техн. наук: 05.13.06 / Погорелов Г. И.; науч. рук. Г. Г. Куликов. — Защищена 26.12.2002; - Уфа, 2002.- 176 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/2219-1
Минаев И. И. Автоматизация процессов испытаний интегрированных САУ многодвигательными силовыми установками летательных аппаратов. Диссертация канд. техн. наук: 05.13.07 Уфа, 1996. – 170 с.: табл. ил.
Баранов А. С. Комплексный стенд математического моделирования КБО ЛА. / Баранов А. С., Грибов Д. И., Поляков В. Б., Смелянский Р. Л., Чистолинов М. В. // http://lvk.cs.msu.su/old/materials/5.doc
Кувшинов В. М. Развитие программного комплекса для моделирования и анализа динамики самолета с системой управления в среде программирования MATLAB/Simulink. Кувшинов В. М., Анимица О. В. // Труды Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB». М.: ИПУ РАН, 2004.— 1955 с.: ил. - с. 1533-1551.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ.
