Регулятор параметра среды
Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к авиационному оборудованию, предназначенному для регулирования параметров среды в гермокабинах и системах жизнеобеспечения экипажа самолетов.
Регуляторы параметра в авиационных системах регулирования используют электропитание 27 В постоянного тока, что затрудняет изменение усредненной скорости перемещения исполнительного механизма.
Технический результат достигается тем, что регулирующее воздействие подается на привод регулятора в виде импульсов постоянного тока, получаемых за счет использования релейного усилителя с гистерезисом и зоной нечувствительности, охваченного инерционной обратной связью. Для получения более качественного регулирования вводится дополнительная обратная связь, работающая в противофазе с основной, а так же введением релейного измерителя скорости параметра, включаемого в цепь инерционного звена через контакт определителя экстремума параметра.
Предложение касается полезной модели, как объекта промышленной собственности, и относится к области авиационного оборудования, в частности, к оборудованию для обеспечения жизнедеятельности экипажа и пассажиров, в том числе, и к системам кондиционирования воздуха.
Характерной чертой летательных аппаратов является использование для приводов исполнительных механизмов постоянного тока, что требует специальных устройств, позволяющих выполнять работу приводов в релейно-импульсном режиме.
Для регулирования параметра среды, например, температуры воздуха в кондиционируемых отсеках летательных аппаратов, применяется регулирование температуры путем смешивания потоков воздуха, подаваемого по холодной и горячей магистралям, выполняемого дросселированием части (горячего) воздуха, за счет перемещения регулируемого органа посредством импульсов управления, формируемых в регуляторе при выходе отклонения параметра из зоны нечувствительности. Регулируемое отклонение формируется в зависимости от текущего значения параметра, который измеряют в объекте регулирования - отсеке, гермокабине.
Известны регуляторы, работающие в релейно-импульсном режиме [1, 2]. Недостатком указанных регуляторов является то, что они обеспечивают импульс тока с постоянной временной величиной, что обеспечивается настройкой. При этом настройка величины импульса имеет погрешность от колебаний источника питания.
В других известных регуляторах [3, 4] используется трехпозиционное реле, обеспечивающее, как режимы создания импульсов при увеличении или уменьшении параметра, так и режим отсутствия импульсов. Для этих целей применяются реле, имеющие зону нечувствительности и зону гистерезиса. Для обеспечения импульсного режима указанное трехпозиционное реле с зоной нечувствительности и гистерезисом охвачено с выхода на его вход инерционной обратной связью, выполненной в виде RC-цепочки, работа которой определяется динамическим уравнением 
где К-коэффициент передачи, T - постоянная времени, S - оператор Лапласа.
Величины сопротивления и емкости определяют время импульса, которое зависит также и от величины входного сигнала параметра (коэффициента К), поступающего на вход релейного элемента.
Коэффициент передачи, величины обратной связи и постоянной времени в прямой зависимости влияют на устойчивость регулирования и используются для настройки регуляторов, но выбор у лиц, занимающихся настройкой, ограничен, так как эти величины могут быть выбраны только фиксированными. Обычно они выбираются равными усредненному передаточному коэффициенту регулирующего органа и постоянной времени объекта регулирования. В свою очередь, величина постоянной времени и передаточный коэффициент не остаются постоянными за время даже одного полета летательного аппарата. Нелинейность статической характеристики, входное и выходное на регулирующем органе давление воздуха, его температура влияют на коэффициент передачи, а изменение расхода, температуры воздуха в объекте влияет на его постоянную времени.
К недостаткам известных регуляторов можно отнести то, что из-за использования единой RC-цепочки величины импульса и паузы равны.
Целью настоящего предложения является расширение функциональных возможностей в работе регулятора параметра, использующее релейное звено с гистерезисом и зоной нечувствительности, и обеспечение повышения надежности регулятора в целом за счет снижения количества импульсов, поступающих на исполнительный механизм.
Поставленная цель достигается тем, что:
Регулятор параметра среды в самолетныхных системах летательного аппарата оснащен дополнительным инерционным звеном в виде RC-цепочки, подключенной посредством нормально-закрытого контакта релейного усилителя реверсно к первому инерционному звену, а так же тем, что он дополнительно содержит определители экстремума и скорости изменения параметра среды, имеющие соответственно нормально-закрытый и нормально-открытый контакты, параллельно подключенные в последовательную цепь инерционного звена.
В результате анализа технической и патентной литературы в данной области техники не обнаружено технических решений, которые обладали бы признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа. Следовательно, заявленный объект отвечает требованию «новизна».
Заявляемая полезная модель является промышленно приемлемой, что подтверждается следующим описанием со ссылкой на чертежи.
На чертеже 1, приведена функциональная схема системы регулирования, например, температуры в гермокабине самолета. На чертеже 2 приведена схема системы для цифрового исполнения. На чертеже 3 показан график изменения сигнала параметра при действии импульса управления.
