DE2113349B2

DE2113349B2 - Regelsystem

Info

Publication number: DE2113349B2
Application number: DE2113349A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Sidney Simsbury Conn. Smith
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1971-03-19
Publication date: 1981-06-04
Also published as: DE2113349C3; DE2113349A1; JPS578484B1; GB1297607A; US3623403A; FR2084518A5; BE763989A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Bei diesem Regelsystem handelt es sich um ein PI-Regelsystem, wie es aus der US-PS 32 25 814 bekannt ist Da solche Regelsysteme zu unstabilem Verhalten neigen, sind zur Stabilisierung zusätzliche Einrichtungen erforderlich, die die Kompliziertheit des Aufbaus, das Gewicht un die Herstellungskosten des Regelsystems erhöhen. So ist bei dem bekannten Regelsystem, welches zur Drehzahl- und zur Beschleunigungsregelung dient, eine Beschleunigungsregeleinrichtung vorgesehen, die beim Verlassen des Dauerzu-Standsbetriebes, d.h. beim Beschleunigen oder Verzögern das Integralsteuerorgan in einem mittels von Hand einstellbarer Anschläge festgelegten Bereich außer Betrieb setzt und in diesem Bereich nur das Proportionalsteuerorgan wirksam sein läßt. Das Regelsystem erhält dadurch einen komplizierteren und teuereren Aufbau und bietet trotzdem nicht die Möglichkeit, die bei solchen PI-Regelsystcmen auftretende Schwierigkeit der Übet- oder Unterregelung bei Annäherung an die Stellung, in welcher die Regelabweichung null wird, sicher zu beseitigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelsystem mit PI-Verhalten zu schaffen, welches nicht nur einen einfachen Aufbau, ein geringes Gewicht und geringe Herstellungskosten aufweist, sondern in welchem auch eine Über- oder Unterregelung sicherer vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmale gelöst.

In dem Regelsystem nach der Erfindung läßt sich die Proportionalwirkung des Proportionalsteuerorgans durch die von Hand verstellbaren Anschläge in beiden Richtungen begrenzen, so daß der Kolben des Proportionalsteuerorgans bei Beaufschlagung mit dem Fehlersignal sich zunächst gegen einen der beiden Anschläge bewegt, während das Integralsteuerorgan seine Integralwirkung kontinuierlich fortsetzt, und dann, bevor das Integralsteuerorgan in die Nullstellung zurückkehrt, in der das Fehlersignal null ist, bei einem vorbestimmten und durch die Lage der Anschläge festgelegten Prozentsatz des Fehlersignals seinen Rückhub in die Zwischenstellung beginnt und auf diese Weise den Brennstoffzustrom verrnngert, bevor die Solldrehzahl erreicht wird, wodurch ein Über- oder Unterregeln sicher vermieden wird. Bei dem oben erläuterten bekannten Regelsystem wird zwar ebenfalls die Ausgangsgröße des Reglers begrenzt, dabei wird jedoch, wie dargelegt, umgekehrt vorgegangen, denn in einem bestimmten Bereich arbeitet dort das Proportionalsteuerorgan kontinuierlich weiter, während das Integralsteuerorgan unwirksam ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der E^rfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach dem Ansprüchen 5 und 6 werden das Integral- und das Proportionalsteuerorgan beide über ein Gestänge von dem Drehzahlfehlersignal beaufschlagt und gleichzeitig betätigt, wobei nach Beaufschlagung beide Steuerorgane eine ungehinderte Bewegung ausführen können.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar

F i g. 1 eine schematische Abbildung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Regelsystems und

F i g. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Regelsystems nach Fig. 1.

Während die Erfindung nachfolgend am bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Brennstoffregelung für Gas-

turbinentriebwerke erläutert ist, wobei eine Regelung der Drehzahl der umlaufenden Teile erfolgt, versteht es jich, daß die Erfindung auch mit Vorteil in anderen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, sei es nun für Gasturbinentriebwerke oder für die Regelung anderer Parameter. Beispielsweise kann die Erfindung zur Regelung des Brennkammerdrucke·-., zur Regelung bestimmter Druckverhältnisse im Triebwerk oder dergleichen eingesetzt werden.

