Управление выводом эжекторной аэродинамической трубы кратковременного действия на установившиеся сверхзвуковые режимы с минимальными волновыми потерями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Морозова, Елена Владимировна

• Морозова, Елена Владимировна
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Морозова, Елена Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ течений по газодинамическому тракту аэродинамической трубы с нерегулируемым основным соплом при запуске ее на заданные установившиеся сверхзвуковые режимы.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Обоснование типов течений и возможности стабилизации заключительного скачка уплотнения по длине расширяющейся части сверхзвукового диффузора.

1.3. Математические модели течений по газодинамическому тракту AT с нерегулируемым основным соплом и с постоянным горлом сверхзвукового диффузора, равным горлу "запуска".

1.3.1. Дозвуковой режим течения по газодинамическому тракту AT.

1.3.2. Смешанные режимы течения со скачком "запуска" в расширяющейся части нерегулируемого основного сопла.

1.3.3. Расчетные режимы течения на выходе нерегулируемого основного сопла со скачком "запуска" на входе сверхзвукового диффузора.

1.4. Математические модели течений по газодинамическому тракту AT с нерегулируемым основным соплом и регулируемым сверхзвуковым диффузором.

1.5. Математическая модель одноступенчатой эжектирующей системы.

1.5.1. Основные допущения.

1.5.2. Математическая модель функционирования эжектора при дозвуковых скоростях эжектирующего и эжектируемого потоков на его входе.

1.5.3. Математическая модель функционирования эжектора в докритическом и критическом режимах.

1.5.4. Замечания к построению математической модели эжектирующей системы.

Выводы по разделу.

2. Синтез квазиоптимального по быстродействию управления давлением торможения газа в основной форкамере сверхзвуковой AT с нерегулируемым основным соплом.

2.1. Постановка задачи синтеза оптимальных программ.

2.2. Математическая модель процессов в контуре управления давлением торможения газа в основной форкамере AT с нерегулируемым основным соплом.

2.3. Синтез оптимального управления давлением торможения газа в основной форкамере.

2.4. Алгоритм расчета моментов переключения квазиоптимального управления.

2.5. Автоматизированная программа анализа течений по газодинамическому тракту и синтеза управлений элементами сверхзвуковой AT.

2.6. Пример расчета.

Выводы по разделу.

3. Вывод AT на заданные установившиеся сверхзвуковые режимы при квазиоптимальном по быстродействию управлении давлением торможения газа в основной форкамере и одновременно комбинированном управлении площадью горла основного сопла.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Математическая модель плоского управляемого геометрического сопла с комбинированным управлением.

3.2.1. Общие замечания.

3.2.2.Связь между углом поворота боковых стенок и площадью горла основного сопла.

3.2.3. Математическая модель кинематики основного сопла.

3.3. Алгоритм комбинированного управления электроприводом основного сопла.

3.3.1. Алгоритм управления электроприводом основного сопла на дозвуковых режимах функционирования AT.

3.3.2. Алгоритм управления электроприводом основного сопла на сверхзвуковых режимах функционирования AT.

3.4. Алгоритм управления давлением торможения газа в форкамере эжектирующей системы.

3.5. Пример расчета.

Выводы по разделу.

4. Вывод AT на заданные установившиеся сверхзвуковые режимы при оптимальном по быстродействию управлении электроприводом основного сопла и одновременно программном управлении давлением торможения газа в основной форкамере.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Синтез оптимального по быстродействию управления электроприводом основного сопла при выводе AT на заданные установившиеся сверхзвуковые режимы течения.

4.2.1. Общие замечания.

4.2.2. Алгоритм расчета моментов переключения оптимального управления.

4.3. Формирование программ изменения числа Маха на выходном срезе основного сопла.

4.3.1. Алгоритм изменения числа Маха на выходном срезе основного сопла на дозвуковых режимах работы AT.

4.3.2. Алгоритм программного изменения числа Маха на выходном срезе основного сопла на сверхзвуковых режимах работы AT.

4.4. Алгоритм программного управления давлением торможения газа в основной форкамере AT.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление выводом эжекторной аэродинамической трубы кратковременного действия на установившиеся сверхзвуковые режимы с минимальными волновыми потерями»

В общем комплексе задач совершенствования методов проектирования авиационной и ракетной техники важное место отводится вопросу повышения эффективности наземной экспериментальной отработки изделий (их моделей), в частности, в сверхзвуковых эжекторных аэродинамических трубах (AT) кратковременного действия, что, в конечном итоге, сводится к сокращению сроков и стоимости создания изделий. При этом в большинстве случаев значительный объем составляют традиционные испытания, связанные с формированием на входе в рабочую часть (РЧ) AT установившегося потока с расчетным сверхзвуковым числом Маха, соответствующим конкретному нерегулируемому соплу Лаваля (основному соплу).

На протяжении нескольких десятилетий в ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского, ЦНИИМАШ (г.Москва), НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова (г.Москва), ИТПМ СО РАН (г.Новосибирск), а также в ТулГУ (кафедра САУ) накоплен достаточно обширный опыт по теории и практике автоматизации управления характеристиками потока, в частности, давлением торможения газа в основной форкамере с нерегулируемым соплом на ее выходе при запуске AT на установившиеся сверхзвуковые режимы с расчетным числом Маха на входе в РЧ (в дальнейшем такие режимы будем называть рабочими). При этом предполагалось, что нерегулируемые в ходе продувки требуемые значения площади горла "запуска" сверхзвукового диффузора (второго горла AT) и степень эжекции сверхзвукового эжектора устанавливались до начала эксперимента в соответствии с опытом эксплуатации конкретной AT, создавая мощность (степень сжатия потока), необходимую для запуска трубы и исключающую возможность ее "запирания".

