شبیه‌سازی و کنترل یکپارچه دینامیک موتور توربوجت و دینامیک پرواز هواپیمای بال ثابت

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 نویسنده مسئول: استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله مسئله شبیه‌سازی و کنترل تجمیعی پرواز-پیشرانش به‌عنوان یک موضوع تحقیقاتی جدی و موردنیاز در صنعت هوافضا موردتوجه قرارگرفته است. در تحقیقات پیشین غالباً به مسئله کنترل پرواز و مسئله کنترل موتورهای توربینی به‌صورت جداگانه پرداخته‌شده است؛ اما دیدن اثرات متقابل دینامیک پرواز و دینامیک موتورهای توربینی بر روی یکدیگر کمتر موردتوجه بوده است. در ابتدا به‌منظور مدل‌سازی حرکت بدنه پهپاد، معادلات سینماتیک و دینامیک پرواز ارائه‌شده است. معادلات انتقالی بر اساس تئوری نیوتن و معادلات دورانی بر اساس تئوری اویلر توسعه داده‌شده است. سپس معادلات ترمودینامیکی و دینامیکی لازم برای مدل‌سازی موتور توربوجت ارائه‌شده است. معادلات دهانه ورودی موتور، کمپرسور، توربین، محفظه احتراق و نازل به‌صورت جداگانه موردبررسی قرارگرفته است. تمام شبیه‌سازی‌ها در محیط سیمولینک نرم‌افزار متلب صورت گرفته و گرافیک پرواز را می‌توان به‌صورت زمان-واقعی توسط نرم‌افزار فلایت‌گیر مشاهده نمود. سپس یک ساختار برای شبیه‌سازی و کنترل یکپارچه دینامیک پرواز و دینامیک موتور، پیشنهادشده که در آن علاوه بر مسئله‌ی کنترل پرواز و قرارگیری پهپاد بر روی مسیر دلخواه، به مسئله کنترل سرعت دورانی شفت و رعایت قیود موتور توربوجت نیز توجه شده است. سپس ضرایب کنترلی پرواز-پیشرانش به‌صورت هم‌زمان برای مأموریتی مشخص، توسط الگوریتم ژنتیک بهینه‌سازی شده‌اند. در آخر نتایج حاصل از شبیه‌سازی ارائه گردیده و بر روی آن بحث و بررسی صورت گرفته است.

چکیده تصویری

شبیه‌سازی و کنترل یکپارچه دینامیک موتور توربوجت و دینامیک پرواز هواپیمای بال ثابت

تازه های تحقیق

  • بهینه‌سازی ضرایب کنترلی
  • اثرات متقابل دینامیک پرواز و دینامیک موتور توربوجت
  • نمایش پرواز به‌صورت زمان-واقعی
  • ردیابی سرعت و مسیر دلخواه همراه با رعایت قیود موتور

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Integrated Simulation and Control of Turbojet Engine Dynamics and Fixed-wing Airplane Flight Dynamics

نویسندگان [English]

  • Morteza Montazeri 1
  • Mahdi Foroozannejad 2
  • Ali Yousefi Dastjerdi 2
  • Abdollah Bordbar 2
1 Corresponding author: Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Ph.D. Student, Faculty of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this article, the simulation and integrated control of flight-propulsion are addressed as a significant and necessary research topic in the aerospace industry. In previous research, flight control and turbine engine control have often been treated separately; however, the mutual effects of flight dynamics and turbine engine dynamics on one another have received less attention. Initially, to model the movement of the UAV body, kinematic and flight dynamics equations are presented. Transmission equations are developed based on Newton’s laws, and rotational equations are derived from Euler’s theory. Subsequently, the thermodynamic and dynamic equations necessary for turbojet engine modeling are introduced. The equations governing the engine inlet opening, compressor, turbine, combustion chamber, and nozzle are examined separately. All simulations are conducted in MATLAB/Simulink. Flight graphic is displayed in real-time using FlightGear software. A structure for simulating and controlling flight dynamics and engine dynamics is proposed, addressing not only the control of flight and the UAV’s trajectory but also the control of the shaft’s rotational speed while observing the limitations of the turbojet engine. Additionally, flight-propulsion control coefficients are simultaneously optimized for a specific mission using genetic algorithm. Finally, the simulation results are presented and discussed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Integrated flight-propulsion control
  • Min-max fuel controller
  • Thermodynamic model of turbojet
  • Genetic algorithm
  • Fixed wing UAV flight dynamics