Die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles s· 11 hier für den Anwendungsfall einer Brennstoffregelung für eine Gasturbine erfolgen, wie sie etwa in der US-Patentschrift 28 22 666 beschrieben ist. Der Brennstoffzustrom wird hierbei in der Weise geregelt, daß ein Regelparameter abgeleitet wird, welcher ein Maß für

die Größe — bildet, worin Wf den Brennstoff Zustrom je

Stunde und Pi den Verdichterausgangsdruck oder den Brennkammerdruck bedeuten, wobei dieser Parameter als Kennwert für den Dauerzustand und für die Beschleunigung gewählt wird. Für den Dauerzustand wird der Brennstoff-Zustrom dadurch ermittelt, daß ein

w,

Signal vorgegeben wird, das dem Verhältnis—- entspricht, welches wiederum eine Funktion der Drehzahl-Fehlergröße zwischen einer bestimmten Drehzahl-Sollwerteinstellung und der tatsächlichen Verdichterdrehzahl ist, und dieses dem erwähnten Ve; lältnis entsprechende Signal wird dann mit dem Istweil des Druckes Pi multipliziert.

Zur Bildung der Beschleunigungs-Grenzwerte, welche den Brennstoffzustrom so begrenzen, daß eine Überhitzung und ein Verdichterpumpen vermieden

werden, wird ein Verhältniswert—— als Funktion der

Verdichtereinlaßtemperatur und der Verdichterdrehzahl vorgegeben und wiederum mit dem Istwert von P₃ multipliziert. Die Wirkungsweise und die Einz' lheiten von Regelsystemen dieser allgemeinen Art sind an sich bekannt und beispielsweise den oben erwähnten Patentschriften zu entnehmen. Da sie überdies keinen Teil der Erfindung bilden, sind nur die vorstehenden, kurzen Angaben gemacht worden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei nunmehr

W₁
F i g. 2 betrachtet, in welcher der Parameter — über der

Verdichter-Drehzahl aufgetragen ist. Die Kurve A bezeichnet die Grenze bezüglich der Überhitzung und die Kurve B bezeichnet die Grenze bezüglich des Verdichterpumpens und die Brennstoffregelung hat nun die Aufgabe, dafür Sorge zu tragen, daß die entsprechenden Grenzbedingungen bei der Beschleunigung des Triebwerks nicht überschritten werden. Die Kurve C bezeichnet eine Betriebskennlinie für den Dauerzustand bei einer bestimmten Verdichtereinlaß-Tempemtur und die Kurve D bezeichnet die Betriebskennlinie des Reglers. Der Schnitt zwischen den Kurven C und D bezeichnet also den Arbeitspunkt für den Dauerzustand bei einer bestimmten Flugphase des Flugzeugs. Wie man aus F ι g. 2 erkennt, verläuft die Linie D im wesentlichen senkrecht, was bedeutet, daß längs der Regler-Arbeitslinie für jeden Wert von Wr die Verdichterdrehzahl auf konstantem Wert bleibt. Wie allgemein bekannt, verschieben sich in Abhängigkeit von der Verdichtereinlaßtemperatur sowohl die der Beschleunigung als auch die dem Dauerzustand entsprechenden Kennlinien. Das Pl-Regelsystem soll nun die Verdichterdrehzah! auch dann konstant halten. wenn eine Verschiebung der dem Dauerzustand entsprechenden Kennlinie aufgrund einer Veränderung der Verdichtereinlaßtemperatur stattfindet. Sonst würde wie im Falle eines Reglers mit fallender Kennlinie (P-Regler) die Drehzahl so verstelit, daß sich für die Verschobene Dauerzustandskennlinie wieder der richtige Brennstoffzustrom ergäbe. Dies wird durch die abfallende Kennlinie E nach F i g. 2 verdeutlicht, welche eine charakteristische Abnahmekennliriie für eine Brennstoffregelung ist. Wenn sich die Temperatur ändert und damit die Kennlinie des Dauerzustandes verschiebt, machen die neuen Bedingungen für den Brennstoffzustrom eine neue Einstellung der Verdichterdrehzahl erforderlich.

