автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Динамические свойства системы автоматического регулирования жидкостного ракетного двигателя

^ # Я

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛНИЛЦИОШ1ЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Чжан Лихой

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.07.05 Тепловые двигатели летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Московском государственном авиационном институте (техническом университете).

Научный руководитель - Кандидат технических наук,

доцент Гладкова В.11.

Официальные оппоненты - Доктор технических наук,

профессор Бабкин А.И. Кандидат технических наук, с.н.с. Барбашов Е.Д.

Ведущее предприятие - Федеральное каленное предприятие "Государственный казенный научно-испытательный полигон авиационных систем", Моск.обл., Воскресенский район, пос. Белозерский.

Защита состоится " " 1996 г. в часов на. заседании диссертационного совета ССК 053.04.01 при Московском государственном авиационном институте (техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке московского государственного авиационного института (125871, Волоколамское шоссе д.4).

Автореферат разослан " " 1996 г.

Ученый секретарь л

диссертационного совета л. /у

к.т.н., доцент Михайлова Т.В.

- 3 -

1 Общая характеристика работы

Актуальность. За последние годы ракетно-космическая техника получила новое и значительное развитие. С развитием и совершенствованием ракетных двигательных установок возникла необходимость п более полном изучении статических и динамических характеристик ЖРД на всех режимах работы. В связи с этим необходимо создавать надежные системы автоматического регулирования и двигательные установки в целом. К системам автоматического регулирования ЖРД представляются весьма жесткие требования в отношении точности, устойчивости и качества переходных процессов.

Анализ состояния вопроса показал, что задача управления двигательными установками характерна сложностью математического описания происходящих в ней тепло-физико-химических процессов, по некоторым из которых пока нет четкого представления о действительном характере их протекания. В связи с этим решать задачу описания свойств объекта регулирования приходится лишь приближенно. На практике для решения этих задач наряду с экспериментальным подходом получили применение методы математического моделирования.

На современном уровне использования ракетной техники все более широкое применение имеют двигательные установки с ЖРД многократного включения. В настоящее время опубликовано достаточно работ, в которых изложены методы теоретического исследования задач управления и результаты испытания ЖРДУ. Но практически не исследовались системы питания двигательной установки многократного включения.

В связи со сказанным, актуальной задачей является теоретическое и экспериментальное изучение системы автоматического регулирования, позволяющей осуществлять многоразовый запуск ЖРД, поддерживать заданный рехим работы, изменять режим

работы.

Цель работы. Разработка МСТСЩИКИ ИССЛСЦОШШИ'1 Дм№*ш*"С~ ских свойств САР ЖРД и разработка практических рекомендаций по определению параметров регулятора, обеспечивающего необходимое качество САР.

Научная новизна. Предложен один из вариантов САР для ЖРД многоразового включения. Для него разработана математическая модель, описывающая динамику изменения параметров САР и ДУ. Даны практические рекомендации по определению параметров регулятора, обеспечивающего необходимое качество и устойчивость САР.

Достоверность. Подтверждена достоверность полученных результатов теоретического исследования экспериментальным исследованием на разработанной полунатурной гидравлической моделирующей установке. Получена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Практическая значимость. Разработанная методика исследования динамических характеристик САР ЖРД многоразового включения может быть использована для любых вариантов САР и дает возможность сравнить их по быстродействию, запасам устойчивости и влиянию на динамические характеристики всей ДУ.

Апробация работы. Математическая модель САР и программа расчета динамических характеристик используются в учебном процессе кафедры в дисциплине "Автоматика и регулирование ДЛА".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка литературы, содержит 117 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 56 иллюстраций и 40 наименований литературных источников.

- ъ -

2 Содержание работы

Во введение ласгся краткой обчор но теме диссертации.

Н первой главе дан обчор литературных источников по теме диссертации.

Создание автоматических систем современных ЖРД, надежно и стабильно управляющих режимом работы, является сложной технической задачей. На практике для решения этих задач наряду с экспериментальным подходом получили применение методы математического моделирования.

Характеристики основных агрегатов двигателя имеют пологий характер и в составе двигателя нет элементов (кроме регулятора), имеющих типичные нелинейности. Благодаря этому при решении большинства задач динамики двигателя можно пользоваться более простыми линеаризованными уравнениями.

