В ПНИПУ создали быстрый и точный измеритель оксидов азота в авиадвигателе
Оригинальный виртуальный измеритель концентрации окислов азота в камере сгорания авиационных газотурбинных двигателей, адаптированный под разные режимы полета самолета, который можно будет использовать при проектировании систем управления такими двигателями для снижения вредных выбросов, разработали специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 3 сентября сообщает пресс-служба вуза. Оксиды (окислы) азота являются одними из самых опасных и долгоживущих в атмосфере загрязнителей воздуха. При этом работа авиационных двигателей приводит к тому, что ежегодно в атмосферу попадает около 6–8 млн тонн оксидов азота, которые образуются при сгорании топлива. Вред от этих загрязнителей воздуха, выделяемых двигателями в процессе полета летательных аппаратов, особенно значителен, так как выбросы оксидов азота происходят там, где эти газы сильнее влияют на образование озона, — в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы. Поэтому их воздействие на климат значительнее, чем аналогичные выбросы на земле. Также выбросы оксидов азота вредно действуют и на людей, и на природу — взаимодействуя с атмосферной влагой, они переходят в кислоты, выпадая в виде кислотных дождей. Чтобы снизить вредное влияние оксидов азота, для авиадвигателей постоянно ужесточаются международные стандарты допустимых норм выбросов. Это приводит к необходимости разработки новых методов их снижения. Такие методы требуют в свою очередь возможности точно измерять и управлять концентрацией оксидов азота в камере сгорания двигателя. Однако использовать для измерения их концентрации физические датчики сложно и дорого, так как они в этом случае работают в экстремальных условиях высоких температур и давлений. Это вызывает их быстрый износ, выход из строя и частую замену. К тому же такие датчики не обеспечивают достаточную точность и непрерывность контроля концентрации оксидов азота. Поэтому учеными было предложено заменить физические датчики физико-химическими или нейросетевыми компьютерными моделями, способными моделировать все реакции образования вредных веществ в конкретном двигателе и прогнозировать их выбросы в атмосферу. К сожалению, подобные системы ресурсоемки, требуют больших вычислительных мощностей и времени для вычислений и не всегда удовлетворяют нормативным требованиям и изменяющимся условиям работы двигателя. Оригинальный виртуальный нейросетевой измеритель окислов азота, разработанный учеными ПНИПУ, адаптируется под режимы работы газотурбинного двигателя, обеспечивая и точность, и быстродействие системы управления авиационным двигателем, в которую он встраивается. Новый подход к построению модели на основе нейронной сети, основанный на оптимизации затрат вычислительных ресурсов, который они применили, повысил точность расчетов концентрации эмиссии газов на 82,8%, увеличив время измерения всего на 0,36 миллисекунды. В результате их виртуальный измеритель соответствует жестким временным ограничениям систем управления существующих газотурбинных двигателей. Ассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Вячеслав Никулин пояснил, в чем достоинства их измерителя: «Одним из основных преимуществ разработки является способность работать без прямого контакта с газами высокой температуры внутри камеры сгорания, а за счет косвенных измерений. В режиме реального времени система анализирует несколько ключевых параметров работы газотурбинного двигателя: расход топлива, давление и температуру в камере сгорания, коэффициент избытка воздуха. Эти данные легко получить с помощью стандартных датчиков, а по ним наша система с достаточно высокой точностью вычисляет концентрацию окислов азота». Нейронная сеть измерителя построена на базе персептрона — простейшего вида нейронных сетей, состоящего из одного скрытого слоя нейронов, которые в режиме реального времени обрабатывают множество входных данных. При этом увеличение количества нейронов приводит к увеличению времени расчета выбросов газа измерителем. Проведя несколько серий экспериментов, политехники определили, что уже сеть из трех нейронов обеспечивает достаточную точность расчетов, затрачивая на них всего 3,63 миллисекунды. Особенностью измерителя ученых Пермского Политеха является его адаптивность. Двигатель самолета в полете работает в нескольких режимах: взлет, набор высоты, посадка, руление. И у каждого из них свои особенности и характеристики горения. Поэтому разработчики обучали свою нейросеть отдельно для каждого режима. Их адаптивная модель имеет механизм подстройки весовых коэффициентов нейросети, включающийся при смене режима работы двигателя. Это на 82,8% увеличило точность информации о содержании оксидов азота, выделяемого двигателем, по сравнению с системой с неадаптивным измерителем. Разработанный в ПНИПУ виртуальный измеритель, представляющий собой программный алгоритм, встраиваемый в систему управления авиационным двигателем, в полете в режиме реального времени получает и обрабатывает данные о расходах топлива, давлении и температуре в камере сгорания. На основе этих данных он за 3,63 миллисекунды рассчитывает концентрацию оксидов азота. Система управления двигателем, имея такую информацию, может скорректировать параметры работы двигателя и обеспечить снижение выбросов без ущерба для тяги и экономичности. Подробно создание измерителя разработчики представили в статье «Адаптивный нейронный виртуальный измеритель концентрации окислов азота камеры сгорания на базе персептрона», опубликованной в сборнике «XIV Всероссийское совещание по проблемам управления». Разработкой своего инновационного виртуального измерителя ученые Пермского Политеха предоставляют конструкторам авиационных двигателей возможность создания экологичных и эффективных систем управления за счет более точного и оперативного контроля процесса сгорания топлива для сокращения вредных выбросов оксидов азота в атмосферу. glavno.smi.today