(57)【要約】      （修正有）【課題】逆回転オープンロータガスタービンエンジンのための制御システムを提供する。【解決手段】逆回転オープンロータガスタービンエンジンは前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータ１４を含むダクト無し前方ロータ１５と、後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータ１２を含むダクト無し後方ロータ１３とダクト無し前方及び後方ロータを駆動しエンジン１０への燃料流量を設定する燃料アクチュエータ１６を含むエンジン１０とオープンロータ制御システム１８／２０とを備える。オープンロータ制御システムは前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）および後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）のための動的反転手法を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御アルゴリズムを含む。【選択図】図１
2013177886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の前方ロータブレードを含むと共に前記複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータと、
複数の後方ロータブレードを含むと共に前記複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータと、
ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンと、
前記前方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、前記後方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、前記燃料アクチュエータに電気的に接続される燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、ならびにエンジン圧力比（ＥＰＲ）を計算するための複数のエンジン圧力測定フィードバック信号およびエンジンコア速度信号（Ｎ２）のうちの少なくとも２つを含むオープンロータ制御システムと
を備え、
制御アルゴリズムを含む前記オープンロータ制御システムが、
前記前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、前記後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、前記前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、および前記後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）のための２×２多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法と、
前記燃料流量指令（Ｗｆ）、ならびに前記エンジン圧力比（ＥＰＲ）を計算するための前記複数のエンジン圧力測定フィードバック信号および前記エンジンコア速度信号（Ｎ２）のうちの前記少なくとも２つのための単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法と
を含む、逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記オープンロータ制御システムが、ロータ速度に対する燃料流量の影響を考慮するが、ガス発生器エンジン圧力比に関するロータブレードピッチ角を考慮しない制御オプションを含む、請求項１記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項３】
ロータ速度フィードバック信号（ＮｆおよびＮａ）に対する前記ガス発生器燃料流量指令（Ｗｆ）の影響が、前記２×２ＭＩＭＯ制御法への知られた外乱入力として扱われる、請求項１記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記制御アルゴリズムが、前方ロータ速度および後方ロータ速度に対する燃料流量の外乱の影響を配慮するための外乱排除経路をさらに含む、請求項１記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記２×２ＭＩＭＯ制御法が、動的反転制御手法を利用する、請求項１記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記オープンロータ制御システムが、（ａ）前方ロータ位相出力フィードバック信号および後方ロータ位相出力フィードバック信号と（ｂ）エンジン速度レギュレータへの入力信号の間に位置する速度位相同期制御アーキテクチャをさらに含む、請求項１記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項７】
速度同期制御装置が、単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法を含む、請求項６記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項８】
速度位相同期制御装置が、訂正入力信号をロータ速度レギュレータへ供給する速度位相同期コントローラを含む、請求項６記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項９】
複数の前方ロータブレードを含むと共に前記複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータと、
複数の後方ロータブレードを含むと共に前記複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータと、
ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンと、
前記前方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、前記後方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、前記燃料アクチュエータに電気的に接続される燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、ならびにエンジン圧力測定フィードバック信号（ＥＰＲ）およびガス発生器コア速度フィードバック信号（Ｎ２）のうちの少なくとも１つを含むオープンロータ制御システムと
