автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы построения и устройства систем управления твёрдотопливными энергетическими установками

□ □343 1348

На правах рукописи

Хоружий Игорь Владимирович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ

УСТАНОВКАМИ

Специальность: 05.13.05- «Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- /, фСд ог}1д

Новочеркасск - 2009

003491348

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика» ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лачин Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Прокопенко Николай Николаевич

доктор технических наук, ст. научный сотрудник, Кириевский Евгений Владимирович

Ведущая организация: Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге.

Защита состоится 26 февраля 2010 года в 12 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.304.02 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан января 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., профессор

А.Н. Иванченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетическими установками на твёрдом топливе (ЭУТТ) называют тепловые двигатели и газогенераторы, предназначенные для создания своими продуктами сгорания реактивной тяги или совершения механической работы в газотурбинных приводах различного назначения. Среди них наибольшую конструктивную и функциональную сложность имеют управляемые ЭУТТ, у которых величина тяги или массовый расход топлива изменяются по командам системы управления. Они применяются, например, в системах управления полётом некоторых космических аппаратов, в плазменных МГД генераторах, газотурбинных двигателях глубоководных аппаратов и в других изделиях кратковременного действия высокой удельной мощности.

Объектом управления является камера сгорания, в которой находится твёрдое топливо определенной массы и геометрической формы, так называемый "твердотопливный заряд", выгорающий по расчётной открытой торцевой поверхности или специально профилированному внутреннему каналу.

Системной особенностью твёрдотопливных энергоустановок является невозможность дозирования топлива в зону горения, так как оно в виде заряда изначально и полностью находится в камере сгорания, поэтому управлять расходными характеристиками в таких изделиях возможно либо воздействием на скорость горения топлива или изменением площади поверхности горения твердотопливного заряда в текущих термодинамических условиях. Многие предложенные или применяемые на практике способы управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ (газодинамические, гидравлические, метод теплового ножа и др.) для сохранения работоспособности своих исполнительных устройств в высокотемпературном газовом потоке имеют ограничения по внутрикамерным температурам, как правило, до 2000 К. Современные неуправляемые энергоустановки с высокой надёжностью работают на высокоэнергетических топливах при температурах свыше 3000-3500 К, соответственно, по сравнению с управляемыми энергоустановками, развивают существенно больший удельный импульс и имеют превосходящие энергомассовые показатели. Поэтому актуальными задачами в области управляемых ЭУТТ являются: разработка методов и их реализация в устройствах непрерывного регулирования выходных параметров, не имеющих ограничений по внутрикамерным температурам, составу продуктов сгорания и времени работы; разработка методов и устройств, обеспечивающих требуемые динамические характеристики и устойчивость работы, в частности поиск методов подавления резонансных внутрикамерных процессов; построение устройств многократного включения для систем управления с повторно-кратковременным режимом работы.

На основании проведённых исследований в диссертации разработаны новые решения перечисленных задач, не имеющие термо- и газодинамических ограничений с возможностью реализации требуемых функций в единой системе автоматического управления (САУ).

Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления ЮжноРоссийского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления»

(утверждено 1.03.06), а также в рамках сотрудничества с Секцией прикладных проблем при Президиуме РАН.

Цель работы: разработка новых методов и устройств управления твердотопливными энергетическими установками с воздействием на внутрикамерные процессы с помощью электрического тока для проектирования систем автоматического управления, не имеющих термо- и газодинамических ограничений по энергетике применяемых топлив, составу продуктов сгорания и времени работы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— исследовать процессы горения твёрдых топлив под воздействием электрического тока для управления массовым расходом продуктов сгорания энергоустановок;

— разработать метод управления зажиганием твёрдого топлива под воздействием электрического тока для организации многократного включения ЭУТТ;

- разработать метод подавления резонансных внутрикамерных процессов горения твёрдых топлив;

- разработать микропроцессорный комплекс для исследования параметров объекта управления в реальном режиме времени с целью построения математической модели объекта.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы теории автоматического управления, гармонического анализа сигналов, статистической обработки результатов измерений, математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ МАТЬАВ/8тиНпк, МаЙгсаё. Научная новизна работы.

1. Предложен новый метод управления скоростью горения твёрдого топлива, основанный на воздействии протекающего через него электрического тока, что позволяет регулировать модуль тяги или массовый расход продуктов сгорания управляемых твердотопливных энергетических установок (патент РФ №2175399).

2. Предложен новый метод контроля и подавления резонансных режимов горения твёрдых топлив, основанный на гармоническом анализе пульсаций давления в камере сгорания энергоустановок за счёт контроля модуляций электропроводности поверхности горения и перестройки фазочастотных параметров управляющего воздействия (патент РФ №2208694).

3. Разработана структура микропроцессорного устройства, реализующего управляемое зажигание и многократное включение энергоустановок, основанная на предложенном электротермическом методе воздействия электрического тока на поверхность горения топлива, что позволяет создавать системы управления повторно-кратковременными режимами работы ЭУТТ.

4. Разработана структура автоматической системы управления внутрикамер-ными процессами ЭУТТ, с реализацией предложенных способов и методов диагностики и осуществлено её компьютерное моделирование, что подтвердило правильность и перспективность предложенных решений.

5. Разработаны структура микропроцессорного комплекса и программное обеспечение для исследования различных параметров объекта управления в реальном масштабе времени (свидетельство о регистрации алгоритмов и программ № ГР 50200801456) с использованием нестандартных датчиков и преобразователей пара-

метров объекта для построения математической модели и предложенной системы управления.

6. Разработана упрощённая математическая модель объекта управления, построенная с использованием полученных экспериментальных данных.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается: обоснованным использованием апробированных экспериментальных методов исследований и аттестованной измерительной аппаратуры; корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и разработке устройств систем управления; обсуждением полученных результатов на научных конференциях и экспертизой публикаций в ведущих научных изданиях.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке новых методов построения и устройств системы управления выходными параметрами энергетических установок без термо- и газодинамических ограничений по внутри-камерным температурам, составу продуктов сгорания и времени работы.

Практическое использование полученных результатов ориентировано на решение следующих задач: 1) регулирование массового расхода продуктов сгорания в газогенерирующих или двигательных установках малой тяги (до 1 кН); 2) контроль и подавление низкочастотных внутрикамерных резонансных процессов горения твёрдых топлив; 3) организация повторно-кратковременных режимов работы твёр-дотопливных энергетических установок (с паузами порядка 10 с).

Реализация результатов работы. Результаты диссертации реализованы в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем ЮРГТУ (НПИ): госбюджетной НИР "Гамод-2" по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, в учебном процессе Военной академии РВСН имени Петра Великого (г. Москва) и кафедр "АиТ", "ТНОВ" ЮРГТУ (НПИ); предполагаются к использованию в научно-исследовательских работах НИИ Специальных информационно-измерительных систем (СИИС) (г. Ростов на Дону), при проведении испытаний ЭКС в ФКП «Комбинат "Каменский"». Предложенные новые технические решения защищены тремя патентами на изобретения, результаты исследований могут быть приняты за основу при разработке элементов и устройств систем управления ЭУТТ.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Электротермический метод и устройство регулирования скорости горения твёрдых топлив.

2. Метод и устройство подавления резонансных внутрикамерных процессов горения твёрдых топлив в ЭУТТ.

3. Метод организации повторно-кратковременных режимов работы ЭУТТ.

4. Структура и программное обеспечение микропроцессорного комплекса для экспериментальных исследований объекта управления.

5. Математическая модель объекта управления с электротермическим регулированием массового расхода топлива.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и получили одобрение на: международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах», г. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2003г.; международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схе-

мотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2004г.; международной научно-практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2006г.; общероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в азотной промышленности», г. Ставрополь, 2007г. Результаты работы обсуждались на научных семинарах и расширенном заседании кафедры "Автоматика и телемеханика".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента на изобретения, свидетельство о регистрации программы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 75 наименований и пяти приложений. Работа изложена на 177 страницах и содержит 102 рисунка, 6 таблиц, 22 страницы приложений.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой "Технология неорганических и органических веществ" д.т.н., профессору Таранушичу В.А. и ведущему научному сотруднику, к.т.н. Клякину Г.Ф. за оказанную методическую и техническую помощь в подготовке и проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и представлено краткое содержание работы.

