FR2640689A1 - Systeme et dispositif de commande d'un moteur a turbines a gaz - Google Patents

Abstract

Un système 10 pour commander un moteur à turbines à gaz comprend une première boucle 12 recevant un groupe d'instructions d'entrée 22, et traitant ces dernières pour former un premier signal proportionnel 34; une seconde boucle 14 recevant et traitant simultanément ce même groupe d'instructions 22, et engendrant un second signal proportionnel 64; et un moyen 36 pour combiner les premier et second signaux proportionnels 34, 64, moyen 36 dont la sortie est connectée à un intégrateur commun 38 raccordé à un actuateur 40 du moteur.

Description

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SYSTEME ET DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN MOTEUR A

TURBINES A GAZ

La présente invention se rapporte à un système et à un dispositif pour commander un moteur à turbines à gaz et, plus particulièrement, a un système et un dispositif de commande comprenant des premier et second canaux ou boucles qui, l'une et l'autre, surveillent et commandent en continu

le fonctionnement du moteur.

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION

Des moteurs modernes à turbines à gaz présentent de

nombreux systèmes pour commander un large éventail de para-

mètres, en vue d'obtenir le fonctionnement le plus efficace du moteur. Parmi ces paramètres commandés, l'on peut citer le débit du carburant, la vitesse du ventilateur, le pas de ce ventilateur et les superficies des buses de sortie dudit

ventilateur. L'on utilise, depuis peu, des systèmes électro-

niques numériques à autonomie intégrale, pour permettre une meilleure commande des systèmes par rapport à de multiples boucles de commande qui, jusqu'à présent, n'étaient pas coordonnées. Néanmoins, lorsque ces systèmes électroniques

sont employés dans un moteur à turbines à gaz, il est sou-

haitable de disposer d'un système de commande de relayage,

qui assure une poursuite du fonctionnement dans l'éventua-

lité d'une défaillance électrique ou de malfonctionnements

d'éléments constitutifs du système de commande primaire. Ty-

piquement, ces systèmes de relayage consistent en une unité

hydromécanique additionnelle, ou bien en un système électro-

nique, dont l'un et l'autre commandent le moteur uniquement

après une défaillance du système de commande primaire. Ty-

piquement, la détection d'une défaillance affectant le sys-

tème de commande primaire s'opère par autosurveillance, grâce à l'utilisation d'un système de vérification intégré (BIT) qui est typiquement en mesure de vérifier à 95 % le fonctionnement correct du système de commande, en contrôlant

des valeurs, des plages et des détecteurs, et en accomplis-

sant des tests d'échantillonnage d'un bout à l'autre du sys-

tème de commande, par exemple sur la mémoire à accès alea-

toire (RAM), sur les convertisseurs analogique/numérique, sur les conducteurs d'entrée, sur le microprocesseur et sur

des valeurs de tension dans l'alimentation en puissance.

Après que le système BIT a détecté une défaillance, le sys-

tème de commande primaire se met lui-même hors fonction et le système de commande de relayage est activé. Toutefois, du fait que le système de commande électronique doit également

assurer une surveillance et une commande constantes du fonc-

tionnement du moteur, ledit système BIT doit intervenir en temps partagé avec le dispositif de contrôle de l'ordinateur

du système de commande. Par conséquent, ce système BIT ré-

clame une période prolongée pour vérifier le fonctionnement

correct de l'intégralité du système, de sorte qu'une indési-

rable temporisation peut se produire avant la détection d'une

défaillance. En outre, après qu'une défaillance a été détec--

tée dans le système de commande primaire, des temporisations

peuvent se produire avant que le système de commande de re-

layage devienne pleinement opérationnel. En fin de compte, étant donné qu'un système BIT typique détecte 95 Z de toutes

les défaillances, 5 Z de ces défaillances demeurent non dé-

tectés et, de ce fait, -le système de commande primaire ne se

met pas de lui-même hors fonction au cours de ces modes dé-

fectueux non détectés. L'incapacité à détecter certaines dé-

faillances, les temporisations intervenant dans la détec-

tion de défaillances, ou bien les temporisations exigées par le système de relayage pour devenir pleinement opérationnel, peuvent se traduire soit par des interruptions, soit par des

instabilités dans la commande du moteur, ce qui peut se sol-

der par un rendement médiocre de ce moteur se matérialisant par un régime de survitesse, un calage ou un arrêt dudit moteur par épuisement. C'est pourquoi il serait souhaitable

de disposer d'un système de commande qui admette des tempori-

sations dans la détection de défaillances, ainsi qu'une non-

détection de défaillances.

