Математическое моделирование автоматической системы регулирования давления

Математическое моделирование автоматической системы регулирования давления

Авторы публикации

Рубрика

Инженерия

Просмотры

212

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 47 (92), Ноябрь ‘22

Дата публикации 21.11.2022

Поделиться

С развитием технологий современные воздушные суда дают возможность осуществлять перелеты практически в любую точку мира. Однако, необходимо обеспечить комфортную окружающую среду в салоне самолета ввиду того, что человеческий организм не приспособлен к жизнедеятельности в разряженный атмосфере. По этой причине разгерметизация воздушного судна является одной из главных решаемых задач при осуществлении воздушной перевозки.

Разгерметизация - резкое понижение давления и уровня кислорода внутри воздушного судна при его частичном или полном разрушении. Так как давление за бортом значительно отличается от давления внутри воздушного судна, при повреждении его обшивки по законам физики происходит естественное выравнивание давления, приводящее к «высасыванию» кислорода из самолета. Соответственно, при такой ситуации нормальная жизнедеятельность человека невозможна.  Необходимо предотвращать внешнее воздействия на экипаж воздушного судна давления в герметичной кабине, которые обусловлены внезапными значительными утечками воздуха.

Цель.

Разработать модель, рабочую последовательность компенсирования утечек воздуха и способы его реализации (компенсатора утечек), предотвращающие воздействие на экипаж самолета больших разниц падения или изменения   барометрического давления в герметической кабине.

Результаты. Рассмотрена система автоматического регулирования давления воздуха в Герметичной кабине воздушного судна. Приведена математическая модель Системы Автоматического Регулирования Давления с компенсатором утечек.

Практическая значимость.

Для нештатных утечек воздуха из кабины пилотов самолета  в большом объёме созданы условия для предотвращения воздействия на экипаж разгерметизации.

Регулятор давления с компенсированием утечек воздуха

Одной из самых  небезопасных обстановок  при выполнении высотного полета в прогрессивной авиации остается разгерметизация герметичной кабины пилотов самолета. При огромных, неожиданных утечках воздуха на экипаж невесомого судна влияют гигантские по величине и скорости конфигурации барометрического давления. Защищенность экипажа при разгерметизации в высотном полете в ведущем ориентируется эффективностью самодействующих технических средств защиты.

Алгоритм компенсирования утечек воздуха

Рассматривается система автоматического регулирования давления (САРД) воздуха в ГК самолета [1, 2]. Система включает в себя два контура управления расходом воздуха с регулирующими органами – управляемыми заслонками на входе и выходе ГК. Контур управления расходом воздуха на входе - регулятор подачи (РП), а на выходе - регулятор давления (РД). Схема, отражающая предлагаемый алгоритм компенсирования утечек воздуха, реализуемый цифровым вычислителем, приведена на рис. 1. Полагаем, что измеряются (вычисляются) следующие параметры: давление equation.pdf и температура equation_1.pdf в ГК; давление атмосферы  equation_2.pdf; положение заслонки РД  equation_3.pdf; текущий расход через РП equation_4.pdf; скорость изменения давления в ГК equation_5.pdf. (вычисляется по показаниям датчика давления).

Рисунок 1. Схема, отражающая алгоритм компенсирования утечек воздуха

Пусть equation_6.pdf – стабильный заданный расход воздуха через регулятор подачи, который обеспечивает заданную вентиляцию кабины equation_7.pdf (без утечек воздуха), в штатном режиме работы системы автоматического регулирования давления выполняется равенство equation_8.pdf = equation_9.pdf . При этом принимается, что регулирование давления воздуха выполняет регулятор давления, а регулятор подачи поддерживает постоянный заданный расход equation_10.pdf на наддув воздуха в кабину пилотов. Рассмотрим управление регулятор подачи, которое учитывает вычисляемые утечки из герметичной кабины воздушного судна и, компенсирует их увеличением наддува воздуха.

Текущая скорость equation_11.pdf падения давления в герметичной кабине связана с расходами воздуха при подаче его в кабину и из кабины известным равенством [3]:

equation.pdf,                                                                              (1)

где equation_13.pdf - текущий расход через РП; equation_14.pdf - утечки из кабины пилотов, equation_15.pdf - регулируемый расход на сброс из ГК в атмосферу.

Давление воздуха в Герметичной кабине измеряется в конкретные моменты времени: equation_16.pdf - давление в момент equation_17.pdf, equation_18.pdf = 0,1,2...; Tt = equation_19.pdfequation_20.pdf  - период дискретности. Скорость изменения давления вычисляется по последним двум измерениям:

 

equation.pdf,                                                                              (2)

из первых двух равенств следует, что в момент equation_22.pdf при известном нынешнем расходе equation_23.pdf  через заслонку регулятор давления вычисленные утечки воздуха equation_24.pdf соответствующие скорости equation_25.pdf. Падения давления в ГК, равны

equation.pdf,                                                                                (3)

Определение расхода equation_27.pdf. через заслонку Регулятора давления возможно, если измеряется угол отклонения  equation_28.pdf;, заслонки. Тогда площадь equation_29.pdf;. дросселя заслонки регулятора давления найдем из уравнения.

equation.pdf                                                                                    (4)

где equation_31.pdf - площадь поперечного сечения трубопровода.

