Разработка структуры и содержания лекционных, лабораторных и практических занятий по дисциплине «Автоматика и регулирование дла» с учетом интеграции учебного процесса и научных исследований на кафедре автоматических систем энергетических




Скачать 85.95 Kb.
Дата02.08.2016
Размер85.95 Kb.
Разработка структуры и содержания лекционных, лабораторных и практических занятий по дисциплине «Автоматика и регулирование ДЛА» с учетом интеграции учебного процесса и научных исследований на кафедре автоматических систем энергетических установок.
Общая концепция дисциплины в рамках магистерской программы.
В соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения (ФГОС-3) по направлению 160700 – «Двигатели летательных аппаратов» разработанные блок-схема и учебный план по магистерской программе "Мехатронные пневмогидравлические агрегаты и системы ". Важное место в магистерской подготовке уделяется дисциплине «Автоматика и регулирование ДЛА», изучаемой на протяжении двух семестров. Особое внимание данной дисциплине уделено вследствие широкого охвата рассматриваемых тем, а также ее значимости в становлении магистров в области современных систем управления и автоматики.

Данная дисциплина является основой сквозной подготовки по современным системам управления ДЛА, базирующейся на дисциплины «Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем» и «Основы теории и конструкции ДЛА» и заканчивающейся написанием магистерской диссертации (рисунок 5.1). Цепочка дисциплин «Автоматика и регулирование ДЛА» предусматривает гибкую модульную схему подготовки за счет вариативности тематики обучения. Так, по выбору магистранта в рамках курса «Автоматика и регулирование ДЛА» он может специализироваться на более глубоком уровне в области автоматики авиационных и ракетных двигателей. Необходимость углубленной подготовки магистров в систем управления ДЛА в рамках магистерской программы "Мехатронные пневмогидравлические агрегаты и системы " объясняется следующими фундаментальными обстоятельствами.






Рисунок 5.1 – Блок-схема магистерской программы " Мехатронные пневмогидравлические агрегаты и системы "

Современные системы автоматического управления (САУ) ГТД выполняются на базе цифровых электронных многоканальных регуляторов с полной ответственностью (типа FADEC). Перспективы развития САУ неразрывно связаны с усложнением алгоритмов и программ управления ГТД, адаптацией управления двигателем к его возможному нештатному состоянию (перегреву, износу узлов и пр.), компенсацией отказов двигателя и САУ, интеграцией управления силовой установкой и режимом полета летательного аппарата. Все вышеперечисленное обуславливает реализацию концепции интеллектуальной САУ, содержащей бортовую математическую модель двигателя и позволяющей вести активный постоянный контроль за состоянием ГТД и его систем, оперативно распознавать их техническое состояние и в режиме реального времени предотвращать дефекты. Осуществление такого адаптивного управления позволяет говорить о силовой установке как об интеллектуальном ГТД, включающим узлы активного управления горением в камерах сгорания, зазорами в лопаточных машинах, вдувом и отбором воздуха в компрессорах.

Аппаратная реализация такой интеллектуальной САУ тесно связана с принципом ее построения как мехатронной системы, т.е. системы, в которой интегрированы в единые (мехатронные) модули узлы точной механики и электроники. Такие мехатронные модули, подключаемые к интерфейсной шине центрального контроллера, представляют собой интеллектуальные узлы сбора, обработки данных и исполнительные механизмы с цифровым управлением. Поэтому структура настоящего курса сочетает изучение как основ управления ДЛА, так и принципов построения и функционирования мехатронных систем управления.

Другим не менее важным аспектом изучения дисциплины «Автоматика и регулирование ДЛА» является тесная интеграция учебного процесса магистрантов с научными исследованиями кафедры АСЭУ, проводимыми как в области исследования гидравлических систем с цифровым управлением, так и в области динамических процессов в топливных системах авиационных двигателей.


Содержание лекционного курса «Автоматика и регулирование ДЛА»
Лекция 1. Цели и задачи, решаемые САУ авиационных ГТД. Регулируемые параметры и регулирующие факторы ГТД. Программы регулирования газотурбинных двигателей и способы их реализации. Газотурбинный двигатель как объект регулирования.
Лекции 2. Системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения и температуры газов на входе в турбину. Системы автоматического регулирования форсажного контура ТРДФ.
Лекция 3. Особенности регулирования ТРДД и ТРДДФ. Автоматизация приёмистости ГТД. Управление механизацией компрессора. Система автоматического управления ТРДД и ТВД.
Лекция 4. Агрегаты систем автоматического регулирования и топливопитания авиационных ГТД. Гидромеханические и электронные системы управления авиационных двигателей. Тенденции развития аппаратной и алгоритмической реализации перспективных цифровых САУ ГТД.
Лекция 5. Системы автоматического регулирования наземных ГТД. Особенности автоматики ГТД в качестве привода газоперекачивающего агрегата. Применение промышленных логических контроллеров в качестве цифровых регуляторов наземных ГТД.

Особенности разработанного курса лекций для магистрантов.
Материал разработанных 5 обзорных лекций основывается на кратком изложении базового курса «Автоматика авиационных двигателей и силовых установок», читаемого для специалитета, однако для магистров введены разделы по углубленному изучению математических моделей и аппаратной реализации построения САУ как мехатронных систем управления (см. рисунок 5.2). Именно эта идеология проходит через весь курс, при этом упор


Рис. 5.2 Представление САУ ГТД как мехатронной системы, включающей управляющий компьютер со встроенной моделью двигателя, электронные цифровые модули и гидромеханические агрегаты.



делается на изучение основ цифровых компонентов мехатронных систем и их программного обеспечения.