CARACTERISTIQUES ESSENTIELLES DE L'INVENTION

Conformément à l'invention, un système de commande d'un moteur à turbines à gaz comprend des premier et second canaux ou boucles qui, l'une et l'autre, commandent simultanément

ledit moteur. La première boucle reçoit un groupe d'instruc-

tions d'entrée, et traite ces instructions d'entrée pour former un premier signal proportionnel. La seconde boucle reçoit elle aussi le même groupe d'instructions d'entrée, et traite ces instructions d'entrée pour former un second signal proportionnel. Les premier et second signaux proportionnels sont appliqués à un moyen de combinaison de signaux, et la sortie de ce moyen est connectée à un intégrateur commun qui

active un actuateur du moteur.

Comme mentionné ci-avant, l'invention a également trait à un dispositif pour commander un moteur à turbines à gaz,

comprenant des premier et second moyens pour recevoir un si-

gnal de commande du moteur, ainsi que des premier et second

moyens pour engendrer des premier et second moyens de con-

trôle. Un premier moyen, pour engendrer un signal différen-

tiel représentatif de la différence entre le signal de comman-

de et le premier signal de contrôle,est raccordé au premier moyen récepteur. Un premier moyen, pour traiter le premier

signal différentiel afin de former un premier signal pro-

portionnel, est raccordé au premier moyen différenciateur.

Un second moyen, pour engendrer un second signal différen-

tiel représentatif de la différence entre le signal de com-

mande et le second signal de contrôle, est raccordé au se-

cond moyen récepteur. Un second moyen, pour traiter le se-

cond signal différentiel afin de former un second signal

proportionnel, est raccordé au second moyen différenciateur.

Un moyen combine les signaux de sortie des premier et second moyens de traitement, et un intégrateur commun ainsi qu'un

actuateur sont raccordés à la sortie de ce moyen de combinai-

son.

PRESENTATION SUCCINCTE DES DESSINS

La figure 1 est une illustration schématique de l'une des formes de réalisation de l'invention;

la figure 2 est une représentation schématique d'un dis-

positif de commande par intégration, matérialisant une autre forme de réalisation de l'invention; et la figure 3 montre, schématiquement, un dispositif de

commande proportionnelle selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE FORMES DE REALISATION PREFERENTIELLES

Il convient de se référer à la figure 1, sur laquelle la présente invention est globalement illustrée sous la forme d'un système 10 de commande d'un moteur à turbines à gaz. Il est bien évident que ce système de commande est également applicable à n'importe quel moteur à turbines à gaz, par

exemple un turbomoteur, un turboréacteur ou un turboventila-

teur.

Le système de commande 10 comprend des première et se-

conde boucles (canaux) de commande qui sont respectivement désignées par 12 et 14 et qui, l'une et l'autre, surveillent

et commandent simultanément le fonctionnement du moteur.

La première boucle de commande 12 présente un premier moyen récepteur 20, qui reçoit un groupe d'instructions d'entrée 22. Ces instructions d'entrée sont traitées pour

former un premier signal d'erreur 24 représentatif d'une va-

riation souhaitée intervenant dans le fonctionnement du mo-

teur. Le premier moyen récepteur 20 est raccordé à un premier

moyen 26 pour engendrer un signal différentiel 28 représen-

tatif de la différence entre le premier signal d'erreur 24, et un premier signal de réinjection 30 qui correspond à un actionnement de l'actuateur. Le signal différentiel 28 du

premier moyen différenciateur 26 est appliqué, de préféren-

ce, à une première unité dynamique 32 destinée à traiter ce signal pour l'amener au niveau souhaité, et le signal de sortie de cette première unité dynamique 32 est un premier

signal proportionnel 34 indiquant le taux de variation sou-

haité du paramètre commandé. La sortie de la première unité dynamique 32 est connectée à un moyen 36 conçu pour combiner les signaux, à un intégrateur commun 38 et.à un actuateur 40. La première boucle de commande 12 est ensuite parachevée par un premier moyen 42 pour engendrer un premier signal de

contrôle 44, représentatif de conditions propres à l'actua-

teur. Le premier signal de contrôle 44 est préférentiellement

appliqué à un premier processeur de réinjection 46 qui en-

gendre le premier signal de réinjection 30, et ce premier

signal de réinjection 30 est appliqué au premier moyen dif-

férenciateur 26.