Поэтому устремления разработчиков систем автоматического управления (САУ) давлением торможения газа в основной форкамере, как правило, ограничивались выбором более целесообразного закона управления, в наибольшей степени удовлетворявшего поставленным требованиям к динамике и качеству отработки параметров потока на входе в РЧ. В настоящее время известно множество подходов к решению этой задачи: самонастраивающиеся системы управления с моделью объекта управления (форкамеры) в обратной связи [70]; оптимизация (в частности, минимизация) по времени управления отработкой заданного установившегося значения давления газа в форкамере (с применением принципа максимума Л.С.Понтрягина) [3, 69, 72, 99]; системы управления с переменной структурой, обеспечивающие инвариантное (без перенастройки регулятора) управление при многообразии задаваемых установившихся режимов [77] и др.

Однако общим в подходе к синтезу указанных САУ давлением торможения газа в основной форкамере является тот момент, что разработчик системы управления как бы "отчуждался" от необходимости вникать в физику процессов, происходящих вниз по потоку от горла нерегулируемого основного сопла, и, как следствие, от необходимости одновременного управления вторым горлом и степенью эжекции (в частности, давлением торможения газа в форкамере эжектора).

Объяснялось это прежде всего тем, что считалось нереальным построение математической модели рассматриваемого класса AT, адекватно отражающей взаимосвязанное по длине газодинамического тракта многообразие физических явлений, а именно: перемещение скачка "запуска" от горла основного нерегулируемого сопла вниз по потоку на сверхзвуковых режимах, обтекание испытуемого тела в РЧ, динамику заключительного скачка за вторым горлом, обусловленную постоянно действующими в трубе возмущениями, непроизводительные потери на вязкость, внезапные расширения, переходы через скачки уплотнения; априори установить потребный закон изменения параметров эжектирующей системы, реализующий в каждый момент продувки на рабочем режиме работы AT достаточную степень эжекции потока. Кроме того, остаются предметом обсуждения конструктивные решения основного сопла и сверхзвукового диффузора с регулируемой геометрией. При этом основные трудности связываются прежде всего с представлением закономерности перемещения скачков "запуска", неизбежно возникающих при запуске AT с нерегулируемым основным соплом, интенсивность волновых потерь на которых возрастает с увеличением заданного расчетного сверхзвукового числа Маха. Вследствие же возрастания потерь потребной мощности, постоянная степень эжекции потока может оказаться недостаточной для поддержания потока с требуемыми параметрами по газодинамическому тракту в ходе всей продувки.

Более того, если не регулируется и сверхзвуковой диффузор, т.е. отсутствует возможность уменьшения площади второго горла после запуска трубы, то интенсивность волновых потерь сохраняется столь же значительной и на рабочих режимах трубы.

Решение же задачи уменьшения волновых потерь при выводе AT на рабочие режимы позволило бы уменьшить суммарный расход газа, необходимый для создания заданного потока, а также снизить стоимость энергетического оборудования трубы, стоимость экспериментов при ее эксплуатации и, в итоге, стоимость создания изделий.

В связи с отмеченным просматривается прежде всего путь усовершенствования условий запуска и стабилизации рабочих режимов AT в рамках традиционной схемы вывода AT на заданные установившиеся режимы с нерегулируемым основным соплом:

• при запуске AT с горлом "запуска" сверхзвукового диффузора предусматривается минимизация времени отработки потребного давления торможения газа в основной форкамере;

• на рабочих режимах (после достижения расчетного значения числа Маха в РЧ) обеспечивается взаимосвязанное и одновременное управление площадью горла и степенью эжекции сверхзвуковых соответственно диффузора и эжекторной системы.

В результате создаются возможности ускорения времени "проталкивания" скачка "запуска" из РЧ за второе горло, стабилизации за ним фронта заключительного (прямого) скачка уплотнения, волновые потери на котором существенно ниже, чем на скачке с расчетным сверхзвуковым числом Маха, и поддержания потребной степени эжекции по ходу всей продувки.

Очевидно, что при современном уровне вычислительной техники решение последней задачи становится вполне реальным (см. второй раздел настоящей диссертации).

Однако предлагаемый подход, во-первых, не исчерпывает других возможностей повышения эффективности процесса запуска AT по традиционной схеме с нерегулируемым основным соплом. А во-вторых, из-за использования по-прежнему нерегулируемого основного сопла этот путь не предусматривает принципиального решения рассматриваемой задачи уменьшения волновых потерь, т.к. ни в том, ни в другом случаях (регулируемые второе горло и степень эжекции соответственно сверхзвуковых диффузора и эжекторной системы) не устраняется основной их источник -собственно скачки "запуска" (или, по крайней мере, не уменьшается их интенсивность).

Поэтому в данной диссертации предлагаются новый способ моделирования и соответствующие ему варианты управлений (третий и четвертый разделы), обеспечивающих вывод трубы рассматриваемого класса на рабочие режимы в рамках изоэнтропического течения (или хотя бы близкого к нему) на участке между горлом основного регулируемого сопла и фронтом заключительного скачка уплотнения за вторым горлом AT, т.е. в идеале без волновых потерь на указанном участке газодинамического тракта AT. Следует отметить, что здесь и в дальнейшем не учитываются потери полного давления, например, за счет вязкого трения и т.п., которые не влияют на качественные картины течения, с одной стороны, а с другой, - могут быть учтены в математической модели через соответствующие коэффициенты, численные значения которых для каждой конкретной AT определяются экспериментально. Поэтому под "изоэнтропическим" в данной работе понимается течение без скачков уплотнения.

