Bir turbojet motorun modellenmesi ve kazanç ayarlama yöntemiyle kontrolü
Modelling and control a turbojet engine via gain scheduling method
Yazar: OLCAY KARADENİZ
Danışman: PROF. DR. ŞEREF NACİ ENGİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Jet motorları hava araçlarına itki sağlama amacıyla tasarlanmıştır. Hava araçlarının havalanabilmesi için jet motorlarından sağlanan itkiye ihtiyacı vardır. Elde edilen itki kontrollü bir şekilde hava aracına sağlanmalıdır. Hava aracının güvenli bir şekilde hareketi ve seyir profili jet motorunun da güvenli bölgede ve kontrollü bir şekilde çalışmasına bağlıdır. Jet motorunun hava araç platformuna entegre edilmeden ve uçuşlu testlerden önce yer testleri ve bilgisayar ortamında benzetim testleri yapılır. Bu çalışma kapsamında gaz türbinli jet motorunun bilgisayar ortamında matematiksel modellenmesi ve kontrolör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada yapılan çalışmalar ileride yapılacak olan yer testleri ve platformla entegre uçuşlu testleri yakından ilgilendirmektedir. Bilgisayar ortamında yapılan benzetimlerle, yer ve uçuşlu testlerde yapılan maliyetler azaltılmaktadır. Bu sebeple matematiksel modelin doğrulanmış ve gerçeğe yakın veriler içermesi tasarlanacak kontrolörün de doğru ve etkin çalışabilmesi için son derece önemlidir. 

Çalışmanın ilk aşamasında literatürde bulunan motor modelleri incelenmiştir. Araştırmalar sonucunda, NASA / T-MATS tarafından hazırlanan, doğrusal olmayan dinamiklere sahip "Turbojet Motor Modeli" seçilmiştir. Seçilen bu matematiksel modele belirlenen girişler uygulanmış ve uygulanan girişler neticesinde çalışma aralığı, motor tepkileri, şaft hızı, istasyon sıcaklıkları gözlemlenmiştir. Gözlemler sonucunda motorun gerçek motor grafiklerine yakın olduğu sonucuna varılmıştır. Bununla beraber motordan elde edilen itki motor şaft hızıyla doğrudan ilgilidir. Motor modeli girişi yakıt debisi, çıkışı ise motor şaft devridir. Doğrusal olmayan modele adım giriş yakıt debisi uygulanmış ve şaft devrine bakılmıştır. Daha sonra bu motora sistem tanılama yapılarak motorun şaft devrinin hızlanma ve yavaşlama yönündeki yakıt debi girişine göre doğrusal modelleri, belirlenmiş devir aralıklarında durum-uzay formunda elde edilmiştir. Sistem tanılama sonucu elde edilen durum-uzay formundaki doğrusal modeller ile doğrusal olmayan modele aynı yakıt debi girişleri uygulanarak doğrusal modellerin doğrusal olmayan modelle uyumu kanıtlanmıştır. Kontrolör tasarımında ise durum-uzay formunda elde edilen doğrusal modeller için belirlenen devir aralıklarında yakıt kontrolü için ayrı ayrı PI kontrolör tasarlanarak, kazanç ayarlama yöntemiyle motorun şaft hızının yavaşlama ve hızlanma yönünde kontrol altında tutularak güvenli bölgede çalışması amaçlanmıştır. Tasarlanan kontrolörler doğrusal ve doğrusal olmayan motor modellerine entegre edilmiştir. Bu kontrolörler yavaşlama ve hızlanma yönünde belli bir yakıt debisini aşmamak koşuluyla çalışmaktadır ancak kontrolörlerin ani tepkilerinin önlenmesi amacıyla yavaşlama ve hızlanma yönünde çizelgeler oluşturulmuştur. Bu çizelgelerle kontrolörlerin ani tepkiler vererek motoru güvenli çalışma bölgesinden tehlikeli bölgelere götürmesi önlenmiştir. Tüm bu aşamalardan sonra kontrolör performansı farklı yakıt debisi girişleriyle test edilmiş ve benzetim sonuçlarıyla motorun güvenli bölgede çalıştığı ortaya konulmuştur.
Anahtar Kelimeler: Jet motoru modelleme, jet motoru yakıt kontrolü, kazanç ayarlama yöntemi, turbojet motorlar

Abstract:
Jet engines are designed to provide thrust to aircraft. In order to be able to take off the air vehicles, there is a need for thrust from the jet engines. The resulting thrust must be supplied to the aircraft in a controlled manner. The safe movement of the aircraft and the cruise profile depend on the safe operation of the jet engine in a controlled area. Ground tests and computer simulation tests are performed before the jet engine is integrated into the aircraft platform and before flight tests. In this study, mathematical modeling and controller design of gas turbine jet engine in computer environment has been realized. The studies carried out at this stage are closely related to future ground tests and platform-integrated flight tests. Costs in ground and flight tests are reduced by computer simulations. For this reason, it is extremely important that the mathematical model contains validated and realistic data so that the controller to be designed can work correctly and effectively.
In the first stage of the study, the engine models in the literature were examined. As a result of the research, "Turbojet Engine Model" prepared by NASA / T-MATS which has non-linear dynamics was chosen. The determined inputs were applied to this selected mathematical model and the operating range, engine responses, shaft speed, station temperatures were observed as a result of the applied inputs. As a result of the observations, it is concluded that the engine is close to the actual engine graphs. However, the thrust from the engine is directly related to the engine shaft speed. The engine model input is fuel flow and the output is engine shaft speed. The nonlinear model was applied step input fuel flow and the shaft speed was checked. Then, system identification has been performed to this engine and linear models have been obtained as state-space representation according to the fuel flow input in the acceleration and deceleration direction of determined engine shaft speed operation ranges. Linear models in state-space form obtained as a result of system identification and the same fuel flow inputs are applied to non-linear model and the compatibility of linear models with non-linear model is proved. In the controller design, a PI controller is designed for the fuel control at the determined speed ranges for the linear models obtained in the state-space form, and it is aimed to operate in the safe zone by controlling the shaft speed of the engine in deceleration and acceleration direction by gain scheduling method. Designed controllers are integrated into the linear and nonlinear engine models. These controllers operate on condition that they do not exceed a certain fuel flow in the direction of deceleration and acceleration, but limiter charts have been established in the direction of deceleration and acceleration in order to prevent the sudden response of the controllers. With these limiters, the controllers are prevented from taking the engine from the safe working area to dangerous areas by giving sudden reactions. After all these stages, the controller performance was tested with different fuel flow inputs and the simulation results showed that the engine was operating in a safe area.
Keywords: Jet engine modelling, jet engine fuel control, gain scheduling method, turbojet engines