La seconde boucle de commande 14 se compose d'éléments similaires à ceux de la première boucle 12; ainsi, un second

moyen récepteur 50 reçoit le même groupe d'instructions d'en-

trée 22 que le premier moyen récepteur 20, et il traite ces instructions d'entrée d'une manière similaire pour former un second signal d'erreur 54. Il apparaitra aisément que le groupe d'instructions 22 reçues par le second moyen récepteur est engendré, de préférence, en utilisant des capteurs, des dispositifs de surveillance et des processeurs distincts

de ceux utilisés pour former le groupe d'instructions 22 re-

çues par le premier moyen récepteur 20. Ainsi, des varia-

tions peuvent intervenir entre les groupes d'instructions 22

respectivement reçues par les premier et second moyens ré-

cepteurs 20 et 50, suite à des variations de tolérances ou à des défaillances de composants, par exemple suite à la présence d'un capteur défectueux. Le second moyen récepteur 50 est raccordé à un second moyen 56 générateur d'un signal

différentiel 58 représentatif de la différence entre le se-

cond signal d'erreur 54, et un second signal de réinjection qui correspond à un actionnement de l'actuateur. Le second

moyen 56 pour engendrer le signal différentiel 58 est préfé-

rentiellement raccordé à une seconde unité dynamique 62 des-

tinée à traiter ce signal pour l'amener au niveau souhaité, et le signal de sortie de cette seconde unité dynamique 62 est un second signal proportionnel 64 indiquant le taux de variation souhaité du paramètre commandé. Le second signal proportionnel 64 est appliqué au moyen 36 de combinaison des signaux, à l'intégrateur commun 38 et à l'actuateur 40. La seconde boucle de commande 14 est parachevée par un second

moyen 72 générateur d'un second signal de contrôle 74, ap-

pliqué à un second processeur de réinjection 76 qui engendre

le signal de réinjection 60 appliqué au second moyen diffé-

renciateur 56. De la sorte, l'on constate aisément que les signaux provenant de chacune des boucles de commande sont

combinés en amont de l'intégrateur commun 38.

Les premier et second moyens récepteurs, respectivement référencés par 20 et 50, peuvent être n'importe quels moyens

conçus pour recevoir soit un signal électrique, soit un si-

gnal mécanique, mais le moyen récepteur est de préférence

constitué par une entrée d'un système de commande électroni-

que numérique (DEC), destiné à recevoir des signaux de com-

mande électronique. Les premier et second moyens générateurs d'un signal différentiel, respectivement désignés par 26 et

56, peuvent être n'importe quels moyens pour engendrer unsi-

gnal représentant la différence entre les deux instructions d'entrée. Ce signal différentiel est typiquement engendré par l'ordinateur DEC. Par ailleurs, les première et seconde unités dynamiques respectivement repérées par 32 et 62 sont, elles aussi, de préférence alimentées par l'intermédiaire du DEC, d'une manière bien connue des spécialistes en matière de dispositifs de commande de moteurs à turbines à gaz. De surcroît, si l'on utilise les premier et second processeurs

de réinjection respectivement désignés par 46 et 76, ce trai-

tement est lui aussi effectué, de préférence, par le système DEC.

Le moyen 36 de combinaison des signaux renferme, de pré-

férence, un moyen destiné soit à former la moyenne, soit à

additionner les premier et second signaux proportionnels res-

pectivement repérés par 34 et 64. L'intégrateur commun 38 peut être alimenté électroniquement ou, de préférence, par

une structure matérielle. Il va de soi que le moyen de com-

binaison 36, l'intégrateur commun 38 et l'actuateur 40 peu- vent être soit regroupés en un seul et unique composant, soit représenter des composants distincts. Comme illustré par

exemple sur la figure 2, dans un système de commande par in-

tegration du débit de carburant, un moteur 60 à enroulement double peut, en fonction de la configuration de l'enroulement, servir à la fois de sommateur ou de formateur de moyennes pour

l'un et l'autre des premier et second signaux proportionnels.

Ce moteur 60 à enroulement double peut être raccordé à une valve 62' de pilotage et de dosage, pouvant faire à la fois office d'intégrateur commun et d'actuateur. Cette valve 62'

commande ensuite le débit effectif de carburant. De préfé-

rence, cette valve de pilotage et de dosage présente la fonc-

tion de transfert suivante: K s formule dans laquelle K est un multiplicateur et s est la variable de fréquence complexe. Par ailleurs, dans ce système

de commande par intégration, les premier et second proces-

seurs de réinjection respectivement désignés par 46 et 76 présentent, de préférence, la fonction de transfert suivante: KS s(TlS + 1)

formule dans laquelle K est un multiplicateur, s est la va-

riable de fréquence complexe et T1 est une constante tempo-

relle telle que décrite par l'algèbre laplacienne, qui est utilisée pour décrire la réaction de systèmes de commande à divers signaux d'entrée. Les dispositifs de commande peuvent

fonctionner avec réaction tachymétrique, comme dans le dispo-

sitif de commande par intégration, ou bien, en variante, les première et seconde unités dynamiques respectivement repérées par 32 et 62 peuvent transformer les signaux par traitement

en des signaux proportionnels.

