RU2739203C1 - Способ управления двигателем глубокого регулирования - Google Patents
Способ управления двигателем глубокого регулирования Download PDFInfo
- Publication number
- RU2739203C1 RU2739203C1 RU2019143913A RU2019143913A RU2739203C1 RU 2739203 C1 RU2739203 C1 RU 2739203C1 RU 2019143913 A RU2019143913 A RU 2019143913A RU 2019143913 A RU2019143913 A RU 2019143913A RU 2739203 C1 RU2739203 C1 RU 2739203C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- pressure
- combustion
- signal
- combustion chamber
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/08—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants
- F02K9/26—Burning control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ракетной технике, в частности к управлению ракетными двигателями твердого топлива. В заявленном способе управления двигателем глубокого регулирования, заключающемся в изменении площади критического сечения сопел путем подачи на привод сопел управляющего сигнала системы управления двигателем, формируемого в зависимости от измеренного давления в двигателе, согласно изобретению, стабильность зависимости скорости горения от давления в камере сгорания двигателя обеспечивают изменением сигнала скорости горения топлива посредством динамического звена опережения, введенного в контур расчета скорости горения топлива модели двигателя, в результате чего изменяют сигнал давления в камере сгорания модельного двигателя и подают его на вход системы управления, которую перенастраивают соответствующим этому сигналу образом, далее эту систему управления устанавливают на двигатель и тем самым корректируют его управляющий сигнал. Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильности зависимости скорости горения от давления в КС и предотвращение затухания топливного заряда на режимах малой тяги. 4 ил.
Description
Изобретение относится к ракетной технике, в частности к управлению ракетными двигателями твердого топлива.
Известен способ управления двигателем глубокого регулирования (ДГР), описанный в открытом источнике (Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива, стр. 11-14, 60-71, 73-77, 176-188), и принятый за прототип. Твердотопливная регулируемая двигательная установка (ТРДУ), устанавливается на верхние ступени ракетных комплексов. Конструктивно представляет собой твердотопливный ракетный двигатель с топливным зарядом торцевого горения с высокой чувствительностью скорости горения от давления. Регулирование тяги осуществляется изменением суммарной площади критического сечения сопел, расположенных произвольным образом на двигателе.
Существенным недостатком подобных двигательных установок является нестационарность зависимости скорости горения от давления в камере сгорания при переходе между стационарными участками тяги.
Известно выражение для расчета скорости горения U=Ul⋅Pv, где U - скорость горения, U1 - коэффициент, Р - давление в КС, ν - показатель степени. Текущее давление в КС определяется с помощью дифференциального уравнения 
где 
- секундный расход твердого топлива в КС; 
- секундный газоприход в КС; 
- секундный газорасход в КС; 
где U - скорость горения топлива; S - площадь горящей поверхности топлива; γ - удельный вес топлива. Вычисляемая таким образом скорость горения называется стационарной, так как описывает зависимость скорости горения топлива от давления в камере сгорания (КС) на стационарных режимах горения топливного заряда. Однако ДГР функционирует в высокодинамичном режиме с регулированием тяги на минимально-реализуемых уровнях. При динамичных процессах на таких участках тяги в совокупности с условием малого свободного объема камеры сгорания велика вероятность возникновения низкочастотных колебаний, которые могут привести к затуханию топливного заряда, что является недопустимым для рассматриваемого твердотопливного двигателя. Реальная скорость горения топлива в камере сгорания рассматриваемого двигателя при этом не является стационарной, поэтому если не учитывать этого факта при синтезе алгоритма управления двигателя, обеспечить требуемое качество регулирования практически невозможно, из-за чего двигатель не может выполнить поставленную перед ним задачу. На рис. 1 изображен график давления (программная (а) и реальная (б) величины) в КС при проведении натурных испытаний ТРДУ, отражающий поставленную проблему. При выходе на режим малой тяги сразу после включения двигательной установки возникли низкочастотные колебания давления, что привело к прекращению работы двигателя.
Задачей изобретения является обеспечение стабильности зависимости скорости горения от давления в КС и предотвращение затухания топливного заряда на режимах малой тяги.
Указанная задача выполняется за счет того, что в способе управления двигателем глубокого регулирования, заключающийся в изменении площади критического сечения сопел путем подачи на привод сопел управляющего сигнала, формируемого в зависимости от измеренного давления в двигателе, согласно изобретению, стабильность зависимости скорости горения от давления в камере сгорания двигателя обеспечивают изменением сигнала скорости горения топлива посредством динамического звена опережения, введенного в контур расчета скорости горения топлива в модели двигателя, таким образом, изменяют сигнал давления в камере сгорания модели двигателя и подают его на вход системы управления двигателем, тем самым корректируя его управляющий сигнал.
