1. Założenia ogólne idealnego silnika Diesla do lekkiego śmigłowca
advertisement
Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych Wydział Mechaniczny Politechnika Lubelska Adaptacyjne sterowanie śmigłowcowym silnikiem Diesla autor: mgr inż. Paweł Magryta Streszczenie Artykuł prezentuje koncepcję zastosowania adaptacyjnego sterowania silnikiem Diesla zamontowanym w lekkim śmigłowcu. W pracy przedstawione są ogólne założenia strategii sterowania silnikami Diesla w motoryzacji oraz przedstawione jest podejście do sterowania takiego rodzaju silnikiem umieszczonym w śmigłowcu. Artykuł przedstawia założenia lotu lekkim śmigłowcem w funkcji kontroli prędkości obrotowej silnika oraz prezentuje możliwość zastosowania adaptacji bezpośredniej w sterowaniu jednostką napędową. 1. Założenia ogólne idealnego silnika Diesla do lekkiego śmigłowca Biorąc pod uwagę, że całkowita masa startowa lekkiego śmigłowca wynosi około 1200 - 1800 kg, można w prosty sposób w oparciu o ogólne założenia analityczne określić niezbędną moc potrzebną do lotu. Najbardziej niekorzystne warunki w aspekcie koniecznej mocy będą występować w przypadku startu takiej jednostki oraz zawisu na pewnej wysokości. Ponieważ większość jednostek latających tego typu posiada maksymalne pułapy lotu w okolicach 6000 m n.p.m., można założyć, że silnik Diesla również powinien być zdolny do pracy w warunkach ISA określonych tą maksymalną wysokością. Uwzględniając te aspekty można określić niezbędną moc maksymalną na dwóch wysokościach 0 i 2500 m n.p.m. Ze względu na warunki ciśnieniowe panujące na różnych wysokościach minimalna moc w przypadku tego drugiego pułapu jest wyższa (tab. 1). Innym ważnym aspektem zastosowania silnika Diesla jest jego masa. W ogólnym przeglądzie lekkich maszyn latających można przyjąć masę silników turbowałowych na poziomie 90 - 100 kg. Ograniczenie masy silnika Diesla o mocy ok. 300 kW do tej wartości jest niemożliwe. W tabeli 1 przedstawiona została masa silnika równa 180 kg, co w sposób jasny przekłada się na wartość współczynnika masy do mocy na poziomie mniejszym niż 0,6 kg/kW. Trzeba podkreślić, że wartość ta jest bardzo mała, ponieważ obecnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym nowoczesne silniki Diesla o zbliżonej mocy posiadają współczynniki na poziomie 0,9 - 1,2 kg/kW. Głównym celem zastosowania silnika Diesla w lekkim śmigłowcu jest zmniejszenie zużycia paliwa i jednocześnie zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska. Dlatego też w tabeli 1 przedstawiono wartość współczynnika godzinowego zużycia paliwa na poziomie mniejszym niż 0,19 kg/kWh. Tab. 1. Ogólne założenia dla silnika Diesla w lekkim śmigłowcu Lp. Nazwa Wartość 1. Moc maks. na wysokości 0 m n.p.m. 300 kW 2. Moc maks. na wysokości 2500 m n.p.m. 322 kW 3. Moc ciągła na wysokości 0 m n.p.m. 280 kW 4. Masa silnika z instalacjami 180 kg 5. Godzinowe zużycie paliwa nie większe niż 0,19 kg/kWh 6. Współczynnik masy do mocy nie większy niż 0,6 kg/kW 7. Resurs nie mniejszy niż 4000 godzin Najważniejszym parametrem pracy śmigłowca nie przedstawionym w powyższej tabeli jest prędkość obrotowa wirnika głównego. Wirnik o średnicy 9 m powinien pracować nominalnie z prędkością 400 - 420 obr/min, natomiast wirnik ogonowy o średnicy 0,8 m z prędkością ok. 5200 - 6000 obr/min. Wartości te mogą ulegać nieznacznym odchyleniom podczas lotu o ok. ± 5% wartości nominalnej. Za nieprzekroczenie tych wartości odpowiadać będzie adaptacyjny system sterowania. 