Система (черт.1) содержит объект регулирования (гермокабина) 1, в которую по трубопроводу 2 поступает подготовленный по температуре воздух за счет смешивания потоков воздуха из трубопроводов холодного 3 и горячего 4. Смешение воздуха образуется за счет изменения положения исполнительного органа 5 (заслонки), перемещаемой посредством электропривода 6. Отработанный воздух сбрасывается в атмосферу через выпускной клапан 7. В объекте регулирования (гермокабина) установлены задатчик 8 и датчик 9 параметра (температуры) среды. Сигналы с датчика 9 и задатчика 8 противофазно поступают на суммирующее устройство 10, на которое также поступает сигнал обратной связи с инерционного звена 11, выполненного в виде соединения конденсатора 12, основного 13 и дополнительного 14 резисторов. Совокупность конденсатора 12 и резистора 13 образуют основное инерционное звено 15, а совокупность конденсатора 12 и дополнительного резистора 14 - дополнительное инерционное звено 16. Звенья 15 и 16 условно не показаны. Выход суммирующего устройства 10 соединен с релейным усилителем 17, имеющим зону нечувствительности 18, гистерезис 19 и силовые контакты 20, подключающие источник энергии 27 В к обмоткам управления электропривода исполнительного органа 5.
Параллельно указанному соединению имеется соединение источника 27 В с основным 15 и дополнительным 16 инерционными звеньями.
Регулятор параметра среды дополнительно содержит релейный определитель экстремального значения параметра 21, имеющий закрытый контакт 22 и измеритель скорости изменения параметра 23, имеющий открытый контакт 24. Контакты 23 и 24 параллельно друг другу включены в последовательную цепь соединения инерционного звена 11 с суммирующим устройством 10.
В цифровом исполнении (черт.2) регулятор дополнительно снабжен аналогово-цифровыми преобразователями 25, таймером 26, цифровым переключателем информации 27 и цифро-аналоговыми преобразователями 28.
На чертеже 3 показан график изменения параметра среды при наличии воздействия импульса управления, где 18 - зона нечувствительности релейного усилителя, кривая А1 и А2 - зависимости изменения сигнала инерционного звена при возникновении возмущения хоб, точка S определяет экстремальное значение сигнала в суммирующем устройстве 10. Зависимость Охарактеризует изменение сигнала возмущающего воздействия хоб при работе регулятора без влияния измерителя скорости 23. Зависимость В характеризует сигнал хоб при работе измерителя скорости 23. F1÷F4 - импульсы подачи напряжения 27 В на электропривод 6 исполнительного органа 5.
Работа регулятора параметра среды происходит следующим образом. Если температура воздуха в объекте регулирования 1, измеряемая датчиком 9, равна заданной температуре по задатчику температуры 8, то на суммирующее устройство 10 приходит нулевой сигнал рассогласования. На релейный усилитель 17 поступает сигнал по величине меньше, чем величина зоны нечувствительности 18, следовательно, силовой контакт 20 релейного усилителя разомкнут, на электропривод заслонки не поступает напряжение 27 В от источника питания, исполнительный орган (заслонка) 5 находится в неподвижном состоянии.
При этом воздух из трубопроводов холодного 3 и горячего 4 воздуха поступает в трубопровод смешанного потока 2 в таком количестве, которое обеспечивает температуру в объекте регулирования 1 неизменной. Отработанный воздух сбрасывается в атмосферу через выпускной клапан 7.
При изменении внешних атмосферных условий или при изменении режима работы самолета, например, набор высоты, изменяются теплопритоки, поступающие в кабину, что приводит к изменению температурного режима в ней. Изменение температуры влияет на величину сигнала датчика 9, а величина задания температуры по задатчику параметра 8, остается неизменной, то есть происходит рассогласование сигналов хоб. Величина рассогласования определяется в суммирующем устройстве 10, в которое сигнал от датчика 9 приходит с отрицательным знаком, а сигнал от задатчика 8 с положительным.
Если рассогласование сигналов превышает величину зоны нечувствительности 18 и зоны гистерезиса 19, срабатывает релейный усилитель 17, который при помощи силового контакта 20 подключает источник питания 27 В к электроприводу 6 заслонки 5 и ко входу инерционного звена 11. Электропривод перемещает исполнительный орган заслонки 5, изменяя соотношение потоков из трубопроводов 3 и 4 холодного и горячего воздуха. Смешанный воздух по трубопроводу 2 поступает в объект регулирования 1 для парирования возникшего рассогласования.
Электроэнергия, поступающая на инерционное звено 11, заряжает конденсатор 12. Величина потенциала заряда поступает на суммирующее устройство 10, где складывается с сигналом от задатчика 8. Суммарное значение сигналов в суммирующем устройстве 10 будет равно нулю только тогда, когда соблюдается равенство сигнала рассогласования хоб и суммы сигналов от задатчика 8 и сигнала с инерционного звена 11. В этом случае происходит отключение релейного усилителя 17. Релейный усилитель 17 разрывает цепь подачи энергии 27 В на электропривод 6 исполнительного органа 5. Время воздействия на электропривод 6 равно времени импульса F1.
