طراحی و پیاده‌سازی کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل خطی گسسته برای کنترل سوخت موتور توربوفن

منتظری, مرتضی; جعفری, علی; راستی, علی

طراحی و پیاده‌سازی کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل خطی گسسته برای کنترل سوخت موتور توربوفن

نویسندگان

¹ علم و صنعت ایران

² علم و صنعت

چکیده

در این مقاله، طراحی و پیاده‌سازی کنترل پیش‌بین مدل برای کنترل سوخت موتور توربوفن انجام شده است. ارضاء قیود عملکردی و ساختاری موتور چالشی برای طراحی کنترل‌کننده ایجاد می‌کند. سیستم کنترل باید اطمینان دهد که موتور در شرایط سلامت کامل، یعنی بدون فرارفت سرعت محور، استال کمپرسور، خاموشی محفظه احتراق و فرارفت دمای توربین کار می‌کند. در این راستا کنترل‌کننده‌ای مورد نیاز است که بتواند این قیود را ضمن بدست آوردن سیگنال کنترل بهینه لحاظ کند. به همین دلیل، کنترل پیش‌بین مدل برای کنترل سوخت موتور توربوفن با استفاده از یک مدل خطی از موتور در یک نقطه عملکردی طراحی شده است. نتایج عملکرد این کنترل‌کننده نشان می‌دهد که ضمن تولید سیگنال کنترلی بهینه، تمامی قیود در محدوده مورد نظر قرار گرفته‌اند. پس از اطمینان از عملکرد مناسب کنترلر در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، الگوریتم کنترل سوخت به صورت سخت‌افزاری پیاده‌سازی شده است. بدین منظور الگوریتم کنترلی بر روی یک میکروکنترلر پیاده‌سازی شده و تست سخت‌افزار در حلقه انجام گرفته است. نتایج حاصل از تست سخت‌افزار در حلقه، نشان‌دهنده پیاده‌سازی صحیح کنترل پیش‌بین طراحی‌شده بر روی سخت افزار مورد نظر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455323.1398.15.1.1.8

عنوان مقاله [English]

Design and Implementation of Model Predictive Controller for Turbofan Engine Fuel Control

چکیده [English]

In this paper, design and implementation of model predictive controller for turbofan engine fuel control are proposed. The satisfaction of operational and structural limits of the engine is a controller design challenge. The control system must ensure that the engine operates without any limit violation at all times, i.e.without over-speed of the shaft, compressor stall, combustion chamber blow out and turbine over-temperature. In this regard, a controller is required which can take into account these constraints while obtaining an optimal control input. Therefore, the model predictive control for turbofan engine fuel control using a linear model of the engine at one operating point is designed. The simulation results show that while model predictive control generate optimal control signal, all the constraints are perfectly satisfied. After assuring the valid performance of the controller in computer simulations, the fuel control algorithm is implemented on a hardware framework. For this purpose, the controller algorithm is implemented on a microcontroller and hardware-in-the-loop test is performed. The results of the hardware-in-the-loop simulation indicate the correct implementation of the model predictive controller on the hardware framework.

کلیدواژه‌ها [English]

Turbofan Engine
Fuel Control
Model Predictive Control
Linear Model
Hardware-in-the-Loop

مراجع

Jaw, L.C., and Mattingly, J.D. “Aircraft Engine Controls: Design, System Analysis, and Health Monitoring”, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2009.##
Linke-Diesinger, A. “Systems of Commercial Turbofan Engines: An Introduction to Systems Functions”, Springer Science & Business Media, 2008.##
Camacho, E.F., and Bordons, C. “Model Predictive Control”, 2nd ed., Springer Science & Business Media, London, 2007.##
Martin-Sanchez, J.M., and Rodellar, J. “Adaptive Predictive Control, from the Concepts to Plant Optimization”, Prentice–Hall International (UK), 1996.##
Kashefi, S. “Predictive Adaptive Autopilot for STT Missile Based on Model Reference Method and Lyapanov Theorem”, Aerospace Machanics J., Vol. 8, No. 3, pp. 91-100, 2012 (In Persian).##
Brunell, B. J., Bitmead, R. R., and Connolly, A. J. “Nonlinear Model Predictive Control of an Aircraft Gas Turbine Engine”; Proc. of the 41st IEEE Conf. on Decision and Control, Las Vegas, NV, USA, 2002.##
DeCastro, J. A. “Rate-Based Model Predictive Control of Turbofan Engine Clearance”, J. Propulsion and Power, Vol. 23, No. 4, pp. 804-813, 2007.##
Richter, H., Singaraju, A. V., and Litt, J. S. “Multiplexed Predictive Control of a Large Commercial Turbofan Engine”, J. Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 31, No. 2, pp. 273-281, 2008.##
Saluru, D. C., Yedavalli, R. K., and Belapurkar, R. K. “Active Fault Tolerant Model Predictive Control of a Turbofan Engine Using C-MAPSS40k”; ASME 5th Annual Dynamic Systems and Control Conf. joint with the JSME 11th Motion and Vibration Conf., Fort Lauderdale, Florida, USA, 2012.##

10. Roknabadi, A. A. G. “Constrained Control of a Low-Power Industrail Gas Turbine Based on Predictive Model”; Proc. of 1ST Int. Conf. on Advances Research on Electrical and Computer Eng., Tehran, Iran, 2016 (In Persian).##

11. Richter, H. “Advanced Control of Turbofan Engines”, Springer Science & Business Media, USA, 2011.##

12. Montazeri-GH, M., and Rasti, A. “Modeling and Performance Analysis of a Two-Spool Turbofan Engine in Off-Design Conditions”; Proc. of 4^th National Conf. on Gas Turbines, Tehran, Iran, 2015 (In Persian).##

13. Sá, H., Neto, M., Meggiolaro, M., and Ferreira, A. “Fuzzy Shared Semi-Autonomous Control System for Military Vehicles”, SAE Technical Paper No. 2015-36-0270, 2015.##

14. Fathy, H. K., Filipi, Z. S., Hagena, J., and Stein, J. L. “Review of Hardware-in-the-Loop Simulation and its Prospects in the Automotive Area”; Proc. of SPIE, Ann Arbor, Michigan, 2006.##

15. Frangos, C. “Control System Analysis of a Hardware-in-the-Loop Simulation”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 26, No. 4, pp. 666-669, 1990.##

16. Isermann, R., Schaffnit, J., and Sinsel, S. “Hardware-in-the-loop Simulation for the Design And Testing of Engine-Control Systems”, Control Eng. Practice, Vol. 7, No. 5, pp. 643-653. 1999.##

17. Rebeschiess, S. “MIRCOS-Microcontroller-Based Real Time Control System Toolbox for Use with Matlab/Simulink”; Proc. of the IEEE Int. Symp. on Computer Aided Control System Design, Kohala Coast, HI, USA, 1999.##

18. Lu., P., and Geng, Q. “Real-Time Simulation System for UAV Based on Matlab/Simulink”; IEEE 2nd Int. Conf. on Computing, Control and Industrial Eng. (CCIE), Wuhan, China, 2011.##