Таким образом, задачу вывода AT на рабочие режимы без скачков "запуска" следует рассматривать как новую задачу управления выводом AT рассматриваемого класса, требующую выбора и разработки эффективных методов для ее решения.

В свою очередь разработка методов анализа и синтеза САУ выводом AT на заданные установившиеся режимы по числу Маха на входе в РЧ является системной задачей, включающей:

• построение математических моделей одномерных квазистационарных течений по газодинамическому тракту AT рассматриваемого класса, отражающие образование и движение скачков уплотнения и степень интенсивности волновых потерь на них в соответствии с управляющими воздействиями по давлениям торможения в основной форкамере и форкамере одноступенчатой эжекторной системы, перемещениям боковых стенок основного плоского геометрического сопла и сверхзвукового диффузора;

• синтез оптимальных по быстродействию управлений давлением торможения газа в основной форкамере и электроприводом основного сопла с приемлемыми для практической реализации алгоритмами управления;

• разработку способа вывода AT рассматриваемого класса на заданные установившиеся сверхзвуковые расчетные значения числа Маха на входе в РЧ без скачков "запуска" на участке между горлом основного регулируемого сопла и фронтом заключительного скачка за вторым горлом AT;

• синтез оптимального по быстродействию управления давлением торможения газа в основной форкамере и одновременно комбинированного управления (включая программное на сверхзвуковых режимах) площадью горла основного сопла, программных управлений площадью горла сверхзвукового диффузора и давлением торможения газа в форкамере эжектора, обеспечивающих вывод AT на заданные установившиеся сверхзвуковые режимы по числу Маха без волновых потерь на указанном в предыдущем пункте участке газодинамического тракта AT и в дальнейшем стабилизацию требуемых режимов;

• синтез оптимального по быстродействию управления электроприводом основного сопла и одновременно программных управлений давлениями торможения газа в основной форкамере, форкамере эжектора и площадью горла сверхзвукового диффузора, обеспечивающих вывод AT на заданные установившиеся сверхзвуковые режимы по числу Маха без скачков "запуска".

В соответствии с темой диссертации конкретизируем постановку решаемых в ней вопросов.

Объект исследования: управляемая AT эжекторного типа, кратковременного действия с регулируемым и нерегулируемым основным соплом и с регулируемыми сверхзвуковыми диффузором и эжекторной системой.

Во всех случаях предполагается, что ввод испытуемой модели летательного аппарата (ЛА) осуществляется только после стабилизации заданного установившегося режима.

Предмет исследования: управление выводом AT рассматриваемого класса на рабочие режимы с нерегулируемым и регулируемым основным соплом и в том и в другом случаях регулируемыми сверхзвуковыми диффузором и эжекторной системой; суммарные волновые потери и массовый расход газа при отработке заданных установившихся режимов по указанным выше схемам управления.

Цель исследования: разработка методик синтеза управлений, обеспечивающих вывод AT рассматриваемого класса на рабочие режимы с минимальными волновыми потерями.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:

• построены математические модели объектов управления для случаев нерегулируемого и регулируемого основного сопла и соответствующие математические модели течений по газодинамическому тракту AT;

• разработаны алгоритмы синтеза оптимальных по быстродействию управлений давлением торможения газа в основной форкамере и электроприводом основного сопла для воспроизведения рабочих режимов течения;

• разработан способ вывода AT рассматриваемого класса на рабочие режимы при реализации изоэнтропического течения на участке между горлом основного сопла и фронтом заключительного скачка уплотнения в расширяющейся части сверхзвукового диффузора;

• разработаны методики синтеза взаимосвязанных управлений давлениями торможения газа в основной форкамере и в форкамере эжекторной системы, площадью горла основного сопла и сверхзвукового диффузора для реализации способа вывода AT на рабочие режимы без скачков "запуска";

• разработано программное обеспечение решаемых задач;

• проведены численные эксперименты с использованием разработанных алгоритмов и методик.

Методы исследования. В основу проведения теоретических исследований и разработки программного обеспечения решаемых задач положен комплексный подход, включающий использование элементов теории механики сплошной среды, прикладной газовой динамики, тепломеханических систем; теории автоматического управления, в частности, аналитического аппарата теории оптимальных систем и метода обратных задач динамики; численные методы решения систем нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений, а также методы цифрового моделирования управляемых процессов.

В указанной постановке построение математических моделей управляемой системы, включающей газодинамическую (форкамера с основным соплом и форкамера эжектора, рабочая камера со сверхзвуковым диффузором на выходе, камера смешения сверхзвукового эжектора с выхлопным трактом), механическую (подвижные стенки основного сопла, створки горла сверхзвукового диффузора с соответствующими кинематическими схемами, затворы регулирующих задвижек (РЗ) на входах форкамер) и электромеханическую (исполнительные приводы основного сопла, сверхзвукового диффузора и РЗ) подсистемы, основано на динамической концепции функционирования рассматриваемой системы в целом.

Методам математического описания квазистационарных одномерных газодинамических до- и сверхзвуковых течений, процессов в открытых термодинамических системах, к которым относятся элементы и объекты управления AT, посвящены работы, например, Абрамовича Г.Н. [2], Вули-са Л.А. [16], Гинзбурга И.П. [25, 26], Краснова Н.Ф. [7, 34, 61], Лойцянско-го Л.А. [40], Паничкина И.А. и Ляхова А.Б. [48], Полежаева Ю.В. [56], Поуп А. и Гойн К. [60], Ферри А. [76], Шишкова А.А. [96 - 98] и др., а также работы ученых ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского (Бахтиарова М.М., Джикидзе Ф.В., Тепляшина В.А. [4, 8, 9, 29, 69 - 71] и др. [3, 38, 72, 99]) и кафедры САУ ТулГУ под научным руководством Черновой М.Б. [5, 6, 46, 77 - 82, 93].

