Geri Dön

Identification and control of gas turbine engine's fmu

Gaz türbinli motor yakıt kontrol ünitesinin sistem tanımlama ile modellenmesi ve kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 1019697
  2. Yazar: BİLAL EMRE BOZKURT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Gaz türbinli motorların performans kararlılığı ve verimliliği, kontrol hiyerarşisinin en iç çevriminde yer alan yakıt kontrol ünitesinin (FMU) dinamik davranışına doğrudan bağlıdır. Yakıt kontrol sistemi, motor yönetim hiyerarşisinin temel taşı olup genel kontrol performansını belirleyen temel unsurdur. MIL-HDBK-516C standartları ve operasyonel isterler çerçevesinde tasarlanan kontrolcülerin hızı ve kararlılığı, dış çevrimlerin dinamik yanıtlarını doğrudan etkiler. Bu bağlamda, kararlılık kriteri olarak ilgili standartlarda öngörülen 6 dB kazanç ve 45° faz marjini limitlerinin sağlanması sistem başarısı için kritik önem taşımaktadır. Yakıt denetimindeki hassasiyet ve hız, motorun genel operasyonel başarısında belirleyici bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, fonksiyonel mimariye uygun FMU seçimi ve bu üniteyi yönetecek ideal kontrolcü tasarımı zorunluluk arz etmektedir. Başarılı bir kontrolcü tasarımı, kontrol edilen düzeneğin gerçek sistem davranışlarını yüksek doğrulukla yansıtmasına bağlıdır. Ancak, FMU sistemlerinin doğasında bulunan histerezis, ölü bölge ve doyma gibi doğrusal olmayan etkiler, detaylı parametre bilgisi gerektiren fiziksel modelleme yöntemlerini yetersiz kılmasına veya uygulanmasını güçleştirmesine neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında, bahsi geçen zorlukları aşmak amacıyla, alt bileşenlerin spesifik fiziksel parametrelerine ihtiyaç duymayan kara kutu modelleme yaklaşımı benimsenmiştir. Sistemin integratör karakteristiği ve açık çevrimdeki kararsızlık eğilimi nedeniyle, tanımlama sürecinde sistem kararlılığını koruyan kapalı çevrim sistem tanımlama yöntemi tercih edilmiştir. Bu yöntemin uygulanabilirliğini sağlamak amacıyla, literatür araştırmaları ışığında FMU düzeneği ile uyumlu, öncül bir kontrolcü mimarisi geliştirilmiştir. Sistem dinamiklerini geniş bir frekans spektrumunda analiz edebilmek amacıyla uyarım sinyali olarak PRBS (Sözde Rastgele İkili Dizi) kullanılmıştır. Modelleme sürecinin güvenilirliğini artırmak ve uyarım sinyali seçiminin model doğruluğu üzerindeki etkilerini gözlemlemek amacıyla ikinci bir yöntem olarak çoklu sinüs sinyali tercih edilmiştir. Multisine sinyali, hedeflenen frekans bileşenlerini yüksek enerji yoğunluğu ile uyarma kabiliyeti ve uygulama kolaylığı yönleriyle sürece dahil edilmiştir. Her iki sinyalin genlik ve frekans parametreleri, sistemin operasyonel çalışma aralığına ve donanımsal kısıtlarına göre optimize edilmiştir. Sistem tanımlama çalışmaları kapsamında, FMU kontrol sinyali“giriş”, ölçeklendirme valfi pozisyon geri besleme sinyali ise“çıkış”değişkeni olarak tanımlanmış ve veriler MATLAB/Simulink ortamında analiz edilmiştir. Elde edilen deneysel frekans cevap verileri (FRD) ile bu verilere eğri uydurma yöntemiyle atanan transfer fonksiyonları, Bode diyagramları aracılığıyla karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Yürütülen analizlerde, sistemin karakteristik bir özelliği olan serbest integratör yapısının FRD üzerindeki yansımaları karakterize edilmiştir. Çalışma kapsamında, FRD verileri ile türetilen transfer fonksiyonları arasındaki korelasyonun yanı sıra, PRBS ve Multisine uyarımıyla elde edilen modeller karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiş, uyarım sinyali seçiminin sistem tanımlama doğruluğu üzerindeki spesifik etkileri araştırılmıştır. Frekans uzayı analizlerine ek olarak, modellerin dinamik başarısını ölçmek amacıyla zaman uzayı analizlerine de başvurulmuştur. Fiziksel testlerden elde edilen gerçek zamanlı kayıtlar, simülasyon ortamına girdi olarak uygulanmış; böylece deneysel veriler ile matematiksel model çıktıları arasındaki uyum kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu doğrulama süreci neticesinde, gerçek sistem davranışlarını en yüksek oranda yansıtma kapasitesine sahip olduğu saptanan model, kontrolcü geliştirme çalışmaları için temel referans olarak belirlenmiştir. Geliştirilen FMU modeli üzerinden kurgulanan simülasyon ortamında, stabilite ve operasyonel performans gereksinimlerini karşılayacak bir kontrolcü mimarisi tasarlanmış ve isterleri karşılama düzeyi kapsamlı analizlerle değerlendirilmiştir. Simülasyon aşamasında başarılı sonuçlar veren kontrol tasarımı, nihai aşamada doğrudan fiziksel sisteme entegre edilerek rig/bremze ortamlarında test edilmiş; böylece model ile gerçek sistem arasındaki dinamik uyum ve kontrolcü performansı gerçek zamanlı operasyon koşullarında valide edilmiştir.

