BR112013022534B1

BR112013022534B1 - método de monitoramento de sistema de acionamento, suporte de gravação e dispositivo de controle de sistema deacionamento

Info

Publication number: BR112013022534B1
Application number: BR112013022534-3A
Authority: BR
Inventors: Nicolas Marie Pierre Gueit; Franck Godel; Benoît Pontallier
Original assignee: Snecma
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2021-05-11
Also published as: US9021870B2; CA2828704C; BR112013022534A2; CN103443726A; WO2012120218A3; CN103443726B; RU2013144739A; FR2972505A1; EP2684099B1; EP2684099A2; WO2012120218A2; FR2972505B1; RU2599414C2; CA2828704A1; US20140000352A1

Abstract

MÉTODO E DISPOSITIVO PARA MONITORAMENTO DE SISTEMA DE ACIONAMENTO A SERVOVÁLVULA. Método de monitoramento de um sistema de acionamento (1) de geometrias variáveis de um motor turbojato, tal sistema de acionamento compreendendo um dispositivo de controle (2), uma servoválvula (3) e um cilindro (4) controlado pela servoválvula (3), o dispositivo de controle estando apto a determinar uma corrente de controle (Icontr) em função de uma posição de referência (Pos_c) e uma posição medida (Pos_m) do cilindro (4) e alimentar tal corrente de controle (lcontr) à servoválvula. O método de monitoramento é caracterizado pelo fato de que inclui: - uma etapa de detecção de um estado estável, - uma etapa de determinação de um valor médio da corrente de controle durante a detecção do estado estável, e - uma etapa de comparação de tal valor médio com um limiar predeterminado.

Description

CONTEXTO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere ao campo geral de sistemas de acionamento a servoválvula. A invenção concerne, em especial, um sistema de acionamento para um motor turbojato de aeronave.

[0002] Um motor turbojato compreende tipicamente sistemas de acionamento a servoválvula, destinados a conduzir as geometrias variáveis do motor turbojato.

[0003] Por “geometrias variáveis” do motor turbojato, entende-se os componentes do motor ou de seu ambiente cujas dimensões, formas, posições e/ou velocidade estão sujeitas a serem modificadas em função de eventos detectados ou de parâmetros de funcionamento do motor. Exemplos de “geometrias variáveis” são pás com ângulo de ataque (calage) variável do estator do compressor, válvulas de descarga do compressor, topos de pás de turbina e um dosador de combustível.

[0004] Tipicamente, estes sistemas de acionamento são controlados pelo módulo de controle eletrônico do sistema de controle do motor ou EEC (para “Electronic Engine Control”), de modo a adaptar as geometrias variáveis ao cenário do voo. O controle é garantido pelas malhas de controle.

[0005] Desta forma, entende-se que a segurança de sistemas de acionamento de geometrias variáveis de um motor turbojato é crucial em termos da disponibilidade e do rendimento do motor turbojato.

[0006] As degradações destes sistemas de acionamento resultam em especial em posições e/ou dimensões dos componentes do motor turbojato não conformes aos comandos do ECU em regime estável, ou por uma resposta lenta destes componentes a estes comandos em regime transitório. Estas degradações são princípios de pane, pois são em geral, em um primeiro momento, ou compensadas pelas malhas de controle dos sistemas de acionamento, ou sem consequência perceptível além de uma reconfiguração (por exemplo, uma modificação da via de comando ativa).

[0007] Todavia, passado determinado tempo, estas degradações, quando persistem e se agravam, não podem mais ser compensadas, pois os equipamentos de controle são limitados. Assim, estas degradações podem ter como consequência tornar o motor turbojato inoperante ou com desempenho prejudicado. Isto pode resultar em uma mensagem de pane emitida pelo ECU. A detecção destas degradações é, então, muito tardia, uma vez que é realizada apenas quando o sistema de acionamento está em pane.

[0008] Um tipo particular de degradação é o desvio da corrente de repouso da servoválvula, como mostra a figura 2.

[0009] A figura 2 é um gráfico que representa uma curva de funcionamento de uma servoválvula. Mais precisamente, o gráfico da figura 2 ilustra a evolução da vazão hidráulica Q causado pela servoválvula 3 em um atuador, em função da corrente de controle Icontr. Na figura 2, Imax representa o valor máximo da corrente de controle Icontr que o ECU é capaz de fornecer.

[0010] A curva 20 corresponde a um estado nominal da servoválvula e mostra que a corrente de repouso da servoválvula, isto é, a corrente de controle necessária para manter o atuador em uma posição determinada, apresenta um valor I0 não nulo. No estado nominal, a corrente Icontr permite, todavia, fornecer a vazão hidráulica máxima Qmax.

[0011] A curva 21 representa uma servoválvula em estado não-nominal, por exemplo, após envelhecimento. Constata-se que a corrente de repouso apresenta um valor I1 superior a I0. Dito de outra forma, houve um desvio da corrente de repouso da servoválvula. Além disso, no estado não-nominal da curva 21, a corrente Imax não permite mais fornecer a vazão hidráulica máximo Qmax. Dito de outra forma, a curva 21 corresponde a um estado degradado da servoválvula.

[0012] É conhecida a detecção de um dito estado degradado. Todavia, quando da detecção, os desempenhos de um motor turbojato já estão sensivelmente afetados.

[0013] Há, portanto, uma necessidade de se dispor de um método de monitoramento eficaz de um sistema de acionamento de geometrias variáveis de um motor turbojato a fim, em especial, de poder emitir uma notificação de manutenção deste sistema de acionamento antes que o motor turbojato se torne inoperante ou opere com desempenho prejudicado.

[0014] Uma necessidade similar existe em outras aplicações de um sistema de acionamento a servoválvula.

[0015] O documento US2009/0306830 descreve um método de monitoramento de um sistema a válvula no qual se mede um tempo no qual um elemento de válvula varia entre duas posições. Se este tempo ultrapassa um limiar predeterminado, o método determina se, isto é, devido ao desgaste do sistema ou a condições gerais. As condições gerais são, por exemplo, representadas pela corrente de controle de uma vávula solenóide. A corrente de controle é comparada a um valor de referência. No entanto, este documento não descreve que a corrente de controle levada em conta é um valor médio da corrente de controle durante a detecção de um estado estável, o estado estável sendo detectado ao verificar que a posição medida de um atuador se mantém constante. Pelo contrário, o método de monitoramento descrito necessita que o elemento de válvula varie entre duas posições.

OBJETIVO E SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0016] A presente invenção responde à necessidade supracitada propondo um método de monitoramento de um sistema de acionamento compreendendo um dispositivo de controle, uma servoválvula e um atuador controlado pela servoválvula, o dispositivo de controle estando apto a determinar uma corrente de controle em função de uma posição de referência e de uma posição medida do atuador e a fornecer a corrente de controle à servoválvula. O método de monitoramento é notável por incluir: - uma etapa de detecção de um estado estável, - uma etapa de determinação de um valor médio da corrente de controle durante a detecção do estado estável, e - uma etapa de comparação de dito valor médio com um limiar predeterminado.

[0017] De forma correlacionada, a invenção visa igualmente um dispositivo de controle para um sistema de acionamento compreendendo o dispositivo de controle, uma servoválvula e um atuador controlado pela servoválvula, o dispositivo de controle estando apto a determinar uma corrente de controle em função de uma posição de referência e de uma posição medida do atuador e fornecer a corrente de controle à servoválvula. Este dispositivo de segurança é notável por incluir: - meios de detecção de um estado estável, - meios de determinação de um valor médio da corrente de controle durante a detecção do estado estável, e - meios de comparação de dito valor médio com um limiar predeterminado.

[0018] No estado estável, a posição do atuador corresponde à posição de referência. A corrente de controle da servoválvula corresponde, portanto, à corrente de repouso da servoválvula. O cálculo de um valor médio desta corrente permite descartar variações rápidas e a comparação com um limiar permite testar se o desvio da corrente de repouso é aceitável ou não.