В первой главе «Обзор и анализ способов и устройств управления параметрами твердотопливных энергетических установок» выполнен сравнительный анализ различных физических способов и технических систем непрерывного управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ. На основании литературных источников рассмотрены общие характеристики энергетических конденсированных систем (ЭКС) и процессов в объекте управления, способы регулирования массового расхода продуктов сгорания (газодинамические, гидравлические, метод теплового ножа и др.), методы организации многократного включения энергоустановок и подавления резонансного горения твёрдых топлив. В результате проведённого анализа выявлены их достоинства и недостатки, сформулированы требования к устройствам автоматического управления ЭУТТ и поставлены задачи исследования.

Обобщённая блок-схема системы автоматического управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ представлена на рис.1. Реализовать все функциональные возможности данной САУ в полном объёме весьма сложно и её состав определяется в каждом случае конкретной областью применения и назначением энергоустановки. Например, в некоторых случаях не требуется многократное включение или регулирование тяги в широком диапазоне, а только компенсация технологического и температурного разброса выходных параметров ЭУТТ. В диссертации предложены и исследованы новые методы воздействия на внутрикамерные процессы ЭУТТ с реализацией функций регулирования массового расхода топлива, многократного включения, контроля и подавления резонансных процессов горения твёрдых топлив в соответствующих элементах блока устройств управления (2,4,5 на рис.1) с необходимыми исполнительными устройствами и датчиками обратных связей.

ОУ

Рис. 1. Блок-схема САУ ЭУТТ: ОУ - объект управле!шя; - задающее воздействие; у(1) - выходной регулируемый параметр (сила тяги или массовый расход продуктов сгорания); 0(1) - вектор промежуточных регулируемых величин; %(/) - вектор измерительных сигналов; 1/(1) - вектор сигнала управления; Шу(1) - вектор управляющего воздействия; блок устройств управления: 1 - устройство запуска; 2 - устройство регулирования массового расхода продуктов сгорания; 3 - устройство останова; 4 - устройство многократного включения; 5 - устройство подавления внутрикамерных резонансов; п - другие специальные устройства

Во второй главе «Разработка электротермических методов регулирования внутрикамерных процессов в твердотопливных энергетических установках» сформулированы и обоснованы новые теоретические принципы и варианты решения задач управления внутрикамерными процессами в ЭУТТ, основанные на электротермическом воздействии электрического тока на поверхность горения твёрдого топлива, так называемую реакционную зону ЭКС.

Исследования физических свойств смесевых твёрдых топлив показывают, что они обладают в нормальных условиях, наряду с низкой теплопроводностью, высокими диэлектрическими свойствами (руя> 109 Ом-см). При этом, в условиях горения тонкий прогретый поверхностный слой ЭКС толщиной порядка 0,1 мм, находящийся в состоянии термического разложения под действием мощного теплового потока продуктов сгорания (-10 МВт/м2), с учётом протекания в нём сложных химических реакций, может иметь высокую электронную, ионную или смешанную проводимость. Следовательно, прохождение электрического тока через поверхность горения будет сопровождаться выделением дополнительной тепловой мощности, изменяющей её энергетическое состояние и приводить к возрастанию скорости химических реакций, а в результате - к увеличению линейной скорости горения твердотопливного заряда. Таким образом, управляя электрической мощностью в реакционной зоне, возможно регулировать

расходные характеристики энергетической установки (патент РФ, №2175399).

Реализация предложенного способа представлена на рис.2 и заключается в том, что в твёрдотопливный заряд устанавливается специальная электродная система из листов металлической фольги (~10 мкм) или сетки, адгезионно скреплённых и выгорающих вместе с топливом, с электрическими выводами, подключенными к управляемому источнику напряжения.

Электроды

Реакционная зона ЭКС

Камера / сгорания

Продукты сгорания (газовая фаза)

Рис. 2. Схема прохождения электрического тока через поверхность горения ЭКС: и - вектор скорости горения ; и - напряжение управляемого источника ЭДС,! - сила тока; т' - расход топлива

Теоретическое обоснование предложенного способа выполнено на основании уравнения Аррениуса с учётом влияния мощности электрического тока на тепловые процессы в реакционной зоне топлива:

¿¡и

■■ ехр

Е„-Р.

_2-Л0 ■Т,.(Т!-ср-т' + Ре)_ где Аи/и — относительное изменение скорости горения твёрдого топлива; Ре - действующее значение электрической мощности в реакционной зоне ЭКС; Еа - эффективное значение энергии активации в ЭКС; Яо- газовая постоянная; Г5 - температура реакционной зоны; ср — теплоёмкость реакционной зоны; т' — массовый (секундный) расход твёрдого топлива.

Анализ полученных результатов показывает, что удельные энергозатраты на изменение скорости горения топлива существенно зависят от начальной температуры реакционной зоны, являющейся функцией химического состава топлива и текущего внутрикамерного давления. По результатам теоретического обоснования электротермического метода воздействия на скорость горения ЭКС предложена система автоматического регулирования (рис.3) массового расхода продуктов сгорания ЭУТТ с широтно-импульсной модуляцией напряжения на заряде и отрицательной обратной связью по давлению газовой фазы в камере. Соответственно, в зависимости от задающего воздействия может быть выполнена система стабилизации, программного регулирования расхода или следящая система.

Газогенератор ЭУТТ

Управляемый источник ЭДС

Заряд Камера

г* ЭКС сгорания

Преобразователь давления

Сг

Рис.3. Функциональная схема САР массового расхода продуктов сгорания газогенератора: йт - газоприход в камеру; Сг - массовый расход продуктов сгорания; Рк - давление газовой фазы; е - рассогласование; р, - нормированный сигнал обратной связи; р„ - задающее воздействие; ие- действующее значение напряжения

Для поддержания постоянного электрического контакта горящей электропроводной поверхности твёрдых топлив с внешним источником ЭДС предложено несколько вариантов расположения электродов в зарядах (рис.4) и получены формулы для оценки активного сопротивления их реакционных зон, из которых следует, что твёрдотопливный заряд в процессе выгорания является переменной электрической нагрузкой для внешнего источника напряжения, в зависимости от компоновки электродов.

Уравнения сопротивлений зарядов как функции диаметра внутреннего канала горения в соответствии рис.4, имеют вид:

«л

Зона проводимости

б)

Зона проводимости

в) г)

Рис.4. Электродные схемы в твердотопливных зарядах: а) с поперечным делением ЭКС; б) "радиальная"; в) "винтовая"; г) "коаксиальная"

а) Я= СоЩъ-п-:-[с1+:]), где с0 - удельное сопротивление реакционной зоны ЭКС; I - длина канала горения; с/ - диаметр канала; г - толщина электропроводного слоя; п - число секций в заряде;

б) /?= 71-с0-с1/(Ь-гг:), где п - чётное число сегментов (электродов);

в) Я= к-с0-с1И2/(1-п-:-[ п-^+И2]), где Л - винтовой шаг электрода в ЭКС;

г) /?= с0-1п(ОуУ)/(2-7ст), где й0, ¿-диаметры заряда и центрального проводника.

Кроме этого, впервые были предложены конструкции твёрдотопливных зарядов с плёночной электродной структурой, обладающие на несколько порядков меньшим сопротивлением поверхности горения по сравнению с предыдущими схемами, что позволяет применять низковольтный источник питания в системе управления для повышения надёжности работы элементов САУ ЭУТТ в сложных условиях эксплуатации.

Внутрикамерные рабочие процессы в ЭУТТ сопровождаются генерацией в газовой фазе мощного широкополосного акустического фона, в спектре которого могут присутствовать частоты, совпадающие с набором собственных резонансных частот различных элементов конструкции камеры и, в первую очередь, твердотопливного заряда, находящегося под давлением в напряжённо-деформированном состоянии. Резонансные процессы проявляются в виде быстро нарастающей пульсации давления (/400 Гц. ..100 кГц), газодинамического удара на внутренние элементы камеры и способны за короткий промежуток времени привести к образованию трещин в заряде, разрушению внутренней тепловой защиты, датчиков систем управления и всего изделия в целом.

Для контроля и подавления резонансных внутрикамерных процессов предложен метод, который основан на изменении фазочастотных параметров действующего тока в системе управления (патент РФ, №2208694).

Для обнаружения акустических колебаний в газовой фазе предложено в качестве чувствительного элемента использовать поверхность горения твёрдого топлива, так как экспериментально было установлено, что расплав окислителя в реак-

ционной зоне имеет температурно-зависимую электропроводность (~1 %/К) и, значит, управляющий ток на поверхности горения твёрдого топлива будет модулироваться внешними пульсациями давления. При этом, в отличие от обычных датчиков давления, снимаются термодинамические ограничения и возможно более достоверное обнаружение в широкой полосе частот (100 Гц... 100 кГц) опасных изменений акустического фона (пульсаций давления) по всему объёму камеры.

На рис.5 представлена функциональная схема, поясняющая процесс модуляции силы тока в электрической цепи САР расхода топлива ЭУТТ пульсациями внутрикамерного давления в виде внешнего возмущения Г(1).

Рис.5. Электрическая схема контура регулирования мощности тока в нагрузке (заряд твёрдого топлива): Щ) - управляемый ис-— точник переменной ЭДС; - сила тока в заряде ЭКС; ДН - датчик напряжения; ДТ -датчик тока; /-"(г) - сигнал возмущения, модулирующий силу тока в объекте управления

Форма сигнала тока в электрической цепи (рис.5) с активной нагрузкой определяется суммой двух составляющих: ImcJt) =h{t)+I](t), где Ix(t)=U(fj/Rx — сила тока в цепи при ~F(t)=0 с активным сопротивлением реакционной зоны ЭКС Rx=const в текущих термодинамических условиях; ¡/,(l)=U(tyRx(F(t)) -ток, связанный с модуляцией сопротивления реакционной зоны внешним температурным возмущением F(t).

Для анализа внутрикамерных акустических процессов в газовой фазе продуктов сгорания, т.е. определения амплитудно-частотного спектра пульсаций давления, в диссертации разработан метод выделения колебаний давления из сигнала тока, основанный на критерии вида: \ImoJLt) - Kr -U{t)|—» min(^r), где t е [0,7] - временной интервал измерений, суть которого состоит в том, что значения тока IJt) в электрической цепи с активной нагрузкой (реактивные элементы в цепи — малы) пропорциональны напряжению источника ЭДС, а все искажения связаны с внешними возмущениями F(f). С учётом выше приведённого критерия, численно определив Кп находится форма сигнала возмущения F(t)=If(t): If{t) ~ Im(JJ) - Kr ■U(t); где Kr =const; при Um(t)>!m(t), Kre[0,l\ Далее, используя разложение Фурье для сигнала If{î), находим амплитудно-частотный спектр акустических колебаний как модуль спектральной плотности сигнала возмущения: >SV(tOi)=fii^to2+¿i(oJi)2]05 и фазо-частотный спектр ^(tot)=arctan(è4(œt)/a4(a)t)).

При появлении в амплитудно-частотном спектре гармоники с опасно нарастающей амплитудой, определив её частоту и фазу, в системе предусмотрены несколько алгоритмов её подавления до безопасного уровня. Если частота гармоники совпала с текущей частотой управляющего генератора в системе регулирования расхода топлива значит, что резонанс случайно инициирован системой управления и управляемый генератор с ШИМ тока в заряде изменяет свою рабочую частоту на дробно-иррациональное значение, нарушая синфазный (синхронный) отклик скорости горения топлива на действующую пульсацию давления в камере. В других случаях появления вынужденных колебаний, нарастание амплитуды пульсации давления подавляется генерацией противофазных по отношению к акустической волне

импульсов тока в заряде на частоте генератора равной половине частоты резонанса, при скважности биполярного прямоугольного напряжения на заряде ц >2. При этом возможно сохранение (при q >2) или временное снижение (при 1< ¡7 <2) расходной или тяговой характеристики ЭУТТ.

Реализация метода контроля и подавления резонансных процессов представлена функциональной схемой микропроцессорного устройства на рис.6. Сигналы от датчиков тока и напряжения поступают через АЦП в процессор цифровой обработки сигналов, где выделяется и анализируется спектр внутрикамерного давления Г(1) и в зависимости от амплитуды гармоник через ЦАП изменяются текущие значения фазы и частоты управляющего тока.

да т, ФНЧ1 ОД, м с!ага_/ ЦАП1

ю МП ЦОС О/О 1

АЦП

дг т, ФНЧ2 /м, Ы2 сИ ЦАП2 ич</)

Рис.6. Функциональная схема устройства контроля и подавления резонансных процессов горения твёрдого топлива в камере ЭУТТ: ДН - датчик напряжения; ДТ- датчик тока; ФНЧ - фильтр низкой частоты; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; МП ЦОС - процессор цифровой обработки сигналов; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

Экспериментально обнаружено, что электротермическое воздействие на реакционную зону топлива позволяет инициировать воспламенение заряда после прерывания горения ниже критического давления. На рис.7 представлена запись горения модельного топлива при атмосферном давлении.

Рис.7. Осциллограммы эксперимента с электротермическим зажиганием ЭКС: (Дг) - напряжение на заряде; /(/) - сила тока в реакционной зоне; и/1) - сигнал оптического датчика пламени ЭКС

Сила тока последовательно снижалась до прерывания горения с исчезновением пламени в газовой фазе, однако, при этом электрический ток полностью не обнулялся, сохраняя реакционную зону в нагретом, то есть электропроводном состоянии, что позволило, выдержав временную паузу и увеличив ток, инициировать повторное зажигание топлива без применения внешнего воспламенительного устройства.

На этом основан предложенный новый метод организации многократного включения энергоустановки. Для его реализации в систему автоматического управления не нужно вносить аппаратных изменений, она дополняется только соответствующим программным алгоритмом для микропроцессорного блока управ-

В третьей главе «Разработка микропроцессорного комплекса и экспериментальные исследования объекта управления» выполнены исследования электрических свойств реакционных зон модельных энергетических конденсированных систем и электротермических эффектов форсирования скорости горения то-плив с варьируемым составом. Для этого были разработаны специальные методики проведения экспериментов и конструкции образцов модельных зарядов. Полученные результаты использовались при построении математической модели объекта управления.

Горение твёрдых топлив представляет собой динамический процесс с достаточно быстрым изменением различных параметров, поэтому экспериментальные исследования проводились с использованием специально разработанного микропроцессорного (МП) комплекса, позволяющего автоматически управлять ходом экспериментов и регистрировать на компьютере в реальном времени физические параметры процессов горения и электрические характеристики модельных зарядов.

Микропроцессорный комплекс (рис.8) построен по двухуровневой схеме и содержит: персональный компьютер с платой многоканального аналогово-цифрового ввода-вывода сигналов и различных дистанционно управляемых устройств, источников и нестандартных преобразователей сигналов, коммутаторов, датчиков, общий алгоритм работы которых и структуру можно перестраивать в зависимости от решаемой задачи.

Рис.8. Общая структурная схема микропроцессорного комплекса: ПК - компьютер; 1.-264 -I МП плата аналогово-цифрового ввода/ вывода сигналов; КС - камера сгорания; ПД - преобразователь давления; ЭКС - твердотопливный заряд; ВУ - воспламени-тельное устройство; УУЗ - устройство управления зажиганием; ИОН - источник опорного напряжения; НУ - нормирующий усилитель; ДН - датчик напряжения; ДТ - датчик тока; ТН - трансформатор переменного напряжения; АБ - аккумуляторный блок; ГН - генератор напряжения прямоугольной формы; УГ - управляемый генератор синусоидальных сигналов; БДУ - блок дистанционного управления генератора; БПС -блок преобразователей сигналов; БДФГ - блок датчиков фронта горения ЭКС; К - коммутатор аналоговых сигналов

Для автоматизированного проведения экспериментов были разработаны необходимые программы на языке "СИ", полученные массивы измерительных данных обрабатывались методами наименьших квадратов и гармонического анализа в математических пакетах Майюас! и МАТЬАВ. Камера сгорания была выполнена на основе специального автоклава, предназначенного для работы со взрывчатыми веществами с рабочим давлением до 50 МПа.

Для оценки электропроводности поверхности горения топлив проведены кон-дуктометрические измерения в расплаве окислителя (ЫН4Ы03), входящего основ-

АЬ -1-»

К

ДН -

X

ПДФГ

ным компонентом в состав модельных топлив. В ходе экспериментов получено семейство кривых его удельного сопротивления от частоты тока и температуры расплава р0(/7), откуда аппроксимацией данных поверхностью гиперболического вида с расчётом коэффициентов базисных функций методом Нэлдера-Мида получена адекватная двухфакторная модель с относительной погрешностью 5<5 % : ч

5 174 • IО

р (/.Г) = ' -2.135 • Т +1211, при /б{200-20000} Гц, Т е{445-480} К .

Из полученных результатов следует, что расплав чистого окислителя, присутствующий в реакционной зоне ЭКС, имеет ионную проводимость и четко выраженную линейного температурную зависимость удельного сопротивления порядка 1 %/К от температуры плавления до разложения при частоте тока/е{5-20} кГц.

В экспериментах обнаружено, что под действием электрического тока твёрдые топлива способны устойчиво гореть при атмосферном давлении, в то время как обычные значения критических давлений для смесевых топлив начинаются от 1— 1,5 МПа. Это позволяет реализовать электронными устройствами управляемое зажигание, сохранять работоспособность энергоустановок на режимах глубокого дросселирования тяги и организовать повторно-кратковременные режимы работы.

Линейная скорость горения различных образцов топлив измерялась время-пролётным методом с помощью нестандартного преобразователя (рис.9), использующего свойство электропроводности реакционных зон ЭКС. В процессе изготовления зарядов в их боковые забронированные поверхности внедрялись тонкие проволочные электроды на известных расстояниях друг от друга. При прохождении фронта горения, замыкание каждого электрода на реакционную зону, находящейся под напряжением, приводит к появлению сигнала в электронной схеме. Фиксируя моменты срабатывания электродов на контрольных отрезках вычислялась средняя скорость горения твёрдого топлива.

Рис.9. Фрагмент схемы МП комплекса с преобразователями сигналов объекта при атмосферном давлении: 1 -корпус заряда; 2 - металлическая фольга; 3 - поверхность (фронт) горения; 4 -топливная масса (ЭКС); 5 - электрод (1.1, 1.2, 2.1,2.2) датчика фронта горения

При исследовании процессов горения модельных ЭКС при атмосферном давлении получены уравнения скоростей горения твёрдых топлив от силы тока, вольт-амперные характеристики реакционных зон, удельные энергозатраты на изменение массового расхода топлива, осциллограммы сигналов токов и напряжений (с нулевыми фазовыми сдвигами) в реакционной зоне. Из экспериментальных данных, в частности, следует, что поверхность горения для внешнего источника ЭДС представляет собой активную нагрузку, т.е. реакционные зоны ЭКС в диапазоне 100 Гц -20 кГц имеют линейные АЧХ (в диапазоне погрешностей 5<10 %). Электротермический эффект форсирования скорости горения, сопротивление реакционных зон и

удельные энергозатраты на регулирование (-10 кДж/кг) существенно зависят от химического состава топлив.

В экспериментах под давлением в камере сгорания (рис.10) в диапазоне 1...6 МПа определены баллистические характеристики модельных топлив при различных напряжениях, соответственно токах в зарядах, с максимальным форсированием скорости горения до двух раз (5<10 %).

Рис.10. Фрагмент схемы МП комплекса с преобразователями сигналов в камере сгорания: 1 - датчик давления; 2 - тепловая защита заряда;3 - камера сгорания; 4 - электродные диски; 5 - ЭКС; 6- поверхность горения; 7 - газовый клапан; 8 - воспламени-тельное устройство; 9 - проволочные электроды; 10 - интерфейсный преобразователь сигналов; 1!р - напряжение датчика давления; Но - входное напряжение; £/, - напряжение датчика силы тока

Под действием электрического тока снижается баллистический показатель смесевых топлив (в степенном законе горения) и величина критического давления. Это означает повышение независимости скорости горения и кинетики химических процессов в реакционной зоне ЭКС от внешнего теплопритока из газовой фазы.

В четвёртой главе «Разработка устройств управления твердотопливной энергетической установкой» на основании новых технических решений и результатов экспериментов разработана функциональная схема системы управления ЭУТТ по внутридвигательным параметрам, построенная из предложенных устройств, программно реализующая: регулирование массового расхода продуктов сгорания, получение оценки и компенсацию возмущающих воздействий в виде возникновения переменной составляющей давления, обусловленной резонансными явлениями в камере сгорания, а также управляемый запуск и повторно-кратковременные режимы работы.

На рис.11 представлена функциональная схема САУ энергетической установки, её объектом управления является камера сгорания с твёрдотопливным зарядом, а выходной регулируемой величиной - массовый расход топлива. Управление объектом является комбинированным: расход топлива регулируется косвенным способом по отклонению внутрикамерного давления и по возмущению в виде его резонансных пульсаций. Управление по отклонению реализуется применением широт-но-импульсной модуляции напряжения на заряде ЭКС, а по возмущению - с помощью частоты и фазы указанного напряжения. Регулятор для формирования соответствующего управляющего воздействия реализуется на основе микропроцессорных блоков управления, причём первый (МП БУ) из них дополнительно реализует требуемую циклограмму работы ЭУТТ, а второй (МК КП) рассмотренные ранее функции оценки и компенсации аномальных внутрикамерных акустических процессов.

Электроды заряда подключены к источнику ЭДС через импульсный преобразователь, на выходе которого - биполярное напряжение прямоугольный формы с изменяемой скважностью, частотой и фазой. Регулирование выходных параметров импульсного преобразователя осуществляется генератором, управляющие сигналы

для которого поступают от двух микропроцессорных блоков. Запуск энергоустановки производится по команде, поступающей по интерфейсу (010_0), от системы управления верхнего уровня, с выдачей блоком управления сигнала включения вос-пламенительного устройства.

Рис.11. Функциональная схема микропроцессорной САУ ЭУТТ: МП БУ - микропроцессорный блок управления; МК КП - микроконтроллер колебательных процессов горения ЭКС; ИП - импульсный преобразователь; ГУН - генератор, управляемый напряжением; ИН - источник напряжения (ЭДС); ДН - датчик напряжения; ДТ - датчик тока; ПД - преобразователь давления; ВУ - воспламенительное устройство; ¿т/Л - массовый расход продуктов сгорания; ОЮ_1 - локальная шина команд и обмена данными; ОЮО - интерфейс связи с САУ верхнего уровня

Для оценки динамических свойств системы управления ЭУТТ разработана упрощённая модель объекта управления, которая получена на основании известного уравнения газодинамического баланса расходов, но с учётом электротермического форсирования скорости горения заряда:

^ АО

— = тт (?) + Д/ит (?) - тт (?).

КЛТК)-ТК(РК).Ь &

Подставляя в уравнение выражения для соответствующих компонентов оно приводится к следующему виду:

-е. ад-^кр. -Ф2

адшт л

¿Рг а „

2Л

2-Я 1п-

К

и Р"

О к

ф,

■р..

Значения термодинамических функций и коэффициентов уравнения объекта рассчитаны по экспериментальным и справочным данным для определённого состава модельного топлива торцевого горения диаметром 100 мм при начальном свободном объёме камеры 0,5 л и результатам моделирования термодинамики внутри-камерных процессов в ЭУТТ с помощью программы "А51га.4"(проф. Трусов Б.Г., МГТУ имени Н.Э. Баумана).

Принимая значения некоторых термодинамических функций мало зависящими от давления и времени, вводятся следующие коэффициенты:

V Е К

= —; а, а2 = 1п(—); а3=с •рт-5'-м0; а4 =рт

2-Я0 и0

В(п)-Р • ф2. 5-м0

л/Л^Гф^ Лг-Гк-Ф!

Отсюда получено уравнение объекта управления с электротермическим воздействием на скорость горения твердотопливного заряда с постоянными коэффициентами:

ага3-Р^+Рв-(а2-у-ЩРл))]

°0'-Рк=а4-еХР

-аь-Рк-а6-Р;-Рк.