Les premier et second moyens générateurs de signaux de

contrôle, respectivement désignés par 42 et 72, sont typique-

ment constitués par des capteurs individuels associés au mo- teur, qui peuvent être de n'importe quel type bien connu

pour fournir une indication adéquate du paramètre particu-

lier du moteur en cours de mesurage. Dans le cas d'un systè-

me de commande du débit de carburant, les capteurs sont de préférence matérialisés par une paire de transformateurs différentiels linéaires (LDVT), qui mesure la position de

la valve doseuse. Comme représenté sur la figure 3, un sys-

tème de commande proportionnelle du débit du carburant four-

nit des valeurs de sortie proportionnelles pour les premier

et second signaux respectifs de contrôle 44 et 74. Ces va-

leurs de sortie proportionnelles sont ensuite entrées dans les premier et second moyens respectifs 26 et 56 générateurs de signaux différentiels. Il est avantageux que le système DEC utilise la valeur d'entrée provenant des capteurs de

positions et que, en faisant usage d'un algorithme, il dé-

termine le taux de variation de la valve doseuse. Il est toutefois évident que, dans les deux dispositifs de commande,

l'intégrateur commun reçoit un signal d'entrée à taux combiné.

En service, les premier et second moyens récepteurs respectifs 20 et 50 reçoivent, l'un et l'autre, au moins un signal de commande représentatif du régime de fonctionnement souhaité du moteur. Ensuite, les première et seconde boucles

respectives de commande 12 et 14 engendrent, l'une et l'au-

tre, des signaux différentiels qui sont traités séparément dans chaque boucle de commande. Chaque boucle de commande est conçue pour former un signal proportionnel, les signaux proportionnels sont combinés, puis le signal combiné est appliqué à l'intégrateur commun qui active l'actuateur du

moteur. Ainsi, chaque boucle de commande pilote simultané-

ment le fonctionnement du moteur. A terme, il est bien évi-

dent que chaque boucle surveille et commande simultanément et efficacement le fonctionnement du moteur. Néanmoins, étant donné que le dispositif de commande agit typiquement sur la base d'un microprocesseur, certaines temporisations ont lieu entre les variations de remise à jour et de comman-

de de chaque boucle, suite au rythme d'horloge normal d'opé-

rations effectuées par microprocesseurs. Dans le cas d'un système de commande du débit de carburant, le signal émanant de chaque boucle est appliqué à deux enroulements séparés d'un moteur à enroulement double. Ce moteur commande ensuite

la valve de pilotage et de dosage, laquelle maîtrise le dé-

bit du carburant. La position de cette valve est surveillée, et deux signaux correspondants sont séparément réinjectés dans chacune des deux boucles de commande en introduisant ces signaux dans le système DEC, dans lequel ils peuvent être traités en appliquant une fonction de transfert, puis

le résultat est ensuite appliqué à son propre moyen diffé-

renciateur, ce qui confère une commande en boucle fermée.

Ainsi, chaque boucle de commande engendre sa propre instruc-

tion et convertit cette instruction en la tension appropriée, laquelle est ensuite appliquée à des enroulements distincts du moteur qui remplit la fonction d'un sommateur pour les

deux boucles de commande. Dansce système, un seul et uni-

que intégrateur peut être employé et assurer, de la sorte, un partage naturel entre deux boucles de commande. Ainsi,

si une défaillance venait à se produire dans l'une des bou-

cles de commande, la boucle de commande restante assure une compensation automatique de quelconques signaux de commande

incorrects appliqués au moteur à enroulement double. Le sys-

tème de commande selon la présente invention tolère non seu-

lement des temporisations intervenant dans la détection de défaillances ou dans le transfert de systèmes de relayage à la condition de fonctionnement intégral, mais ce système tolère également des fautes qui ne sont pas détectées par le

système de vérification intégré. S'il survient une défail-

lance à l'intérieur de l'une des boucles de commande, l'autre

boucle assure la commande et la compensation du système dé-

fectueux au lieu d'assurer une commande instable, voire de n'assurer aucune commande du moteur à turbines à gaz. Par conséquent, le présent système tolère des erreurs, autorise une plus grande durée de la détection de défaillances, et assure une commande du moteur durant cette période, ainsi que durant la période pendant laquelle un système de relayage