Das in F i g. 1 gezeigte Regelsystem nach der Erfindung soll also ein Gasturbinentriebwerk in solcher Weise regeln, daß es der in F i g. 2 deutlich gemachten Pl-Regelcharakieristik entspricht Im Gegensatz zu dem in vorerwähnten Patentschriften angegebenen Regelsystemen wird aber bei dem erfindungsgemäßen Regelsystem das Drehzahl-Fehlersignal nicht zur

Vorgabe des Wertes —'- verwendet, sondern die

Regelschleife wird bezüglich des Biennstoffzustrornes geschlossen. Es ist daher nicht notwendig, eine Multiplikation des Pi Signales auszuführen, wie dies bisher bei der Vorgabe der Betriebsbedingungen für den Dauerzustand erforderlich war. Der Nocken 10 wird abhängig von der Einstellung des Leistungssteuerhebels 12 eingestellt und dient zur Erzeugung eines an das Gestänge 14 weitergegebenen Signales, welches als Maß für die gewünschte Drehzahl oder die vorgegebene Drehzahl dient, welche vom Flugzeugführer gewählt wird. Die Istdrehzahl des Verdichters wird durch einen Drehzahlfühler aufgenommen, welcher durch das Blocksymbol 16 versinnbildlicht wird und vorzugsweise ein Fliehkraftgerät ist, wie es etwa in den US-Palentschriften 28 22 666 oder 31 92 988 angegeben ist. Der Drehzahlfühler gibt ein der Istdrehzahl entsprechendes Signal an ein Gestänge 18 ab, das über einen Drehpunkt

20 schwenkbar an das Gestänge 14 angeschlossen ist, welches seinerseits wieder schwenkbar am Drehpunkt

21 gelagert ist. Ein Ausgangsarm 22, welcher mit dem Gestängearm 18 verbunden ist, führt immer dann eine Betätigungsbewegung aus, wenn der Gestängearm 14 nicht auf einer Linie mit dem Gestängearm 18 liegt, wenn also ein Fehler zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl auftritt. Das Drehzahl-Fehlersignal wird über die gestrichelt angegebene Verbindung 26 auf den Winkelhebel 28 übertragen. Der Arm 30 des Winkelhebels 28 weist einen nach abwärts weisenden Flansch 32 auf, der sich gegen eine Ventilspindel 34 eines als Schieberventil ausgebildeten Integralsteuerorgans abstützt, das allgemein mit der Bezugszahl 36 bezeichnet ist. Der Winkelhebel ist über einen Drehpunkt 38 drehbar gelagert, an welchem auch ein Arm 40 drehbar gelagert ist, der mit einem Flansch 42 versehen ist, welcher, wie aus Fig. 1 ohne weiteres zu ersehen, an einem entsprechenden, an dem Arm 30 angeformten Flansch 44 anliegt. Die beiden Flanschen 42 und 44 erstrecken sich in solcher Weise in axialer Richtung, daß eine Relativbewegung zwischen den Armen 30 und 40 nicht behindert wird. Eine Verdrehung des Winkelhebels 28 bewirkt also eine Einstellung der Ventilspindel 34 aus Ventiles 36 und auch eine Einstellung eines Drosselorganes 46, das an einem nach abwärts reichenden Ansatz 48 des Armes 40 Abstützung findet.

