DE2817322A1

DE2817322A1 - Pi-regelsystem

Info

Publication number: DE2817322A1
Application number: DE19782817322
Authority: DE
Inventors: Jun Adelard Levesque
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1978-04-20
Publication date: 1978-11-02
Also published as: GB1573497A; SE7804764L; DE2817322C2; SE446781B; US4139887A; IL54447A; JPS646481B2; JPS54176A; CA1098998A; IT1095329B; IT7822700A0; IL54447A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein PI-Regelsystem und betrifft insbesondere ein System, in welchem ein einziger Stellantrieb dazu dient, Variable eines Triebwerks zu steuern, wobei die Regelung auf mehr als einen Parameter anspricht und wobei die Verstärkung des Integrierers in Abhängigkeit von dem Fehler der Variablen, die geregelt wird, ausgewählt wird.

Bekanntlich ist es sehr wichtig, daß die Verstärkung eines Regelsystems so ausgelegt ist, daß sie an die Ansprechzeit des Systems, das es steuert, angepaßt ist. Das ist erforderlich, um schnelles Ansprechen und Stabilität sowohl in dem Regelsystem als auch in dem geregelten System sicherzustellen. PI-Regler sind bekannt und werden benutzt, um

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schnelles Ansprechen und stabilen Betrieb der Regeldynamik zu optimieren, indem die Verstärkungen so aufeinander abgestimmt werden, daß Zeitverzögerungen und Zeitvoreilungen in bezug auf die Prozeßdynamik kompensiert werden. Wenn der Regler auf ein einziges Eingangssignal anspricht und einen einzigen Stellantrieb benutzt, ist die Dynamik des Systems relativ einfach und Stabilität und schnelles Ansprechen werden leicht erreicht, indem das System mit den richtigen Kompensationszeitkonstanten versehen wird. Eine Fehlanpassung der Ansprechzeit in der Prozeßdynamik kann jedoch vorhanden sein, wenn ein einziger Stellantrieb durch mehr als eine Variable gesteuert wird. Wenn beispielsweise der Auslaßdüsenstellantrieb für ein Gasturbinentriebewerk durch eine Triebwerksdruckverhältnisvariable und durch eine Triebwerksluftstromvariable gesteuert wird,ist es wegen der Zeitdifferenz, die es erfordert, um jede Variable durch eine Änderung im Düsenquerschnitt zu beeinflussen, erforderlich, die Regelung so auszulegen, daß diese Differenz kompensiert wird. Selbstverständlich kann als Kompromiß ein Mehrschleifensystem vorgesehen werden, das ist aber nicht ideal, da entweder die Drehzahl oder die Stabilität gefährdet wird.

Der Erfinder hat herausgefunden, daß dieses Problem beseitigt werden kann, indem der PI-Regler so ausgelegt wird, daß die Integralverstärkung in Abhängigkeit davon verändert wird, welche Variable gerade steuert. Dieses Regelschema, das einen einzigen Stellantrieb enthielt, der durch mehr als eine Variable gesteuert wurde, ist an einem Triebwerk getestet worden und hat sich als besonders wirksam erwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Mehrschleifenregelsystem zu schaffen, das einen einzigen Stellantrieb

hat,der durch zwei oder mehr als zwei Variable gesteuert wird.

Die Erfindung schafft eine Einrichtung, die eine sich ändernde Prozeßdynamik in einem Mehrschleifenregelsystem, in welchem ein Stellantrieb durch wenigstens zwei Variable gesteuert wird, kompensiert, indem sie die Integralverstärkung in Abhängigkeit von dem Fehler dieser den Stellantrieb steuernden Variablen ändert.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das die Dynamik eines

Mehrschleifenregelsystems veranschaulicht, welches einen einzigen Stellantrieb in Abhängigkeit von zwei Variablen steuert, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild, welches eine bevorzug

te Ausführungsform des Systems nach der Erfindung zeigt, das zwei Variable eines Gasturbinentriebwerkes regelt.

Fig. 1 zeigt einen einzelnen Stellantrieb, bei welchem es sich um irgendeine bekannte Servoeinrichtung handeln kann, beispielsweise den Stellantrieb für die Kraftstoffdosiereinrichtung oder den Stellantrieb für die Auslaßdüse, die jeweils bekannt und im Handel erhältlich sind und dazu dienen, die Kraftstoffzufuhr zu dem Triebwerk bzw. den Querschnitt der Auslaßdüse des Triebwerks zu steuern. Stellantriebe, Ventilanordnungen und Triebwerke des Typs, der im Rahmen der Erfindung benutzt werden kann, sind beispiels-

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weise die Triebwerke F-IOO, JT-9 und JT-8 sowie die Kraftstoff regler JFC-25 und JFC-68, die von den Tochtergesellschaften Pratt & Whitney bzw. Hamilton Standard der Anmelderin hergestellt werden.