を備え、
前記オープンロータ制御システムが、少なくとも前記前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、前記後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、前記前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、および前記後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）についての動的反転マトリックス制御法を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御アルゴリズムを含む、逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記オープンロータ制御システムが、少なくとも前記前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、前記後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、前記燃料流量指令（Ｗｆ）、前記前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、前記後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、および記ガス発生器コア速度フィードバック信号（Ｎ２）についての動的反転手法を含む３×３多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御アルゴリズムを備える、請求項９記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記オープンロータ制御システムが、（ａ）前方ロータ位相出力フィードバック信号および後方ロータ位相出力フィードバック信号と（ｂ）エンジン速度レギュレータへの入力信号の間に位置する速度位相同期制御アーキテクチャをさらに含む、請求項９記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項１２】
速度同期制御装置が、単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法を含む、請求項１１記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項１３】
速度位相同期制御装置が、訂正入力信号をロータ速度レギュレータへ供給する速度位相同期コントローラを含む、請求項１１記載の逆回転オープンロータガスタービンエンジン。
【請求項１４】
（ａ）複数の前方ロータブレードを含むと共に前記複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータ、（ｂ）複数の後方ロータブレードを含むと共に前記複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータ、ならびに（ｃ）前記ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンを含む逆回転オープンロータガスタービンエンジンを制御する方法であって、
前記前方ロータ角度アクチュエータおよび前記後方ロータ角度アクチュエータについての前方制御信号および後方制御信号をそれぞれ発生させるステップと、
前記燃料アクチュエータについての燃料流量指令を発生させるステップと、
前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号を受け取るステップと、
エンジン圧力フィードバック信号とエンジンコア速度フィードバック信号のうちの少なくとも１つを受け取るステップと
を含み、
前記前方制御信号および後方制御信号を発生させるステップ、ならびに前記燃料流量信号を発生させるステップが、
前記前方制御信号および後方制御信号、ならびに前記前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号のための多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法、および
前記燃料流量指令、ならびに前記エンジン圧力フィードバック信号および前記エンジンコア速度フィードバック信号のうちの前記少なくとも１つのための単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法
を含む制御アルゴリズムを利用する方法。
【請求項１５】
前記制御アルゴリズムが、ロータ速度に対する燃料流量の影響を考慮するが、ガス発生器エンジン圧力比に関するロータブレードピッチ角を考慮しない、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号に対する前記燃料流量指令の影響が、前記ＭＩＭＯ制御法への知られた外乱として扱われる、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記ＭＩＭＯ制御法が、動的反転制御手法を利用する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
（ａ）前記前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号と（ｂ）前記ガスタービンエンジンへの入力信号の間の速度位相同期制御アーキテクチャを用意するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
速度同期制御装置が、単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法を含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
速度位相同期制御装置が、訂正入力信号をロータ速度レギュレータへ供給する速度位相同期コントローラを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
（ａ）複数の前方ロータブレードを含むと共に前記複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータ、（ｂ）複数の後方ロータブレードを含むと共に前記複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータ、ならびに（ｃ）前記ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンを含む逆回転オープンロータガスタービンエンジンを制御する方法であって、