Das Drosselorgan 46 dient zur Steuerung des

Antriebskolbens 52 eines allgemein mit der Bezugszahl 50 bezeichneten und ebenfalls als Schieberventil ausgebildeten Proportionalsteuerorgans. Das Drosselorgan 46 bewirkt, daß der Anfiebskolben 52 des Proportionalventiles 50 in der in Fig. 1 gezeigten Stellung gehalten wird, wenn sich der Ausgangsarm 22 in der dargestellten Lage befindet, d. h., wenn zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl kein Fehler vorhanden ist. Das Proportionalventil 50 kann mit einem Servoantrieb mit hälftig aufgeteilten Betätigungsflächen versehen sein, wobei der Kolben 52 in der Mittelstellung gehalten wird, wenn sich das Drosselorgan 46 in einer Nullstellung befindet. Wird das Drosselorgan 46 verschoben, so wird der Kolben entweder nach aufwärts oder nach abwärts bewegt, je nachdem, ob das Drosselorgan im Sinne einer Freigabe oder einer Verlegung der Strömungsdiise bewegt worden ist.

Aus F i g. 1 ist zu entnehmen, daß ein über die Leitung 54 zugeführtes Druckmittel (in der Zeichnung durch P_r angedeutet), welches mittels eines nicht dargestellten Druckreglers auf einen bestimmten Druckwert geregelt wird, über eine Drosselöffnung 58 in die Kammer 56 eingeführt wird und auf die Oberseite des Kolbens 52 einwirkt. Auf dem Kolben 52 befindet sich ein langgestreckter Rohransatz 60, welcher in einer Strömungsdüse 62 endet, die sich in der Nachbarschaft des Drosselorganes 46 befindet. Der relative Abstand zwischen dem Drosselorgan 46 und der Strömungsdüse 62 legt einen bestimmten Öffnungsquerschnitt fest, durch welchen der Druck in der Kammer 56 beeinflußt wird. Wie bereits erwähnt, ist eine Nullstellung des Ventiles erreicht, wenn sich der Kolben 52 auf halbem Wege innerhalb der den Kolben aufnehmenden Kammer befindet. Der auf die Oberseite des Kolbens 52 einwirkenden, vom Druckmittel erzeugten Kraft hält eine Kraft das Gleichgewicht, die auf den Absatz 64 einwirkt, welcher von dem nicht über eine Drosselstelle geleiteten Druckmittel beaufschlagt ist, dessen Druck von demselben Druckregler geregelt werden kann, welcher auch den Druck in Leitung 54 regelt, welcher jedoch nicht dargestellt ist. Wenn das Drosselorgan 46 die Strömungsdüse 62 abschließt, so baut sich in der Kammer 56 der Druck bis auf einen Wert auf, welcher demjenigen des gegen den Absatz 64 wirkenden Druckes oder dem geregelten Wert gleich ist, so daß der Kolben nach abwärts bewegt wird und ein Ansatz 68 das in der zugehörigen Kammer befindliche Strömungsmittel in eine Verbindungsleitung 70 austreibt. Der Kolben 52 verschiebt sich so weit, bis der untere Teil des Kolbens gegen eine Anschlagschraube 72 anläuft. Auf diese Weise wird eine bestimmte Flüssigkeitsmenge über die Leitung 70 in die Kammer 74 eines Stelltriebs

75 verdrängt, so daß der hälftig aufgeteilte Betätigungsflächen aufweisende Kolben dieses Stelltriebs das Ventil

76 verstellt. Das Ventil 76 ist nur schematisch angegeben und dient zur Dosierung des Brennstoffes zur Regelung des Betriebes des Gasturbinentriebwerkes unter Einhaltung der anhand von F i g. 2 aufgezeigten Bedingungen.