Die Variablen können beispielsweise die Verdichterläuferdrehzahl N₁ und die Turbineneinlaßtemperatur TIT sein, die an dem Triebwerk abgefühlt werden, was durch einen Block 10 dargestellt ist. Die Drehzahl N. wird mit einem programmierten Wert in einem Vergleicher 12 verglichen und die Temperatur TIT wird mit einem programmierten Wert in einem Vergleicher 14 verglichen. Der Fehler, der sich aus jedem Vergleich ergibt, wird dann verarbeitet, indem zuerst eine Proportionalverstärkung hinzugefügt wird, bevor derjenige Fehler ausgewählt wird, der den Stellantrieb steuert. Das Ausgangssignal eines geeigneten Fehlerselektors 16 wir dann an den PI-Regler angelegt, um den Stellantrieb zu verstellen, der seinerseits die Kraftstoffzufuhr verstellt, damit dem Triebwerk die zum Erzielen der korrekten Drehzahl N₁ oder der korrekten Temperatur TIT erforderliche Energie zugeführt wird.

Gemäß der Erfindung wird die Integralverstärkung des durch einen Block 18 dargestellten Integrierers in Abhängigkeit davon gewählt, welcher Fehler der steuernde Fehler ist, nämlich der Fehler der Temperatur TIT oder der Fehler der Drehzahl N₁. Die Verstärkung des Proportionalreglers, der durch einen Block 20 dargestellt ist, bleibt fest auf einem vorgewählten Wert.

Die Regeldynamik kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

K₁ (K₁₃ZK₁ s+i)

für Schleife 1 K /K =
für Schleife 2 ^Kp/^Ki ⁼

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wobei:

K = Verstärkung

T = Kompensationszeitkonstante

S = Laplace-Transformierte Index I = integral
Index P= proportional

Für eine konstante Proportionalverstärkung K wird somit die Integralverstärkung K_T verändert,wie es durch eine Linie 22 dargestellt ist, um jede Prozeßdynamikkenngröße genau zu kompensieren. Die Schleifenverstärkungen K₁ und K„ können dann so eingestellt werden, daß sich die richtige Gesamtverstärkung ergibt. Das Verändern der Integralverstärkung verursachte keine stufenförmige Änderung in den Ausgangssignalen und ergab daher einen glatten Regelvorgang.

Fig. 2 zeigt ausführlicher eine weitere bevorzugte Ausführungsform für ein Gasturbinentriebwerk 30, bei welchem die Auslaßdüse A. durch einen Stellantrieb 32 eingestellt wird, der auf einen PI-Regler 34 anspricht. Die Erfindung ist zwar in Analogform dargestellt, es ist jedoch klar, daß sie leicht an eine Digitalregelung angepaßt werden kann. In diesem Fall ist das Ausgangssignal des Reglers 34 ein Wert,der dazu dient, das Auslaßquerschnittsteuersignal zu trimmen, das durch eine geeignete Steuerung (nicht dargestellt) erzeugt wird, welche durch eine Leitung 36 dargestellt ist. t,±n Multiplizierglied 38 oddierx den A.-Trimmwert zu dem A.-Basiswert, um den Querschnitt der Düse 40 wieder zu verstellen.

In dem PI-Regler 34 wird der Proportionalanteil einem Summierungsknotenpui ,„ '2 über eine Leitung 44 zugeführt, während der Integrals™ -c. ;.!, c.j.i ein geeigneter Integrierer 46 liefert, dem Summierungsknotenpunkt 42 über eine Leitung 50 zugeführt wird.

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Das Eingangssignal EACTAJ des Reglers 34 wird durch die Fehlerauswahllogik 52 ausgewählt, bei welcher es sich um einen Relaisschalter 54 und einen Vergleicher 56 handeln kann. Die Kompensationszeitkonstante TEAJ wird dem Integrierer 46 zugeführt, um seine Verstärkung zu ändern, und, wie im folgenden noch näher erläutert, die Integralverstärkung wird in Abhängigkeit davon gewählt, welcher Fehler gerade steuert.

Gemäß Fig. 2 sind die negativen Klemmen in Kontakt mit der EACTAJ-Fehlerschleife und der fEAJ-Verstärkungsschleife. Dieses Fehlersignal wird als eine Differenz zwischen dem Solluftstrom und dem über eine Leitung 60 abgefühlten und einem Summierer 62 zugeführten Istluftstrom erzeugt. Dieser Summierer erzeugt ein Fehlerausgangssignal, das dem Verstärkungsgenerator 64 zugeführt wird, der das Luftgewichtsstromsignal TRWA als Funktion von AWAC (DWAC) erzeugt. Eine tote Zone ist in den Verstärkungsgenerator eingebaut, um den Arbeitszyklus des Reglers in bekannter Weise zu reduzieren. Ein Verstärkungsgenerator 66 dient zum Erzeugen des Gebläsedruckverhältnisfehlersignals TRFPR,, das in ähnlicher Weise wie das TRWA-Fehlersignal erhalten wird, indem die Drücke an dem Gebläse 68 abgefühlt werden und ihr Verhältnis berechnet wird= Dieses Signal wird mit dem Solldruckverhältnis FPR verglichen, um den Fehler zu erzeugen. Da das Signal TRWA größer ist als das Signal TRFPR₁, verbindet der Schalter 54 die negativen Klemmen, wie dargestellt, und das Signal EACTAJ ist gleich dem Signal TRWA und 2TWÄC (eine vorbestimmte Verstärkung) ist gleich TEAJ, so daß der Auslaßdüsenquerschnitt WAC steuert.

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Andererseits, wenn das Signal TRFPR größer wird als das Signal TRWA₇ werden die positiven Klemmen verbunden und das Signal EACTAJ ist gleich dem Signal TRFPR und TEAJ ist gleich TPR (eine andere vorbestimmte Verstärkung) . In diesem Fall wird das Gebläsedruckverhältnis durch d'ie Auslaßdüse gesteuert.

Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die Verstärkung des Integrierers 46 als Funktion des den Regler 34 ansteuern^ den Fehlersignals gewählt wird.

Das Verstärkungsverhältnis K /K₁ kann vorgewählt werden, indem eine Teilerschaltung 70 vorgesehen wird, die eine Konstante, welche dem Proportionalregler zugeführt wird, durch einen vorgewählten Wert teilt. Außerdem kann die Zeitkonstante T so ausgelegt werden, daß sie sich als Funktion eines Triebwerksbetriebszustandes ändert, was bewirkt, daß sich die Kompensation von selbst einstellt, um sich an die Triebwerksdynamik anzupassen.

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Claims

Patentansprüche:

PI-Regelsystem mit einem einzigen Stellantrieb, der auf wenigstens zwei getrennte Variable anspricht, die eindeutige, aber unterschiedliche Übergangsfunktionen haben, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Auswählen des Fehlers, um den jede Variable von einer bestimmten Norm abweicht, wobei der Stellantrieb korrigierend tätig wird, um den Fehler zu korrigieren, durch eine Rückführeinrichtung, die auf den Korrekturvorgang anspricht, um den ausgewählten Fehler zu null zu machen und durch eine Einrichtung zum synchronen Verstellen der Verstärkung in der Vorwärtsschleife des Integralteils des PI-Reglers, so daß die Verstärkung mit der Ansprechzeit der Variablen übereinstimmt, für die der Fehler zu null gemacht wird.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schaltkreis mit einer Einrichtung zum Verbinden des Fehlers einer der Variablen und ihrer zugeordneten Verstärkung und durch

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einen Vergleicher, der die Fehlersignale miteinander vergleicht und den Schaltkreis danach, welches der Fehlersignale größer ist, ansteuert.
3. PI-Regelsystem, das mehrere Schleifen und einen einzigen Stellantrieb aufweist, der auf wenigstens zwei getrennte Variable anspricht, die eindeutige, aber unterschiedliche Übergangsfunktionen haben, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bilden eines Fehlersignals für jede der Variablen, durch eine Einrichtung, die auf jede der Variablen anspricht und den Fehler jeder der Variablen auswählt, wobei der Stellantrieb, der durch den ausgewählten Fehler gesteuert wird, korrigierend tätig wird, um den Fehler zu korrigieren, durch eine Rückführeinrichtung, die auf den Korrekturvorgang anspricht, um den ausgewählten Fehler zu null zu machen, und durch eine Einrichtung in der Vorwärtsschleife zum synchronen Verstellen der Verstärkung des Integralteils des PI-Reglers, so daß die Verstärkung mit der Ansprechzeit der Variablen übereinstimmt, für die der Fehler zu null gemacht wird.
4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eine vorbestimmte Verstärkung für jedes der Fehlersignale jeder der Variablen bildet, durch eine Schalteinrichtung, die auf den Fehler derjenigen Variablen, die im Steuermodus ist, anspricht und die Verstärkungseinrichtung, die die vorbestimmte Verstärkung für die ausgewählte Variable liefert, mit dem Integrierer des PI-Reglers verbindet .

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