Surrogate model based system identification and control of gas turbine engines

Abstract

Bu tezin odak noktası, yakıt akışının daha geleneksel bir yakıt dozajlama ünitesinden ziyade dişli tip bir yakıt pompası tarafından sağlandığı küçük, düşük maliyetli turbojet motorlardır. Bu tip yakıt akışı eyleyicilerinin sisteme dahil edilmesi, küçük turbojet motorların modellenmesi ve kontrolüne ek doğrusal olmayan özellikler getirmektedir. Alternatif bir çözüm olarak, bu tezde, bu tür alt sınıf turbojet motorlara çevrimiçi / çevrimdışı parametre tahmini ve adaptif kontrol yöntemleri önerilmekte ve uygulanmaktadır. Benzetim ve analiz için yakıt sistemini de içeren yüksek doğrulukta bir turbojet motor modeli geliştirilmiştir. Öte yandan, doğrusal olmayan hızlı bir motor modeli, dişli tip bir yakıt pompasıyla donatılmış küçük bir turbojet motorunun şaft dinamiklerini yakalamak için önerilmiştir. Bu hızlı motor modelinin parametreleri, regresyon analizi yöntemi kullanılarak tahmin edilmiştir. Aynı tanımlama prosedürü, önerilen yaklaşımı doğrulamak için gerçek motor test verilerine de uygulanmıştır. Daha sonra, önerilen hızlı motor modeli yapısını kullanan bir çevrimiçi parametre tahmin yöntemi, aero-termal turbojet motor modeline uygulanmıştır. Ardından, çevrimdışı ve çevrimiçi parametre tahmin yaklaşımlarının çıktıları birbiriyle karşılaştırılmıştır. Daha sonra, çevrimiçi parametre tahmin algoritması, dolaylı model referans uyarlamalı kontrol olarak bilinen bir adaptif kontrolcüye dönüştürülmüştür. Son olarak, geliştirilen kontrolcünün geleneksel kontrol yaklaşımlarına karşı getirdiği ana avantajlarını göstermek ve diğer uygulama alanlarını ortaya çıkarmak için aero-termal motor modeline çeşitli kontrol ve arıza senaryoları uygulanmıştır.

The focus of this thesis is on small low-cost turbojet engines where the fuel flow is provided by a gear-type fuel pump rather than a more traditional fuel metering unit. The incorporation of such type of fuel flow actuation devices introduces additional nonlinearities into the modeling and control of the small turbojet engines. As an alternative solution, this thesis presents and applies online/offline parameter estimation and adaptive control methods to such sub-class turbojet engines. For the simulation and analysis, a high-fidelity turbojet engine model including the fuel system is developed. On the other hand, a nonlinear fast engine model is proposed to capture the shaft dynamics of a small turbojet engine equipped with a gear-type fuel pump. The parameters of the fast engine model are estimated using the regression analysis. The same identification procedure is also applied to real engine test data to verify the proposed approach. Next, an online parameter estimation method using the same fast engine model structure is applied to the aero-thermal turbojet engine model. Then, the outputs of the offline and online parameter estimation approaches are compared with each other. Later, the online parameter estimation algorithm is converted to an adaptive controller known as indirect-model reference adaptive control. Last, several control and failure scenarios are applied to the aero-thermal engine model to show its main advantages over the traditional control approaches and also to reveal its further application areas.