Bei Verschwenkung des Winkelhebels 28 liefert gleichzeitig mit dem Prcportionalventil auch das Integralventil 36 ein Signal an den Stelltrieb 75. wie nachfolgend beschrieben wird. Die Ventilspindel 34, welche über ein Zahnrad 82 mittels eines nicht dargestellten Antriebs fortwährend in der Bohrung 80 gedreht wird, bewegt sich entsprechend der Bewegung des Winkelhebels 28. Ein geregelter Druck wird dem Integralventil 36 über eine Leitung 88 zugeführt und.

wenn man annimmt, daß die Ventilspindel 34 nach abwärts gedrückt ist, so tritt Druckmittel über den Ringraum 90 und die Verbindungsbohrung 94 an dem nun verschobenen Bund 92 vorbei ein und gelangt über den Kanal 98 zu dem Ringraum 96. Eine Zerhackerkonstruktion 100, welche eine Reihe im Abstand voneinander angeordneter Radialstege besitzt, ermöglicht einen intermittierenden Zustrom von Druckmittel von dem Ringraum % zu der Leitung 70, welche die Verbindung zu der Kammer 74 des Stelltriebs 75 hergestellt. Der Druckmittelzustrom vom Integralventil 36 her dauert an, bis das Fehlersignal wieder auf seinen Nullwert zurückkehrt, d.h. bis die Gestängearme 14 und 18 wieder auf einer Linie liegen.

Die Ventilspindel 34 wird mittels einer Feder 102 nach aufwärts vorgespannt, wobei ein Ende der Feder an einem Lagerungsteil 104 verankert ist, das über ein Lager 106 in einer Ausnehmung am unteren Ende der Ventilspindel 34 drehbar gelagert ist. In der entgegengesetzten Richtung, d. h. bei entgegengesetzter Polarität des Fehlersignales, wird der Winkelhebel 28 im Gegenuhrzeigersinn um den Lagerungspunkt 38 verschwenkt, so daß die Ventilspindel 34 nach aufwärts bewegt wird. Hierdurch kommt die Leitung 70 über die Ringräume 96 und 92 mit der Entlüftungsleitung 108 in Verbindung, so daß Druckmittel von der Kammer 74 des Stelltriebs 75 abgeführt wird und sich der Kolben 78 nach links bewegt, so daß der Brennstoffzustrom zum Triebwerk verringert wird.

Es sei bemerkt, daß bei einer Einstellung des Triebwerks durch den Regler zur Korrektur eines Einstellfehlers sich das Integralventil 36 kontinuierlich bewegt. Da die Integrationsgeschwindigkeit durch den Dosierquerschnitt zwischen dem Bund 92 und dem Raum 90 gegeben ist, bildet die Integrationsgeschwindigkeit eine Funktion der Ventilstellung und die Ventilstellung ist wieder eine Funktion des Drehzahlfehlers. Das Gesamtergebnis ist eine Verbesserung des Verstärkungsfaktors des Systems und eine verbesserte Unabhängigkeit von Viskositätsänderungen, welche durch Temperaturänderungen verursacht werden.

Nachdem der Winkeihebe! 28 mit dem das Fehlersignal bildenden Gestänge, nämlich den Gestängearmen 14 und 18 gekuppelt ist und da einstellbare Anschläge 72 und 73 den Hub des Kolbens 52 bestimmen, kann hier eine solche Einstellung vorgenommen werden, daß eine bestimmte Stellung vorweggenommen wird, wenn das Integralventil sich an die der Solldrehzahl entsprechende Stellung annähen. Dies läßt sich noch besser anhand der graphischen Darstellung von F i g. 2 erklären. Die gestrichelte Linie D' kennzeichnet den Übergang der Wertevorgabe von der normalen Regelung zur Beschleunigung. Anstatt der Regelkennlinie D zu folgen, ermöglicht es die durch das Proportional-Steuerventil verwirklichte Vorwegnahme, daß die Wertevorgabe der gestrichelten Linie D' folgt, bis sie die Regelkennlinie D schneidet Bevor also das Integralventil 36 zur Nullstellung zurückkehrt beginnt das Proportionalventil 50 bei einem bestimmten Prozentsatz des Drehzahlfehlers mit seinem Hub und verringert den Wert W₁, bevor die Solldrehzahl erreicht ist, so daß ein Überregeln oder Unterregeln vermieden wird.

