طراحي و پياده سازي كنترل پيش بين مدل براي موتور توربوفن و مقايسه با الگوريتم min-max

دكتري

سيستم كنترل موتورهاي توربوفن از جمله مهم¬ترين فناوري¬هاي پيشرفته و كليدي مي¬باشد. الگوريتم¬هاي سوئيچينگ مرسوم كنترل موتور براي دهه¬هاي متمادي است كه بدون تغييرات مفهومي خاصي استفاده مي¬شوند و تا كنون نيز جوابگوي نيازمندي¬هاي پايه¬اي كنترل موتورهاي توربوفن بوده¬اند. اما به طور همزمان، تكنيك¬هاي كنترلي جديد و پيشرفته، كه بسياري از آنها داراي كاربردهاي صنعتي نيز مي¬باشند، به منظور دستيابي به اهداف موتورهاي آينده در حال توسعه هستند. از جمله اين تكنيك¬هاي كنترلي جديد كه در سال¬هاي اخير مورد توجه محققان قرار گرفته، كنترل پيش¬بين مدل است. از آنجا كه اين كنترلر مي¬تواند تمام قيود عملكردي و ساختاري موتور را طي يك فرآيند بهينه¬سازي در نظر بگيرد و سيگنال كنترلي بهينه را توليد نمايد، به عنوان راهكار كنترل موتور بسيار مناسب مي¬باشد. اما تا كنون تحقيقات اندكي بر روي اين روش كنترلي انجام شده و عملكرد آن به درستي با الگوريتم كنترلي min-max كه بطور سنتي در موتورهاي توربوفن استفاده مي¬شود، مقايسه نشده است. در اين رساله كنترل پيش¬بين مدل به عنوان يك كنترلر مدرن در جهت بكارگيري در سيستم كنترل موتور توربوفن طراحي، پياده¬سازي و تست شده و عملكرد آن با الگوريتم كنترلي min-max مقايسه شده است. بدين منظور، ابتدا مدلسازي ترموديناميكي حالت پاياي موتور توربوفن جهت تحليل عملكرد و مدلسازي ديناميكي آن جهت طراحي كنترلر انجام شده است. سپس، مدل ترموديناميكي با روش¬هاي خطي¬سازي مختلف و در نقاط عملكردي متعدد خطي¬سازي شده است. سپس كنترل پيش¬بين مدل چندمتغيره و الگوريتم كنترلي min-max، با در نظر گرفتن دو ورودي نرخ جريان سوخت و مقدار بليد و تمامي قيود لازم براي عملكرد ايمن موتور توربوفن، براي اين نقاط كاري طراحي شده است. از آنجا كه MPC يك الگوريتم كنترلي مدل¬پايه مي¬باشد و دقت مدل خطي در آن بسيار حائز اهميت است، يكي از مشكلاتي كه در كنترل¬هاي پيش¬بين طراحي شده براي موتور تا كنون وجود داشت، مسئله عدم تطابق بين مدل خطي و پلنت (مدل ترموديناميكي غيرخطي) بود. در تحقيقات انجام گرفته تا كنون، براي رفع اين مشكل، قيود سيستم را به طور محافظه¬كارانه تعيين مي¬كردند. در اين رساله، با استفاده از روش اصلاح فيدبك سعي شده است تا مشكل عدم تطابق بين مدل خطي و پلنت تعديل شود. بهره¬هاي رگولاتورهاي خطي الگوريتم min-max نيز با بكارگيري روش بهينه¬سازي الگوريتم ژنتيك محاسبه شده¬اند، تا نرخ سوخت بهينه به دست آيد و مقايسه صحيحي با الگوريتم MPC، كه سيگنال كنترلي بهينه را توليد مي¬كند، انجام گيرد. علاوه بر طراحي و شبيه¬سازي، اين دو كنترلر بايد از ديدگاه بار محاسباتي و پياده¬سازي بر روي سخت¬افزار نيز با يكديگر مقايسه شوند. بدين منظور، سخت¬افزار مناسب براي پياده-سازي آنها انتخاب و پياده¬سازي هر دو كنترلر انجام شده است. يكي از بهترين روش¬هاي متداول براي اطمينان از صحت پياده¬سازي و عملكرد كنترلر انجام تست سخت¬افزار در حلقه مي¬باشد. بدين منظور، بستر تستي مهيا شده و شبيه¬سازي سخت¬افزار در حلقه با بكارگيري هر دو الگوريتم MPC و min-max، براي اولين بار، انجام شده است. در انتها عملكرد اين دو كنترلر از زواياي مختلف شامل شبيه¬سازي كامپيوتري، پياده¬سازي و شبيه¬سازي سخت¬افزار در حلقه مقايسه، تحليل و ارزيابي شده است. نتايج اين تحليل نشان مي¬دهد كه كنترل پيش¬بين مدل به طور قابل توجهي سرعت پاسخ موتور را افزايش داده ضمن اينكه قيود عملكردي و ساختاري كه براي اطمينان از عملكرد ايمن موتور لازم است را نيز رعايت مي¬كند. به علاوه، نشان داده شده است كه بكارگيري روش اصلاح فيدبك توانسته است مشكل عدم تطابق بين مدل و پلنت را مرتفع نمايد. اما از طرف ديگر، سرعت محاسبات در روش MPC، به علت وجود فرآيند بهينه¬سازي در ساختار آن، كندتر از الگوريتم min-max است كه نيازمند تحقيق روي الگوريتم و فرآيند پياده¬سازي آن است.

193795

دانشگاه علم و صنعت ايران

مكانيك

دكتر مرتضي منتظري قهجاورستاني