Тщательно изучение динамических свойств всей установки в целом и отдельных ее узлов является основной создания надежных систем автоматического регулирования ракетной ДУ.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики ЖРД изложены в работах российских и советских ученых А.И.Бабкина, Е.Б.Волкова, Б.Ф.Гликмана, В.А.Махина, Е.К.Мошкина, М.С.Натанзона, В.Ф.ГГриснякова, Н.Б.Рутовского,

Е.В.Соловьева, Т.А.Сырицына, П.Г.Чистякова, А.А.Шевякова и др.

Пневмогидравлические схемы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями большей частью разрабатываются для каждого задания самостоятельно и поэтому дать общую методику построения их статических характеристик не представляется возможным.

На современном уровне использования ракетной техники все более широкое применение имеют двигательные установки с ЖРД многократного включения. Вытеснмтелъную схему применяют в

основном и ДУ малой тяги, которые обычно должны многократно включаться для осуществления различных маневров КА и реактивной системы управления ДУ." Кроме того на. практике многократно запускаются ТНА двигателя РД-219, и невесомости корректирующие-тормозная двигательная установка КТДУ-35, разработанная в ОКБ A.M. Исаева и применяемая на космических кораблях "Союз" и орбитальной стадии "Салют", и т. д.

Исходя из проведенного анализа актуальность диссертационной работы определена: изучением системы автоматического регулирования, позволяющей осуществлять многоразовый запуск ЖРД, поддерживать заданный режим работы, изменять режим работы.

Па основании проведенного анализа сформулированы следующие основные задачи, решаемые в данной диссертационной работе:

- создать систему автоматического регулирования, позволяющей осуществлять многоразовый запуск ЖРД, поддерживать заданный режим работы, изменять режмм работы;

- разработать линейную математическую модель САР на установившемся режиме;

- определить влияние конструктивных параметров регулятора на динамических характеристик САР;

- составить и отладить соответствующий пакет прикладных программ для реализации выше предложенных методов и алгоритмов;

- исследовать устойчивость разработанной САР;

- разработать гидравлическую экспериментальную установку для определения динамических характеристик САР и методику проведения экспериментов;

- сравнить теоретические результаты и выводы с экспериментами.

Ро второй главе описаны методики формирования математической модели и расчета динамических характеристик САР дннга-телыюй установки многократного включения.

Исходя из проведенного анализа первой главы целесообразно рассмотреть ДУ с насосной системой подачи без дожигания с автономным топливом для привода турбшш и локальным контуром регулирования. Многоразовое включение обеспечивается использованием вытеснительной подачи автономного топлива (рис. 1).

В пневмогидравлической системе двигательной установке с автономным топливом для питания турбины управление тягой требует установки регулятора, который устанавливается на линии питания турбины (перед газогенератором). При изменении гидравлического сопративления магистралей газогенератора турбонасос-ный агрегат обладает фильтрующим свойством и не пропускает возмущения с высокими частотами до камеры.

При выборе давления в емкости в качестве косвенного параметра регулирования тяги в замкнутый контур управления не входят основные агрегаты ДУ, такие как камера сгорания, ТНА, гидравлические магистрали, баки компонентов топлив и т. д. Этот контур управления сугубо локален и имеет высокое быстродействие. А с помощью внешней системы РКС компенсируются отклонения параметров всех агрегатов, которые не входят в состав контура управления, и повышается точность системы управления.

Для исследования динамических процессов в системе регулирования нами выбрана система питания двигателя с пускорегулиру-ющим блоком.

Пуско-регулируюздий блок, состоящий из бачка, регулятора и необходимых трубопроводов с арматурой, выполняет три функции в системе питания:

(1) обеспечивает запуск турбонасосного агрегата;

(2) позволяет переводить установку с одного режима на другой (режим слежения);

(3) поддерживает заданный режим работы (режим стабилизации).

В состав модели САР нходят все натурные агрегаты активной части ДУ, за исключением газогенератора и турбины. Турбину в модели заменяет электродвигатель, а газогенератор - сосредоточенное гидравлическое сопротивление.

