20486

۲۰۴۸۶

طراحي كنترل پيش بين مدل چند متغيره براي موتور توربوفن

كارشناسي ‌ارشد

ارتعاشات و كنترل

۱۳۹۵-۱۳۹۸

۱۳۹۷/۱۲/۱۸

دكتر مرتضي منتظري

مكانيك

امروزه در بسياري از هواپيماهاي مسافربري مدرن از موتورهاي توربوفن استفاده مي‌شود. موتور توربوفن جهت ارضاي محدوديت‌هاي عملكردي و ساختاري پارامترهاي مختلف مانند سرعت و شتاب دوراني محور‌ها، دماي ورودي به توربين، حاشيه سرج كمپرسور و ...، نيازمند كنترل است. به عبارتي ديگر كنترلر موتور توربوفن وظيفه تأمين تراست مورد درخواست خلبان را در حين حفظ قيود متنوع حاكم بر محدوديت‌هاي ساختاري و عملكردي بر عهده دارد. اصلي‌ترين پارامتر كنترلي موتورهاي توربوفن سوخت ورودي به محفظه احتراق است. همچنين براي جلوگيري از پديده هاي مخرب در كمپرسورها نظير سرج و استال، اين موتورها به سيستم بيليد مجهز شده اند. لذا جهت كنترل موتور توربوفن علاوه بر متغير دبي سوخت از متغيرهاي ديگري مانند بيليد نيز استفاده ميشود. در اين پايان‌نامه، طراحي كنترلر پيش‌بين مدل چند متغيره براي موتور توربوفن ارائه شده است. بدين منظور، ابتدا روند استخراج معادلات حاكم بر كنترلر ارائه شده و قيود حاكم بر ورودي‌هاي كنترلي و خروجي‌هاي موتور مشخص شده است. سپس يك كنترلر چند متغيره (در اينجا دو متغير دبي سوخت و دبي بيليد هوا) طراحي شده است. آنگاه عملكرد كنترلر طراحي شده، با در نظر گرفتن اثر بيليد و بدون آن مقايسه، و تأثير وجود بيليد بر عملكرد موتور توربوفن ارزيابي شده است. علاوه بر آن به دليل عدم تطبيق بين مدل خطي‌سازي شده براي كنترلر و مدل غيرخطي موتور، روش اصلاح فيدبك جهت بهبود عملكرد كنترلر MPC در تعقيب خروجي مطلوب و حفظ قيود به كار گرفته شده است. در پايان تأثير پارامترهاي كليدي كنترل پيش‌بين مدل از جمله افق پيشبيني، افق كنترل و وزن كنترلي مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج شبيه سازي نشان دهنده تأثير كنترلر چند متغيره بر عملكرد موتور است كه بيان مي كند عدم وجود بيليد موجب مشكل سرج در عملكرد كنترلر مي‌شود. همچنين نشان ميدهد كه كنترلر MPC از سرعت پاسخ بيشتري در مقايسه با عملكرد كنترلر سنتي Min-Max برخوردار است.

1398/02/24

Multivariable Model Predictive Control Design for a Turbofan Engine

5/14/2019 12:00:00 AM

Nowadays, modern commercial aircrafts employ turbofan engines. Turbofan engine control is required to satisfy various operational and structural constraints such as shaft overspeed and acceleration, turbine inlet temperature, compressor surge margin and etc. In other words, the turbofan engine controller has the task of providing the requested pilot's thrust while satisfying all kinds of physical and operational constrains. The main control parameter for turbofan engines is the fuel injected into the combustion chamber. Also, to prevent destructive phenomena in compressors such as surge and stall, these engines are equipped with a bleed system. Thus, in order to control the turbofan engine, in addition to the fuel flow variable, other variables such as bleed are used. In this thesis, multivariable model predictive control design for turbofan engine is presented. For this purpose, the process of extracting the governing equations on the controller is presented comprehensively and various constraints of inputs and outputs are specified. A multivariable controller (here two variables: the fuel flow and bleed air) is designed based on the nonlinear thermodynamic model. The performance of the controller is then studied, and the effect of bleed on the performance of the turbofan engine is evaluated. In addition, due to the mismatching between the linearized and nonlinear models, feedback correction method has been used to improve the performance of the MPC controller in tracking of optimal output and maintaining constraints. Finally, the effect of key parameters of the MPC controller such as prediction horizon, control horizon and control penalty factor has been investigated. The simulation results reveal that the multivariable control approach is effective as the lack of bleed causes engine surge problem. Moreover this study shows that the speed response of the MPC controller outperforms the traditional Min-Max controller.