前記前方ロータ角度アクチュエータおよび前記後方ロータ角度アクチュエータについての前方制御信号および後方制御信号をそれぞれ発生させるステップと、
前記燃料アクチュエータについての燃料流量指令を発生させるステップと、
前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号を受け取るステップと、
エンジン圧力フィードバック信号とエンジンコア速度フィードバック信号のうちの少なくとも１つを受け取るステップと
を含み、
前記前方制御信号および後方制御信号を発生させるステップ、ならびに前記燃料流量信号を発生させるステップが、前記前方制御信号および後方制御信号、前記燃料流量指令、前記前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号、ならびに前記エンジン圧力フィードバック信号およびエンジンコア速度フィードバック信号のうちの前記少なくとも１つのための動的反転手法を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法を含む制御アルゴリズムを利用する方法。
【請求項２２】
前記ＭＩＭＯ制御法が、３×３ＭＩＭＯ制御法である、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、逆回転オープンロータ（ＣＲＯＲ）ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのようなＣＲＯＲガスタービンエンジンのための制御システム実装に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＲＯＲ制御については、２つの逆回転ロータが、互いに機能的に結合され、それらの動作は、燃料流量によってさらに影響を受ける。本開示は、そのような課題および関係に対処する制御法を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本開示は、単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御の概念を適用することを可能にするモデルベースの動的反転によって、ＣＲＯＲエンジンの２つの逆回転ロータを数学的に分離する簡単、頑健でシステム化された解決策を提供する。本解決策は、燃料流量が、知られた外乱として扱われ、ロータ速度制御から排除されることを可能にする。さらに、本制御法は、双発機の４つのロータの間で簡単でよく調整された速度位相同期を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示によれば、逆回転オープンロータガスタービンエンジンは、複数の前方ロータブレードを含むと共に複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータと、複数の後方ロータブレードを含むと共に複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータと、ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンと、前方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、燃料アクチュエータに電気的に接続される燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、およびエンジン圧力比信号（ＥＰＲ）を含む。オープンロータ制御システムは、制御アルゴリズムを組み込み、制御アルゴリズムは、前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、および後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）のための２×２多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法と、燃料流量指令（Ｗｆ）およびエンジン圧力測定フィードバック信号のための単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法とを含む。より具体的には、オープンロータ制御システムは、ロータ速度に対する燃料流量の影響を考慮するが、ガス発生器エンジン圧力比に対するロータブレードピッチ角の影響を考慮しない制御オプションを含んでもよい。加えて、ロータ速度ＮｆおよびＮａに対するガス発生器燃料流量指令（Ｗｆ）の影響は、２×２ＭＩＭＯ制御法への知られた外乱入力として扱われてもよい。より詳細な実施形態では、制御アルゴリズムは、前方ロータ速度および後方ロータ速度に対する燃料流量の外乱の影響を配慮するための外乱排除経路をさらに含んでもよい。代替としてまたは加えて、２×２ＭＩＭＯ制御法は、動的反転手法を利用してもよい。
【０００５】
また、本開示によれば、逆回転オープンロータガスタービンエンジンは、複数の前方ロータブレードを含むと共に複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータと、複数の後方ロータブレードを含むと共に複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータと、ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンと、前方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、燃料アクチュエータに電気的に接続される燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、およびエンジンコア速度フィードバック信号またはエンジン圧力比信号（ＥＰＲ）を含むオープンロータ制御システムとを備える。オープンロータ制御システムは、少なくとも前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、および後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）についての動的反転手法を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御アルゴリズムを含んでもよい。より具体的には、オープンロータ制御システムは、少なくとも前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、および記ガス発生器コア速度フィードバック信号（Ｎ２）についての動的反転手法を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御アルゴリズムを備えてもよい。より具体的には、オープンロータ制御システムは、少なくとも前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、および記ガス発生器コア速度フィードバック信号（Ｎ２）についての動的反転手法を含む３×３多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御アルゴリズムを含んでもよい。