Однако применительно к исследуемой задаче вывода AT рассматриваемого класса на рабочие режимы и их дальнейшей стабилизации необходимо единое замкнутое математическое описание, отражающее физически взаимосвязанные во времени и по длине газодинамического тракта AT управляемые процессы. Такое описание, во-первых, отсутствует в известных автору источниках и, во-вторых, существенно отличается в случаях использования нерегулируемого и регулируемого основного сопла.

Последним фактором и предопределено распределение материала в настоящей диссертации: в первых двух разделах рассматриваются задачи управления "запуском" и стабилизации заданных установившихся режимов с нерегулируемым, а в третьем-четвертом разделах - с регулируемым основным соплом на выходе основной форкамеры. При этом и в том, и в другом случаях осуществляется управление площадью горла и степенью эжекции сверхзвуковых соответственно диффузора и эжекторной системы.

В первом разделе диссертации построены в размерной форме математические модели до- и сверхзвуковых течений по длине газодинамического тракта: форкамера - основное нерегулируемое сопло - РЧ -сверхзвуковой диффузор - одноступенчатая эжекторная система:

• для режимов выхода AT на заданное значение сверхзвуковой скорости в РЧ по традиционной схеме с учетом динамики перемещения скачка "запуска" от горла основного сопла к входному сечению сверхзвукового диффузора по мере отработки в основной форкамере давления торможения газа, соответствующего требуемому значению числа Маха;

• для режима стабилизации заданного установившегося режима, включающего "вытягивание" скачка "запуска" и поддержание положения заключительного скачка в заданном сечении расширяющейся части сверхзвукового диффузора одновременно за счет регулирования площади горла и степени эжекции сверхзвуковых соответственно диффузора и эжектора.

В ряде работ сотрудников ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского [3, 69, 72, 99] исследовались задачи оптимального по быстродействию управления давлением торможения газа в форкамере с применением принципа максимума JI.C. Понтрягина [12, 57, 66, 74]. Однако, как отмечают сами авторы, синтезированные алгоритмы оптимального управления оказывались достаточно сложными для их практической реализации, и потому, как правило, рекомендовались к использованию для оценки минимума времени, к которому необходимо стремиться при проектировании систем автоматического управления, синтезируемых при использовании других технически реализуемых законов управления.

В данной диссертации (второй раздел) применено оптимальное по быстродействию управление давлением торможения газа в основной форкамере на основе теоремы А.А. Фельдбаума об «-интервалах [12, 66, 68, 74, 75]. Данный алгоритм, синтезированный по линеаризованной модели форкамеры с нерегулируемым соплом, строго говоря, является квазиоптимальным применительно к исходной модели форкамеры как объекта управления.

В то же время, как показывают численные эксперименты, длительность переходных процессов по искомому параметру с использованием квазиоптимального управления, но применительно к нелинейной модели форкамеры и в диапазоне от истинных начальных условий, конечно, увеличивается, но в пределах допустимой точности. Кроме того, разработанный в данном разделе алгоритм синтеза оптимального по быстродействию управления достаточно прост для реализации его средствами вычислительной техники, в частности, с использованием таймера ПЭВМ.

В этом же разделе диссертации представлена автоматизированная программа, которая объединяет и подчиняет единой цели математические модели, численные методы и цифровой эксперимент и позволяет оперативно решать сложные проблемы как на этапах анализа течений по газодинамическому тракту, так и синтеза управлений элементами AT.

Однако рассмотренные в первом-втором разделах вопросы совершенствования традиционных условий вывода AT на заданные сверхзвуковые установившиеся режимы в плане возможности уменьшения волновых потерь, обусловленных скачками "запуска", не решают основной задачи, а именно: не устраняют эти скачки, как основной источник потерь полного давления.

В связи с этим в диссертации исследованы возможности других подходов (способов) к выводу трубы рассматриваемого класса на рабочие режимы, обеспечивающих изоэнтропическое (без скачков "запуска") или близкое к нему течение (по-прежнему без учета потерь на вязкое трение, внезапные расширения и т.п.) на участке между горлом основного регулируемого сопла и фронтом заключительного скачка за вторым горлом AT.

Для этого в третьем разделе диссертации предложена методика синтеза взаимосвязанных управлений для отработки установившихся режимов: оптимального по быстродействию управления давлением торможения газа в основной форкамере и одновременно комбинированного управления площадью горла основного сопла (включающего программное управление на сверхзвуковых режимах), а также программных управлений площадью горла сверхзвукового диффузора и давлением торможения газа в форкамере эжектора. При этом для оптимального управления давлением торможения газа в основной форкамере использован алгоритм управления, синтезированный во втором разделе настоящей диссертации, а для программных управлений площадью горла основного сопла и давлением торможения газа в форкамере эжектора - необходимые условия воспроизводимости метода обратных задач динамики (ОЗД) [18 - 23, 35, 50]. В качестве конструкции основного регулируемого сопла и его кинематической схемы использованы решения, предложенные в [46].

Такой нетрадиционный подход > к запуску AT рассматриваемого класса сопровождается только волновыми потерями в заключительном скачке, который формируется сразу же за вторым горлом AT в момент перехода с дозвукового режима течения по регулируемому основному соплу на сверхзвуковой.

