طراحی و مدل‌سازی کنترلگر دوسطحی Fuzzy-PID با استراتژی min-max برای مدل ترمودینامیکی موتور توربوجت یک جت آموزشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی‌ارشد، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

3 استاد، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش یک مدل‌سازی دقیق از رفتار ترمودینامیکی موتور توربین گاز هوایی با کاربرد در جت آموزشی انجام شده است که در آن دینامیک حجم، دینامیک شفت و اثرات تغییر ارتفاع و عدد ماخ لحاظ شده ‌است. برای دستیابی به حفظ موتور در بازه‌ عملکردی مطلوب، کنترلگر دوسطحی هیبریدی
 فازی -PID  برای کنترل موتور توربوجت در محیط نرم‌افزاری باهدف بررسی اثربخشی روش طراحی صورت‌گرفته است. این کنترلگر تمامی رفتار ترمودینامیکی غیرخطی و تغییرات عدد ماخ/ارتفاع را به طور مطلوب کنترل می‌کند. حلقه حفاظتی برای محافظت در مقابل خاموشی موتور، افزایش شدید دما و واماندگی با استفاده از استراتژی Min-Max با کنترلگر جفت شده است که پاسخ کنترلگر را به موتور می‌رساند و از آسیب‌دیدن موتور جلوگیری می‌کند. این مدل توانایی شبیه‌سازی عملکرد موتور در هر دو شرایط گذرا و پایا را دارد. پس از اعتبارسنجی مدل با استفاده از نرم‌افزار Gasturb 13 که بیشترین خطای آن %8.76 است، نتایج شبیه‌سازی حاکی از توانمندی کنترلگر هیبریدی دوسطحی در سناریوهای مختلف پروازی بر اساس میانگین زمان نشست %26 کوتاه‌تر، زمان برخاست %21.5 کوتاه‌تر و نداشتن خطای ماندگار در مقایسه با کنترل متداول PID است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

  • Jaw LC, Mattingly JD. Aircraft engine controls: design, system analysis, and health monitoring. American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc; 2009 Aug 15.
  • Linke-Diesinger A. Systems of commercial turbofan engines: an introduction to systems functions. Springer Science & Business Media; 2008.
  • Mohammadi Doulabi Fard SJ, Jafari S. Fuzzy controller structures investigation for future gas turbine aero-engines. International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power. 2021 Feb;6:2-24.
  • Lutambo J, Wang J, Yue H, Dimirovsky G. Aircraft turbine engine control systems development: Historical Perspective. In34th Chinese control conference (CCC), China 2015.
  • Michels K, Klawonn F, Kruse R, Nürnberger A. Fuzzy control: fundamentals, stability and design of fuzzy controllers. Springer; 2007 May 31.
  • Silva FA. Power Electronics, Drives, and Advanced Applications. IEEE Industrial Electronics Magazine. 2020 Sep;14:112-3.
  • منتظری م, جعفری ع, راستی ع. طراحی و پیاده‌سازی کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل خطی گسسته برای کنترل سوخت موتور توربوفن. فصلنامه علمی- پژوهشی مکانیک هوافضا. ج.15، ش. 2، ص 10-1.
  • Chipperfield AJ, Bica B, Fleming PJ. Fuzzy scheduling control of a gas turbine aero-engine: a multiobjective approach. IEEE Transactions on industrial electronics. 2002 Jun;49:536-48.
  • Davoodi M, Bevrani H. A new application of the hardware in the loop test of the min–max controller for turbofan engine fuel control. Advanced Control for Applications: Engineering and Industrial Systems. 2023 Jun;5:138-54.
  • Liu Z, Liu Y, Yu Y, Yang R. Advanced fuel limit design to improve dynamic performance of marine three-shaft gas turbine. Applied Thermal Engineering. 2024 Jan 5;236:121-49.
  • Hadroug N, Hafaifa A, Guemana M, Kouzou A, Salam A, Chaibet A. Heavy duty gas turbine monitoring based on adaptive neuro-fuzzy inference system: speed and exhaust temperature control. Mathematics-in-Industry Case Studies. 2017 Dec;8:1-20.
  • Jafari S, Nikolaidis T. Turbojet engine industrial Min–Max controller performance improvement using fuzzy norms. Electronics. 2018 Nov;7:314-27.
  • Hou G, Gong L, Huang C, Zhang J. Fuzzy modeling and fast model predictive control of gas turbine system. Energy. 2020 Jun;200:117-65.
  • Lv C, Chang J, Bao W, Yu D. Recent research progress on airbreathing aero-engine control algorithm. Propulsion and Power Research. 2022 Mar;11:1-57.
  • Zhou X, Lu F, Zhou W, Huang J. An improved multivariable generalized predictive control algorithm for direct performance control of gas turbine engine. Aerospace Science and Technology. 2020 Apr;99:105-76.
  • Dewi AK, Hamdani CN, Pratama DA, Heriyanto A. Design Fuel Efficiency on a Gas Turbine Generator Using a Fuzzy Logic Controller. In2nd Borobudur International Symposium on Science and Technology, Indonesia 2020.
  • Jalali N, Tolou Askari M, Razmi H. Improving the Performance of Gas Turbine based on‎ Rowen Model Using Type-2 Fuzzy Controller‎. Journal of Applied Dynamic Systems and Control. 2021 Jun;4:34-42.
  • پیرکندی ج، محمودی م، حسنی فر م، امیان م، مدلسازی و تحلیل ترمودینامیکی و اگزرژی یک موتور توربوجت بدون پس سوز. مجلۀ مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز. 1398، د. 49، ش. 2، ص 31-40.
  • پیرکندی ج. محمودی م. امنیایی ع. حرفت س. مدلسازی ترمودینامیکی و تحلیل عملکرد یک چرخه توربین‌گاز خورشیدی مجهز به پیل‌سوختی اکسید جامد. مجلۀ مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز. 1401، د. 52، ش. 4، ص 331-340.
  • میر طبائی م. نامی خلیل‌ده م، رنجبر ف، طراحی خط سازگاری عملکرد توربین با کمپرسور در موتور توربوفن پهپاد حاوی رانشهای گرم و سرد. . مجلۀ مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز. 1402، د. 53، ش. 2، ص 31-40.
  • Li L. A novel optimization control of gas turbine based on a hybrid method using the BELBIC and adaptive multi input multi output feedback control. Journal of Intelligent & Fuzzy Systems. 2023 Jan;45:863-76.
  • Zhao ZY, Tomizuka M, Isaka S. Fuzzy gain scheduling of PID controllers. IEEE transactions on systems, man, and cybernetics. 1993 Sep;23:1392-8.
  • Walsh PP, Fletcher P. Gas turbine performance. John Wiley & Sons; 2004 Mar 26.
  • Yarlagadda Performance Analysis of J85 Turbojet Engine Matching Thrust with Reduced Inlet Pressure to the Compressor. MSc Thesis, University of Toledo, 2010.
  • Kurzke J. Design and off-design performance of gas turbines. Gasturb 13 Manual. 2012.
  • Seabridge A, Moir I. Design and development of aircraft systems. John Wiley & Sons; 2020 Apr 6.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار