بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله یک روش کنترل تطبیقی مدل مرجع پیشگوی حالت برای یک موتور توربین گازی به کارگرفته شده است. ابتدا روش کنترل تطبیقی مدل مرجع پیشگوی حالت برای یک سیستم چندورودی-چندخروجی در حالت کلی ارائه شده است. پایداری قوانین تطبیق با استفاده از روش لیاپانوف اثبات شده است. سپس روش ارائه شده برای یک سیستم موتور توربوشفت با مقادیر دینامیک واقعی پیاده سازی شده است. به منظور اثبات کارایی روش پیشگوی حالت در یک سناریوی شبیه سازی این روش با روش مدل مرجع کلاسیک مقایسه شده است. نتایج شبیه سازی برتری روش پیشنهادی را به خوبی نشان می دهد.
.1 مقدمه
توربین گاز، یک ماشین دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار میکند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترقکردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است.
بخشی از انرژی مکانیکی تولیدشده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است ژنراتور برق را بچرخاند - توربوژنراتور - ، به هوا سرعت دهد - توربوجت و توربوفنو - یا مستقیماً به همان صورت مصرف شود - توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن - . توربین گاز را می توان در چند حالت مختلف در صنایع مهم مانند صنعت تولید برق، نفت و گاز، کارخانه های فرآوری ، حمل و نقل هوایی، و همچنین صنایع داخلی و صنایع مرتبط کوچکتر بکار برد
توربین گازی با دو ورودی ، دو خروجی و دو متغیر حالت را در نظر می گیریم ، که ورودیهای آن عبارتند از ، جریان سوخت و زاویه شیب پیشرانش در پروانه، خروجی های سیستم نیز عبارتند از ، جریان هوای موتور و فشار محوری و دو متغیر حالت سیستم نیز ، سرعت دو محور توربین می باشند . این مقاله به طراحی و تجزیه و تحلیل پایداری کنترل کننده تطبیقی برای سیستم های دینامیکی با عدم قطعیت تطابق یافته چند ورودی - چند خروجی2 اختصاص داده شده است.
در ابتدا معادلات حالت سیستم کلی با یک کنترل کننده تطبیقی مدل مرجع3معمولی را طراحی می کنیم . سپس ، از طریق تجزیه و تحلیل پایداری لیاپانوف، به بیان اثبات پایداری قوانین تطبیق مبتنی بر حالت پیشگو می پردازیم. هدف آن است که برای پیش بینی از سیستم مشتق حالت گرفته شود
روش کنترل بر سه جزء تأکید دارد؛ پیش بینی کننده، یک مدل مرجع و یک کنترل کننده. از آنجا که حالت پیشگو برای پیش بینی خروجی سیستم برای هر ورودی کنترلی قابل قبولی طراحی شده است، لذا کنترل سیستم با عدم قطعیت ، که یک سیستم مجازی با دینامیک شناخته شده و حالت کامل میباشد، به یک کنترلر پیش بینی کننده تبدیل میشود . پس از آن، قانون کنترل فیدبک حالت کامل برای کنترل خروجی پیش بینی با رویکرد سیستم مدل مرجع، در حالی که سیستم مدل مرجع مسیر مورد نظر را ردیابی میکند، طراحی میشود. در نهایت هدف کنترلی، ردیابی مسیرهای مورد نظر توسط خروجی سیستم واقعی ، و اینکه خروجی سیستم، خروجی پیش بینی کننده و خروجی مدل مرجع ، همگی دریک مسیر مشخص به هم متصل شوند
روش کنترل تطبیقی پیشگوی حالت بدلیل اینکه دارای خاصیت مشتقگیری است ، تغییرات پارامترها را به سرعت تشخیص داده و می تواند جایگزین مناسبی برای دیگر روشهای کلاسیک کنترل تطبیقی باشد. این روش نه تنها سبب بهبود عمل ردیابی می شود ، بلکه به سرعت ، خطاهای پارامتری را میرا کرده و اثر بسیار خوبی در بهبودی سیگنال کنترلی و حذف نوسانات آن دارد. موتور جت دارای نقاط کار مختلفی میباشد، بطوریکه هر یک از این نقاط کار در شرایط مختلف میتواند سبب تغییر شدید پارامترها و از بین رفتن عملکرد مطلوب آن شود.
لذا روش کنترل تطبیقی پیشگوی حالت می تواند یکی از راههای مناسب برای رسیدن به اهداف مورد نظر کنترلی باشد. نتایج تجربی به دست آمده روی مدل دینامیکی موتور توربوشفت JetCat SPT5 پیاده شده است. بر اساس داده های تجربی، نقشه عملکرد روی قطعات موتور از جمله پروانه، کمپرسور فشار بالا، توربین های فشار بالا و فشار پایین انجام میشود. سپس به بررسی مسئله توسعه ساختار و اثبات کنترل پایداری برای موتورهای توربین گازی پرداخته می شود.
.2 توصیف مدل
در این قسمت ابتدا توضیح مختصری از مدل فیزیکی موتور توربوشفت JetCat SPT5 داده میشود و سپس به تدوین و فرموله کردن دینامیکهای سیستم ، حل مساله کنترل و استخراج دینامیکهای خطای ردیابی برای آن پرداخته خواهد شد.
1؛2 مدل موتور توربو شفت JetCat SPT5
در این بخش مدل دینامیکی موتور توربوشفت JetCat SPT5 شرح داده شده است. این موتور متشکل از دو قرقره است که حالت های سیستم را تشکیل می دهند و یک پروانه با زاویه فراز متغیر4را راه اندازی می کنند. شکل - 1 - تصویری از موتور توربوشفت JetCat SPT5 را نشان میدهد.
شکل: 1 موتور توربوشفت [7] JetCat SPT5
طرح کلی از موتور در شکل - 2 - نشان داده شده است. برای هر یک از اجزای توربوماشین، توان تولید شده و یا جذب می شود که تابعی از جریان جرم هوای عبوری از آن، و همچنین تفاوت در محتوای گرمایی 5ساکن میباشد. سوخت به هسته موتور وارد می شود که شامل یک کمپرسور، محفظه احتراق و توربین با سرعت بالا است. گازهای خروجی از اگزوز از هسته موتور اصلی با توربین فشار کم عبور کرده ، که قدرت را از طریق یک گیربکس کاهنده به پروانه متغیر انتقال می-دهد . هر دو توربین سرعت کم و بالا گرم می شوند؛ و هیچ جریان هوایی در اطراف محفظه احتراق برای خنک کردن آن نخواهد بود. به عنوان نمونه برای توربین گاز هواپیمای بزرگتر که بدین صورت میباشد.
شکل :2 شماتیک موتور توربوشفت
پروانه متصل شده در انتهای موتور میتواند سبب تولید نیروی تِراست 6افقی شود که توسط یک لودسل 7قابل اندازه گیری میباشد. این سیستم متشکل از دو زیر سیستمِ هسته8و پروانه9یا ملخ است. کمپرسور، محفظه احتراق و توربین سرعت بالا10اجزای تشکیل دهنده زیر سیستم هسته میباشند. گازهای خروجی از اگزوز به دمایی نزدیک به 710℃ میرسد که به یک توربین فشار پایین 11نیرو وارد میکند. این نیرو توسط یک جعبه دنده 12کاهشی به پروانه با زاویه متغیر منتقل میشود.
در حالت ماندگار تغییرات سرعت محور فن از حالت بیبار تا بار کامل از50000 RPM 13 به 170000 RPM تغییر میکند ، بطوریکه با افزایش زاویه فراز ، سرعت پروانه کاهش مییابد. موتور JetCat SPT5 شامل سیستم ابزار دقیق برای اندازهگیری سرعت چرخشی قرقرهها و دمای گاز خروجی از اگزوز است. منظور از قرقره دوقلو ، توربین فشار پایین و فن میباشد
مدلسازی موتور توربوشفت بر اساس یک سری فرضیات و در یک روز استاندارد و در سطح دریا انجام میشود. متغیرهای حالت این موتور به ترتیب سرعتهای دو محور - 14قرقره - هسته و فن میباشند. ورودی کنترل برای زیر سیستمِ هسته ، جریانسوخت است، و ورودی زیر سیستمِ فن ، زاویه فراز ملخ15می-باشد. خروجیهای سیستم میتواند متغیرهای دلخواه مانند جریان هوای موتور ، نیروی تراست ، مصرف سوخت ویژه16و غیره میباشند. بنابراین با توجه به مطلبی که در بالا بیان شد، مدلسازی سیستم موتور توربوشفت، چندمتغیره - دو ورودی- دو خروجی - میباشد.