2. Zmienne zewnętrzne warunki lotu śmigłowca Śmigłowiec podczas lotu jest narażony na bardzo dużo zmiennych warunków zewnętrznych wpływających bezpośrednio na obciążenie łopat rotora głównego, co w sposób oczywisty przekłada się na zmienne warunki pracy silnika napędzającego ten statek powietrzny. Należą do nich m.in.: zmiana masy podwieszonego ładunku, zmiana masy wynikająca ze zmiany ilości pasażerów śmigłowca, zmiana masy wynikająca ze spalenia pewnej ilości paliwa, zmienna prędkość, kierunek i zwrot wiatru podczas lotu, nagłe lokalne zmiany gęstości powietrza, zmienność ukształtowania otoczenia, szczególnie podczas lotu w terenie miejskim. Poniżej ukazano przykładowy udział procentowy stanów pracy helikoptera wraz z wartością niezbędnej mocy potrzebnej w tym stanie pracy. Jak widać z tabeli 2 największy udział procentowy pracy śmigłowca stanowią takie przedziały jak: loty z prędkością przelotową, loty wytrzymałościowe czy loty w dobrych warunkach. Właśnie podczas tych stanów lotu występują najmniej korzystne zjawiska wpływające na nagłą zmianę zapotrzebowania na chwilową moc silnika, na które w sposób natychmiastowy powinien on reagować. Tab. 2. Warunki lotu lekkiego śmigłowca Lp. Warunki lotu 1. Warunki przyziemne 2. Autorotacja 3. Obniżanie 4. Loty wytrzymałościowe 5. Loty z prędkością przelotową 6. Loty w dobrych warunkach 7. Manewry dynamiczne 8. Zawis, start Moc 0% 10% 30% 31-60% 61-80% 81-99% 100% Max Czas 0,38% 1,18% 3,31% 26,62% 38,42% 15,58% 6,67% 7,66% Bardzo znaczący wpływ na warunki lotu śmigłowca ma występowanie nagłych, nieprzewidywalnych podmuchów wiatru. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy wykres ilustrujący średnią prędkość wiatru zmierzoną w ciągu następujących po sobie 2 minutowych odcinków czasu, jego kierunek i wartość dynamiczną występowania podmuchów w czasie 3 sekund. Jak widać z wykresu te przykładowe warunki wietrzne charakteryzują się bardzo dużą niejednorodnością i chaosem. Jednostka powietrzna pracująca podczas takich warunków wietrznych będzie potrzebowała ciągłego zmiennego zapotrzebowania na moc, lecz ze stałą prędkością obrotową. 1 Rys. 1. Czasowa obserwacja warunków wietrznych w miejscowości Hoquiam 1 http://www.climate.washington.edu/stormking/December2007.html Zastosowanie sterowania silnikiem w aspekcie zmiennych warunków zewnętrznych zostało potwierdzone m.in. w pracach naukowych dotyczących sterowania modelarskich śmigłowców. Zgodnie z rysunkiem 2 podczas wystąpienia bocznego wiatru pozycja modelarskiego śmigłowca zaczęła się zmieniać w każdej badanej osi x, y, z. Sytuacja taka jest odzwierciedleniem warunków dla śmigłowca w dużej skali. 2 Rys. 2. Zmiana pozycji modelarskiego śmigłowca w badanej przestrzeni 3. Sterowanie śmigłowcowym silnikiem Diesla Obecnie stosowane silniki Diesla w motoryzacji wyposażone są w bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania. Dzięki postępowi technologicznemu możliwe jest wykonanie głównych elementów układu paliwowego (pompy wysokiego ciśnienia oraz wtryskiwacza) w sposób umożliwiający precyzyjne podawanie dawki paliwa. Konstrukcja pomp wtryskowych wysokiego ciśnienia umożliwia osiągnięcie ciśnienia paliwa rzędu ponad 20 MPa, co w połączeniu z dużą dokładnością wykonania wtryskiwacza pozwala na lepsze rozdrobnienie strugi podawanego paliwa, a w połączeniu z elektronicznym układem sterowania wtryskiem (kąt początku wtrysku, ciśnienie wtrysku i czas otwarcia wtryskiwacza) pozwala na dozowanie odpowiedniej dawki paliwa w każdych warunkach pracy silnika. Przekłada się to na wzrost mocy jednostki napędowej i jej ekologiczność. Schemat sterowania samochodowym silnikiem Diesla został przedstawiony na rysunku 3. 