【０００６】
また、本開示によれば、そのような逆回転オープンロータガスを有するオープンロータ制御システムは、前方ロータと後方ロータの間、および／または２つのエンジンの間に位置する速度位相同期制御アーキテクチャをさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、速度位相同期制御装置は、単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法を含んでもよい。いくつかの実施形態では、速度位相同期制御装置は、訂正入力信号をロータ速度レギュレータへ供給する速度位相同期化コントローラを含む。
【０００７】
また、本開示によれば、逆回転オープンロータガスタービンエンジンは、複数の前方ロータブレードを含むと共に複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータと、複数の後方ロータブレードを含むと共に複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータと、ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンと、前方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータ角度アクチュエータに電気的に接続される後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、燃料アクチュエータに電気的に接続される燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、およびエンジンコア速度信号Ｎ２を含むオープンロータ制御システムとを備え、オープンロータ制御システムは、制御アルゴリズムを有し、この制御アルゴリズムは、前方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＦ）、後方ロータブレードピッチ角指令（ＢｅｔａＡ）、燃料流量指令（Ｗｆ）、前方ロータ速度フィードバック信号（Ｎｆ）、後方ロータ速度フィードバック信号（Ｎａ）、およびエンジンコア速度フィードバック信号（Ｎ２）についての３×３多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法を含んでもよい。
【０００８】
また、本開示は、本明細書に記載の制御システムのいずれか、および／または本明細書に記載の方法のいずれかを対象とする。例えば、本開示は、（ａ）複数の前方ロータブレードを含むと共に複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータ、（ｂ）複数の後方ロータブレードを含むと共に複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータ、ならびに（ｃ）ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンを含む逆回転オープンロータガスタービンエンジンを制御する方法であって、この方法は、（１）前方ロータ角度アクチュエータおよび後方ロータ角度アクチュエータについての前方制御信号および後方制御信号をそれぞれ発生させるステップと、（２）燃料アクチュエータについての燃料流量指令を発生させるステップと、（３）前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号を受け取るステップと、（４）エンジン圧力フィードバック信号とエンジンコア速度フィードバック信号のうちの少なくとも１つを受け取るステップとを含んでもよく（必ずしも任意の特定の順序で実行されるとは限らない）、（１）前方制御信号および後方制御信号を発生させるステップ、ならびに（２）燃料流量信号を発生させるステップが、制御アルゴリズムであって、前方制御信号および後方制御信号、ならびに前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号のための多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法と、燃料流量指令、ならびにエンジン圧力フィードバック信号およびエンジンコア速度フィードバック信号のうちの少なくとも１つのための単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法を含んでもよい制御アルゴリズムを利用する方法を提供する。より詳細な実施形態では、制御アルゴリズムは、ロータ速度に対する燃料流量の影響を考慮してもよいが、ガス発生器エンジン圧力比に関するロータブレードピッチ角を考慮しない。代替として、または加えて、前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号に対する燃料流量指令の影響が、ＭＩＭＯ制御法への知られた外乱として扱われる。代替として、または加えて、ＭＩＭＯ制御法は、動的反転制御手法を利用する。
【０００９】
代替の詳細な実施形態では、この方法は、（ａ）前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号と（ｂ）ガスタービンエンジンへの入力信号の間の速度位相同期制御アーキテクチャを用意することをさらに含んでもよい。加えて、速度同期制御装置は、単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御法を含んでもよい。代替として、または加えて、速度位相同期制御装置は、訂正入力信号をロータ速度レギュレータへ供給する速度位相同期コントローラを含んでもよい。
【００１０】
本開示によって提供される別の例示的な方法は、（ａ）複数の前方ロータブレードを含むと共に複数の前方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する前方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し前方ロータ、（ｂ）複数の後方ロータブレードを含むと共に複数の後方ロータブレードのブレードピッチ角を設定する後方ロータ角度アクチュエータを含むダクト無し後方ロータ、ならびに（ｃ）ダクト無し前方ロータおよびダクト無し後方ロータを駆動すると共に、ガスタービンエンジンへの燃料流量を設定する燃料アクチュエータを含むガスタービンエンジンを含む逆回転オープンロータガスタービンエンジンを制御する方法であって、この方法は、（１）前方ロータ角度アクチュエータおよび後方ロータ角度アクチュエータについての前方制御信号および後方制御信号をそれぞれ発生させるステップと、（２）燃料アクチュエータについての燃料流量指令を発生させるステップと、（３）前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号を受け取るステップと、（４）エンジン圧力フィードバック信号とエンジンコア速度フィードバック信号のうちの少なくとも１つを受け取るステップとを含んでもよく（必ずしも任意の特定の順序で実行されるとは限らない）、（１）前方制御信号および後方制御信号を発生させるステップ、ならびに（２）燃料流量信号を発生させるステップが、制御アルゴリズムであって、前方制御信号および後方制御信号、燃料流量指令、前方ロータフィードバック信号および後方ロータフィードバック信号、ならびにエンジン圧力フィードバック信号およびエンジンコア速度フィードバック信号のうちの少なくとも１つのための動的反転手法を含む多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法を含む制御アルゴリズムを利用してもよい。より詳細な実施形態では、ＭＩＭＯ制御法は、３×３ＭＩＭＯ制御法であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】逆回転オープンロータ（ＣＲＯＲ）ガスタービンエンジンのための基本制御システムアーキテクチャ概略構成図である。
【図２】逆回転オープンロータ（ＣＲＯＲ）ガスタービンエンジンのための基本制御システムアーキテクチャの別の概略構成図である。
【図３】図１および図２のＣＲＯＲのための制御されたプラントの入出力マッピングのマトリックス図である。
【図４】本開示による例示的な制御アーキテクチャの構成図である。
【図５】位相同期化を含む図４の例示的な制御アーキテクチャの構成図である。
【図６】２つのエンジンに適用される図４および図５の例示的な制御アーキテクチャの構成図である。
【図７】図１および図２のＣＲＯＲのための制御されたプラントの入出力マッピングの別のマトリックス図である。
【図８】本開示による別の例示的な制御アーキテクチャの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示は、単一入力単一出力（ＳＩＳＯ）制御の概念の適用を可能にするモデルベースの動的反転によってＣＲＯＲエンジンの２つの逆回転ロータを数学的に分離する簡単、頑健でシステム化された解決策を提供する。本解決策は、燃料流量が、知られた外乱として扱われ、ロータ速度制御から排除されることを可能にする。さらに、本制御法は、双発機の４つのロータの間で簡単でよく調整された速度位相同期を可能にする。
【００１３】
図１および図２にＣＲＯＲのための基本制御システムアーキテクチャを示す。図１および図２に示されるように、一例のＣＲＯＲガスタービンエンジン１０は、ダクト無し前方ロータ１５とダクト無し後方ロータ１３の間で機械的に結合されたディファレンシャルギヤボックス１７を備え、それによってそれぞれのダクト無し前方ロータ１５およびダクト無し後方ロータ１３のロータ速度は、所与の入力トルクについて結合される。この例のＣＲＯＲガスタービンエンジンは、エンジンおよびギヤボックス１７への燃料流量を設定する燃料アクチュエータ１６を備える。この例のＣＲＯＲガスタービンエンジン１０は、（とても基本的なレベルで）３つの入力、すなわち、前方ブレードピッチ角アクチュエータ１４および後方ブレードピッチ角アクチュエータ１２によってそれぞれ与えられる前方ロータアクチュエータピッチ角入力信号および後方ロータアクチュエータピッチ角入力信号であるＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡと、燃料流量アクチュエータ１６によって与えられる燃料入力信号であるＷｆとを含む。ＣＲＯＲガスタービンエンジン１０からの（やはりとても基本的なレベルで）出力は、後方パワー信号出力および前方パワー信号出力ＰａおよびＰｆと、後方ロータ速度信号出力および前方ロータ速度信号出力であるＮａおよびＮｆと、圧力信号出力（コアエンジンパワーの示度）であるＰ４６とを含む。制御システムは、オープンロータ制御部１８、およびガス経路制御部２０を含む。オープンロータ制御部１８への入力は、例えば、エンジン１０からのロータ速度ＮａおよびＮｆフィードバック信号、ロータ速度位相ＰａおよびＰｆフィードバック信号を含むことができ、ガス経路制御部２０への入力は、例えば、エンジン１０からのＰ４６フィードバック信号、および燃料アクチュエータ１６からのＦＭＶ位置信号を含むことができる。
【００１４】
ＣＲＯＲ制御については、２つの逆回転ロータが、互いに機能的に結合され、それらの動作は、燃料流量によってさらに影響を受ける。例えば、ＣＲＯＲのための制御されたプラントの入出力マッピングは、図２のマトリックスに示すように概して表すことができ、ただし、ＮｆおよびＮａは、前方ロータ速度信号出力および後方ロータ速度信号出力であり、ＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡは、前方ロータアクチュエータピッチ角アクチュエータ入力信号および後方ロータアクチュエータピッチ角アクチュエータ入力信号であり、Ｗｆは、燃料流量アクチュエータ信号であり、ＥＰＲは、エンジン圧力比信号である。
【００１５】
この課題を解決するための先の手法は、前方ロータ速度信号Ｎｆと後方ロータ速度信号Ｎａの間の相互作用を無視しており、各ロータ速度自体の基準を追従するよう各ロータ速度を維持することを試みて、単一入力単一出力制御を利用しようとしてきた。しかし、この結合は常に存在するので、図２の制御されたプラントのマトリックスに示されるように、６つの信号の間の相互作用は、ロータの定速保持制御およびロータの速度位相同期にかなり影響を与える。
第１の例示的な制御法