[0019] O método de monitoramento pode compreender, antes da etapa de determinação, uma etapa de espera durante um período ao longo do qual o estado estável é detectado.

[0020] Isto permite esperar a atenuação de eventuais efeitos transitórios após a detecção do estado estável.

[0021] Em uma modalidade, o estado estável é detectado em função da posição do atuador.

[0022] Em uma modalidade, o sistema de acionamento é um sistema de acionamento de geometrias variáveis de um motor turbojato de motor de aeronave, o estado estável sendo detectado quando a aeronave está no solo.

[0023] O valor médio pode ser determinado em função da corrente de controle determinada pelo dispositivo de controle.

[0024] O valor médio é, portanto, preciso, pois não é influenciado pela precisão de medição da corrente de controle.

[0025] Neste caso, o dispositivo de controle pode compreender um controlador proporcional-integral, o valor médio sendo determinado em função da corrente integral do controlador.

[0026] Conforme uma modalidade, o método compreende, quando o valor médio é superior ou igual ao limiar predeterminado, uma etapa de geração de uma mensagem de manutenção.

[0027] Em uma modalidade particular, as diferentes etapas do método de monitoramento são determinadas por instruções de programas de computador.

[0028] Consequentemente, a invenção visa também a um programa de computador em um suporte de informação, dito programa estando apto a ser executado em um dispositivo de monitoramento ou, mais genericamente, em um computador, dito programa incluindo instruções adaptadas à execução de etapas de um método de monitoramento dito como descrito acima.

[0029] Este programa pode utilizar qualquer linguagem de programação, e estar sob a forma de código fonte, código objeto, ou código intermediário entre código fonte e código objeto, dito como em uma forma parcialmente compilada, ou em qualquer outra forma desejada.

[0030] A invenção visa também um suporte de informação legível por um computador, e incluindo as instruções de um programa de computador dito como descrito acima.

[0031] O suporte de informação pode ser qualquer entidade ou dispositivo capaz de armazenar o programa. Por exemplo, o suporte pode incluir um meio de armazenamento, dito como uma ROM, por exemplo, um CD ROM ou uma ROM de circuito microeletrônico, ou ainda um meio de registro magnético, por exemplo, um disquete (floppy disc) ou disco rígido.

[0032] Ainda, o suporte de informação pode ser um suporte transmissível, dito como um sinal elétrico ou ótico, que pode ser encaminhado via um cabo elétrico ou ótico, por rádio, ou por outros meios. O programa conforme a invenção pode ser, em particular, transmitido via uma rede de tipo Internet.

[0033] Alternativamente, o suporte de informação pode ser um circuito integrado no qual o programa é incorporado, o circuito estando adaptado para executar ou para ser utilizado na execução do método em questão.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0034] Outras características e vantagens da presente invenção serão explicitadas na descrição a seguir, em referência aos desenhos anexos que ilustram uma modalidade desprovida de qualquer caráter limitante. Sobre as figuras: - a figura 1 representa um sistema de acionamento de um motor turbojato, - a figura 2 é um gráfico que representa uma curva de funcionamento de uma servoválvula, - a figura 3 representa, sob a forma de um fluxograma, as principais etapas de um método de monitoramento conforme a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA MODALIDADE

[0035] Como descrito previamente, a invenção concerne o monitoramento de cadeias de controle de sistemas de acionamento a servoválvula. Em uma modalidade aqui descrita, contempla-se o monitoramento de cadeias de controle de sistemas de acionamento de uma geometria variável de um motor turbojato equipando uma aeronave. Todavia, esta hipótese não é em nenhum caso limitante. A invenção se aplica igualmente a outros sistemas de acionamento a servoválvula, em especial a equipamentos de construção, a robôs industriais...