В то же время эта методика взаимосвязанных управлений предъявляет высокие требования к динамическим характеристикам основных форкамеры и сопла, а также их исполнительных элементов для реализации малых сверхзвуковых значений чисел Маха. В частности, применительно к конкретной AT лаборатории систем управления ТулГУ данная методика не позволяет осуществить вывод трубы на рабочие режимы по числу Маха в диапазоне \<М<2 в силу того, что время достижения потоком скорости звука оказывается больше значения первого момента переключения квазиоптимального управления давлением торможения газа в форкамере.

17

В связи с последними выводами в четвертом разделе диссертации предложена отличная от предыдущей методика синтеза взаимосвязанных управлений: оптимального управления электроприводом основного сопла и одновременно программных управлений давлениями торможения газа в основной форкамере, форкамере эжекторной системы и площадью горла сверхзвукового диффузора. При этом алгоритм управления электроприводом основного сопла синтезирован на основе теоремы А.А. Фельдбаума об п-интервалах, а алгоритм программного управления давлением торможения в основной форкамере и в форкамере эжектора - с использованием необходимых условий воспроизводимости метода ОЗД.

Как показали численные эксперименты, последняя методика синтеза управлений выводом AT на рабочие режимы является более универсальной и реализуема для любых сверхзвуковых значений чисел Маха.

Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетных НИР, проводимых на кафедре САУ и в лаборатории систем управления ТулГУ по проблеме разработки методов анализа и синтеза многосвязных САУ экономически эффективным моделированием в сверхзвуковых AT.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Морозова, Елена Владимировна

Выводы по разделу

Разработанная и исследованная в четвертом разделе методика синтеза взаимосвязанных управлений выводом АТ на установившиеся режимы по заданному сверхзвуковому значению числа Маха, включающая оптимальное по быстродействию управление электроприводом основного сопла как на до-, так и сверхзвуковых режимах и одновременно управление давлением торможения газа в основной форкамере (включая программное для сверхзвуковых режимов течения), соответствующее в каждый момент времени реализуемому закону изменения числа Маха 0 < Мс < Мрс на входе в РЧ, программные управления площадью горла сверхзвукового диффузора и давлением торможения газа в форкамере эжектора, позволяет сделать следующие выводы.

1. Решена задача вывода сверхзвуковой АТ на заданные установившиеся режимы при изоэнтропическом расширении потока по всей длине сопла, что, в свою очередь, исключает потери полного давления за счет скачков "запуска" на участке между горлом основного сопла и фронтом заключительного скачка уп

133 лотнения в расширяющейся части сверхзвукового диффузора и, как следствие, снижает потребный расход газа и затраты на проведение испытаний.

2. Разработанная методика является более универсальной в сравнении с методикой, рассмотренной в третьем разделе данной работы, т.к. позволяет осуществить вывод AT на любые сверхзвуковые значения чисел Маха.

3. Разработанная методика предназначена к использованию для подготовки и проведения продувок изделий и их моделей в AT рассматриваемого класса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертация посвящена решению актуальной задачи управления выводом эжекторной AT кратковременного действия на установившиеся сверхзвуковые режимы с минимальными волновыми потерями. Решение этой задачи включает: построение и анализ математических моделей объектов управления для случаев нерегулируемого и регулируемого основного сопла и соответствующих математических моделей течений по газодинамическому тракту AT, адекватных режимам запуска и стабилизации установившегося потока с расчетным сверхзвуковым числом Маха на входе в рабочую часть; разработку алгоритмов синтеза оптимальных управлений давлением торможения газа в форкамере и электроприводом основного сопла AT, приемлемых для практической реализации (в частности, на ПЭВМ); разработку способа вывода AT рассматриваемого класса на заданные режимы с реализацией изоэнтропиче-ского течения на участке между горлом основного сопла и фронтом заключительного скачка уплотнения в расширяющейся части сверхзвукового диффузора; разработку методик синтеза взаимосвязанных управлений давлениями торможения газа в основной форкамере и в форкамере эжекторной системы, площадью горла основного сопла и сверхзвукового диффузора в соответствии со способом вывода AT на заданные установившиеся режимы без скачков "запуска"; программную реализацию и проведение численного эксперимента на основе разработанных алгоритмов и методик.

Рассмотренные в диссертации вопросы позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы.

1. Построены математические модели одномерных квазистационарных течений по газодинамическому тракту AT рассматриваемого класса, отражающие образование и движение скачков уплотнения и степень интенсивности волновых потерь на них в соответствии с управляющими воздействиями по давлениям торможения в основной форкамере и форкамере одноступенчатой эжекторной системы, перемещениям боковых стенок основного плоского геометрического сопла и сверхзвукового диффузора.

2. Разработан алгоритм синтеза квазиоптимального по быстродействию закона управления давлением торможения газа в основной форкамере, использование которого:

1) уменьшает суммарные волновые потери и потребный расход газа при выводе AT на заданные режимы за счет ускорения "проталкивания" скачка "запуска" на вход сверхзвукового диффузора;

2) практически не отражается на точности воспроизведения требуемых установившихся значений чисел Маха при учете в математическом описании системы таких факторов, как изменение температуры торможения газа в баллонной и форкамере, докритичность режимов истечения газа из баллонной и через сопло;

3) приводит к уменьшению установившихся значений чисел Маха при учете в математической модели системы падения давления торможения газа в баллонной; при этом ошибка в реализации чисел Маха потока на входе в рабочую часть AT возрастает по мере увеличения требуемого расчетного значения.