再び図２を参照すると、ＮｆおよびＮａは前方ロータ速度信号出力および後方ロータ速度信号出力であり、ＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡは、前方ロータアクチュエータピッチ角アクチュエータ入力信号および後方ロータアクチュエータピッチ角アクチュエータ入力信号であり、Ｗｆは、燃料流量アクチュエータ信号であり、ＥＰＲは、エンジン圧力比信号であり、ロータ速度ＮｆおよびＮａに対するガス発生器燃料流量指令Ｗｆの影響が、知られた外乱として扱われ、制御アルゴリズムが、前方ロータ速度および後方ロータ速度に対する燃料流量の外乱の影響を配慮するために外乱排除経路を含むことができるようになる場合、２×２多入力多出力（ＭＩＭＯ）制御法は、前方ロータ速度信号出力および後方ロータ速度信号出力（ＮｆおよびＮａ）、ならびに前方ロータアクチュエータピッチ角アクチュエータ入力信号および後方ロータアクチュエータピッチ角アクチュエータ入力信号（ＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡ）のために開発することができる。
【００１６】
オープンロータ制御のために、以下の通り、状態、制御の入力、出力、および外乱を選択する。
【００１７】
【数１】
2013177886.tif 000003
元のオープンロータ制御されたプラントが、
【００１８】
【数２】
2013177886.tif 000004
であると仮定する。サンプルｋでは、システム状態ｘk、入力ｕk-1、および外乱ｄkが知られている。したがって、偏差は、これらの電流動作条件について表され、すなわち
【００１９】
【数３】
2013177886.tif 000005
である。
【００２０】
これらの条件から偏差を定める。
【００２１】
【数４】
2013177886.tif 000006
偏差に関するこのシステムの局所線形化モデルを得ることができる。
【００２２】
【数５】
2013177886.tif 000007
【００２３】
【数６】
2013177886.tif 000008
の近似値を求め、それが、サンプルｋにおける
【００２４】
【数７】
2013177886.tif 000009
についての知られた初期条件、または任意の制御動作の更新のないある対照サンプルについてのシステム状態の自律的応答、すなわち
【００２５】
【数８】
2013177886.tif 000010
として扱われる。
【００２６】
【数９】
2013177886.tif 000011
オープンロータ制御についての状態空間摂動モデルは、
【００２７】
【数１０】
2013177886.tif 000012
である。
ただし、規定により、
【００２８】
【数１１】
2013177886.tif 000013
および
【００２９】
【数１２】
2013177886.tif 000014
である。
近似は、以下の通りである。
【００３０】
【数１３】
2013177886.tif 000015
ガス経路は、オープンロータ入力から分離されるので、Ｗｆ−ＥＰＲループは、ＳＩＳＯプラントとして扱うことができ、モデルに基づかないＳＩＳＯ制御は、Ｗｆ−ＥＰＲループ、例えばＰＩＤ制御に使用することができる。ＳＩＳＯプラントのように、それは、モデルに基づいたＳＩＳＯコントロールまたは伝統的なゲインスケジューリングＳＩＳＯ制御であり得る。Ｗｆ−ＥＰＲループを上記の状態空間モデルに組み込むことができることは、やはり本開示の範囲内であるが、よく知られたＳＩＳＯプラントがそれを行うことは必須ではない。
【００３１】
【数１４】
2013177886.tif 000016
とすると、典型的なＰＩＤの実施から、
【００３２】
【数１５】
2013177886.tif 000017
である。
【００３３】
タスティン変換、すなわち、
【００３４】
【数１６】
2013177886.tif 000018
を用いる。
【００３５】
それにより、離散時間変換関数は、
【００３６】
【数１７】
2013177886.tif 000019
となる。
【００３７】
そして、ＰＩＤコントローラについての離散時間状態空間モデルは、
【００３８】
【数１８】
2013177886.tif 000020
のように可観測正準実現によって得られる。
【００３９】
オープンロータ制御されたプラントモデルについては、ＮｆおよびＮａの両者が相対次数１をそれぞれ有すると仮定すると、これは、トルクに対するアクチュエータの指令が代数的な関係であり、ロータ速度に対するトルクが、一次ダイナミックスであるので合理的である。そこで、
【００４０】
【数１９】
2013177886.tif 000021
である。
【００４１】
【数２０】
2013177886.tif 000022
とする。
【００４２】
所望の出力トラッキング応答は、
【００４３】
【数２１】
2013177886.tif 000023
である。
【００４４】
以下の多項式
【００４５】
【数２２】
2013177886.tif 000024
が、単位円内でその固有値を有するように
【００４６】
【数２３】
2013177886.tif 000025
を適切に選ぶと、出力トラッキングが、漸近的に安定である。
【００４７】
さらに、
【００４８】
【数２４】
2013177886.tif 000026
である。
【００４９】
オープンロータ速度基準が概して一定である場合、したがって、
【００５０】
【数２５】
2013177886.tif 000027
である。
【００５１】
上記の所望の出力応答を
【００５２】
【数２６】
2013177886.tif 000028
と比較する。ただし、Ｋeは対角であり、
【００５３】
【数２７】
2013177886.tif 000029
である。
【００５４】
図４に、一定の速度を保持するために外乱が排除された分離した制御アーキテクチャ３０を示す。
【００５５】
図４に示すように、制御されたプラントの摂動モデル３０は、制御入力ベクトルベータアクチュエータ（ＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡ）増分
【００５６】
【数２８】
2013177886.tif 000030
、出力ベクトルロータ速度（ＮｆおよびＮａ）摂動
【００５７】
【数２９】
2013177886.tif 000031
、および外乱燃料流量（Ｗｆ）摂動
【００５８】
【数３０】
2013177886.tif 000032
を用いてＡ、Ｂ、Ｃ、Ｂd、Ｄdによって記述され、これらは、５頁、９行目〜５頁、３９行目に規定される。制御されたプラントの入力
【００５９】
【数３１】
2013177886.tif 000033
および出力
【００６０】
