CC BY
116
УДК 629.7.064.5
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ СРЕДСТВ ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
С.П. ХАЛЮТИН, А.А. ХОМЧЕНКО, Б.В. ЖМУРОВ
В статье рассматривается вопрос разработки средств испытаний и контроля электроэнергетических систем на основе структурно-функционального подхода. Предлагаемое решение предусматривает объектно-энергетическую декомпозицию рассматриваемого объекта с последующим структурно-функциональным анализом и формирование требований для технического устройства, реализующего имитационную обстановку объекта испытаний.
Ключевые слова: электроэнергетическая система, контроль и испытание, структурно-функциональный подход.
Электроэнергетические системы современных воздушных судов (ВС) представляют собой сложный комплекс устройств производства, преобразования и распределения электроэнергии с аппаратурой управления, защиты и контроля, обеспечивающих надежное функционирование систем и оборудования бортовых комплексов.
Системы электроснабжения (СЭС) ВС относятся к системам, от надежности работы и основных характеристик которых в полной мере зависят безопасность выполнения полетов и возможность выполнения летательным аппаратом поставленных задач. В связи с этим определению и уточнению характеристик и параметров СЭС ВС в настоящее время уделяется особое внимание как в процессе их разработки и создания, так и при проведении различных видов испытаний и исследований.
При организации, подготовке и проведении испытаний СЭС необходимо учитывать одну из основных особенностей - невозможность оценки её функционирования в летных условиях при различных отказах (коротких замыканиях, перенапряжении и др.). В результате этого, основным методом определения эксплуатационно-технических характеристик СЭС является метод натурных испытаний, предусматривающий экспериментальное определение количественных и качественных показателей СЭС при работе её в комплексе со всем оборудованием ВС.
Высокий уровень требований к эксплуатационным характеристикам СЭС определяет содержание научных и практических задач по совершенствованию средств и методов их испытаний. Одним из возможных вариантов решения задачи является применение структурнофункционального подхода к синтезу технических средств испытаний как электросистем воздушного судна в целом, так и их составных частей.
Под структурно-функциональным подходом, в данном случае, понимается определенная последовательность действий, направленных на решение поставленной задачи.
На первом этапе разрабатывается объектно-энергетическая модель (ОЭМ) [3] технической системы, в состав которой входит объект испытаний. В основе построения такой модели заложен принцип декомпозиции исходной системы по функциональному признаку и определение структурных связей на уровне элементов как внутри системы, так и самой системы с внешней средой. Такое решение обусловливается тем, что в электрических системах, содержащих большое количество преобразователей и потребителей энергии, очень важно, чтобы схема модели-
рования отражала структуру объекта испытаний, его внутренние и внешние связи. Элементами схемы моделирования являются источники, преобразователи и потребители электроэнергии, устройства защиты, управления, регулирования и распределения, входящие в состав исследуемой системы. Форма внутренних связей объекта испытаний, связей между элементами и внешней средой должна предполагать изменения структуры и состава СЭС ВС. Обобщенное представление схем такого этапа изображено на рис. 1.
Рис. 1. Объектно-энергетическая декомпозиция системы
На втором этапе, по разработанной ОЭМ системы, осуществляется «выделение» заданного объекта испытаний с фиксированием всех структурно-функциональных связей. Далее определяются характеристики этих связей. А именно, вид, тип и параметры. В общем случае, все связи могут быть представлены следующими типами: энергетические (передача и преобразование потоков различного вида энергии), информационные (сигналы датчиков, управления, регулирования) и информационно-энергетические (смешанный вид, где передача информации сопровождается потоком энергии) [2]. Выполнение данного этапа разработки средств испытаний и контроля базируется на высоком уровне знаний о работе всей системы и отдельного объекта в ее составе. Результатом выполнения второго этапа является перечень всех связей объекта испытаний и их характеристики. Иллюстрация этого этапа представлена на рис. 2.
На третьем этапе, на основе анализа нормативной документации и технических условий (ТУ) для выбранного объекта контроля (ОК), выполняется синтез технического устройства, воспроизводящего типы и характеристики связей, то есть устройства, формирующего среду функционирования ОК и контролирующего ее параметры.
В зависимости от требуемого объема, глубины и экономических показателей тестирования ОК, средство испытаний может быть реализовано как:
- аппаратный комплекс, который состоит из устройств реальной системы и в полной мере способен обеспечить характеристики энергетических и информационных каналов связи;
- программный комплекс, который обеспечивает с помощью специальных программ и устройств сопряжения формирование информационно-энергетических потоков с заданными характеристиками;
- программно-аппаратный комплекс, в котором часть связей воспроизводится реальными физическими устройствами, а другая реализуется программными средствами и устройствами сопряжения.