3. Разработан алгоритм синтеза оптимального по быстродействию закона управления электроприводом основного сопла.

4. Предложен способ вывода AT рассматриваемого класса на рабочие режимы, заключающийся в одновременном и взаимосвязанном управлении давлениями торможения газа в основной форкамере и в форкамере эжекторной системы, площадью горла основного сопла и сверхзвукового диффузора и позволяющий принципиально исключить скачки "запуска", а значит, и обусловленные ими волновые потери в потоке. Использование такого способа, по сравнению с выводом на рабочие режимы AT с нерегулируемым основным соплом, уменьшает потребный суммарный расход газа в ходе продувки в основном за счет снижения расхода эжектирующего газа.

5: Разработаны методики синтеза взаимосвязанных управлений выводом AT на рабочие режимы без скачков "запуска" в соответствии со способом п.4, включающие следующие совокупности законов управления:

• квазиоптимальное по быстродействию управление давлением торможения газа в основной форкамере и одновременно комбинированное управление (включая программное на сверхзвуковых режимах) площадью горла основного сопла, программные управления площадью горла сверхзвукового диффузора и давлением торможения газа в форкамере эжектора;

• оптимальное по быстродействию управление электроприводом основного сопла и одновременно программные управления давлениями торможения газа в основной форкамере, форкамере эжектора и площадью горла сверхзвукового диффузора.

Проведен анализ возможностей разработанных методик. Выявлено, что целесообразно использовать первую методику для вывода AT на режимы по числам Маха в диапазоне 2 < М < 3, вторую - по числам Маха в диапазонах \<М <2 и М>3.

6. Синтезированные по п.5 взаимосвязанные управления, реализующие предложенный в п.4 способ вывода сверхзвуковой AT на заданные установившиеся сверхзвуковые режимы по числу Маха на входе в рабочую часть без скачков "запуска", не представляют принципиальных технических сложностей для их реализации.

7. Целесообразно после запуска AT на заданный режим подключать замкнутый контур доработки давления торможения газа в форкамере до требуемой точности, используя, например, пропорционально-интегро-дифференциальный закон управления, поскольку в реальных условиях функционирования AT падение давления торможения газа в баллонной может привести к существенным погрешностям в отработке установившихся давлений торможения в форкамере и, как следствие, расчетных значений чисел Маха на входе в рабочую часть.

137

8. Разработана в среде программирования Delphi для реализации на ПЭВМ, функционирующих под управлением Windows, выполненных на базе процессора Pentium 133 (или более мощного) и имеющих объем ОЗУ не менее 32 Мб, автоматизированная программа анализа течений по газодинамическому тракту AT и синтеза взаимосвязанных управлений выводом трубы на заданные установившиеся режимы, позволяющая уменьшить время, необходимое для расчетов и подготовки натурных испытаний.

9. Проведены численные эксперименты, которые подтвердили представленные в диссертации теоретические выкладки и выводы о том, что применение разработанных алгоритмов и методик снижает суммарные волновые потери и потребный расход рабочего газа при выводе AT рассматриваемого класса на заданные режимы.

Разработанные алгоритмы и методики предназначены к использованию для подготовки и проведения продувок изделий и их моделей в аэродинамических трубах рассматриваемого класса.

Полученные в диссертации результаты исследований и разработанный программный продукт приняты к внедрению в ТУП КБ приборостроения (г.Тула), а также в учебный процесс по дисциплине "Механика полета" и на аэродинамической установке лаборатории систем управления и физического моделирования в Тульском государственном университете.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Морозова, Елена Владимировна, 2001 год

1. Абгарян К.А. Матричные и асимптотические методы в теории линейных систем. -М.: Высшая школа, 1983. 359 с.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. 4.1. М.: Наука, 1991. -4.1.-600 е.; 4.2.-304 с.

3. Анисимов Э.И. и др. Оптимальное управление эжекторной аэродинамической установкой // Труды ЦАГИ. М., 1984. - Вып. 2208. - С. 181 - 190.

4. А.С. 669836 СССР. Устройство для обеспечения равномерного потока в аэродинамической трубе с регулируемым соплом и камерой Эйфеля / Тепляшин В.А., Джикидзе Ф.В. № 245411. Заявлено 08.06.77.

5. А.С. 1309003 СССР. Устройство управления параметрами газовой среды / Под-чуфаров Б.М., Подчуфаров Ю.Б., Чернова М.Б., Грязев М.В. и др. № 3854718/24. Заявлено 08.02.85; Бюл. № 7.

6. А.С. 589594 СССР. Устройство для управления параметрами газовой среды / Подчуфаров Б.М., Чернова М.Б. и др. № 3670881/24. Заявлено 28.09.75; Бюл. №3.

7. Аэродинамика в вопросах и задачах / Под ред. Краснова Н.Ф. М.: Высшая школа, 1985. - 238 с.

8. Бахтиаров Л.М., Джикидзе Ф.В., Тепляшин В.А. Алгоритм управления флат-терным экспериментом // Труды ЦАГИ. М., 1984. - Вып. 2208. - С. 115 - 120.

9. Бахтиаров Л.М. и др. Математическая модель процессов в аэродинамической трубе с камерой Эйфеля // Труды ЦАГИ. М.: 1984. - Вып. 2208. - С. 130 -144.

10. Ю.Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. -М.: Наука, 1975.-767 с.

11. Бойко Н.А. и др. Измерение давлений при быстропротекающих процессах. -М.: Энергия, 1970. 371 с.

12. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969.-408 с.