Özet (Çeviri)

The performance stability and efficiency of gas turbine engines are directly dependent on the dynamic behavior of the Fuel Metering Unit (FMU), which is located at the innermost loop of the control hierarchy. As the cornerstone of the engine management hierarchy, the fuel control system is the primary element determining overall control performance. The speed and stability of controllers designed in accordance with the MIL-HDBK-516C standards and operational requirements directly influence the dynamic responses of the outer loops. In this context, ensuring the stability criteria of a 6 dB gain margin and a 45° phase margin, as prescribed by the relevant standards, is critical to system success. Precision and speed in fuel regulation play a decisive role in the engine's overall operational success. Therefore, selecting an FMU consistent with the functional architecture and designing an ideal controller to manage this unit are necessary. Successful controller design depends on the control plant reflecting real system behaviors with high fidelity. However, nonlinear effects inherent in FMU systems, such as hysteresis, deadband, and saturation, render physical modeling methods, which require precise parameter knowledge, insufficient or difficult to implement. In this thesis, a black-box modeling approach, which does not require specific physical parameters of sub-components, was adopted to overcome the aforementioned challenges. Due to the system's integrator characteristic and its tendency toward instability in open loop, a closed-loop system identification method was preferred to maintain system stability during identification. To ensure the applicability of this method, a preliminary controller architecture compatible with the FMU plant was developed through a literature review. To analyze system dynamics across a wide frequency spectrum, a Pseudo-Random Binary Sequence (PRBS) was utilized as the excitation signal. To enhance the reliability of the modeling process and observe the effects of excitation signal selection on model accuracy, Multisine signals were employed as a second method. Multisine signals were included in the process due to their ability to excite targeted frequency components with high energy density and their ease of implementation. The amplitude and frequency parameters of both signals were optimized to meet the system's operational range and hardware constraints. Within the scope of system identification studies, the FMU control signal was defined as the“input”and the metering valve position feedback signal as the“output”variable; these data were analyzed using MATLAB/Simulink. The experimental Frequency Response Data (FRD) and the transfer functions assigned to these data via curve-fitting were comparatively examined using Bode diagrams. In the conducted analyses, the reflections of the free integrator structure, a characteristic feature of the system, were characterized on the FRD. In addition to the correlation between FRD and the derived transfer functions, the models obtained through PRBS and Multisine excitations were comparatively evaluated, and the specific effects of excitation signal selection on system identification accuracy were investigated. Complementing the frequency-domain analyses, time-domain analyses were also used to assess the dynamic performance of the models. Real-time recordings obtained from physical tests were applied as inputs to the simulation environment; thus, the consistency between experimental data and mathematical model outputs was comprehensively examined. As a result of this validation process, the model with the highest fidelity in reflecting real system behavior was identified as the primary reference for controller development. Within the simulation environment built on the developed FMU model, a controller architecture to meet stability and operational performance requirements was designed, and its compliance with the specified requirements was rigorously examined. The controller design, which yielded successful results in the simulation phase, was finally integrated into the physical system and tested in rig/test-cell environments; thereby, the dynamic compatibility between the model and the real system, as well as the controller performance, was validated under real-time operational conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    813775

    Load frequency control of a gas turbine power plant in response to a sudden disturbance with a battery energy storage system (BESS)

    Bir gaz türbinli elektrik santralinin bir akü enerji depolama sistemindeki (BESS) ani bir bozulmaya müdahale olarak yük frekans kontrolü

    KAWA ABBAS NADER NADER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NECMİ SERKAN TEZEL

  2. Tez No

    389269

    Model predictive control of a turbocharged diesel engine with exhaust gas recirculation

    Aşırı doldurmalı ve egzoz gaz çevrimli dizel motorda model öngürülü kontrol

    MUHARREM UĞUR YAVAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN GÖKAŞAN

  3. Tez No

    441696

    Dizel motor hava akış sisteminin ortalama değer modeli ve EGR-VGT sistemlerinin model öngörülü kontrolü

    Mean value modelling of diesel engine airpath and model predictive control of EGR-VGT systems

    ŞAFAK CEMAL KARAKAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ SALİM SÖĞÜT

  4. Tez No

    243875

    Çapraz akış içerisinde sıcak jet akışının sayısal ve deneysel incelenmesi

    Numerical and experimental investigation of hot jets in jet in cross-flow

    MUSTAFA KEMAL SEVİNDİR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN ALPAY HEPERKAN

    PROF. DR. METE DEMİRİZ

  5. Tez No

    529254

    Surrogate model based system identification and control of gas turbine engines

    Gaz türbin motorların vekil model tabanlı sistem tanımlaması ve kontrolü

    SİNAN EKİNCİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İLKAY YAVRUCUK

Geri Dön