طراحی یک و پیاده‌سازی کنترلر فازی-PID نظارتی دو سطحی برای موتور میکروجت

الموضوعات :

محسن شجاعی ¹ , مهدی جهرمی ² , Sayyed Hosseini Sadati ³ , افشین ولی‌محمد ⁴

1 - دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا
2 - دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا
3 - دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا
4 - دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا

تاريخ الإرسال : 29 الخميس , ذو القعدة, 1445 تاريخ التأكيد : 11 الخميس , صفر, 1446 تاريخ الإصدار : 03 الأحد , ربيع الثاني, 1446

الکلمات المفتاحية: کنترلر فازی, موتور توربین گاز, استراتژی کنترل کمینه-بیشینه, کنترلر دوسطحی,

ملخص المقالة :

در این پژوهش، در ابتدا یک مدل سازی دقیق از رفتار ترمودینامیکی موتور توربین گاز توسعه داده شده است. مدل سازی شامل دینامیک حجم، دینامیک شفت و تغییرات عدد ماخ و ارتفاع است. برای دستیابی به حفظ موتور در محدوده عملیاتی مطلوب، یک کنترلر فازی-PID ترکیبی دو سطحی برای کنترل موتور توربوجت در یک محیط نرم افزاری طراحی شده است. اثربخشی این رویکرد طراحی با در نظر گرفتن تمام رفتارهای ترمودینامیکی غیرخطی و تغییرات در ماخ/ارتفاع بررسی شده است. کنترلر طراحی شده به طور موثر این عوامل را مدیریت می کند و پاسخ مطلوبی به فرامین نشان می‌دهد. علاوه بر این، یک حلقه حفاظتی برای محافظت در برابر خاموش شدن ناگهانی موتور، افزایش شدید دما و وقوع سرج با استفاده از استراتژی Min-Max با کنترلر جفت شده است. این رویکرد پاسخ ایمن کنترلر به موتور را تضمین می کند و از آسیب دیدن موتور جلوگیری می کند. این مدل دارای قابلیت شبیه سازی عملکرد موتور در شرایط گذرا و دائم است. اعتبارسنجی مدل ترمودینامیکی با استفاده از نرم افزار Gas Turb 13 برای اطمینان از نتایج شبیه سازی قابل قبول انجام شده است. حداکثر خطا در سطح رانش 7 درصد بود. نتایج شبیه‌سازی توانایی کنترلر دو سطحی هیبریدی را در سناریوهای مختلف پرواز نشان می‌دهد که منجر به میانگین 18.6 درصد زمان نشست کوتاه‌تر، 34.3 درصد زمان خیز کوتاه‌تر و بدون خطای ماندگار در مقایسه با کنترل PID می‌شود.

المصادر:

[1] St. Sergui, F. loana, P. Victor and S. Calin, “Gas Turbine Modelling Load Frequency Control”, UP.B. Sci. Bull, Series C, Vol. 70, No. 4, pp. 13-20, (2008).
[2] L.C. Jaw, and J.D. Mattingly, “Aircraft Engine Controls: Design, System Analysis, and Health Monitoring”, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, pp. 119-170, (2009).
[3] A. Linke-Diesinger, “Systems of Commercial Turbofan Engines: An Introduction to Systems Functions”, Springer Science & Business Media, Berlin, pp. 85-99, (2008).
[4] S.J. Mohammadi Doulabi Fard, S. Jafari, “Fuzzy Controller Structures Investigation for Future Gas Turbine Aero-Engines”, Int. J. Turbomach. Propuls. Power, Vol. 6, No. 1, pp. 2-24, (2021).
[5] J. Lutambo, J. Wang, Yue, H. Dimirovsky, “G. Aircraft turbine engine control systems development: Historical Perspective”, IEEE, Vol. 34, No. 7260534, pp. 5736-5741, (2015).
[6] K. Michels, F. Klawonn, R. Kruse, A. Nürnberger, “Fuzzy Control”, Springer, Berlin/Heidelberg, pp. 235-256, (2006).
[7] J. F. Silva, S.F. Pinto, “Power Electronics Handbook” , 4th ed., Academic press, San Diego, pp. 1141–1220, (2018).
[8] S.R. Balakrishnan, S.K. Mishra, V. Sundararajan, K.A. Damodaran, “Fuzzy Computing for Control of Aero Gas Turbine Engines”, Def. Sci. J., Vol. 44, No.4, pp. 295–304, (1994).
[9] A.J. Chipperfield, B. Bica, P.J. Fleming, “Fuzzy scheduling control of a gas turbine aero-engine: A multiobjective approach”, IEEE Trans. Ind. Electron, Vol. 49, No. 3, pp. 536–548, (2002).
[10] M. Davoodi, H. Bevrani, "A new application of the hardware in the loop test of the min–max controller for turbofan engine fuel control." Adv. Control Appl.: Eng. and Ind. Syst., Vol. 5, No. 2, pp. 138-154, (2023).
[11] L. Zhimeng, Y. Liu, Youhong Yu, R. Yang, "Advanced fuel limit design to improve dynamic performance of marine three-shaft gas turbine." Appl. Therm. Eng, Vol. 236, No. 1, pp. 121-149, (2024).
[12] N. Hadroug, A. Hafaifa, M. Guemana, A. Kouzou, A. Salam, A. Chaibet, “Heavy duty gas turbine monitoring based on adaptive neuro-fuzzy inference system: Speed and exhaust temperature control”, MICS, Vol. 8, No. 8, pp. 1-20, (2017).
[13] S. Jafari, T. Nikolaidis, “Turbojet engine industrial min-max controller performance improvement using fuzzy norms”, Electronics, Vol. 4, No. 11, pp 314-337, (2018).
[14] H. Guolian, G. Linjuan, H. Congzhi, Z. Jianhua, “ Fuzzy modeling and fast model predictive control of gas turbine system”, Energy, Vol. 200, No. 1, pp. 117-165, (2020).
[15] J. G. Ziegler, N. B. Nichols, “Optimum setting for auto-matic controllers”, Trans. ASME, Vol. 64, No. 8, pp. 759-765, (1942).
[16] A. S. McCormack, K.R. Godfrey, “Rule-based autotuning based on frequency domain identification”, IEEE Trans. Control Syst. Technol., Vol. 6, No. 1, pp. 43–61, (1998).
[17] D. W. Pessen, “A new look at PID-controller tuning”, J. Dyn. Syst. Meas. Control, Vol. 116, No.1, pp. 553–557, (1994).
[18] Z. Y. Zhao, et al, “Fuzzy Gain Scheduling of PID Controllers”, IEEE Trans. Syst. Man Cybern., Vol. 23, No. 5, pp. 1392-1398, (1993).
[19] P. P. Walsh, P. Fletcher, “Gas Turbine Performance”, 2nd ed., Wiley, New York, pp. 61-101, (2004).
[20] A. Kreiner, K. Lietzau, “The Use of Onboard Real-Time Models for Jet Engine Control”, MTU Aero Eng., pp. 1-26, (2002).
[21] H.A. Spang III, H. Brown, “ Control of jet engines”, Control Eng. Pract., Vol. 7, No. 9, pp. 1043-1059, (1999).
[22] I. Moir, A. Seabridge, “Engine Control Systems”, Wiley, New York, pp. 51-86, (2008).