Другим аспектом лекционного курса является использование наглядных виртуальных моделей систем управления авиационных ГТД. В качестве примера на рисунках 5.3, 5.4 показаны фрагменты работы виртуальной и анимационной моделей САУ двухконтурных турбореактивных двигателей.




Рис. 5.3 Интерактивное окно управления виртуальной САУ ТРДД, отображающее работу системы в режиме «Запуск».

Такое подробное визуальное представление сложных процессов управления, протекающих в системах двигателя, позволяют слушателям более ясно и образно понимать динамику происходящих явлений.







Рис. 5.4 Анимационная модель САУ ТРДД, позволяющая визуализировать процессы взаимодействия гидромеханических регуляторов с цифровой ЭСУД на различных режимах работы двигателя.

Содержание лабораторных занятий.
В целях детального изучения основ построения современных мехатронных систем управления газотурбинными двигателями на кафедре АСЭУ созданы лаборатории цифровых систем управления и мехатронных систем. В лаборатории цифровых систем управления студенты изучают основы построения цифрового управления на основе программируемых логических контроллеров (ПЛК). Изучаются также операционные системы программирования ПЛК и рассматриваются задачи управления конкретными техническими устройствами на основе электронагревателя и вентилятора. В лаборатории исследуется виртуальная САУ наземного газоперекачивающего ГТД НК-12 СТ на основе отечественного контроллера Овен. Изучаются также зарубежные ПЛК Siemens и National Instrument со своими операционными системами.

В лаборатории мехатронных систем изучаются как их пневматические и гидравлические компоненты, так и системы в целом на базе технологической мехатронной системы.

В лаборатории САУ ГТД создан на основе ПЭВМ и интеллектуальной электронной доски тренажер по исследованию виртуальной САУ авиационного двухконтурного двигателя. Изучение виртуальной САУ позволяет студентам в наглядной форме наблюдать за сложными процессами в агрегатах САУ и двигателя в целом. Интеграция раздела «Разработка САУ виртуального ГТД» в сквозной курсовой проект позволит магистрантам представить двигатель как единое целое, определить его основные агрегаты управления и обосновать необходимые законы и программы регулирования силовой установки.

В соответствии с вышесказанным разработан следующий перечень лабораторных занятий.


Лабораторная работа 1. Изучение системы управления двигателя НК-86. Агрегатный состав и работа системы управления изучаются по подробной крупно масштабной схеме САУ двигателя и на анимационной компьютерной модели, представляемой на интеллектуальной доске (см. рисунок 4).
Лабораторная работа 2. Изучение запуска двухконтурного ТРД.

В работе магистранты подробно изучают и моделируют процесс запуска двигателя как с помощью вышеуказанной анимационной компьютерной системы, так и с помощью модели запуска двигателя в программной среде Lab VIEW. Общий интерфейс программы представлен на рисунке 5.5


Рисунок 5.5 - Интерфейс программы расчета параметров автомата запуска

Функциональные возможности программы включают в себя:

- задание параметров модели, таких как жесткость пружин, площади проходных сечений дроссельных пакетов, площади торцов золотников и давление на выходе клапана постоянного давления (рисунок 5.6);



Рисунок 5.6 – Задание начальных параметров модели

- задание расчётного времени выхода автомата запуска на режим,

- отслеживание промежуточных параметров, в нашем случае, давления в полости иглы запуска, коэффицентов уравнений;

- изменение шага перемещения иглы автомата запуска;

- визуальное изучение схемы автомата запуска с обозначениями всех жесткостей и диаметров характерных элементов;

- вывод результатов расчетов на графики по времени, в данном примере выведены параметры перемещения иглы запуска y, перемещение штока мембраны z, давление на входе в двигатель pk* и расход топлива в камеру сгорания.
Лабораторная работа 3. Моделирование работы виртуальной САУ авиационного ГТД в программной среде Simu Link. При выполнении работы магистранты получают задание по построение переходных характеристик двигателя на режимах приемистости и сброса газа. При выполнении задания они изучают принципы построения моделей двигателя и агрегатов САУ в среде Simu Link.

Лабораторная работа 4. Изучение виртуальной САУ ТРДД на тренажерном комплексе «Моделирующий компьютер – интеллектуальная доска». Компьютерная модель САУ реализована в программной среде Lab VIEW. Внешний вид интерфейса программы показан на рисунке 5.3.
Лабораторные работы 5, 6 Изучение и моделирование системы топливопитания и регулирования двигателя НК-12СТ. Моделирование работы двигателя НК-12 СТ в составе газоперекачивающего агрегата проведено с использованием программируемого логического контроллера ОВЕН и системы программирования CoDeSys. Студенты изучают работу автоматики на штатных режимах работы газоперекачивающего агрегата: холодной прокрутке; горячем запуске; работе на установившихся режимах; нормальном и аварийном остановах.




Рисунок 5.7 – Рабочее окно программы


В режиме реального времени они имеют возможность как автоматического регулирования режимов, так и ручного; при последнем случае они могут проявить свои знания работы автоматики. На рисунке 5.6 показан интерфейс разработанной программы.
Содержание практических занятий
На практических занятиях студенты изучают вопросы моделирования статических и динамических характеристик двигателя, а также рассматривают разделы проектирования систем топливопитания и регулирования авиационных ГТД. Рассматриваемые темы следующие.


  1. Анализ двигателя как объекта регулирования и выбор регулирующих факторов и регулируемых параметров.

  2. Разработка программ регулирования двигателя:

- по входным температуре и давлению;

- по управляющему воздействию.



  1. Расчет характеристик элементов системы топливоподачи – топливного насоса, дозирующей иглы, распределителя топлива по коллекторам форсунок.

  2. Расчет оптимальной разгонной характеристики двигателя.

  3. Определение параметров двигателя как объекта регулирования

Тдв и Кng. на различных режимах и условиях полета.


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница