پیاده‌سازی سخت‌افزاری کنترلر سوخت موتور جت با زبان پایتون

بردبار, عبدالله; منتظری, مرتضی; یوسفی دستجردی, علی

doi:10.47176/MAJ.2025.1527

پیاده‌سازی سخت‌افزاری کنترلر سوخت موتور جت با زبان پایتون

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

عبدالله بردبار ¹

مرتضی منتظری ²

علی یوسفی دستجردی ¹

¹ دانشجوی دکتری، دانشگاه علم و صنعت ایران ، تهران، ایران

² استاد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران

10.47176/MAJ.2025.1527

چکیده

گسترش روزافزون استفاده از هوش مصنوعی در زمینه‌های مختلف، توجه حوزه کنترل موتور جت را نیز به خود جلب کرده است. دراین‌رابطه، زبان برنامه‌نویسی پایتون برای اجرای الگوریتم‌های هوش مصنوعی از قابلیت‌های بالایی برخوردار است. در این مقاله، پیاده‌سازی سخت‌افزاری کنترلر سوخت موتور جت با زبان پایتون برای اولین‌بار انجام و توسط تست سخت‌افزار در حلقه مورد آزمون قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا شبیه‌سازی موتور توربوجت به کمک جعبه‌ابزار T-MATS و در محیط سیمولینک متلب، صورت‌گرفته است. آنگاه با استفاده از زبان برنامه‌نویسی پایتون، الگوریتم کنترل سوخت مین - ماکس - که یک الگوریتم صنعتی است - بر روی سخت‌افزار مناسب پیاده‌سازی و نهایتاً در بستر سیستم سخت‌افزار در حلقه تست شده است. مقایسه نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تست موتور، از دقت بالای مدل‌سازی دینامیکی خبر می‌دهد و مقایسه نتایج تست سخت‌افزار در حلقه با تست نرم‌‌افزاری، حاکی از طراحی و پیاده‌سازی مناسب الگوریتم کنترلی است.

چکیده تصویری

پیاده‌سازی سخت‌افزاری کنترلر سوخت موتور جت با زبان پایتون

کلیدواژه‌ها

موتور جت تست سخت‌افزار در حلقه زبان پایتون کنترلر مین

ماکس

موضوعات

دینامیک ارتعاشات و کنترل

عنوان مقاله English

Hardware Implementation of Jet Engine Fuel Controller Using Python Language

نویسندگان English

Abdollah Bordbar ¹

Morteza Montazeri-Gh ²

Ali Yousefi Dastjerdi ¹

¹ PhD student, ran University of Science and Technology, Tehran, Iran

² Professor,, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

چکیده English

The growing integration of artificial intelligence (AI) across diverse engineering domains has recently extended to the field of jet engine control. Python, as a high-level programming language, offers efficient and flexible capabilities for the implementation of AI-based control algorithms. In this study, the hardware implementation of a jet engine fuel controller using Python is presented for the first time and evaluated through hardware-in-the-loop (HIL) simulation. To this end, a detailed and accurate turbojet engine model was developed utilizing the T-MATS toolbox within the MATLAB/Simulink environment. Subsequently, the min-max fuel control algorithm—recognized as an industrial standard—was implemented in Python on suitable embedded hardware and subjected to rigorous HIL testing. Comparison of the simulation results with experimental engine data confirms the high fidelity of the dynamic model. Furthermore, a comprehensive and systematic comparative analysis between the HIL results and software-based simulations validates the proper design and robust implementation of the fuel control algorithm.

کلیدواژه‌ها English

Jet Engine Hardware Testing in the Loop Python Language Min

Max Controller

[1] Isermann R, Schaffnit J, Sinsel S. Hardware-in-the-loop simulation for the design and testing of engine-control systems. Control Engineering Practice. 1999; 7(5): 643-653. DOI 10.1016/S0967-0661(98)00205-6.

[2] Mihalič F, Truntič M, Hren A. Hardware-in-the-Loop Simulations: A Historical Overview of Engineering Challenges. Electronics. 2022; 11(15): 2462. DOI 10.3390/electronics11152462.

[3] 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 J: Systems and Control Engineering. 2012; 226(10): 1371-1380. DOI 10.1177/0959651812455908.

[4] Montazeri-Gh M, Abyaneh S, Kazemnejad S. Hardware-in-the-loop simulation of two-shaft gas turbine engine’s electronic control unit. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Systems and Control Engineering. 2016; 230(6): 512-521. DOI 10.1177/0959651816633352.