Функциональная схема системы автоматического регулирования приведена на рис. 2.

В результате совместного решения уравнений динамики объекта регулирования и регулятора получено два тина уравнения САР:

[г„*тР7р2 + (Та + трче + к„\ъТръ)р + ко1йкр9 + е]вре = -(тр7р + 1 + КмКр108?ке

- без учета вязкого трения,

[Г^То (Р3 + (ЗДв + Т0 (Т„1 + Тр9д)р2 +

(т0б + тр те + к + т»р + к.^кр» + е]гре =

-{ту 4- (тр7 + Тте)р 4- 1]«(мР)е, 4- КтКр10ёрке

- с учетом вязкого трения.

Уравнения динамики отвечают свойствам колебательной или

апериодической системы второго и третьего порядка с введением одного и двух производных в закон регулирования по возмущающему воздействию и просто усилительной по отношению к командному воздействию.

Конкретный вид переходного процесса зависит от соотношения постоянных времени, которые, в свою очередь, достаточно сложно определяются через параметры объекта и регулятора, поэтому физический анализ их взаимного влияния затруднен.

В данной работе решается конкретный расчет переходных процессов на ЭВМ с помощью преобразования Лапласа.

D третьей главе разработаны методики и алгоритмы расчета дииамических характеристик СЛР, которая может изменять режим работы ДУ в изданном диапазоне, и предложены оптимальные конструктивные параметры регулятора.

Статическая характеристика СЛР приведена на рис. 3 и определяется задачами, выполняемыми ДУ многоразового включения: осуществление многоразового включения и изменение тяги ДУ в заданном диапазоне.

При выборе оптимального варианта САР и анализа ее особенностей возникает необходимость оценки точности регулирования, анализа устойчивости этого процесса, определения качества переходных процессов и т. д.

Линейными методами исследуются устойчивость, качество и точность регулирования САР.

Как известно, для обеспечения или улучшения динамических характеристик системы регулирования необходимо изменить ее параметры или структуру. В принципе возможно изменение как в объекте регулирования, так и в регуляторе. Однако обычно идут по пути, требующему меньших затрат - изменяют параметры регулятора или структуру системы регулирования.

В нашей схеме регулятора содержатся элемент сравнения, сервомотор, и исполнительный орган. Расчеты проведенные с использованием разработанных моделей статики и динамики САР показали, что при заданных габаритных и массовых характеристиках регулятора конструктивными параметрами наибольшего влияния на статическую и динамическую характеристики САР являются: жесткости пружин золотника и усилителя, площадь жиклер, статические характеристики перепускных клапанов с прорезанными в боковой поверхности отверстиями различной формы.

Заданы следующие статические и динамические условия:

zM > 4.0 • 10""4 м ;pf) < 9.0 • 105 Па ;p„2 < 13.0 -105 Па ;

6Ve,o < 0.015 < 0.018;

rpc! < 1.0 ;« < 1 ,

где zM - перемещение мембраны элемента сравнения; ру\ - давление в рабочей полости усилителя на минимальном режиме; руг -давление в рабочей полости усилителя на максимальном режиме; 6рее.0 - статическая ошибка переходного процесса; iV^nS - заброс (перерегулирование) переходного процесса; rptt - время регулирования; п - число колебания переходного процесса на минимальном режиме.

В данной работе с помощью ЭВМ оптимизируется САР ка двух режимах. Получены диапазон величины давления командного воздействия на минимальном и максимальном режимах при перепускном клапане с линейной статической характеристикой (рис. 4) и соотношения между жесткостями пружин золотника, усилителя, и площадью жиклера при выбранных определенных давлениях командного воздействия (рис. 5). Переходные процессы и частотные характеристики САР показаны на рис. 6-7 при выбранных параметрах регулятора. На графике АЧХ в нешироком диапазоне частот имеется заметный резонанс на низкой частоте. Видно, что система регулирования работает на минимальном режиме лучше, чем на максимальном режиме, где переходный процесс имеет слишком много колебаний.