2 Źródło: Cunjia Liu, Wen-HuaChen, JohnAndrews: „Tracking control of small-scale helicopters using explicit nonlinear MPC augmented with disturbance observers” Control Engineering Practice Rys. 3. Schemat sterowania samochodowym silnikiem Diesla Podobny system sterowania będzie zastosowany w lekkim śmigłowcu. Najważniejszą różnicą w porównaniu do systemu występującego w samochodzie będzie zupełnie odwrócona strategia sterowania. W zależności od zastosowanego silnika Diesla wartością zadaną w sterowaniu będzie prędkość obrotowa na poziomie ok. 4000 obr/min. Wartością zmienną będzie chwilowe zapotrzebowanie na moc, zależne głównie od warunków lotu. Natomiast wartością sterowaną będzie w sposób pośredni ilość paliwa dostarczanego do komory spalania silnika, a w sposób bezpośredni jednostka sterująca będzie ustalać wydatki poszczególnych wtryskiwaczy. Schemat sterowania śmigłowcowym silnikiem Diesla został przedstawiony na rysunku 4. Wartość zadana ok. 4000 obr/min Wartość sterowana ? n [obr/ min] Q [mm3/skok] Me [Nm] Wartość zmienna warunki lotu Rys. 4. Schemat sterowania śmigłowcowym silnikiem Diesla Do odpowiedniej regulacji prędkości obrotowej silnika będzie zastosowana strategia sterowania z wykorzystaniem adaptacji bezpośredniej. Poniżej przedstawione zostały schematy sterowania w sposób wykorzystujący adaptację pośrednią (rys. 5) i adaptację bezpośrednią (rys. 6). Istotą tych układów regulacji jest powiązanie parametrów regulatora z wynikami bieżącej identyfikacji modelu parametrycznego, przeprowadzanej na podstawie bieżących pomiarów wielkości sterujących i wielkości regulowanej obiektu. Zaletą tego układu jest zdolność wykrywania zmian parametrów obiektu, niezależnie od tego czym zostały wywołane. Wadą jest natomiast bardzo duża złożoność teoretyczna, gdyż nawet w przypadku liniowego modelu obiektu, układ regulacji adaptacyjnej z dołączoną identyfikacją modelu jest układem nieliniowym, niestacjonarnym, poddawanym zakłóceniom losowym. Ze względu na brak skutecznych narzędzi teoretycznych powoduje to konieczność stosowania komputerowych technik symulacyjnych do analizy i projektowania tych układów. Cel regulacji Parametry regulatora Wartość zadana + - Regulator Identyfikacja modelu regulatora Proces Wielkość regulowana Rys. 5. Schemat regulacji adaptacyjnej z identyfikacją pośrednią sterowania Sterowanie z wykorzystaniem adaptacji pośredniej polega na tym, że identyfikowanym modelem może być model obiektu. W tym przypadku, na podstawie znajomości modelu obiektu i celu regulacji, dokonywana jest synteza regulatora poprzez wyznaczenie jego parametrów. Ponieważ do parametrów regulatora dochodzi się pośrednio za pomocą parametrów modelu obiektu, regulację taką nazywa się regulacją adaptacyjną z identyfikacją pośrednią. Zaletą tego układu jest możliwość wykorzystania zidentyfikowanego modelu do syntezy dowolnego regulatora zaś zidentyfikowane parametry obiektu są łatwe do interpretacji. Jego wadą jest to, że syntezę regulatora przeprowadza się w każdym kroku procesu sterowania. Wada ta traci na znaczeniu wobec wzrostu szybkości obliczeń współczesnych mikrokontrolerów. Cel regulacji Synteza regulatroa Parametry regulatora Identyfikacja modelu obiektu Wartość zadana + - Regulator Proces Wielkość regulowana Rys. 6. Schemat regulacji adaptacyjnej z identyfikacją bezpośrednią sterowania Sterowanie z wykorzystaniem adaptacji bezpośredniej polega na tym, że identyfikowanym modelem może być model docelowego regulatora. W tym wariancie identyfikuje się bezpośrednio parametry regulatora – stąd nazwa „regulacja adaptacyjna z identyfikacją bezpośrednią”. Zaletą tego rozwiązania jest to, że synteza regulatora dokonywana jest tylko raz off-line. Wadami są trudności w identyfikacji obiektu nieregulowanego oraz fakt, że liczba identyfikowanych parametrów wzrasta wraz z czasem opóźnienia i stopniem złożoności regulatora. 4. Podsumowanie Zastosowanie adaptacyjnego systemu sterowania w lekkim śmigłowcu wyposażonym w silnik Diesla rokuje duże nadzieje na przyszłość i wydaje się być kierunkiem rozwojowym. Wymagane jest jednak wykonanie badań symulacyjnych i weryfikacyjnych układu sterowania w celu eliminacji fluktuacji prędkości obrotowej. Normy lotnicze dopuszczają maksymalnie 5% odstępstwo od tej wartości, dlatego też system ten musi być niezawodny.