[5] Lv C, Chang J, Bao W, Yu D. Recent research progress on airbreathing aero-engine control algorithm. Propulsion and Power Research. 2022; 11(1): 1-57. DOI 10.1016/j.jppr.2022.02.003.

https://doi.org/10.1016/j.jppr.2022.02.003.

[6] Wilson K, Schoen M. Jet Engine Modeling and Control Using T-MATS. Proceedings of the IETC Conference. 2020: 1-5. DOI 10.1109/IETC47856.2020.9249196.

[7] Zhu J, Tang W, Dong J. Design of Intelligent Controller for Aero-engine Based on TD3 Algorithm. Information Technology and Control. 2023; 52(4): 1010-1024. DOI 10.5755/j01.itc.52.4.33125.

[8] Wang Y, Fang J, Song W, Ji C, Zhang H, Zhao Q. Surge-Elimination Strategy for Aero-Engine Transient Control. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 2024; 146(4): 041007. DOI 10.1115/1.4064512.

[9] Montazeri-Gh M, Jafari S, Ilkhani MR. Application of particle swarm optimization in gas turbine engine fuel controller gain tuning. Engineering Optimization. 2012; 44(2): 225-240. DOI 10.1080/0305215X.2011.576760.

[10] Jafari S, Nikolaidis T. Turbojet Engine Industrial Min–Max Controller Performance Improvement Using Fuzzy Norms. Electronics. 2018; 7(11): 314. DOI 10.3390/electronics7110314.

[11] Imani A, Montazeri-Gh M. A Min–Max multiregulator system with stability analysis for aeroengine propulsion control. ISA Transactions. 2019; 85: 84-96. DOI 10.1016/j.isatra.2018.10.035.

[12] Imani A, Montazeri-Gh M. A Multi-loop Switching Controller for Aircraft Gas Turbine Engine with Stability Proof. International Journal of Control, Automation and Systems. 2019; 17(6): 1359-1368.

[13] Montazeri-Gh M, Forouzannezhad M, YousefiDastjerdi, A Bordbar (1403). Integrated Simulation and Control of Turbojet Engine Dynamics and Fixed-wing Airplane Flight Dynamics. Journal of Aerospace Mechanics. 20(4): 103-116. DOR: 20.1001.1.26455323.1403.20.4.7.5 (In Persian).

[14] 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 10.1177/0037549712466153.

[15] Montazeri-Gh M, Rasti A, Jafari A, Ehteshami M. Design and implementation of MPC for turbofan engine control system. Aerospace Science and Technology. 2019; 92: 99-113. DOI 10.1016/j.ast.2019.05.061.

[16] Pan X, Xiong Y, Wang C, Qin J, Zhang S, Bao W. Performance analysis of precooled turbojet engine with a low-temperature endothermic fuel. Energy. 2022; 248: 123582. DOI 10.1016/j.energy.2022.123582.

[17] Işık G, Ekici S, Şahin G. A neural network model for UAV propulsion system. Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2020; 92(8): 1177-1184. DOI 10.1108/AEAT-04-2020-0064.

[18] Di̇şli̇taş AN, Çeper BA. Examination of parametric cycle analysis of a turbofan engine with Python code. International Journal of Energy Applications and Technology. 2021; 8(4). DOI 10.31593/ijeat.1029803.

[19] Raschka S, Patterson J, Nolet C. Machine Learning in Python: Main Developments and Technology Trends in Data Science, Machine Learning, and Artificial Intelligence. Information. 2020; 11(4): 193. DOI 10.3390/info11040193.

[20] Köhler C. Enhancing Embedded Systems Simulation: A Chip-Hardware-in-the-Loop Framework. Vieweg+Teubner. 2011.

[21] Chapman JW, Lavelle TM, Litt JS. Practical Techniques for Modeling Gas Turbine Engine Performance. In: AIAA 2016-4527. Propulsion Education I. Published Online: 22 Jul 2016. DOI 10.2514/6.2016-4527.

[22] Chen J, Hu Z, Wang J. Aero-Engine Real-Time Models and Their Applications. Mathematical Problems in Engineering. 2021; 2021: 9917523. DOI 10.1155/2021/9917523.

[23] Lin ST, Lu JH, Chang MC, Hsu KW. Real-Time Dynamic Simulation of Single Spool Turbojet Engines. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 1999; 73(6). DOI 10.1177/003754979907300604.