Рис. 2. Декомпозиция объекта испытаний
Пример реализации структурно-функционального подхода к разработке средств испытания и контроля элемента электроэнергетической системы воздушного судна предлагается рассмотреть применительно к регулятору напряжения источника переменного тока канала генерирования СЭС.
На рис. 3 представлены этапы реализации предлагаемого подхода. В качестве исследуемой системы выбран канал генерирования переменного тока постоянной частоты. В соответствии с методологией ОЭМ строится модель системы с указанием основных потоков энергии. Далее выполняется декомпозиция по функциональному признаку с выделением энергетических и информационных связей. Это позволяет определить место и виды связей заданного объекта (регулятора напряжения РН) в полной схеме работы системы. Так как в данном примере в качестве источника электроэнергии рассматривается генератор серии ГТ, то требуется разделять его функционал на элементы всех электрических машин, конструктивно входящих в состав генератора. Необходимым условием является анализ взаимодействия системы с внешней средой. Компонентами внешней среды являются механическая энергия привода генератора, система распределения и нагрузка различных типов. На втором этапе выполняется анализ характеристик сигналов связи регулятора с системой. Один тип входных сигналов является информационным (измерительные устройства трансформаторов напряжения), а входной сигнал от подвоз-будителя и выходной на обмотку возбуждения возбудителя - энергетическим. Таким образом, техническое устройство, реализующее средство испытаний и контроля, может быть представлено программно-аппаратным комплексом (этап 3). В качестве элементов сопряжения программной части и физических устройств могут быть использованы аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, характеристики которых определяются требованиями к точностным и динамическим показателям связей.
Рис. 3. Разработка средств испытаний регулятора напряжения
Синтез технического устройства, воспроизводящего информационно-энергетические связи объекта испытаний с системой и окружающей средой, является оптимизационной задачей, решение которой определяется выбранным критерием или совокупностью критериев эффективности. В качестве таких критериев могут выступать: массо-габаритные показатели, степень автоматизации, энергоэффективность и др.
Рассматриваемые далее устройства могут выступать в качестве примеров реализации средств испытаний авиационного электрооборудования.
На основе анализа методов построения цифровых управляющих систем и состояния современной элементной базы для проведения макетных испытаний автоматической аппаратуры регулирования, защиты и управления был разработан программно-аппаратный имитатор (ПАК) канала генерирования СЭС, обобщенная структура которого изображена на рис. 4.
В представленной схеме условно показано разделение структуры построения ПАК на программную и аппаратную части. Программный модуль обеспечивает выполнение алгоритма расчета по разработанным математическим моделям и формирование сигналов управления. Аппаратная часть осуществляет взаимодействие между характерными физическими сигналами реального объекта и информационными параметрами алгоритма работы программы моделирования. В качестве этих элементов выступают АЦП, ЦАП, а также силовые элементы исполнительных органов.
Возможность реализации предлагаемой структуры ПАК зависит от элементной базы, на основе которой будет строиться комплекс. Характеристики этих элементов являются определяющими факторами при выборе ММ, реализующей имитационное моделирование различных режимов работы синхронного генератора.
Программный
модуль
Подвозбудитель
~чг~
Возбудитель
1
[Аппаратная часть
о
Основной
генератор
ле:
Управляемый источник питания
Нагрузка
регулятора
Нагрузка
генератора
о
§ —N Блок регулирования,
Ч защиты и управления
Рис. 4. Программно-аппаратный имитатор трёхмашинного синхронного генератора
Силовая часть ПАК должна представлять собой трехканальный линейный усилитель, обеспечивающий согласование уровня напряжения формируемого ЦАП с входом измерительного органа регулятора напряжения. Необходимость применения дополнительного управляемого источника питания обусловлена задачей проведения испытания силовых ключей регулятора напряжения при номинальных токах управления.
Другим вариантом решения задачи создания технических средств контроля является реализация аппаратного комплекса на основе реальных элементов системы. На рис. 5 представлена структурная схема стенда диагностики компонентов авиационных электроэнергетических систем (СДКАЭ). Стенд, совместно с комплектом соответствующей контрольно-проверочной аппаратуры (КПА), предназначен для проведения диагностики и контрольных испытаний при ремонте оборудования управления, защиты, регулирования и распределения электрической энергии, входящего в состав бортовых систем электроснабжения переменного трёхфазного тока.