На основании этого уравнения построена БтиНпк-модель объекта управления (рис. 12) и получено уравнение передаточной функции давления от электрической мощности Рк(/5с)=4,99-Яе0|764+1,45 , при Ре <5 кВт, а также кривая разгона, на основании которой установлено, что объект можно считать эквивалентным инерционному звену первого порядка с постоянной времени 1=0,05 с.

Далее, в среде Ма^аЬ/БтиПпк выполнено моделирование работы системы (рис.13) с ПИ-регулятором и отрицательной обратной связью по давлению в камере сгорания. Параметры ПИ-регулятора выбирались в соответствии с условиями настройки контура регулирования по техническому оптимуму. Результаты моделирования этой САР показали, что она обеспечивает устойчивость замкнутой САУ и удовлетворительные показатели качества переходных процессов в управляемой ЭУТТ малой тяги (Д-100 Н).

СТТ: £Г%ЧН4КОЗ+1£^С5НЗ)п

Рис. 13. Структурная схема ко1ггура регулирования массового расхода топлива в ЭУТТ

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации, определены перспективы применения разработанных методов и устройств в системах управления ЭУТТ различного назначения.

В приложении приведены классификация и физико-химические свойства твёрдых топлив, технические характеристики элементов и фотографии микропроцессорного комплекса, модельных ЭКС; результаты моделирования метода выделения внешнего возмущения из сигнала тока (МаШсас!); результаты моделирования равновесных составов продуктов сгорания ЭКС программой «Астра.4»; документы об использовании результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследован и реализован новый метод управления скоростью горения твёрдых топлив, основанный на воздействии электрического тока на поверхность горения, что позволяет регулировать расходные и тяговые характеристики твердотопливных энергетических установок (патент РФ №2175399). Установлено, что электротермический эффект форсирования скорости горения твёрдых топлив не зависит от формы тока, а определяется его действующей мощностью. При давлениях газовой фазы продуктов сгорания 0,1 и 1...6 МПа для исследованных образцов модельных составов получено увеличение скорости горения до 4 раз. Удельные энергозатраты на регулирование массового расхода топлива снижаются с повышением энергетики топлив. Под действием электрического тока обнаружено устойчивое горение твёрдых топлив при атмосферном давлении и сформулированы требования к устройствам контроля и управления процессом.

2. Предложен новый метод контроля и подавления резонансных режимов горения твёрдых топлив в диапазоне -100 Гц... 100 кГц, основанный на гармоническом анализе пульсаций давления в камере сгорания энергоустановок путём контроля модуляций электропроводности поверхности горения и перестройки фазо-частотных параметров управляющего воздействия в составе замкнутой системы автоматического управления расходом продуктов сгорания (патент РФ №2208694).

3. Предложенный метод многократного включения энергоустановок экспериментально апробирован для различных модельных смесевых твёрдых топлив при атмосферном давлении с паузами прерывания горения 20-30 с. Для сохранения поверхности горения модельных топлив в электропроводном состоянии действующая

электрическая мощность в зарядах составляла менее 3 Вт/см2.

4. Предложена структура микропроцессорного устройства, реализующего метод многократного включения ЭУТТ. Для организации данных функций в структуру устройства управления расходом топлива не требуется вносить дополнительных аппаратных изменений, оно дополняется только программными алгоритмами реализации повторно-кратковременных режимов работы.

5. Разработан микропроцессорный комплекс со специализированным программным обеспечением для исследования процессов горения твёрдых топлив под действием электрического тока (свидетельство о регистрации программы № ГР 50200801456). Апробирован метод экспериментального определения средней скорости горения твёрдых топлив с относительной погрешностью 5<5 % в составе программно-аппаратного комплекса автоматизированного проведения экспериментов.

6. Разработаны функциональный состав, структурная схема и выполнено моделирование устройства управления массовым расходом продуктов сгорания с ши-ротно-импульсным регулированием электрической мощности. Применение регулятора с ШИМ напряжения на объекте управления обусловлено необходимостью обеспечения его максимального КПД на различных режимах работы при действующих мощностях порядка 10 кВт.

7. Предложены конструкции твердотопливных зарядов с плёночной электродной структурой и расчёт их электрических характеристик, позволяющие, в частности, использовать в электротермической системе управления ЭУТТ низковольтный источник электропитания (U< 12 В). Диагностику технического состояния твёрдото-пливного заряда перед включением ЭУТТ предлагается выполнять с помощью элементов и устройств, предложенной САУ, по контрольным измерениям активного электрического сопротивления и ёмкости заряда.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1*. Хоружий И.В. Моделирование устройства управления параметрами твердотопливной газогенерирующей установки / И.В. Хоружий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Спец. выпуск. Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития-2009.-С.78-82.

2*. Хоружий И.В. Программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования свойств физико-химических объектов / И.В. Хоружий, В.И. Лачин // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2008. Вып.4. -С.37-39.

3*. Исследования электротермического способа регулирования баллистических характеристик энергетических конденсированных систем на основе нитрата аммония / И.В. Хоружий, Г.Ф. Клякин, В.А. Таранушич, В.И. Лачин // Журн. прикл. химии. -2008,- Т.81, Вып.1. -С.65-70.

4*. Исследования электротермического способа регулирования скорости горения энергетических конденсированных систем на основе нитрата аммония при атмосферном давлении / И.В. Хоружий, Г.Ф. Клякин, В.А.Таранушич, В.И. Лачин // Журн. прикл. химии. -2007.- Т.80, Вып.8. -С.1256-1260.

5. Патент №2175399 РФ, МПК 7 F02 К 9/26. Способ регулирования скорости горения высокоэнергетической конденсированной системы / Г.Ф. Клякин, В.А. Таранушич, И.В. Хоружий (РФ). - Заявлено 29.07.99; Опубл.27.10.01, Бюл. №30.

6. Патент №2208694 РФ, МПК 7Ш2 К 9/26. Способ подавления вибрационного горения высокоэнергетических конденсированных систем/ И.В. Хоружий (РФ).-Заявлено 20.10.01; 0публ.20.07.03, Бюл. №20.

7. Патент №2274761 РФ, МПК 7Ю2 К 9/26. Способ регулирования соотношения компонентов топлива в гибридном ракетном двигателе / И.В. Хоружий, О.И. Касаткина (РФ) - Заявлено 24.02.04; 0публ.20.04.06, Бюл. №11.

8. О возможности электротермического регулирования скорости горения высокоэнергетических конденсированных систем / И.В. Хоружий, В.А. Таранушич, Г.Ф. Клякин, В.И. Лачин //Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах. Часть 3: Материалы 4-й Междунар. науч.-практич. конф., Новочеркасск, 14 ноября 2003г.- Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ),2003 - С.53-58.

9. Хоружий И.В. Измерительная система для исследования баллистических характеристик высокоэнергетических конденсированных систем / И.В. Хоружий, В.И. Лачин //Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: Материалы 4-й Междунар. науч.-практич. конф., Новочеркасск,27 февраля 2004г.- Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ),2004 - С.33-37.

10. Хоружий И.В. Устройство измерения скорости горения высокоэнергетических конденсированных систем /И.В. Хоружий //Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы примене-ния:Материалы Междунар. науч.-практич. конф., Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ), 17 октября 2006, С.40-43.

11. Хоружий И.В. Электротермический способ регулирования скорости горения энергетических конденсированных систем / И.В. Хоружий, Г.Ф. Клякин, В.А. Таранушич //Новые технологии в азотной промышленности: Сб. трудов 2-й общероссийской науч.-техн. конф. ГОУ ВПО "Северо-Кавказский государственный технический университет", Ставрополь, 2007. -С.87-90.

12. Хоружий И.В. Программа «Гамод» для автоматизированных исследований динамических характеристик физико-химических объектов в составе измерительно-вычислительных комплексов: свид-во об отраслевой регистрации №10976. Отраслевой фонд алгоритмов и программ № ГР 50200801456 от 9.06.08.

Символом *отмечены работы, входящие в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [2] -

формирование технического задания и разработка программно-аппаратного комплекса; [3,4] - разработка и реализация программ экспериментальных исследований; [5] - способ управления скоростью горения ЭКС и структура САУ; [7] - идея способа управления внутрикамерным процессом в ГРД; [8] - анализ способа управления кинетикой процессов горения ЭКС; [9] - структура автоматизированной системы; [11] - экспериментальные исследования и построение математической модели объекта.