Подбором конденсатора 12 и резистора 13 можно получить согласование с реальными характеристиками системы регулирования, при этом процесс регулирования был бы закончен.
Но, так как во время одного полета характеристики системы регулирования могут изменяться, то подбор параметров инерционного звена затруднен. Если за время одного импульса возмущение хоб не будет устранено, то процесс уменьшения рассогласования может изменяться по кривой Б, а это требует дополнительных воздействий от регулятора. Появляются так называемые дотягивающие импульсы F2 , F3. Для повторного включения необходимо убрать влияние потенциала инерционного звена, что выполняется разряжением потенциала емкости 12 на резистор 14, то есть определяется время паузы.
Подбором величины резисторов 13 и 14 можно добиться любых значений импульса тока и паузы.
Наличие дотягивающих импульсов снижает надежность коллекторного узла электропривода 6 заслонки 5 и увеличивает время переходного процесса, когда имеется отклонение параметра от нормы (от заданного значения).
Для исключения указанного недостатка достаточно определять момент окончания рассогласования параметра между задатчиком 8 и датчиком параметра 9.
С этой целью в схему вводится релейный определитель экстремального значения параметра 21, который имеет нормально-закрытый контакт 22, включенный в цепь соединения инерционного звена 11 и суммирующего устройства 10. Таким образом, влияние инерционного звена 11 на рассогласование между датчиком 9 и задатчиком 8 прекращается при прохождении параметром экстремального значения. Но это приведет к отключению релейного усилителя 17 после прохождения экстремума. Для исключения этого явления в схему вводится релейный измеритель скорости изменения параметра 23, имеющий нормально-открытый контакт 24, который подключен в цепь параллельно нормально-закрытому контакту 22 релейного определителя экстремального значения параметра 21.
При отклонении параметра от нормы регулятор работает по схеме, описанной выше, когда потенциал с основного инерционного звена 15 (емкость 12 и резистор 13) поступает на суммирующее устройство через закрытый контакт 22 релейного определителя экстремального значения параметра 21. При этом работает измеритель скорости изменения параметра 23 и его контакт 24 будет закрыт, что не влияет на ход процесса.
При прохождении точки экстремума S срабатывает релейный определитель экстремального значения параметра 21 и разрывает свой контакт. Соединение инерционного звена 11 с суммирующим устройством 10 происходит через контакт 24 сработавшего измерителя скорости изменения параметра 23. Если величины времени импульса выбраны значительными, то окончание импульса (разрыв связи инерционное звено 11 - суммирующее устройство 10) происходит в момент нахождения параметра в зоне нечувствительности 18, когда нет изменения параметра.
Парирование возмущения происходит за время одного импульса F4, что является результатом выполнения поставленной цели.
Использование в схеме регулятора элементов определения экстремума и скорости параметра в аналоговой технике затруднен, так как требует трудновыполнимых действий, например, определитель скорости должен выполнять действие дифференцирования параметра, а определитель экстремума должен определять первую производную от изменения параметра.
При использовании в регуляторах параметра элементов цифровой техники значительно упрощается решение поставленных задач. Так для определения прохождения экстремума достаточно сравнить величину параметра в текущем и предыдущем тактах и зафиксировать изменение знака параметра. А для вычисления скорости изменения параметра необходимо определить разность величин параметра в текущем и предыдущем тактах относительно времени квантования.
Примерная схема цифрового выполнения параметра приведена на рис.2, в которой имеется таймер 26, определяющий время квантования. Все остальные элементы регулятора параметра функционально идентичны элементам аналогового регулятора. В схеме используются аналоговые элементы - это объект регулирования 1, схема подачи и подготовки воздуха в объект регулирования 2, 3, 4, задатчик 8, датчик 9, исполнительный орган 5 с электроприводом 6, выпускной клапан 7. Для согласования аналоговых элементов с цифровым устройством используются аналогово-цифровые 25 и цифро-аналоговые преобразователи 28.
Источники информации, принятые во внимание при составление заявки:
1. Авторское свидетельство 479102, М. Кл. G06f 1/02;
2. Авторское свидетельство 463953, М. Кл. G05d 23/24;
3. Авторское свидетельство 1189034, B64D 13/08;
4. Авторское свидетельство 1600231, B64D 3/06.
Регулятор параметра среды в самолетных системах, содержащий датчик и задатчик параметра среды, включенные встречно-параллельно между собой, электроприводной исполнительный механизм, релейный усилитель с гистерезисом и зоной нечувствительности и инерционное звено в виде RC-цепочки, подключенное с выхода на вход релейного усилителя, при этом релейный усилитель содержит нормально-открытые контакты подачи силового питания на исполнительный механизм и подключения инерционного звена, отличающийся тем, что он дополнительно содержит релейный определитель экстремального значения параметра и измеритель скорости изменения параметра, имеющие соответственно нормально-закрытый и нормально-открытый контакты, параллельно подключенные в цепь основного инерционного звена.