С целью улучшения динамических характеристик САР на максимальном режиме мы заменял» перепускной клапан прямоугольной формы на треугольные. Полученные результаты указывают на то, что изменение статической характеристики только перепускного клапана не улучшает переходные процессы на максимальном режиме работы ДУ. В каждом случае необходим выбор

конструктивных параметров наибольшего влияния, обеспечивающих заданные статические и динамические условия.

Расчеты показали, ч то при использовании перепускного клапана треугольной регрессивной форме не возможно выполнить статические и динамические условия заданные выше. При использовании перепускного клапана треугольной прогрессивной формы увеличился диапазон возможного изменения давления командного воздействия (рис. 8), диапазон по изменению площади жиклера остался практически такой же (рис. 9), динамические характеристики улучшались (рис. 10 и рис. 11).

На рис. 12 и 13 приведены логарифмические частотные характеристики при выше выбранных параметрах при разных формах перепускного клапана. Четко видно, запасы устойчивости САР по амплитуде без ограничений, а по фазе имеют величину равной 67° на минимальном режиме и 25° на максимальном режиме при прямоугольной форме перепускного клапана; 77° на минимальном режиме и 32° на максимальном режиме при треугольной форме перепускного клапана. Можно сделать выводы о том, что на минимальном режиме система обладает лучшими динамическими свойствами, в том числе по точности, устойчивости и качеству переходного процесса, а изменение статической характеристики перепускного клапана улучшает динамические характеристики системы, в том числе и по устойчивости.

Расчеты с учетом вязкого трения в системе третьего порядка до кт = 2000 показывают, что отличия в переходных процессах практически нет (рис. 14). Когда кт больше 2000, в переходных процессах появляется второе колебание. Предварительные эксперименты показали, что САР имеет апериодический переходный процесс. Поэтому можно сделать вывод о том, что вязкое трение очень мало и почти не влияет на динамические характеристики данной системы регулирования, и допустимо использование уравнения динамики второго порядка при исследовании динамических

характеристик CAP.

Четвертая глава посвящена применению теоретических разработок системы автоматического регулирования к экспериментальному исследованию и разработке методики проведения эксперимента.

Для проведения исследования описанной выше системы регулирования была создана специальная гидравлическая моделирующая установка, в которую были включены объектовые узлы (насос, бачок, регулятор) (рис. 15). Часть узлов была заменена моделирующими устройствами: турбина заменена электродвигателем с постоянным числом оборотов, модель проточной части газогенератора и турбины в полунатуральной модель объекта управления представляет собой три параллельно соединенных сосредоточенных гидравлических сопротивления. В реальной схеме двигательной установки этот перепад давлений реализуется на форсуночной головке газогенератора, каталитическом пакете и в проточной части активной газовой турбины. Установка позволяет снимать как динамические, так и статические характеристики всей системы регулирования в целом и ее отдельных узлов.

На рис. 16 - 17 дается сравнение переходных процессов объекта регулирования и САР, полученных экспериментально и расчетным путем. Результаты экспериментов и расчетов по математической модели не вполне удовлетворительно совпадают. Для объекта регулирования несовпадение объясняется тем, что опытный коэффициент самовыравнивания д больше расчетного из-за существенного влияния статических характеристик звеньев ОР. В расчетах были использованы некоторые средние значения характеристик звеньев, а не их значения для данного конкретного объекта регулирования. Кроме того, при создании математической модели мы допустили некоторые упрощения и совсем пренебрегли влияни-

- 13 -

ями пневмогидравличсских магистралей системы регулирования, что по-видимому, также повлияло на разницу между экспериментальными и расчетными результатами.

Что касается системы регулирования, кроме выше перечисленных допущений при выводе уравнений объекта регулирования, здесь еше оказывают влияния допущения, связанные с выводом уравнений динамики регулятора. Эксперимент проводился только на минимальном режиме. Экспериментальная установка не позволяет переходить с одного режима на другой. Выше выбранные конструктивные параметры регулятора могут обеспечить работу системы регулирования на минимальном и максимальном режимах. Поэтому существуют некоторые разницы между расчетными выбранными параметрами и экспериментальными параметрами регулятора.

Главные результаты работы

1. Разработана система автоматического регулирования для двигательной установки многократного включения.

2. Разработана линейная математическая модель САР на установившемся режиме (на минимальном и максимальном).