13. Борисенко А.И. Газовая динамика двигателей. -М.: Оборонгиз, 1967. 189 с.

14. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). -М.: Высшая школа, 1976.-321 с.

15. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1982. - 256 с.

16. Вулис JI.A. Термодинамика газовых потоков. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1950. -303 с.

17. Газовая динамика / Под ред. Х.А.Рахматулина. М.: Высшая школа, 1965. -254 с.

18. Галиуллин А.С. Методы решения обратных задач динамики. -М.: Наука, 1986. 236 с.

19. Галиуллин А.С. Обратные задачи динамики // Сб. науч.-метод. статей по теоретической механике. М.: Высшая школа, 1975, Вып.5. - 8 с.

20. Галиуллин А.С. Обратные задачи динамики. -М.: Наука, 1981. 321 с.

21. Галиуллин А.С. Обратные задачи динамики и задачи управления движением материальных систем // Дифференциальные уравнения, 1972. - № 9. - С. 12.

22. Галиуллин А.С., Мухаметзянов И.А. и др. Построение систем программного движения. -М.: Наука, 1971. 198 с.

23. Галиуллин А.С. Построение уравнений движения // Дифференциальные уравнения. 1977.-№ 2. - С. 15.

24. Гапонов С.А., Маслов А.А. Развитие возмущений в сжимаемых потоках. Новосибирск: Наука, 1980. - 301 с.

25. Гинзбург И.П. Аэродинамика. М.: Высшая школа, 1966. - 721 с.

26. Гинзбург И.П. Прикладная гидрогазодинамика. JL: ЛГУ, 1958.-621 с.

27. Горлин С.М. Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М.: Наука, 1964. - 720 с.

28. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. М.: Энергоиздат, 1984. - с.

29. Джикидзе Ф.В. Приближенный способ оценки погрешности воспроизведения линейными многосвязными системами // Труды ЦАГИ. М., 1970. - Вып. 1263. -15 с.

30. Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной структурой. М.: Недра, 1967. - 335 с.

31. КалиткинН.Н. Численные методы. -М.: Наука, 1978. 512 с.

32. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н. Управление и стабилизация в аэродинамике. М.: Высшая школа, 1974. - 480 с.

33. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Линейные модели. М.: Наука, 1987.-116 с.

34. Культин Н. Delphi 3. Программирование на Object Pascal. BHY- Санкт-Петербург, 1998. - 304 с.

35. Ладиков Ю.П. Стабилизации процессов в сплошных средах. М.: Наука, 1978. - 296 с.

36. Лебсак В.А. и др. Дозвуковая аэродинамическая труба как объект регулирования // Труды ЦАГИ. М.: 1984. - Вып. 2208. - С. 153 - 157.

37. ЛипманГ.В., Рошко А.И. Элементы газовой динамики. М.: ИЛ, 1960. - 389 с.

38. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. - 840 с.

39. Макаров Н.Н. Численные методы в задачах анализа, синтеза и проектирования САУ. Тула: ТПИ, 1983. - 76 с.

40. Мартынов А.К. Прикладная аэродинамика. М.: Машиностроение, 1972. -601 с.

41. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. М., 1967. - 423 с.

42. Миллер Т., Пауэл Д. Использование Delphi 3. Специальное издание- Киев-Москва: Диалектика, 1997. 768 с.

43. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука, 1975. -526 с.

44. Морозов О.О. Система программного управления воспроизведением нестационарных траекторных условий в до- и сверхзвуковых аэродинамических трубах кратковременного действия. Дисс.канд.техн.наук. Тула, 1999. - 178 с.

45. Паничкин И.А., Ляхов А.Б. Основы газовой динамики и их приложение к расчету сверхзвуковых аэродинамических труб. Киев: Изд-во Киевск. ун-та, 1965. -152 с.

46. Пенкхерст Р., Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. -М.: ИЛ; 1955.- 178 с.

47. Петров Б.Н., Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Линейные модели // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. 1980. - № 4. -15 с.

48. Подчуфаров Б.М. Основы управления и регулирования тепломеханических систем. Тула: ТулПИ, 1982. - 58 с.

49. Подчуфаров Б.М. Тепломеханика: Учебное пособие. Тула, 1984. - 100 с.

50. Подчуфаров Ю.Б. Обратные задачи динамики в моделировании систем автоматического управления / ТулПИ. Тула, 1983. Деп. п/я А - 1420, № Д - 05546. -32 с.

51. Подчуфаров Ю.Б. Проблемы имитации в процессе создания систем автоматического управления. Тула: ТулПИ, 1984. - 32 с.

52. Подчуфаров Ю.Б. Формализованный метод проектирования физических моделей систем автоматического управления / ТулПИ. Тула, 1983. Деп. п/я А -1420, № Д - 05726. - 24 с.

53. Полежаев Ю.В. Методы и средства газодинамических испытаний летательных аппаратов. М.: МАИ, 1983. - 20 с.

54. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1983. - 392 с.

55. Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах. -М.: Наука, 1973.-583 с.

56. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. -М.: Наука, 1988. 255 с.

57. Поуп А., Гойн К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М.: Мир, 1968. - 520 с.61 .Прикладная аэродинамика / Под ред. Краснова Н.Ф. М.: Высшая школа, 1974. - 669 с.

58. Седов JI.И. Введение в механику сплошной среды. М.: Физматгиз, 1962. -284 с.

59. Седов Л.И. Механика сплошной среды. В 2 т. Т.1 М.: Наука, 1983 - 1984. -Т.1. - 1983. - 528 е.; Т.2. - 1984. - 560 с.

60. Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. М.: Машиностроение, 1981. -374 с.

61. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. - 536 с.

62. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А. Красовско-го. -М.: Наука, 1987. 712 с.

63. Станюкович К.П. Неустановившиеся движения сплошной среды. М.: Гос. изд-во технико-теор. лит-ры, 1955. - 804 с

64. Теория автоматического управления. В 2 ч. 4.2 / Под ред. А.В .Нетушила. М.: Высшая школа, 1972. - С. 282.

65. Тепляшин В.А., Некоторые вопросы оптимального управления в системах регулирования давления аэродинамических труб // Труды ЦАГИ. М., 1970. - Вып. 1203.-С. 3-12.

66. Тепляшин В.А., Джикидзе Ф.В. Самонастраивающая система автоматического регулирования давления в форкамере аэродинамической трубы // Труды ЦАГИ. М., 1969. - Вып. 1170. - 21 с.

67. Тепляшин В.А., Джикидзе Ф.В. Система автоматического регулирования давления в сверхзвуковой аэродинамической трубе с регулируемым соплом // Труды ЦАГИ. -М., 1984. Вып. 2208. - С. 145 - 152.

68. Устинов Ю.С. Минимизация времени выхода аэродинамической трубы на заданный режим по давлению // Труды ЦАГИ. М., 1984. - Вып. 2208. - С. 158 — 170.

69. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.: Наука, 1964. - 814 с.

70. Фалдин Н.В., Иванов В.А. Теория оптимальных систем автоматического управления. М: Наука, 1981. - 336 с.

71. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Наука, 1966. - 623 с.

72. Ферри А. Аэродинамика сверхзвуковых скоростей. М.: Гостехиздат, 1953. -463 с.

73. Чернова М.Б. К вопросу формирования СПС регулирования давления газа в проточной полости // Вопросы оптимизации и автоматизации конструкторских работ / ТулПИ. Тула, 1975. - Вып. 24. - С. 135 - 141.

74. Чернова М.Б. Математическая модель двумерного течения газа через плоское регулируемое сопло Лаваля // Система автоматического управления и их элементы / ТулПИ. Тула, 1994. - С. 81 - 96.

75. Чернова М.Б. Система программного управления испытаниями в аэродинамических трубах // Международный семинар "Проблемы моделирования в аэродинамических трубах". Новосибирск: ИТПМ СО АН СССР, 1989. - Т.2. -С. 246-253.

76. Чернова М.Б., Грязев М.В. Программное регулирование давления и температуры газа в форкамере газодинамической установки // Моделирование и оптимизация систем автоматического управления и их элементов / ТулПИ. Тула, 1987.-С. 6-10.

77. Чернова М.Б., Морозов О.О. Синтез в классе обратных задач динамики взаимосвязанных управлений горлом сопла и давлением газа в форкамере аэродинамической трубы // Системы автоматического управления и их элементы / Тул-ГУ. Тула, 1996. - С. 181 - 201.

78. Чернова М.Б., Морозова Е.В., Баженов С.В., Сорокин А.В. Комбинированная САУ выводом сверхзвуковой аэродинамической трубы на заданные режимы // Оборонная техника. 1999. - № 3-4. - С. 32 - 35.

79. Черный Г.Г. Газовая динамика. -М.: Наука, 1988. 424 с.

80. Черный Г.Г. Течение газа с большой сверхзвуковой скоростью. М.: Физмат-издат, 1959. - 356 с.

81. Шишков А.А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1974. -155 с.

82. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива. М.: Машиностроение, 1989. - 240с.

83. Шишков А.А., Силин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. -М.: Машиностроение, 1985. 208 с.

84. Шумилкин В.Г., Кифоренко Б.Н., Злацкий В.Г. Оптимальное программное управление эжекторной установкой с системой регулирования дросселем на основе электрогидравлического преобразователя // Труды ЦАГИ. М., 1984. -Вып. 2208.-С. 171-180.

85. Экспериментальная аэродинамика / Под ред. Горлина С.М. М.: Высшая школа, 1970. -423с.

86. Эммонс А. Основы газовой динамики. -М.: Мир, 1962. 396с.

87. Beckwinth J.E., Creel T.R., Chen F.J., Kendall J.M. Free Stream Noise and Transition measurmente in a Mach 3,5 Pilot Quiet Tunnel // AIAA-83, 21-st Aerospace Sciences Meeting, 1983.

88. Bleakney W., Emrich R.J. Higt Speed Problems of Aircraft and Experimental Methods. Sent J, Princeton Univ. Press, 1961.

89. Handbook of Supersonic Aerodynamics. Section 17. Ducts, Nozzles and DifiEusers. Washington, 1964. - 423p.

90. Holder D.W., Schultz D.L. The Duration and Properties of Flow in a Hypersonic Shock Tunnel / Proc. The ARS Internat. Hypersonic Conf., Aug. 1961.1. ШЙШ11 WV1

91. КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

92. ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

93. Россия, 300001, г. Тула, Щегловская засека, тел.: [phone],44-23-27, факс: [phone], телетайп: 25-31-381. На Ns

94. УТВЕРЖДАЮ Первый заместитель Генерального конструктора и начальника ТУП ^оростроения» 1ый инженер11В.Д. Дудка2001 г1. АКТвнедрения результатов кандидатской диссертации Морозовой Е.В.в ТУП «КБ приборостроения»

95. Декан факультета МиСУ Зав. кафедрой САУ Председатель научно-метод совета факультета1. Лялин В.М.1. Чуков А.Н. Фалдин Н.В.