Хоружий Игорь Владимирович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ

Автореферат

Подписано в печать 25.12.2009 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ.л.1,0. Уч.-изд. л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ 4.

Отпечатано в Издательстве ЮРГТУ (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 тел., факс (86352) 5-53-03

Список сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

1.1. Общая характеристика свойств и параметров объекта управления.

1.2. Способы непрерывного управления массовым расходом топлива.

1.3. Способы организации многократного включения энергоустановок.

1.4. Методы подавления резонансного горения твёрдых топлив.

1.5. Обобщённая схема построения управляемых твёрдотопливных энергоустановок и постановка задачи исследований.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ.

2.1. Разработка и исследование электротермического метода регулирования скорости горения твёрдых топлив.

2.2. Разработка и анализ вариантов компоновки электродов как элементов систем управления в твёрдотопливных зарядах.

2.3. Метод подавления резонансного горения твёрдых топлив и его анализ.

2.4. Разработка метода многократного включения энергетической установки.

2.5. Модификация конструкции твёрдотопливных зарядов в объекте управления.

2.5.1. Разработка конструкций зарядов твёрдого топлива с плёночной структурой.

2.5.2. Электрические характеристики плёночных изделий.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МИКРОРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКСА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

3.1. Разработка микропроцессорного комплекса для исследования процессов горения твёрдых топлив.

3.1.1. Устройство измерения скорости горения твёрдых топлив.

3.1.2. Алгоритмы программного обеспечения микропроцессорного комплекса.

3.1.3. Методики проведения и обработки результатов экспериментов.

3.2. Исследования электропроводности расплава компонента топлива.

3.3. Экспериментальные исследования процессов горения твёрдых топлив при атмосферном давлении.

3.4. Экспериментальные исследования процессов горения твёрдых топлив под давлением 1-6 МПа.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ.

4.1. Построение функциональной схемы комбинированного регулятора внутрикамерных процессов

4.2. Разработка и исследование математической модели внутрикамерных процессов в объекте управления.

4.2.1. Структурная схема устройства регулирования расхода топлива.

4.2.2. Моделирование работы устройства регулирования расхода топлива.

4.3. Алгоритмы программного обеспечения устройства управления энергоустановкой.

Выводы по четвёртой главе.

Поисковые и опытно-конструкторские работы по исследованию и созданию управляемых энергетических установок на твёрдом топливе проводятся во многих странах. Разработка таких двигателей и газогенерирующих установок связана для исследователей и конструкторов с нахождением комплексных решений по ряду принципиально сложных физических и технологических задач, только в последние десятилетия (в России - в 70-х годах), позволивших утвердительно ответить на саму возможность их производства и успешно реализовать такие проекты различного назначения. Патентная активность и открытые научные публикации позволяют в основном косвенно судить о технологическом уровне современных разработок в данной научно-технической области. Отсутствие информационного избытка об экспериментальных испытаниях и серийном производстве таких изделий, вероятно, связано с их первоначальной ориентацией на решение специальных задач в технике военного назначения. Однако, в нашей стране за последние десять лет, появились монографии [1,2], подробно отражающие теорию, проблематику, различные решения и экспериментальные достижения российских научно-исследовательских коллективов в этой области. При этом в качестве газогенерирующих устройств возможно их. применение в различных космических, наземных и морских энергоустановках (МГД-генераторах, газотурбинных приводах глубоководных аппаратов и др.).

Управляемыми ЭУТТ являются твёрдотопливные двигатели или газогенераторы с замкнутыми системами управления внутридвигательными параметрами, способными обеспечить в расчётном диапазоне требуемую величину вектора тяги или массовый расход продуктов сгорания. Это достигается, по сравнению с неуправляемыми РДТТ [3,4], повышенным уровнем конструктивной сложности и, как правило, снижением энергомассовых характеристик. Однако, в обоснованных случаях, возможности успешного решения различных задач с их помощью многократно возрастают или без их применения другими способами невозможно.

В связи с этим, одной из важных научно-технических проблем в данной области являются определённые ограничения на энергетику применяемых твёрдых топлив, внутрикамерные температуры и состав продуктов сгорания. Действующие способы непрерывного управления расходными или тяговыми характеристиками ЭУТТ имеют ограничения по рабочим температурам в камере до 2000 К и поэтому используют, как правило, не металлизированные топлива с пониженной энергетикой. Современные неуправляемые РДТТ с высокой надёжностью работают при температурах газовой фазы продуктов сгорания свыше 3000 К, соответственно развивают существенно больший удельный импульс и имеют превосходящие энергомассовые характеристики [1,5,6]. Поэтому актуальным направлением развития ЭУТТ является поиск способов непрерывного управления их внутренней баллистикой и конструктивных схем, допускающих использование высокоэнергетических топливных составов без ограничений по времени работы [1]. При этом не менее сложной задачей является реализация режимов многоразового включения (повторно-кратковременных режимов работы) по аналогии с возможностями ЖРД [7]. Следующей группой задач можно назвать решение вопросов обеспечения требуемых динамических характеристик и устойчивости работы ЭУТТ на различных режимах, в частности поиск новых методов предотвращения или подавления резонансного горения твёрдотопливных зарядов. Аномальные внутрикамерные акустические эффекты, несмотря на редкость их возникновения, способны за короткий промежуток времени нарушить работоспособность системы управления и привести к полному отказу всего изделия [8].

Целью данной работы является разработка новых методов и устройств управления твёрдотопливными энергетическими установками с воздействием на внутрикамерные процессы с помощью электрического тока для проектирования систем автоматического управления, не имеющих термо- и газодинамических ограничений по энергетике применяемых топлив, составу продуктов сгорания и времени работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: исследовать процессы горения твёрдых топлив воздействием электрического тока для управления массовым расходом продуктов сгорания энергоустановок; разработать метод управления зажиганием твёрдого топлива под воздействием электрического тока для организации многократного включения ЭУТТ; разработать метод подавления резонансных внутрикамерных процессов горения твёрдых топлив; разработать микропроцессорный комплекс для исследования параметров объекта управления в реальном режиме времени с целью построения математической модели объекта.

В первой главе диссертации выполнен сравнительный анализ различных физических способов и технических систем непрерывного управления внутри-камерными процессами в ЭУТТ. На основании открытых литературных источников рассмотрены общие характеристики процессов в объекте управления, известные способы регулирования массового расхода продуктов сгорания (газодинамические, акустические, метод теплового ножа и др.), методы организации многократного включения энергоустановок и подавления резонансного горения твёрдых топлив. В результате проведённого анализа показаны их известные достоинства и недостатки, сформулированы требования к устройствам автоматического управления ЭУТТ и поставлены задачи исследования.

Во второй главе сформулированы и обоснованы новые теоретические принципы и варианты решения задач управления внутрикамерными процессами энергоустановок для регулирования массового расхода топлива, контроля и подавления акустических резонансов, организации многократного включения ЭУТТ, основанные на электротермическом воздействии электрического тока на поверхность горения твёрдого топлива.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований электрических свойств модельных энергетических конденсированных систем и электротермических эффектов форсирования скорости горения топлив с варьируемым составом. Для этого разработаны специальный микропроцессорный комплекс, программное обеспечение, методики проведения экспериментов и конструкции образцов модельных зарядов. Полученные результаты использовались при построении математической модели объекта управления.

В четвёртой главе на основании предложенных решений (глава 2) и результатов экспериментов (глава 3) выполнен синтез комбинированной системы автоматического управления ЭУТТ по внутридвигательным параметрам, программно реализующей: регулирование массового расхода продуктов сгорания; контроль и подавление возможных резонансных внутрикамерных процессов; управляемый запуск и режимы многократного включения.

Научная новизна и практическая ценность результатов работы заключается в исследовании и разработке способов и устройств управления параметрами твердотопливных энергоустановок с электротермическим воздействием на внутрикамерные процессы горения ЭКС. При этом, несмотря на принципиальное отсутствие термодинамических ограничений, перспективность предложенных технических решений будет определяться, в первую очередь, удельными энергозатратами на реализацию различных циклограмм работы систем автоматического управления в ЭУТТ конкретного назначения.

Практическое использование результатов работы направлено на дальнейшее совершенствование тактико-технических и эксплуатационных характеристик различных твердотопливных энергоустановок и ориентировано на решение следующих задач: регулирование массового расхода продуктов сгорания газогенерирующих или двигательных установок малой тяги (до 1 кН); управляемые зажигание, останов и реализация повторно-кратковременных режимов работы ЭУТТ, с паузами в выключенном состоянии порядка 10 с; подавление неустойчивых и колебательных режимов горения ЭКС в примерном диапазоне 100 Гц -100 кГц; компенсация технологических разбросов баллистических характеристик твёрдых топлив и случайных возмущений в ЭУТТ.

Предложенные и исследуемые методы решения перечисленных задач непосредственно связаны с разработкой новых физических способов непрерывного управления процессами горения твёрдых топлив и созданием на их основе элементов и устройств систем автоматического управления твёрдотопливными энергетическими установками.

Выводы по четвёртой главе

1. Разработана функциональная схема системы управления ЭУТТ с детализацией, достаточной для практического исполнения. Характерной особенностью предложенного устройства управления, является разработка надёжного программного обеспечения для микропроцессорных элементов, превосходящих по быстродействию постоянную времени объекта при минимальном (начальном) свободном объёме камеры сгорания.

2. Предложена математическая модель внутрикамерных процессов в ЭУТТ под воздействием электрического тока, позволяющая оценивать динамические свойства объекта по характеристикам давления продуктов сгорания, массовому расходу топлива и модулю тяги.

3. Полученная математическую модель объекта управления является упрощённой. Однако, результаты моделирования динамики его переходных процессов под воздействием электрического тока, отвечающие инерционному звену первого порядка, не противоречат известным опытным данным динамических характеристик обычных неуправляемых ЭУТТ. Например, свободный объём камеры сгорания, определяющий её постоянную времени, является величиной переменной и достигает максимума при полном выгорании топлива. В принятых условиях моделирования изменение объёма камеры незначительно.

4. Длительность переходных процессов в замкнутой САР ЭУТТ существенно зависит от мгновенной выходной электрической мощности регулятора и определяется свойствами бортового источника электропитания системы. Электронные генератор ШИМ и импульсный преобразователь (исполнительное устройство) по сравнению с постоянной времени камеры сгорания являются практически безинерционными.

5. Предложенные методы и устройства управления внутрикамерными процессами горения твёрдых топлив могут быть использованы в энергетических установках раздельного снаряжения и гибридных двигателях [75].

6. Предложенные методы управления параметрами твёрдотопливных энергетических установок не имеют внутрикамерных исполнительных устройств, используют общую элементную базу и реализуются в САУ с помощью изменения параметров одного управляющего воздействия.

145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Исследован и реализован новый метод управления скоростью горения твёрдых топлив, основанный на воздействии электрического тока на поверхность горения, что позволяет регулировать расходные и тяговые характеристики твердотопливных энергетических установок (патент РФ №2175399). Установлено, что электротермический эффект форсирования скорости горения твёрдых топлив не зависит от формы тока, а определяется его действующей мощностью. При давлениях газовой фазы продуктов сгорания 0,1 и 1.6 МПа для исследованных образцов модельных составов получено увеличение скорости горения до 4 раз. Удельные энергозатраты на регулирование массового расхода топлива снижаются с повышением энергетики топлив. Под действием электрического тока обнаружено устойчивое горение твёрдых топлив при атмосферном давлении и сформулированы требования к устройствам контроля и управления процессом.

2. Предложен новый метод контроля и подавления резонансных режимов горения твёрдых топлив в диапазоне порядка 100 Гц. 100 кГц, основанный на гармоническом анализе пульсаций давления в камере сгорания энергоустановок путём контроля модуляций электропроводности поверхности горения и перестройки фазо-частотных параметров управляющего воздействия в составе замкнутой системы автоматического управления расходом продуктов сгорания (патент РФ №2208694).

3. Предложенный метод многократного включения энергоустановок экспериментально апробирован для различных модельных смесевых твёрдых топлив при атмосферном давлении с паузами прерывания горения 20-30 с. Для сохранения поверхности горения топлива (реакционной зоны ЭКС) в электропроводном состоянии действующая мощность электрического тока составила менее 3 Вт/см2.

4. Предложена структура микропроцессорного устройства, реализующего метод многократного включения ЭУТТ. Для организации данных функций в структуру устройства управления расходом топлива не требуется вносить дополнительных аппаратных изменений, оно дополняется только программными алгоритмами реализации повторно-кратковременных режимов работы.

5. Разработано микропроцессорное устройство со специализированным программным обеспечением для исследования процессов горения твёрдых топ-лив под действием электрического тока (свидетельство о регистрации программы № ГР50200801456). Апробирован метод определения средней скорости горения твёрдых топлив в составе программно-аппаратного комплекса автоматизированного проведения экспериментов с относительной погрешностью 8 <5 %.

6. Разработаны функциональный состав, структурная схема и выполнено моделирование устройства управления массовым расходом продуктов сгорания с широтно-импульсным регулированием мощности тока в твёрдом топливе. Применение регулятора с ШИМ напряжения на объекте управления обусловлено необходимостью обеспечения его максимального КПД на различных режимах работы при действующих мощностях порядка 10 кВт.

7. Предложены конструкции твёрдотопливных зарядов с плёночной электродной структурой и расчёт их электрических характеристик, позволяющие, в частности, использовать в электротермической системе управления ЭУТТ низковольтный источник электропитания {U< 12 В). Диагностику технического состояния твердотопливного заряда перед включением ЭУТТ предлагается выполнять с помощью элементов и устройств, предложенной САУ, по контрольным измерениям активного электрического сопротивления и ёмкости заряда.

147

1. Управляемые энергетические установки на твёрдом ракетном топливе/ В.И. Петренко, М.И. Соколовский, ГА. Зыков и др.; под общ. ред. М.И. Соколовского и В.И. Петренко.- М.: Машиностроение, 2003.-464 с.

2. Регулируемые твёрдотопливные двигательные установки. Методы расчёта рабочих процессов, экспериментальные исследования/ В.И.Петренко, B.JI. Попов, A.M. Русак и др.; под общ. ред. В.И. Петренко. Миасс: Изд-во ГРЦ «КБ им. Акад. В.П. Макеева», 1996.-295 с.

3. Фахрутдинов И.Х. Ракетные двигатели твёрдого топлива/ И.Х. Фахрутдинов -М.: Машиностроение, 1981.-223 с.

4. Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей/ В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; под. ред. акад. В.П. Глушко -М.: Машиностроение, 1990.- 657с.

5. Фахрутдинов И.Х. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твёрдого топлива/ И.Х. Фахрутдинов, A.B. Котельников- М.: Машинострое-ние.1987.-452 с.

6. Манелис Г.Б. Пути развития ракетных топлив/ Г.Б. Манелис, Д.Б. Лемперт //HEMs-2004: Материалы Международной конференции. Белокуриха. Бийск: ФГУП "ФНПЦ "Алтай", 2004.- С. 61-62.

7. Козлов A.A. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок: Учебник для студентов авиадвигателестроительных специальностей вузов/ A.A. Козлов, В.Н. Новиков, Е.В. Соловьёв М.: Машиностроение, 1988.-352 с.

8. Орлов Б.В. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твёрдом топливе/ Б.В. Орлов, Г.Ю. Мазинг -М.: Машиностроение, 1979.-392 с.

9. Разумеев В.Ф. Основы проектирования баллистических ракет на твёрдом топливе./ В.Ф. Разумеев, Б.К. Ковалёв -М.Машиностроение, 1976.-356 с.

10. Волков Е. Б. Статика и динамика ракетных двигательных установок. Кн.1. Статика/ Е.Б. Волков, ТА. Сырицин, Г.Ю. Мазинг -М.: Машиностроение, 1978.-224 с.

11. Волков Е.Б. Ракетные двигатели на комбинированном топливе/ Е.Б. Волков, Г.Ю. Мазинг, Ю.Н. Шишкин -М.: Машиностроение, 1973.- 184 с.

