طراحی یک و پیادهسازی کنترلر فازی-PID نظارتی دو سطحی برای موتور میکروجت
محورهای موضوعی : Mechanical Engineeringمحسن 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
کلید واژه: کنترلر فازی, موتور توربین گاز, استراتژی کنترل کمینه-بیشینه, کنترلر دوسطحی,
چکیده مقاله :
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.
A detailed modeling of the thermodynamic behavior of the gas turbine engine has been developed in this study. The modeling encompasses volume dynamics, shaft dynamics, Mach number and altitude variation. To achieve maintaining of engine in desired operational range, a two-level hybrid fuzzy-PID controller has been designed for controlling a turbojet engine in a software environment. The effectiveness of this design approach has been investigated, considering all nonlinear thermodynamic behaviors and variations in Mach/altitude. The controller effectively manages these factors and have desire response. Furthermore, a protection loop has been implemented to safeguard against sudden engine shutdown, sharp temperature increases, and surge using the Min-Max strategy coupled with a controller. This approach ensures a safe response of the controller to the engine and prevents damage to the engine. The model possesses the capability to simulate the engine's performance in both transient and steady-state conditions. The validation of the thermodynamic model has been carried out using the GasTurb 13 software to ensure acceptable simulation results. The maximum error was 7% in thrust level. The simulation results indicate the capability of the hybrid two-level controller in various flight scenarios, resulting in an average 18.6% shorter settling time, 34.3% shorter rise time, and no permanent error compared to PID control.
[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).