【数３２】
2013177886.tif 000034
が結合される。分離された制御は、ＫV、ＫF、ＫDを導入しており、ただし、ＫFは、増分状態フィードバックＦKによって元のダイナミックスを分離およびキャンセルし、ＫDは、増分外乱
【００６１】
【数３３】
2013177886.tif 000035
によって元の外乱を分離およびキャンセルし、ＫVは、結合した入力
【００６２】
【数３４】
2013177886.tif 000036
および出力
【００６３】
【数３５】
2013177886.tif 000037
を分離し、ＳＩＳＯ関係における新しい制御の入力
【００６４】
【数３６】
2013177886.tif 000038
および出力
【００６５】
【数３７】
2013177886.tif 000039
を用いて所望の制御されたプラントを再構築する。出力トラッキング制御は、Ｋeを導入して、ロータ速度（ＮｆおよびＮａ）をそれらの指令基準（ＮｆＲおよびＮａＲ）に近づけ、分離され制御されたプラント（入力
【００６６】
【数３８】
2013177886.tif 000040
および出力
【００６７】
【数３９】
2013177886.tif 000041
）に基づいた閉ループＳＩＳＯ制御が、所望の制御性能を実現する。すなわち、ＮｆがＮｆＲを追従し、ＮａがＮａＲを追従する。デカップリング制御則は
【００６８】
【数４０】
2013177886.tif 000042
であり、増分アクチュエータ制御入力
【００６９】
【数４１】
2013177886.tif 000043
は、アクチュエータ制御入力ｕk、すなわちＢｅｔａＦｋおよびＢｅｔａＡkを発生させるために積分される必要があり、ＢｅｔａＦｋおよびＢｅｔａＡkは、ベータアクチュエータにそれぞれ適用される。
【００７０】
ｙ1およびｙ2は、分離されるので、すなわち、
【００７１】
【数４２】
2013177886.tif 000044
はｙ1だけに影響を及ぼし、
【００７２】
【数４３】
2013177886.tif 000045
はｙ2だけに影響を及ぼす。したがって、ｙ1とｙ2の間の速度位相同期は、２つの分離されたＳＩＳＯ制御ループのいずれかの内側ループ補正として扱うことができる。
【００７３】
位相フィードバックは、ある期間内の平均値（例えば６個のサンプル）として規定される。
【００７４】
【数４４】
2013177886.tif 000046
次いで、２つのロータの間の速度位相同期、つまりＲ２Ｒ同期制御は、ｙ2をｙ1との位相同期を保つようにｖ2を局所的に調節することによってなされてもよい。
【００７５】
図５に、Ｒ２Ｒ同期制御構造を示す。位相同期レギュレータ４０は、以下の規則に基づいてｄｖ2の符号を判定する。
【００７６】
０°＜ｅｒｒＰｈ≦１８０°または−３６０°＜ｅｒｒＰｈ≦−１８０°の場合、Ｎａは先頭のＮｆであり、Ｎａは減速される必要があり、すなわちｄｖ２＜０である。
【００７７】
さもなければ、１８０°＜ｅｒｒＰｈ＜３６０°または−１８０°＜ｅｒｒＰｈ＜０°の場合、Ｎａは後ろのＮｆであり、Ｎａは速度を上げられる必要があり、すなわちｄｖ2＞０である。
【００７８】
エンジンツーエンジン（Ｅ２Ｅ）の速度位相同期の場合、ＮｆおよびＮａがエンジンごとに分離されるので、２つのエンジンからのＮｆｓを同期することが必要である。エンジン１がマスターとして指定されると仮定すると、エンジン２は、エンジン１に同期される必要がある。
【００７９】
【数４５】
2013177886.tif 000047
を規定する。図６には、Ｅ２Ｅ同期制御構造を示されており、第２のエンジン制御アーキテクチャ３０’および対応する位相同期レギュレータ４０’が設けられている。Ｅ２Ｅ位相同期レギュレータ５０は、以下の規則に基づいてｄｖ1の符号を判定する。
【００８０】
０°＜ｅｒｒＰｈＥｎｇ≦１８０°または−３６０°＜ｅｒｒＰｈＥｎｇ≦−１８０°の場合、Ｅ２は先頭のＥ１であり、Ｅ２は減速される必要があり、すなわちｄv1＜０である。
【００８１】
さもなければ、１８０°＜ｅｒｒＰｈＥｎｇ＜３６０°または−１８０°＜ｅｒｒＰｈＥｎｇ＜０°の場合、Ｅ２は後ろのＥ１であり、Ｅ２は速度を上げられる必要があり、すなわちｄv1＞０である。
ディカップル速度制御の場合、ロータとロータ速度位相の同期およびエンジンとエンジン速度位相同期は、とても単純なシステム構造の古典的なＳＩＳＯ制御設計になる。
第２の例示的な制御法
オープンロータ制御については、ディファレンシャルギヤボックスによって２つの逆回転ロータが機械的に結合されるとき、コア速度Ｎ２およびオープンロータ速度が、強く結合される。制御されたプラントの入出力マッピングは、図７にあるように概して表すことができ、ただしＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡは、それぞれ、前方ロータアクチュエータ入力および後方ロータアクチュエータ入力であり、Ｗｆは燃料流量アクチュエータである。ＮｆおよびＮａは、ＢｅｔａＦの前方ロータ速度および後方ロータ速度であり、Ｎ２は、エンジンコア速度である。
【００８２】
図７に示されるオープンロータ制御のために状態、制御の入力、制御された出力を選択する。
【００８３】
【数４６】
2013177886.tif 000048
ロータ速度ダイナミックス、エンジンコア速度ダイナミックス、２つのロータ間の結合、およびガス発生器とロータの間の結合は全て、以下の摂動モデルにおいて特徴付けられる。
【００８４】
【数４７】
2013177886.tif 000049
ただし、規定により、
【００８５】
【数４８】
2013177886.tif 000050
および
【００８６】
【数４９】
2013177886.tif 000051
である。
【００８７】
オープンロータ制御されたプラントモデルについて、Ｎf、ＮaおよびＮ2を仮定すると、全てが相対次数１をそれぞれ有し、これは、トルクに対するアクチュエータの指令が代数的な関係であり、ロータまたはタービン速度に対するトルクが、１次ダイナミックスであるので合理的である。そこで、
【００８８】
【数５０】
2013177886.tif 000052
である。
【００８９】
【数５１】
2013177886.tif 000053
とする。
所望の出力トラッキング応答は、
【００９０】
【数５２】
2013177886.tif 000054
である。
以下の多項式
【００９１】
【数５３】
2013177886.tif 000055
が、単位円内でその固有値を有するように
【００９２】
【数５４】
2013177886.tif 000056
を適切に選ぶと、出力トラッキングが、漸近的に安定である。
さらに、
【００９３】