[0036] O acionamento da geometria variável corresponde, por exemplo, ao controle: - da posição de um dosador de combustível de um motor turbo jato, também conhecido sob o nome de FMV (“Fuel Metering Valve”); - de posições de válvulas de descarga de um compressor do motor turbojato, como os sistemas de acionamento de VBV (“Variable Bleed Valve”) e TBV (“Transient Bleed Valve”); - de ângulos de ataque (calage) de pás do estator de um motor turbojato, também conhecido sob o nome de VSV (“Variable Stator Vane”); e - de folgas do topo de pás de uma turbina alta-pressão ou baixa-pressão, como os sistemas de acionamento de HPTACC (“High Pressure Turbine Active Clearance Control”) ou LPTACC (“Low Pressure Turbine Active Clearance Control”).

[0037] A figura 1 representa um sistema de acionamento 1 que guia a posição de um dosador de combustível de um motor turbojato. O sistema de acionamento compreende um dispositivo de controle 2, uma servoválvula 3 e um atuador 4. A posição do atuador 4 influencia a vazão de combustível emitido pelo dosador de combustível (não representado).

[0038] O dispositivo de controle 2 pode ser o controlador do motor turbojato (ECU, significando “Engine Control Unit”), também chamado de dispositivo de controle da aeronave com autoridade plena (FADEC, para “Full Authority Digital Engine Control”).

[0039] O atuador 4 é associado a um sensor de posição 5. A posição do atuador 4 é controlada pela servoválvula 3, ela própria controlada por um dispositivo de controle 2. Mais precisamente, a servoválvula 3 adapta a potência hidráulica emitida ao atuador 4 em função de uma corrente elétrica de controle Icontr, que ela recebe do dispositivo de controle 2.

[0040] A posição do atuador 4 medida pelo sensor 5 é chamada Pos_m e é fornecida ao dispositivo de controle 2.

[0041] O dispositivo de controle 2, a servoválvula 3 e o atuador 4 formam uma malha de controle. De fato, o dispositivo de controle 2 determina a diferença ε entre a posição Pos_m e uma posição de referência, chamada Pos_c. A diferença ε é fornecida a um controlador 6, por exemplo, de tipo proporcional-integral, que determina a corrente de controle Icontr.

[0042] O dispositivo de controle 2 possui aqui a arquitetura material de um computador. Ele inclui, em especial, um processador 11, uma memória não volátil 12, uma memória volátil 13, uma interface 14 e um módulo de comunicação 15. O processador 11 permite executar programas de computador memorizados na memória não volátil 12, utilizando a memória volátil 13. A interface 14 permite, por um lado, obter sinais de medida, em especial a posição Pos_m e uma medida da corrente de controle Icontr, chamada Imedida, e, por outro lado, emitir sinais de controle, em especial a corrente de controle Icontr.

[0043] O módulo de comunicação 15 permite a troca de dados com outras entidades, em especial com um equipamento de manutenção.

[0044] Em uma modalidade, a determinação da posição de referência Pos_c e da diferença ε, assim como a execução do controlador 6 correspondem a um programa de controle memorizado na memória não volátil 12 e executado pelo processador 11.

[0045] Como explicado na introdução em referência à figura 2, a corrente de repouso da servoválvula 3 está sujeita a ser desviada. Compreende-se que entre os valores I0 e I1 da corrente de repouso, correspondentes respectivamente a um estado nominal e um estado degradado, encontra-se um limiar de corrente Ilimiar até o qual o desvio da corrente de repouso se mantém aceitável.

[0046] Descreve-se agora, em referência à figura 3, um método de monitoramento conforme a invenção, destinado a determinar se o desvio da corrente de repouso da servoválvula 3 é aceitável ou não. O método de monitoramento é executado pelo dispositivo de controle 2, que, portanto, é igualmente parte constituinte do dispositivo de monitoramento conforme a invenção.

[0047] O método de monitoramento da figura 3 inicia-se na etapa E0 e, em seguida, na etapa E1, verifica-se se um estado estável é detectado.

[0048] Um estado estável pode ser detectado quando a posição medida Pos_m se mantém constante.

[0049] Outras condições podem ser usadas de forma complementar ou alternativa para detectar um estado estável, em especial:

[0050] - A aeronave está no solo (o que é tipicamente indicado pelo valor de uma variável do controlador chamada WOW, para “Weight On Wheel”).

[0051] - A frequência de rotação do motor N é constante, por exemplo, igual a uma frequência de rotação de ociosidade no solo.

[0052] Quando um estado estável não é detectado, o método de monitoramento se encerra na etapa E1. Por outro lado, se um estado estável é detectado, o método de monitoramento segue para a etapa E2.

[0053] Na etapa E2, espera-se por um período predeterminado durante o qual o estado estabilizado é detectado.

[0054] A etapa E2 é, por exemplo, um sistema de contagem por ciclos de um número de ciclos de relógio em tempo real. Se a cada ciclo contado o estado estável for detectado, passa-se à etapa E3 quando o contador de ciclos atinge um valor predeterminado. Por outro lado, se o estado estável não é mais detectado antes que o contador de ciclo tenha atingido o valor predeterminado, o método de monitoramento retorna à etapa E1.

[0055] A etapa E2 permite aguardar pela atenuação de eventuais efeitos transitórios devidos ao funcionamento do motor turbojato antes da detecção do estado estável na etapa E1.

[0056] Em seguida, na etapa E3, determina-se o valor médio Imédia da corrente de controle Icontr ao longo de um tempo predeterminado durante o qual o estado estabilizado é detectado.

[0057] O valor médio Imédia representa a corrente de repouso da servoválvula 3. De fato, quando o estado estável é detectado, a posição medida Pos_m é constante e igual à referência Pos_c. A corrente de controle Icontr serve, portanto, simplesmente para manter a posição constante.

[0058] A etapa E3 é, por exemplo, executada por um sistema de contagem por ciclos de um número de ciclos de relógio em tempo real. A cada ciclo i, calcula-se a soma S(i) = S(i-1) + Icontr. Após um número predeterminado n de ciclos, divide-se a soma S(n) por n para obter-se Imédia:

[0059] Imédia = S(n) / n

[0060] A cada ciclo, se o estado estável não é mais detectado, o método de monitoramento é reiniciado (etapa E0). Por outro lado, se o estado estável é sempre detectado até o enésimo ciclo e até o cálculo de Imédia, passa-se, então, à etapa E4.

[0061] Na etapa E4, a corrente Imédia é comparada ao limiar de corrente Ilimiar.

[0062] Se Imédia é inferior a Ilimiar, isto significa que o desvio da corrente de repouso da servoválvula 3 é aceitável. O método de monitoramento termina, portanto, na etapa E6, sem envio de mensagem de manutenção.

[0063] Por outro lado, se Imédia é superior ou igual a Ilimiar, isto significa que o desvio da corrente de repouso da servoválvula 3 não é mais aceitável. O método de monitoramento termina, portanto, na etapa E5, na qual uma mensagem de manutenção é gerada.

[0064] A mensagem de manutenção é, por exemplo, memorizada na memória não-volátil 12, e então, comunicado a um equipamento de manutenção posteriormente, pelo módulo de comunicação 15.

[0065] O tempo de espera da etapa E2, o tempo levado em conta para calcular a média Imédia e o limiar Ilimiar podem ser escolhidos pelo projetista do método de monitoramento, em função da aplicação desejada.

[0066] Por exemplo, o tempo de espera da etapa E2 e o tempo levado em conta para calcular a média Imédia na etapa E3 podem ser cada qual de 10 segundos.

[0067] Neste caso, a duração total das etapas E2 e E3 em que é necessário detectar um estado estável é de 20 segundos. Uma tal duração é inferior ao tempo em que um avião está ocioso no solo antes da decolagem durante uma missão típica. É, portanto, possível detectar um estado estável e efetuar as etapas E2 e E3 neste momento.

[0068] Além disso, é sabido que um ciclo de motor apresenta tipicamente uma frequência própria correspondente a um período da ordem de 4 segundos. Para um relógio em tempo real de período típico de 15ms, o cálculo de Imédia durante um período de 10 segundos corresponde a n = 666 ciclos e permite, portanto, obter uma média realista independente das oscilações do ciclo de motor. Ainda, o tempo de espera de 10 segundos é superior ao período do ciclo de motor e permite, portanto, esperar a atenuação de efeitos transitórios.