éventuellement employé est rendu opérationnel.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent

être apportées à l'invention telle que décrite et représen-

tée, sans sortir de son cadre.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Système (10) pour commander un moteur à turbines à

gaz, système caractérisé par le fait qu'il comprend un pre-

mier canal ou une première boucle (12) qui reçoit un groupe d'instructions d'entrée (22), et traite ces instructions d'entrée pour former un premier signal proportionnel (34);

un second canal ou une seconde boucle (14) qui, simultané-

ment, reçoit et traite ce même groupe d'instructions d'en-

trée (22), et engendre un second signal proportionnel (64);

et un moyen (36) pour combiner lesdits premier (34) et se-

cond (64) signaux proportionnels, la sortie dudit moyen de combinaison (36) étant connectée à un intégrateur commun

(38) qui est raccordé à un actuateur (40) du moteur.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'intégrateur commun (38) et l'actuateur (40) sont

combinés.

3. Système selon la revendication 1, caractérisé par le

fait que l'intégrateur commun (38) consiste en un intégra-

teur à équipement électronique.

4. Système selon la revendication 1, caractérisé par le

fait que les premier (34) et second (64) signaux proportion-

nels sont combinés en additionnant ces signaux.

5. Système selon la revendication 1, caractérisé par le

fait que les premier (34) et second (64) signaux proportion-

nel! sont combinés en formant la moyenne de ces signaux.

6. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen pour combiner les signaux consiste en un

moteur (60) à enroulement double.

7. Dispositif pour commander un moteur à turbines à gaz, dispositif caractérisé par le fait qu'il comprend un premier moyen (20) pour recevoir au moins un signal (24) de commande du moteur, représentatif du fonctionnement souhaité de ce moteur; un moyen (42) pour engendrer un premier signal de contrôle (44) représentatif de la condition effective du moteur; un moyen (26) pour engendrer un premier signal de sortie différentiel (28) représentatif de la différence entre

ledit signal (24) de commande du moteur et ledit premier si-

gnal de contrôle (44), ce premier moyen différenciateur (26) étant raccordé audit premier moyen récepteur (20) et audit premier moyen (42) générateur de signaux de contrôle; un moyen (32) pour traiter ledit premier signal différentiel

(28) afin de former un premier signal de sortie proportion-

nel (34), ledit moyen (32) de traitement dudit premier si-

gnal différentiel (28) étant accouplé à la sortie dudit pre-

mier moyen différenciateur (26); un second moyen (50) pour recevoir ledit signal de commande (54); un moyen (72) pour engendrer un second signal de contrôle (74) représentatif de la condition effective du moteur; un moyen (56) pour

engendrer un second signal de sortie différentiel (58) re-

présentatif de la différence entre ledit signal de commande (54) et ledit second signal de contrôle (74), ce second moyen différenciateur (56) étant raccordé audit second moyen

récepteur (50) et audit moyen (72) engendrant le second si-

gnal de contrôle; un moyen (62) pour traiter ledit second signal différentiel (58) afin de former un second signal de sortie proportionnel (64), ce moyen (62) pour traiter ledit second signal différentiel (58) étant raccordé à la sortie dudit moyen (56) générateur du second signal différentiel; un moyen (36) pour combiner les signaux de sortie desdits premier (32) et second (62) moyens de traitement des signaux

différentiels; et un intégrateur commun (38) et un actua-

teur (40) qui sont raccordés à la sortie dudit moyen de

combinaison (36).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le moyen pour combiner les signaux de sortie des premier (32) et second (62) moyens de traitement consiste en

un moteur (60) à enroulement double.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par

le fait que l'intégrateur commun et l'actuateur sont maté-

rialisés par une valve (62') influençant le débit du carburant.

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10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le moyen (42) pour engendrer un premier signal de contrôle (44) et le moyen (72) pour engendrer un second signal de contrôle (74) consistent,chacun, en des capteurs de positions d'une valve (62') de dosage du débit de carburant.

11. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend, par ailleurs, un premier processeur de réinjection (46) qui traite le premier signal de contrôle

(44) avant que ce signal soit appliqué au premier moyen dif-

férenciateur (26), et un second processeur de réinjection (76) qui traite le second signal de contrôle (74) avant que

ce signal soit appliqué au second moyen différenciateur (56).

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les premier (46) et second (76) processeurs de réinjection engendrent, chacun, un signal proportionnel

à partir des premier (44) et second (74) signaux de contrôle.