【数５５】
2013177886.tif 000057
ロータ速度基準が概して一定である場合、したがって、
【００９４】
【数５６】
2013177886.tif 000058
である。
上記の所望の出力応答を
【００９５】
【数５７】
2013177886.tif 000059
【００９６】
【数５８】
2013177886.tif 000060
と比較する。ただし、Ｋeは対角であり、
【００９７】
【数５９】
2013177886.tif 000061
である。
【００９８】
図８に、一定の速度を保持するために分離された制御６０を示す。この解決策は、ロータロータ結合の関係とロータコア結合の関係の両方が十分であるとき、本質的に図４〜図６の実施形態の３×３多入力多出力の変形例である。図８は、オープンロータエンジン制御のための３×３ＭＩＭＯ制御のシステムレベル図を与える。動的反転は、制御入力（ＢｅｔａＦ、ＢｅｔａＡ、Ｗｆ）関係、および出力（Ｎｆ、Ｎａ、Ｎ２）関係の数学的分離をもたらす。
【００９９】
図８に示すように、制御されたプラントの摂動モデル６０は、制御入力ベクトルベータアクチュエータ（ＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡ）、および燃料アクチュエータ（Ｗｆ）増分
【０１００】
【数６０】
2013177886.tif 000062
、出力ベクトルロータ速度（ＮｆおよびＮａ）およびコア速度（Ｎ２）摂動
【０１０１】
【数６１】
2013177886.tif 000063
を用いてＡ、Ｂ、Ｃによって記述され、これらは８頁、１２行目〜８頁、３０行目に規定される。制御されたプラントの入力
【０１０２】
【数６２】
2013177886.tif 000064
および出力
【０１０３】
【数６３】
2013177886.tif 000065
は結合される。分離された制御は、ＫV、ＫFを導入しており、ただし、ＫFは、増分状態フィードバックＦKによって元のダイナミックスを分離およびキャンセルし、ＫVは、結合した入力
【０１０４】
【数６４】
2013177886.tif 000066
および出力
【０１０５】
【数６５】
2013177886.tif 000067
を分離し、ＳＩＳＯ関係における新しい制御の入力
【０１０６】
【数６６】
2013177886.tif 000068
および出力
【０１０７】
【数６７】
2013177886.tif 000069
を用いて所望の制御されたプラントを再構築する。出力トラッキング制御は、Ｋeを導入して、ロータ速度（ＮｆおよびＮａ）をそれらの指令基準（ＮｆＲおよびＮａＲ）に近づけ、およびコア速度（Ｎ２）をその指令基準（Ｎ２Ｒ）に近づけ、分離され制御されたプラント（入力
【０１０８】
【数６８】
2013177886.tif 000070
および出力
【０１０９】
【数６９】
2013177886.tif 000071
）に基づいた閉ループＳＩＳＯ制御が、所望の制御性能を実現する。すなわち、ＮｆがＮｆＲを追従し、ＮａがＮａＲを追従し、Ｎ２がＮ２Ｒを追従する。デカップリング制御則は
【０１１０】
【数７０】
2013177886.tif 000072
であり、増分アクチュエータ制御入力
【０１１１】
【数７１】
2013177886.tif 000073
は、アクチュエータ制御入力ｕk、すなわちＢｅｔａＦｋおよびＢｅｔａＡk、ならびにＷｆkを発生させるために積分される必要があり、ＢｅｔａＦｋおよびＢｅｔａＡk、ならびにＷｆkは、ベータアクチュエータおよび燃料アクチュエータにそれぞれ適用される。
【０１１２】
本実施形態に関しては、（１つまたは複数の）ガス発生器出力に対するロータブレードピッチ角ＢｅｔａＦおよびＢｅｔａＡの影響を無視できるとき、３×３分離マトリックス伝達関数における対応する要素を簡単に消去することができる。結果として得られる制御は、ガス発生器についての制御された出力が、エンジン圧力比ＥＰＲではなくコア速度Ｎ２であることを除いて、図４の制御に機能的に等価であり得る。
【０１１３】
ｙ1およびｙ2は、互いから分離され、かつｙ1およびｙ2は共に、ｙ3から分離されるので、すなわち、ｖ1はｙ1にのみ影響を与え、ｖ2はｙ2にのみ影響を与える。したがって、ｙ1とｙ2の間、またはエンジン１のｙ1とエンジン２のｙ1間の速度位相同期は、図４および図５の実施形態に示されるものと実質的に同じであり得る。
【０１１４】
ソフトウェア解決手法、ハードウェアまたはファームウェア解決手法、およびそのようなものの組み合わせを含む本明細書に開示された制御システムアーキテクチャが、当業者に知られた任意のやり方で提供可能であることを理解されたい。そのような解決手法は、適切なプロセッサ、メモリ（および本明細書に記載の任意のアルゴリズムを具体化するソフトウェアが、任意のタイプの持続性メモリに常駐していてもよい）、回路、および当業者に知られている他の構成要素を使用することを取り入れる。
【０１１５】
例示的な実施形態を参照して本明細書に記載の本発明を開示したが、代替の構成および実施形態が本明細書に開示した本発明の範囲から逸脱することなく実施可能であることが当業者には明らかであろう。さらに、開示されていないまたは思いがけない利点が存在し得るので、そのような発明の範囲内に含まれるために、本明細書に述べた（１つまたは複数の）本発明の目的または利点のいずれかを満たすことは必ずしも必要ないことが理解されよう。
【符号の説明】
【０１１６】
１０  ＣＲＯＲガスタービンエンジン、エンジン
１２  後方ブレードピッチ角アクチュエータ
１３  ダクト無し後方ロータ
１４  前方ブレードピッチ角アクチュエータ
１５  ダクト無し前方ロータ
１６  燃料アクチュエータ、燃料流量アクチュエータ
１７  ディファレンシャルギヤボックス、ギヤボックス
１８  オープンロータ制御部
２０  ガス経路制御部
３０  制御アーキテクチャ、制御されたプラントの摂動モデル
３０’  第２のエンジン制御アーキテクチャ
４０  位相同期レギュレータ
４０’  位相同期レギュレータ
５０  Ｅ２Ｅ位相同期レギュレータ
６０  分離された制御、制御されたプラントの摂動モデル
【図１】
2013177886.tif 000074
【図２】
2013177886.tif 000075
【図３】
2013177886.tif 000076
【図４】
2013177886.tif 000077
【図５】
2013177886.tif 000078
【図６】
2013177886.tif 000079
【図７】
2013177886.tif 000080
【図８】
2013177886.tif 000081
【外国語明細書】
2013177886000001.pdf