12. Газодинамические и теплофизические процессы в ракетных двигателях твёрдого топлива./ А.М. Губертов, В.В. Миронов, Д.М.Борисов и др.; под ред. А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2004. - 512 с.

13. Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. Учебное пособие для авиационных вузов/ М.С. Штехер -М.: Машиностроение, 1976.-304с.

14. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками/ А.И. Бабкин, С.И. Белов, Н.Б. Рутовский, Е.В. Соловьёв М.: Машиностроение, 1986. - 456 с.

15. Волков Е. Б. Статика и динамика ракетных двигательных установок. Кн.2. Динамика/ Е.Б. Волков, Т.А. Сырицин, Г.Ю. Мазинг -М.: Машиностроение, 1978.-320 с.

16. Фиошина М.А. Основы химии и технологии порохов и твёрдых ракетных топлив: учеб. пособие / М.А. Фиошина, Д.Л. Русин- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004.-264 с.

17. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов / Г.Б. Манелис, Г.М. Назин, Ю.И. Рубцов, В.А. Струнин -М.: Наука, 1996.-223 с.

18. Клякин Г.Ф. Фазовая стабилизация нитрата аммония бинарной добавкой нитрат калия-трилон Б/ Г.Ф.Клякин, В.А. Таранушич // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки 2007.- №6- С.90-91.

19. Штиллер В. Уравнение Аррениуса и неравновесная кинетика./ В. Штиллер; перевод с англ. А.В.Хочояна; под ред. Л.С. Полака -М.: Мир, 2000.-176 с.

20. Новожилов Б.В. Нестационарное горение твёрдых ракетных топлив / Б.В. Новожилов -М.: Наука, 1973.-176 с.

21. Разыграев А.П. Основы управления полётом космических аппаратов: Учеб. пособие для втузов/ А.П. Разыграев 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990.-480 с.

22. Шумахер И. Перхлораты. Свойства, производство и применение/ И. Шумахер; перевод с англ. под ред. Л.С. Генина -М.: Госхимиздат, 1963.-274 с.

23. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ/А.П. Глазкова -М.: Наука, 1976.-264с.

24. Сабденов К.О. Режимы горения твёрдого ракетного топлива, распадающегося на газ по механизму пиролиза / К.О. Сабденов // Изв. Томск, политехи, ун-та. 2006, 309, №3. -С. 120-125.

25. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах «АСТРА.4»/ Б.Г. Трусов -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,1999.

26. Романов О.Я. Динамические параметры массовой скорости горения конденсированного вещества/ О.Я.Романов, В.С.Тархов //Физика горения и взрыва, 1986. т.-22, -вып.4, -С.3-11.

27. Разорёнов Г.Н. Системы управления летательными аппаратами (баллистическими ракетами и их головными частями): Учебник для вузов/ Г.Н. Разорёнов, Э.А. Бахрамов, Ю.Ф. Титов; под ред. Г.Н. Разорёнова- М.: Машиностроение, 2003.-584 с.

28. Звелто О. Принципы лазеров/ О. Звелто. -М.: Мир, 1990.-458 с.

29. Новожилов Б.В. Зависимость скорости горения пороха от частоты и амплитуды гармонически изменяющегося давления/ Б.В. Новожилов, З.И. Кага-нова, A.A. Беляев //Химическая физика, 2006. 25, №6. -С.63-69.

30. Mathcad 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчёты в среде Windows 95/ перевод, с англ. М.: Информационно-издательский дом "Фи-линъ", 1996.-712 с.

31. Кирьянов Д.В. Mathcad 14 / Д.В. Кирьянов СПб.: БХВ-Петербург, 2007. -704 с.

32. Гельман М.М. Системные аналого-цифровые преобразователи и процессоры сигналов/ М.М. Гельман М.: Мир, 1999.-559 с.

33. Бродин В.Б. Микроконтроллеры: архитектура, программирование, интерфейс/ В.Б. Бродин, И.И. Шагурин М.: Бином, 1999. - 214 с.

34. Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах/ В.В. Сташин, A.B. Урусов, О.Ф. Мологонцева -М.: Энер-гоатомиздат,1990.-224 с.

35. Цой Б. Разрушение тонких полимерных пленок и волокон: учеб. пособие для вузов/ Б. Цой, Э.М. Карташов, В.В. Шевелёв, A.A. Валишин М.: Химия, 1997. -334 с.

36. Ворович И.И. Динамика массивных тел и резонансные явления в деформируемых средах / И.И. Ворович, В.А. Бабешко, О.Д. Пряхина-М.: Научный мир, 1999.-246 с.

37. Иващенко Ю.С. Исследование электропроводности поверхности горения ПХА/ Ю.С. Иващенко, A.JI. Садырин, B.JI. Павленко // Физика горения и взрыва, 1986. -т. 22, -вып. 4, -С.30-33.

38. Калантаров П.Л. Расчёт индуктивностей: справочная книга / П.Л. Каланта-ров, Л.А. Цейтлин. 3-е изд., перераб. и доп.- Л.:Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986.-488 с.

39. Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов./ Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, A.A. Кваснюк. -М.: Изд.дом МЭИ,2007.-632с.

40. Хоружий И.В. Программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования свойств физико-химических объектов / И.В. Хоружий, В.И. Лачин // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. Вып.4. -С.37-39.

41. Белецкий Я. Энциклопедия языка Си/ Я. Белецкий; Пер. с польск. М.: Мир, 1992.-687 с.

42. Кириевский Е.В. Контроль параметров движения плазмы и тел в магнито-плазменных электродинамических ускорителях: достижения и перспективы / Е.В. Кириевский // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Спец. выпуск. Технические науки-2009.-С.ЗЗ-41.

43. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин / А.Н. Зайдель Л.: Наука, 1974.-108 с.

44. Дьяконов В. Математические пакеты расширения Ма1:1аЬ. Специальный справочник / В. Дьяконов, В. Круглов- СПб.: Питер, 2001. -480 с.

45. Гультяев А.К. Визуальное моделирование в среде МАТЬАВ / А.К. Гультяев А.К.- СПб.: Питер, 2000. 432 с.

46. Рудаков П.И. Обработка сигналов и изображений. Ма^аЬ 5.x / П.И. Рудаков, И.В. Сафонов; под общ. ред. В.Г. Потёмкина.- М.: ДИЛОГ-МИФИ, 2000.416 с.

47. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия: учебник для химико-технол. специальностей вузов /Л.И. Антропов.-З-е изд. — М.: Высш. школа,1975.-560 с.

48. Делимарский Ю.К. Химия ионных расплавов / Ю.К. Делимарский -Киев: Наук. Думка, 1980.-328 с.

49. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник/ И. Гайдышев СПб.: Питер, 2001. -752 с.

50. Амосов А. А. Вычислительные методы для инженеров: учеб. пособие/ А. А. Амосов, Ю. А.Дубинский, Н.В. Колченкова -М.: Высш. шк., 1994. -138 с.

51. Брандт 3. Анализ данных. Статистические и вычислительные методы для научных работников и инженеров/ 3. Брандт — М.: Мир,2002.-686 с.

52. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов: справочник/ Л.М. Гольденберг, Б. Д. Матюшкин, М.Н Поляк М.: Радио и связь, 1985. - 312 с.

53. Рузинов Л.П. Планирование эксперимента в химии и химической технологии/Л.П. Рузинов, Р.И. Слободчикова -М.: Химия, 1980. -280 с.

54. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических процессов/ Л.П. Рузинов-М.: Химия, 1972. -200 с.

55. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных/ Н. Джонсон, Ф.Лион; перевод с англ. М.: Мир, 1980.-612 с.

56. Новик Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов — М: Машиностроение, 1980.-304 с.

57. Солодовников В.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: учеб. пособие для вузов / В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, A.B. Яковлев -М.: Машиностр., 1985.-536 с.

58. Ерофеев A.A. Теория автоматического управления: учебник / A.A. Ерофеев. -2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Политехника, 2003. — 302 с.

59. Дьяконов В. Simulink 4: специальный справочник / В. Дьяконов СПб.: Питер, 2002.-528 с.

60. Башарин A.B. Управление электроприводами: учеб. пособие для вузов / A.B. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский —Л.: Энергоиздат. Ленигр.отд-ние, 1982.- 392 с.