Таким образом, обеспечивается стабильность работы реального двигателя при переходе на малые режимы тяги.
Для учета нестационарности зависимости скорости горения от давления в КС рассматриваемого двигателя предлагается использовать динамическое звено опережения, которое выражается дифференциальным уравнением:
где U - скорость горения твердого ракетного топлива (ТРТ), U0 - ее стационарная величина, T1 и Т2 - постоянные времени звена, ξ - декремент затухания. Звено такого вида приблизительно отображает процесс, протекающий в реальном двигателе.
На рис. 2 приведена принципиальная схема ТРДУ с учетом звена опережения. Схема была создана на основе теоретических знаний о процессах в двигателе, и ее вид подтвержден экспериментами. Здесь блок 1 - это блок расчета давления в камере сгорания на основании состояния органов управления. Блок 2 - блок расчета скорости горения по информации о давлении в камере сгорания, блок 3 - звено опережения скорости горения, блок 4 - блок системы управления двигателем. Блоки 2 и 3 имеют место только в модели двигателя, так как в реальном двигателе расчет и опережение скорости горения не производятся - это единственное различие принципиальной схемы модели от схемы реального двигателя. Входным параметром для расчета «нестационарности» является стационарная скорость горения ТРТ в КС - U0. На рис. 2 на вход контура ТРДУ поступает сигнал на органы управления - заслонки сопловых блоков, изменяющих площадь критического сечения сопел и, следовательно, газорасход из КС. Вследствие изменения газорасхода меняется давление в КС, рассчитываемое в блоке 1, по информации с датчиков давления в блоке 2 рассчитывается стационарная скорость горения ТРТ U0, поступающая на вход блока 3 - звена опережения. На выходе динамического звена (блока 3) - нестационарная скорость горения, опережающая по фазе рассчитанную величину в некотором диапазоне частот, которая далее участвует в определении давления в КС, поступая на вход блока 1. Указанное давление также начинает опережать реальное значение давления, имитируя явление низкочастотных колебаний в КС.
Важно отметить, что особый интерес представляет факт постоянного перерасчета постоянных времени, что позволяет учитывать нестационарность скорости горения, не изменяя существенно поведение системы на тех участках давления, где это не является необходимым. С учетом динамичности коэффициентов изобразим на рис. 3 логарифмические частотные характеристики звена в интерполяционных точках.
Для реализации в моделирующем комплексе звено надо представить в виде системы дифференциальных уравнений:
для этого приведем выражение динамического звена к общему виду, разделив обе части уравнения на Т2 2:
Теперь несложно заметить, что в рассматриваемом случае коэффициенты
а0 = 1, 
b0 = 0, 
тогда итоговая система дифференциальных уравнений:
Учитывая, что b0 = 0, получаем
Введение описанного звена в контур расчета скорости горения позволяет учесть процесс нестационарности горения ТРТ, что дает возможность синтезировать алгоритм управления тягой, который будет обеспечивать работу двигательной установки на малых режимах тяги. Результаты натурных испытаний подтверждают работоспособность описанного метода. На рис. 4 представлен график давления в камере сгорания двигателя при проведении натурных испытаний - наложение реального давления в КС (б) на программное (а). В отличие от ситуации, представленной на рис. 1, двигательная установка не прекратила своего функционирования и смогла выполнить свою задачу в условиях работы на малом режиме тяги. Это значит, что алгоритм управления тягой ТРДУ, синтезированный с учетом звена опережения, обладает достаточным качеством регулирования. То есть, введение звена опережения в контур расчета скорости горения помогло решить поставленную задачу, позволив учесть нестационарность зависимости скорости горения топлива от давления при динамичных режимах работы ТРДУ.
Таким образом, заявлен способ управления двигателем глубокого регулирования, заключающийся в изменении площади критического сечения сопел путем подачи на привод сопел управляющего сигнала, формируемого в зависимости от измеренного давления в двигателе. Отличительная особенность способа заключается в том, что стабильность зависимости скорости горения от давления в камере сгорания двигателя обеспечивают изменением сигнала скорости горения топлива посредством динамического звена опережения, введенного в контур расчета скорости горения топлива в модели двигателя, таким образом, изменяют сигнал давления в камере сгорания модели двигателя и подают его на вход системы управления двигателем, тем самым корректируя его управляющий сигнал.
Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильности зависимости скорости горения от давления в КС и предотвращение затухания топливного заряда на режимах малой тяги.
Claims (1)
- Способ управления двигателем глубокого регулирования, заключающийся в изменении площади критического сечения сопел путем подачи на привод сопел управляющего сигнала, формируемого в зависимости от измеренного давления в двигателе, отличающийся тем, что стабильность зависимости скорости горения от давления в камере сгорания двигателя обеспечивают изменением сигнала скорости горения топлива посредством динамического звена опережения, введенного в контур расчета скорости горения топлива в модели двигателя, таким образом изменяют сигнал давления в камере сгорания модели двигателя и подают его на вход системы управления двигателем, тем самым корректируя его управляющий сигнал.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019143913A RU2739203C1 (ru) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Способ управления двигателем глубокого регулирования |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019143913A RU2739203C1 (ru) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Способ управления двигателем глубокого регулирования |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2739203C1 true RU2739203C1 (ru) | 2020-12-21 |
Family
ID=74063151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019143913A RU2739203C1 (ru) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Способ управления двигателем глубокого регулирования |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2739203C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808714C1 (ru) * | 2022-12-06 | 2023-12-01 | Акционерное общество "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (АО "НПЦАП") | Способ управления твердотопливной регулируемой двигательной установкой в условиях параметрической неопределенности |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU24579U1 (ru) * | 2001-12-26 | 2002-08-10 | Московское областное общественное учреждение "Научно-исследовательский институт двигателей внутреннего сгорания" | Устройство для моделирования системы управления двигателем внутреннего сгорания |
| RU2631974C2 (ru) * | 2016-01-25 | 2017-09-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания и система для его осуществления |
| RU2658571C1 (ru) * | 2017-05-15 | 2018-06-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Способ коррекции инерциальной навигационной системы |
-
2019
- 2019-12-25 RU RU2019143913A patent/RU2739203C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU24579U1 (ru) * | 2001-12-26 | 2002-08-10 | Московское областное общественное учреждение "Научно-исследовательский институт двигателей внутреннего сгорания" | Устройство для моделирования системы управления двигателем внутреннего сгорания |
| RU2631974C2 (ru) * | 2016-01-25 | 2017-09-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Способ управления газотурбинным двигателем с форсажной камерой сгорания и система для его осуществления |
| RU2658571C1 (ru) * | 2017-05-15 | 2018-06-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Способ коррекции инерциальной навигационной системы |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808714C1 (ru) * | 2022-12-06 | 2023-12-01 | Акционерное общество "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (АО "НПЦАП") | Способ управления твердотопливной регулируемой двигательной установкой в условиях параметрической неопределенности |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pérez-Roca et al. | A survey of automatic control methods for liquid-propellant rocket engines | |
| Pinto et al. | Robust propulsion control in all flight stages of a throtteable ducted rocket | |
| IL212669A (en) | Missiles, missile control methods, and missile assessment methods by using pressure calculation | |
| RU2739203C1 (ru) | Способ управления двигателем глубокого регулирования | |
| EP3279450B1 (en) | System and method for an engine controller based on acceleration power | |
| Bykovskii et al. | Effect of combustor geometry on continuous spin detonation in syngas–air mixtures | |
| Park et al. | Optimization of the startup sequence of a liquid-propellant rocket engine | |
| Braun et al. | Detonation engine performance comparison using first and second law analyses | |
| US11035299B2 (en) | System and method for an engine controller based on inverse dynamics of the engine | |
| RU2665567C1 (ru) | Способ управления форсажной камерой сгорания | |
| Bundy et al. | Unsteady effects on ram accelerator operation at elevated fill pressures | |
| Gallier et al. | Effects of cavity on thrust oscillations in subscale solid rocket motors | |
| Velthuysen et al. | Closed Loop Throttle Control of a Liquefying Fuel Hybrid Rocket Motor | |
| JP2985616B2 (ja) | 固体燃料ロケットの推力制御方法 | |
| RU2592562C1 (ru) | Способ регулирования авиационного турбореактивного двигателя | |
| RU2808714C1 (ru) | Способ управления твердотопливной регулируемой двигательной установкой в условиях параметрической неопределенности | |
| RU2708474C2 (ru) | Система управления форсажной камерой сгорания | |
| Rossi et al. | Aerodynamic Sound Levels in Aft-Finocyl Solid Rocket Motors | |
| RU2376490C1 (ru) | Способ безынерционного определения предела минимального давления устойчивости рабочего процесса трду | |
| Oveissi et al. | Learning-based Adaptive Thrust Regulation of Solid Fuel Ramjet | |
| El-Nady et al. | Experimental investigation of dual-thrust rocket motor with intermediate nozzle | |
| El-Nady et al. | Theoretical Analysis of Dual-Thrust Rocket Motors with Intermediate Nozzle | |
| US20220389885A1 (en) | Valve timing system for liquid fuel rockets | |
| Konstantinov et al. | Mathematical Model of the Gas-Hydraulic Control Actuator for the Swiveling Nozzle of the Solid Propellant Fuel Propulsion System with Flexible Joint | |
| RU2665569C1 (ru) | Система управления форсажной камерой сгорания |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20220325 |