Стенд взаимодействует с объектами диагностики и испытаний посредством КПА, позволяющей осуществлять контроль параметров тестируемого оборудования.
При этом обеспечивает сопровождение процессов диагностики и испытаний оборудования реальными режимами работы, динамическими и статическими характеристиками бортового генератора переменного тока как в штатных, так и в аварийных режимах его работы.
Электромашинный преобразователь должен осуществлять преобразование электрической энергии переменного 3ф. тока 220/380 В 50 Гц в электрическую энергию переменного 3ф. тока с заданными уровнями фазных напряжений и частоты. Электродвигатель асинхронный осуществляет вращение ротора генератора с заданной частотой.
Авиационный трехфазный генератор выполняет генерирование электрической энергии с заданными выходными параметрами.
Реактивная и активная нагрузки обеспечивают установку требуемого уровня и характера нагрузки генератора.
Рис. 5. Структурная схема СДКАЭ
Стенд обеспечивает выполнение следующих задач:
- контроль работоспособности и функционирования объекта контроля;
- контроль при проведении настроечных и регулировочных работ;
- формирование стимулирующих сигналов, необходимых для осуществления процесса контроля;
- формирование возмущающих сигналов, необходимых для осуществления процесса контроля устройств регулирования напряжения генератора;
- имитацию несимметричных режимов работы генератора.
Представленные варианты реализации технических устройств для систем испытаний и контроля позволяют в полной мере осуществлять выполнение задач по повышению эксплуатационной эффективности электроэнергетических систем воздушных судов. Но при этом имеют различные показатели эффективности. Так, программно-аппаратный имитатор обладает повышенной энергоэффективностью, более высокой степенью автоматизации, гибкой настройкой, но в то же время, точность имитационной обстановки и динамические характеристики определяются адекватностью математических моделей и быстродействием вычислителя. Аппаратный комплекс обеспечивает высокую степень детализации имитационной обстановки (т.к. применяются натурные элементы системы), но требует значительных энергозатрат и эксплуатационных расходов, обладает низкой возможностью к реконфигурации. Конечный выбор варианта решения должен определяться целями, возможностями и перспективами развития авиационного оборудования.
Таким образом, предложенный в работе структурно-функциональный подход к разработке средств контроля и испытаний электроэнергетических систем воздушных судов позволяет добиться новых результатов как в решении вопросов эксплуатации существующих систем бортового оборудования, так и при разработке новейших комплексов.
ЛИТЕРАТУРА
1 Пантл А. Методы системного анализа окружающей среды. - М.: Мир, 1979.
2 Романов В.Н. Основы системного анализа. - СПб.: СЗПИ, 1996.
3 Халютин С.П., Тюляев М.Л, Жмуров Б.В., Старостин И.Е. Моделирование сложных электроэнергетических систем летательного аппарата. - М.: ВВА, 2010.
STRUCTURAL-FUNCTIONAL APPROACH TO DEVELOPING OF AN AIRCRAFT ELECTRIC POWER SYSTEMS TESTING AND CONTROL DEVICES
Khalyutin S.P., Khomchenko A.A., Zhmurov B.V.
The article considers the question of the development of electric power systems testing and control devices on the basis of structural-functional approach. The proposed solution provides an object-energy decomposition of the device model with the subsequent structural-functional analysis and generation of requirements for technical devices, implementing the simulation environment the test device.
Key words: electrical power system, control and testing, structural-functional approach.
Сведения об авторах
Халютин Сергей Петрович, 1968 г.р., окончил Рижское ВВАИУ им. Я. Алксниса (1990), МГУ им. М.В. Ломоносова (1993), доктор технических наук, профессор МГТУ ГА, начальник кафедры электрооборудования (и метрологии) Военного учебно-научного центра ВВС «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», автор более 110 научных работ, область научных интересов
- авиационная электроэнергетика, анализ и проектирование сложных электроэнергетических систем.
Хомченко Александр Андреевич, 1955 г.р., окончила ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1989), ведущий инженер-конструктор ОАО «ЛазерСервис», автор 15 научных работ, область научных интересов - системы энергоснабжения летательных аппаратов.
Жмуров Борис Владимирович, 1974 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (2004), кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования (и метрологии) ВУНЦ ВВС, автор более 50 научных работ, область научных интересов - системы энергоснабжения летательных аппаратов.