Smiley face

مراجع

[1] Garg S, Mattern DL, Bullard RE. Integrated flight/propulsion control system design based on a centralized approach. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1991; 14(1):107-116. DOI: https://doi.org/10.2514/3.20694.
[2] Franklin JA, Engelland SA. Design and piloted simulation of integrated flight/propulsion controls for STOVL aircraft. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1993; 16(6):993-998. DOI: https://doi.org/10.2514/3.21018.
[3] Turner MC, Bates DG, Postlethwaite I. Input/output conditioning of robust integrated flight and propulsion controller. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2001; 24(6):1089-1099. DOI: https://doi.org/10.2514/2.4841.
[4] Montazeri-Gh M, Nasiri M, Rajabi M, Jamshidfard M. Actuator-based hardware-in-the-loop testing of a jet engine fuel control unit in flight conditions. Simulation Modelling Practice and Theory. 2012; 21(1):65-77. DOI: https://doi.org/10.1016/j.simpat.2011.10.002.
[5] Montazeri-Gh M, Nasiri M. Hardware-in-the-loop simulation for testing of electro-hydraulic fuel control unit in a jet engine application. Simulation. 2013; 89(2):225-233. DOI: https://doi.org/10.1177/0037549712463071.
[6] Montazeri-Gh M, Jafari S, Nasiri M. Application of particle swarm optimization in gain tuning of integrated flight and propulsion control. Int J Aerosp Sci. 2013; 2:55-70. DOI: https://doi.org/10.5923/j.aerospace.20130203.01.
[7] Maity, A., Rajasekaran, J., Padhi, R. Nonlinear control of an air-breathing engine including its validation with vehicle guidance. Aerospace Science and Technology. 2015; 45:242-253. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2015.05.003.
[8] Wang C, Li YG, Yang BY. Transient performance simulation of aircraft engine integrated with fuel and control systems. Applied Thermal Engineering. 2017; 114:1029-1037. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.139.
[9] Cui G, Zhang H. Hardware-in-the-loop simulation of flight mach fuzzy controller. Wireless Networks. 2021; 27:3655-3663. DOI: https://doi.org/10.1007/s11276-021-02603-1.
[10] Liu, M., Su, Z., Zhu, J., Guo, F., You, Y. Flight analysis and optimization design of vectored thrust eVTOL based on cooperative flight/propulsion control. Aerospace Science and Technology. 2024; 149:109143. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2024.109143.
[11] Zountouridou E, Kiokes G, Dimeas A, Prousalidis J, Hatziargyriou N. A guide to unmanned aerial vehicles performance analysis the MQ‐9 unmanned air vehicle case study. The Journal of Engineering. 2023; 2023(6): e12270. DOI: https://doi.org/10.1049/tje2.12270.
[12] Sharifi A, Nobahari H. Multiple model filters applied to wind model estimation for a fixed wing UAV. In: 2016 7th International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering (ICMAE); 2016 July; p. 109-115. IEEE. DOI: https://doi.org/10.1109/ICMAE.2016.7549517.
[13] Wang Y, Zhu H, Zhao Z, Zhang C, Lan Y. Modeling, system measurements and controller investigation of a small battery-powered fixed-wing UAV. Machines. 2021; 9(12):333. DOI: https://doi.org/10.3390/machines9120333.
[14] Zipfel PH. Modeling and simulation of aerospace vehicle dynamics. AIAA; 2000. DOI: https://doi.org/10.2514/4.861543.
[15] Castañeda H, Salas-Peña OS, de León-Morales J. Extended observer based on adaptive second order sliding mode control for a fixed wing UAV. ISA Transactions. 2017; 66:226-232. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isatra.2016.10.017.
[16] Horri N, Pietraszko M. A tutorial and review on flight control co-simulation using Matlab/Simulink and flight simulators. Automation. 2022; 3(3):486-510. DOI: https://doi.org/10.3390/automation3030027.
[17] Montazeri-Gh M, Nasiri M, Jafari S. Real-time multi-rate HIL simulation platform for evaluation of a jet engine fuel controller. Simulation Modelling Practice and Theory. 2011; 19(3):996-1006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.simpat.2010.12.007.
[18] Nasiri M, Montazeri-Gh M. Time-delay compensation for actuator-based hardware-in-the-loop testing of a jet engine fuel control unit. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering. 2012; 226(10):1371-1380. DOI: https://doi.org/10.1177/0959651812458573.
[19] Wilson K, Schoen MP. Jet Engine Modeling and Control Using T-MATS. In: 2020 Intermountain Engineering, Technology and Computing (IETC); 2020 October; p. 1-5. IEEE. DOI: https://doi.org/10.1109/IETC47856.2020.9249133.
[20] Nasiri M, Montazeri-Gh M, Salehi A, Bayati E. Time delay compensation for hardware-in-the-loop simulation of a turbojet engine fuel control unit using Neural NARX Smith Predictor. International Journal of Control, Automation and Systems. 2021; 19:3309-3317. DOI: https://doi.org/10.1007/s12555-020-0051-2.
[21] Jafari S, Nikolaidis T. Turbojet engine industrial Min–Max controller performance improvement using fuzzy norms. Electronics. 2018; 7(11):314. DOI: https://doi.org/10.3390/electronics7110314.
مکانیک هوافضا
دوره 20، شماره 4 - شماره پیاپی 78
شماره پیاپی 78، فصلنامه زمستان
اسفند 1403
صفحه 103-116

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 07 مهر 1403
  • تاریخ بازنگری: 15 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش: 27 آبان 1403
  • تاریخ انتشار: 01 اسفند 1403

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار