مدل‌سازی غیرخطی و طراحی سیستم کنترل برای یک توربین گاز هوایی با استفاده از شبکه عصبی مبتنی بر NARMA L-2

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

2 استادیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

10.22044/jsfm.2025.15197.3904

چکیده

مدل‌سازی رفتار یک سیستم توربین گاز و طراحی کنترل برای آن همواره مورد توجه محققین این حوزه بوده است. مدل‌سازی مناسب سبب می‌شود که بتوان کنترلر مناسب بر روی سیستم دینامیکی پیاده نمود و با استفاده از یک کنترل مناسب می‌توان سیستم را به بهترین و امن‌ترین شکل ممکن کنترل کرد. در طراحی کنترل یک توربین گاز به دلیل وجود خطرات جبران‌ناپذیر برای سیستم می‌بایست قیود محافظتی را رعایت نمود. این خطرات شامل سرج، افزایش دمای بیش از حد توربین و خاموشی شعله است. در این پژوهش در ابتدا یک مدل غیرخطی از موتور J85 ساخته شده و نتایج آن با نرم‌افزار گزترب اعتبارسنجی شده است. نتایج اعتبارسنجی نشان می‌دهد که مقدار خطای بیشینه برای این موتور در نسبت فشار کمپرسور در و دمای ورودی توربین در شرایط گذرا به ترتیب 5 و 5.8 درصد است. در ادامه با بهره‌گیری از شبکه عصبی Narma L-2 و معیار محافظتی Min-Max یک کنترلر برای این سیستم طراحی شده است. کنترلر طراحی شده قادر است تا حد سرج را در مانور سرعت آرام به سرعت بیشینه بالای 5 درصد حفظ کند و از دمای بیش از حد توربین و خاموشی شعله جلوگیری کند و همچنین مقدار خطای ماندگار آن در نقطه طرح صفر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] H. Asgari (2014) Modelling, Simulation and Control of Gas Turbines Using Artificial Neural Networks, Boca Raton, Florida: CRC Press.
[2] Shaun R. Gaudet (2007) Development of a Dynamic Modeling and Control System Design Methodology for Gas Turbines, Ottawa-Carleton Institute (Thesis).
[3] Qusai Z. Al-Hamdan and Munzer S. Y. Ebaid(2006) Modeling and Simulation of a Gas Turbine Engine for Power Generation, Aerican society of mechanical engineers.
[4] Rafael Parra Hemandez, Jaime Alvarez Gall and Marino Sancbez Parra (1997) A Neural Network Speed Controller for Gas Turbine, IFAC Control of Industrial Systems.
[5] C. Wang, Y.G. Li and B.Y.Yang (2017) Transient performance simulation of aircraft engine integrated with fuel and control systems, Applied Thermal Engineering.
[6] O. Mohamed and A. Khalil (2020) Progress in Modeling and Control of Gas Turbine Power Generation Systems: A Survey, MDPI Energies.
[7] P. Lin, X. Du, Y. Shi and X.-M. Sun (2019) Modeling and controller design of a micro gas turbine for power generation, Elsevier Isatrans.
[8] A. Salehi and M. Montazeri-Gh (2018), "Black box modeling of a turboshaft gas turbine engine fuel control unit based on neural NARX," Engineering for the Maritime Environment.
]9[ م. تجلی، ا. محمدی و م. مرتضی (1392) مدلسازی و شبیه سازی توربین گازی دو محوره با در نظرگیری اثرات خنک کاری پره‌های توربین، مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها.
[10]  I. M. Ibrahem, O. Akhrif, H. Moustapha and M. Staniszewski (2021) Nonlinear generalized predictive controller based on ensemble of NARX models for industrial gas turbine engine, Elsevier Energy.
]11 [م. منتظری، ع. جعفری و ع. راستی جهرمی (1398) طراحی و پیاده‌سازی کنترل پیشبین مبتنی بر مدل خطی گسسته برای کنترل سوخت موتور توربوفن، مکانیک هوافضا.
 
[12]  H. Asgari, X.Chen and M.Menhaj (2012) ANN-Based System Identification, Modelling and Control of Gas Turbines, Advanced Materials Research, Vols. 622-623.
[13]  I. O. Bachi, A. S. Bahedh and I. A. Kheioon (2021) Design of control system for steel strip-rolling mill using NARMA-L2, Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 35, no. 4.
[14]  K. E. Hamidi, M. Mjahed, A. El Kari, H. Ayad and N. El Gmili (2021) Design of Hybrid Neural Controller for Nonlinear MIMO System Based on NARMA-L2 Model, IETE Journal of Research, vol. 69, no. 5.
[15]  A. Gundogdu and R. Celikel (2022) NARMA-L2 controller for stepper motor used in single link manipulator with low-speed-resonance damping, Engineering Science and Technology,, vol. 24, no. 2.
[16]  Y. Kondratenko, K. Wang , O. Kozlov , A. Shevchenko and A. Denysenko (2023) Neural Network Control of the Mobile Robotic Platform’s Adhesion Force, International Scientific Symposium, vol. 5.
[17]  Z. Gu, Q. Li, S. Pang, W. Zhou, J. Wu and C. Zhang (2023) Turbo-shaft engine adaptive neural network control based on nonlinear state space equation, Chinese Journal of Aeronautics, vol. 34, no. 4.
[18]  Link C.Jaw and Jack D.Mattingly (2009), Aircraft Engine Controls, Design, System Analysis and Health Monitoring.
[19]  S. Yarlagadda (2010), Performance Analysis of J85 Turbojet Engine Matching Thrust with Reduced Inlet Pressure to the Compressor, The University of Toledo, (Thesis).
]20[ م. فرجی و م. جهرمی (1394) توسعه یک مدل دینامیکی جهت شبیه‌سازی بلادرنگ رفتار گذرای موتور توربوجت در محیط سیمولینک، مجله علمی-پژوهشی مدل‌سازی در مهندسی.
]21[ م. آزادی اقدم و ا. مسگرپور طوسی (1393) مدلسازی سیستم کنترل موتور توربین گاز با استفاده از تحلیل موتور در خارج از نقطه طرح, کنفرانس بین المللی انجمن هوافضای ایران.
]22[ م. یزدان پناه و ع. ناظقی (1402) کنترل فعال نوسانات سیستم تعلیق هواپیما با استفاده از کنترلر عصبی  NARMA-L2، نشریه علمی مکانیک هوافضا.