Расход воздуха на выброс из герметичной кабины в атмосферу [3] будет равен

equation.pdf                                   (5)

Для компенсирования нештатных утечек воздуха неизменный установленный его расход через заслонку регулятора подачи дополняется вычисленным расходом на компенсацию утечек. Следовательно узел управления регулятор подачи поддерживает в общем случае переменный заданный расход воздуха:     equation_33.pdf = equation_34.pdf +equation_35.pdf

Математическая модель системы автоматического регулирования давления с компенсатором утечек.

На рис. 2 приведена математическая модель системы автоматического регулирования давления  с компенсатором. Модель представлена в виде структурной динамической схемы. Приводы заслонок и датчики обратных связей показаны в операторной форме - передаточными функциями.

Коэффициенты управления по положению» equation_36.pdf, equation_37.pdf в контурах регулятора подачи и давления заблаговременно определяются на основе использования характеристик быстродействия и устойчивости любого контура при минимальном количестве статической ошибки.

Регулятор подачи воздуха в герметичной кабине представлен в двух типах. Вверху показана схема регулятора подачи, демонстрирующая его конструктивные особенности. Датчик обратной связи по расходу воздуха включает в себя трубку Вентури, к которой подключены датчик абсолютного давления equation_38.pdf,  в узком сечении трубки, датчик перепада давления equation_39.pdf и датчик температуры. По показаниям этих датчиков вычисляется массовый расход воздуха equation_40.pdf, который проходит через заслонку регулятора подачи. Рассогласование между заданным расходом equation_41.pdf и текущим equation_42.pdf после преобразования (коэффициентом управленияequation_43.pdf) управляет электроприводом заслонки.

В нижней части рис. 2 показана структурная динамическая схема регулятор подачи воздуха с учетом компенсатора утечек на входе. Вычислению утечек воздуха способствует определение его расхода equation_44.pdf через заслонку регулятора давления на сброс в атмосферу.

Рисунок 2. Математическая модель системы автоматического регулирования давления  с компенсатором утечек

Математическую модель привода заслонки РП запишем в видеequation_45.pdf. Полагаем, что заслонка симметрична относительно набегающего потока воздуха, и шарнирный момент, воздействующий на привод нулевой. Динамика датчика расхода воздуха учитывается апериодическим звеном с единичным коэффициентом усиления, который подтверждает, что расходы воздуха на входе и выходе трубки Вентури в режиме будут одинаковы. Постоянная времени equation_46.pdf задается эмпирически.

устойчивость контура. Пунктирными линиями на рис. 2 обозначена связь регулируемого давления с Привод заслонки контура РД имеет обратную связь по положению заслонки, которая обеспечивает уравнениями расхода через заслонки РП и РД, аналогичными уравнению (5).

Результаты моделирования

B рамках данной научной работы рассматривается принципиальная возможность автоматического компенсирования утечек воздуха из герметичной кабины. Особенности реализации компенсатора цифровым вычислителем, влияние на динамику и статику системы автоматического регулирования давления, динамики и статики компенсатора, а также влияние утечек воздуха на температуру в герметичной кабине здесь не рассматриваются. Нештатная утечка в герметичной кабине представляет как возмущение - дополнительное ступенчатое изменение расхода воздуха equation_47.pdf из ГК (см. рис. 1 и 2).

Заключение

В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1)Моделированием функционирования системы автоматического регулирования давления при наличии ступенчатой утечки воздуха из герметичной кабины подтверждается принципиальная возможность автоматического устранения последствий утечки воздуха из ГК;

2)Сравнительно небольшие утечки, не превышающие разности между заданным расходом воздуха через регулятор подачи на наддув и расходом на сброс в атмосферу через регулятор давления, автоматически компенсируются через регулятор давления.

Список литературы

  1. Дмитрий В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение. 1973.
  2. Кучевский С.В., Онуфриенко В.В. Повышение защиты экипажа воздушного судна от декомпрессии при разгерметизации герметической кабины. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).
  3. Кастерский С.М., Харьков В.П., Чернуха В.Н. Синтез оптимального цифрового управления давлением газа в бортовых кислородных системах // М.: Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т. 14. № I
Справка о публикации и препринт статьи
предоставляется сразу после оплаты
Прием материалов
c по
Остался последний день
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary
Публикация за 24 часа
Узнать подробнее
Акция
Cкидка 20% на размещение статьи, начиная со второй
Бонусная программа
Узнать подробнее