3. Предложены возможные варианты конструктивных параметров регулятора для улучшения динамических характеристик САР.

4. Исследована устойчивость разработанной САР.

5. Разработаны гидравлическая экспериментальная установка для определения динамических характеристик САР и методика проведения экспериментов.

6. Экспериментальные исследования показывают удовлетворительную сходимость, в пределах заданных статических и динамических условий, с расчетными характеристиками САР, полученными на линейной модели.

27 26 25 2-4 23 22 2/20

Рис. 3: Принципиальная пневмогидравляческая схема разработанной САР

пг.

Шя

насос

Т5^

эбра.топ клапан

те

гг. с турб.

т

п«,

пусковая емкость

перепус. емкость

раблол. у си ли.

порш. усили.

пере, дросс.

золот. эле.сра.

регуля. регуля.

Ре

Ркв

Рис. 2: Функциональная схема САР

20.0 20.0 15.0

о

7 10.0 а

а

5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

р„*т~5 п&

1 п'г

20.0 25.0

Рис. 3: Статические характеристики САР

i i i i

Рис. 4: Диапазон давления Рис. 5: Соотношения между

командного воздействия на жесткостями пружин золотника,

двух режимах усилителя к площадью жиклера

- Iñ -

1,2-на минимальном и мнксиынш.ном режима

125.0

-12-5 | i i i i | i i i i | i i i i I

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 г с

Рис. 6: Переходные процессы СЛР

т i i i i i i 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 и 1/с

Рис. 7: Амплитудно-частотиые характеристики САР

22.75

tó22.50 С

■ 22.25

60.0

s

о.

22.00

21.75

6.0 8.2 6.4 6.6 8.8 9.0 9.2

р„, +10"sIIa

Рис. 8: Диапазон давления командного воздействия на двух режимах

гж +10V

Рис. 9: Соотношения между жесткостяьш пружин золотш усилителя и площадью жш

2.5 0.0 -2.5 -5.0

-12.5 -15.0

;

:

i .Л

Ё

Ё

i i i i i i i i i i 11 i 1 1 1

1bs.o 100.0 "о 75.0

0.00 0.25 0.50 0.76 1.00 1.25 т с

Рис. 10: Переходные процессы САР

0.0 50.0 100.0 150.0 800.0 250.0 4) 1/с

Рис. 11: Амплитудно-частотные характеристики САР

20.0

-о

4 0.0

^-20.0

-С0.0 - ттт

ао.п 20.0

ю.п -г

о.о

-10.0 Т

-20.0 -30.0 -40.0

тттт

тттг тттт

0.0 10.0 ЕО.О 30.0 40.0 50.0 60.0

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 60.0 60.0

50 о-

Ч -50-

та й,

и -100-

-200-250-

:

;

; 1

; г

1 "

-

:

ни 1 1 11 II 1 1 1111 1 П 1 1111

0.0 10.0 го.о 30.0 40.0 50.0 60.0 ы 1/с

Рис. 12: Логарифмические характеристики САР при перепускном клапане с линейной статической характеристикой

I 11 I I I I I I I I И I I I I М I I I I I I I I I I

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 &0.0 60.0 и 1/с

Рис. 13: Логарифмические характеристики САР при перепускном клапане с прогрессивной статической характеристикой а,б—аапасы устойчивости по фазе

I

ггп

ггп

ггп

гпт

т

о.о

-2.5

„ -5.0

о

^ -7.5 ¿-10.0 -12.5 -15.0

0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 1.3 г с

Рис. 14: Переходные процессы третьего порядка САР 1 —при Кт=2000 2-при Кт=500

Рис. 15: Схема установки для физического иоделиропания

ю.о

0.0

-10.0

2 -го.п »

.-30.0 о. •о

-40.0

-50.0 -60.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.Q г с

Рис. 16: Переходный процесс ОР 1 -теоретический 2-экспериментальный

I

;

j

: 4«

Ё . ' * л г

:

м i i 1111 1 II 1 1 1 Г Г 1 1 1 1 1 1 1 1

т с

Рис. 17: Переходный процесс САР 1 -теоретический 2-экспер5шенталшый