[0069] O valor de Imédia pode ser escolhido em função da curva característica nominal da servoválvula 3, da corrente máxima que o dispositivo de controle 2 é capaz de fornecer, e da precisão da corrente fornecida pelo dispositivo de controle 2.

[0070] Na etapa E3, a média Imédia é calculada em função da corrente de controle Icontr. Mais precisamente, a média Imédia é calculada pelo controlador 6. No caso de um controlador proporcional-integral, este valor é igual à corrente integral do controlador quando o estado estável é detectado. Assim, a média Imédia pode ser calculada em função do valor da corrente integral do controlador. Alternativamente, a média Imédia pode ser calculada em função do valor medido Imedida da corrente de controle Icontr. Neste caso, no entanto, a média Imédia é influenciada pela precisão da medida.

[0071] Em uma modalidade, as etapas da figura 3 correspondem a um programa de monitoramento memorizado na memória não volátil 12 e executado pelo processador 11.

[0072] Conforme outra vantagem da invenção, a identificação da corrente de repouso da servoválvula pode permitir não saturar mais a parte integral do controlador 6 de tipo proporcional-integral, limitando, assim, o erro de arrasto (nos transitórios) sobre a posição do atuador controlado pela servoválvula. No caso do controle dos ângulos de ataque (calage) de pás de estator de um motor turbojato (VSV), esta precisão aumentada permite obter uma maior margem e, portanto, maior robustez.

Claims

1. Método de monitoramento de um sistema de acionamento (1) compreendendo um dispositivo de controle (2), uma servoválvula (3) e um atuador (4) controlado pela servoválvula (3), o dispositivo de controle estando apto a determinar uma corrente de controle (Icontr) em função de uma posição de referência (Pos_c) e de uma posição medida (Pos_m) do atuador (4) e fornecer referida corrente de controle (Icontr) à servoválvula (3), o método de monitoramento sendo caracterizado pelo fato de que inclui: - uma etapa (E1) de detecção de um estado estável verificando que referida posição medida (Pos_m) se mantém constante, - uma etapa (E3) de determinação de um valor médio (Imédia) da corrente de controle durante a detecção do estado estável, e - uma etapa (E4) de comparação de referido valor médio com um limiar predeterminado.

2. Método de monitoramento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, antes da etapa (E3) de determinação, uma etapa (E2) de espera por um período durante o qual o estado estável é detectado.

3. Método de monitoramento, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o sistema de acionamento (1) é um sistema de acionamento de geometrias variáveis de um motor turbojato de motor de aeronave, o estado estável sendo detectado quando a aeronave está no solo.

4. Método de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que referido valor médio (Imédia) é determinado em função da corrente de controle determinada pelo dispositivo de controle.

5. Método de monitoramento, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de controle (2) compreende um controlador (6) proporcional-integral, referido valor médio (Imédia) sendo determinado em função da corrente integral do controlador (6).

6. Método de monitoramento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende, quando referido valor médio é superior ou igual a referido limiar predeterminado, uma etapa (E5) de geração de uma mensagem de manutenção.

7. Suporte de gravação legível por um computador caracterizado pelo fato de compreender instruções para a execução das etapas de um método de monitoramento como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

8. Dispositivo de controle (2) para um sistema de acionamento (1) compreendendo o dispositivo de controle (2), uma servoválvula (3) e um atuador (4) controlado pela servoválvula (3), o dispositivo de controle estando apto a determinar uma corrente de controle (Icontr) em função de uma posição de referência (Pos_c) e de uma posição medida (Pos_m) do atuador (4) e fornecer referida corrente de controle (Icontr) à servoválvula (3), o dispositivo de controle sendo caracterizado pelo fato de que compreende: - meios de detecção de um estado estável aptos a detectar um estado estável verificando que referida posição medida (Pos_m) se mantém constante, - meios de determinação de um valor médio (Imédia) da corrente de controle durante a detecção do estado estável, e - meios de comparação de referido valor médio com um limiar predeterminado.