Aus F i g. 1 ist ferner zu entnehmen, daß bei einer Ausrichtung der Gestängearme 14 und 18 und bei einem Fehlen eines Drehzahlfehlers die Arme 30 und 40 des Winkelhebels 28 die in der Zeichnung wiedergegebene Stellung annehmen. Hat jedoch ein Fehlersignal einmal eine Betätigung des Drosselorganes 46 durch den Arm

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40 in Richtung nach abwärts herbeigeführt, so kann der Fortbewegung des Ansatzes 48 von dem Drosselorgan

Arm 30 noch seine Bewegung fortsetzen und die 46. Es ergibt sich also bezüglich beider Bewegungen, daß

Flanschen 42 und 44 trennen sich voneinander. In nach nachdem das Proportionalventil betätigt worden

Richtung nach aufwärts bewirkt demgegenüber der 50 betätigt worden ist, das Inlegralventil 36 seine

Arm 30 eine Verschwenkung des Armes 40 und eine ~> Bewegung fortsetzi, bis der Fehler verschwunden ist.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelsystem zur Regelung einer Größe auf konstanten Wert, mit einem zur Änderung dieser ■> Größe verstellbaren Stelltrieb und mit einem Regler, der den Stelltrieb in Abhängigkeit von einem Fehler zwischen einem Istwert der Größe und einem bestimmten Sollwert dieser Größe positioniert und ein Fehlersignal aus dem durch einen Drehzahlfühler ermittelten Istwert der Größe und einem Sollwert der Größe erzeugt, mit einem von dem Fehlersignal beaufschlagten Integralsteuerorgan zur Beaufschlagung des Stelltriebs in Abhängigkeit des Integrals des Fehlersignals und mit einem ebenfalls von dem Fehlersignal beaufschlagten Proportionalsteuerorgan zur zusätzlichen Beaufschlagung des Stelltxiebs in Abhängigkeit von einem zum Fehlersignal proportionalen Wert, das einen Kolben enthält, der in eine erste und in eine zweite Steuerstellung bewegbar ist und zwischen diesen eine feste Zwischenstellung hat, wenn das Fehlersignal den Wert null hat, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Proportionalwirkung des Proportionalsteuerorgans (50) von Hand versteübare Anschläge (72, 73) zur Einstellung des Hubes von dessen Kolben (52) vorgesehen sind.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steiltrieb (75) einen hydraulisch betätigten Kolben (78) aufweist und daß )o der Kolben (52) des Proportionalsteuerorgans (50) bei seiner Bewegung eine bestimmte Druckmittelmenge dem Kolben des Stelltriebs (75) zuführt oder von dort abführt.

3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch J> gekennzeichnet, daß der Kolben (52) des Proportionalsteuerorgans (50) ein Servoantriebskolben mit hälftig aufgeteilten Betätigungsflächen ist.

4. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerstel- ·κ< lungen des Kolbens (52) des Proportionalsteuerorgans (50) durch die Lage der Anschläge (72, 73) so wählbar sind, daß der Kolben bei einem bestimmten Prozentsatz des Fehlersignals zu der festen Zwischenstellung zurückkehrt. ■<">

5. Regelsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Gestänge (14,18,22) zur Erzeugung des Fehlersignals ein Arm eines Winkelhebels (28) verbunden ist, dessen anderer Arm auf das Integralsteuerorgan (36) einwirkt, und >o daß mit dem Winkelhebel (28) ein Betätigungshebel (40) schwenkbar verbunden ist, welcher zur Betätigung des Proportionalsteuerorgans (50) dient.

6. Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Winkelhebel (28) und " an dem Betätigungshebel (40) einander entsprechende Flansche (42, 44) angeformt sind und daß Federmittel vorgesehen sind, welche diese Flansche zumindest auf einen bestimmten Bewegungsabschnitt des Winkelhebels und des Betätigungshebels f>o in gegenseitiger Anlage halten.