小型空気熱モデルベースのエンジン材料温度制御

 

流体式の工学的システムを制御するためのシステム及び方法を開示する。本システム及び方法は、モデル出力を生成するためのモデルプロセッサを含み得、モデルプロセッサは、モデルプロセッサの動的状態を設定するための設定状態モジュールを含み、動的状態は、モデル動作モードに基づいて開ループモデルに入力され、開ループモデルは、現行状態モデルを、動的状態及びモデル入力の関数として生成し、現行状態モデルに対する制約は、一連のサイクル合成モジュールに基づき、一連のサイクル合成モジュールの各員は、制御システムのサイクルの構成要素をモデル化し、かつ一連のユーティリティを含み、ユーティリティは、構成要素と関連付けられた物理的特性の数学的抽象化に基づく。一連のユーティリティは、制御システムのサイクルの構成要素と関連付けられた材料温度を決定するための材料温度ユーティリティを含み得る。モデルプロセッサは、開ループモデルの先行状態モデル出力及び現行状態モデルに基づいてモデルの推定された状態を決定するための推定状態モジュールをさらに含み得る。

 

 

本出願は、2013年3月15日に出願された米国仮出願第61/800,440号の特許法第119条(e)項による利益を主張するものである。
本開示は、工学的システムの設計及び制御に関し、より特定的には流体式工学的システムの設計及び制御に関する。
流体式工学的システムは、広く使用されていて、飛行及び発電用のガスタービンエンジン、HVAC&R(加熱、排気、空気調節、及び冷却)、燃料電池、ならびに、炭化水素抽出、材料処理、及び製造のための他のより一般化された流体処理システム用のガスタービンエンジンを含み得る。これらのシステムは、次の構成要素のうちの任意のものまたは全てを含み得る:ターボ機械、燃料電池スタック、電気モーター、管、ダクト、弁、混合器、ノズル、熱交換器、歯車、化学装置、及び、流体の流れを発生させるもしくは修正するための他のデバイス。
これらの応用分野の各々は、異なる動作要求を工学的制御システムに課す。例えば、ガスタービンエンジンという応用分野では、関連するサイクルは、一般的には、Braytonタービンまたは第1のEricssonのサイクルであり、基本的な熱力学パラメータ(またはプロセス変数)は、吸気口、圧縮機、燃焼器、タービン、及び排気口での作動流体の圧力、温度、及び流量である。パラメータは、出力の全体的推力、回転エネルギー、または他の尺度に関連し得る。安全で、信頼性があり、かつ効率的なエンジン動作を維持しながらもこの出力を正確に制御するために、工学的制御システムは、迅速で、正確で、頑丈であり、かつ、全ての必要とされる性能水準にわたってリアルタイムの制御能力を提供しなければならない。関連するプロセス変数はシステムの種類及び構成によって変動するが、正確で、効率的で、信頼性のある工学的制御に対する必要性は、全体的な経費及び動作/維持要件に対する経済的制約と同様に変わらない。
さらに、制御されるシステムパラメータの直接的測定は、(未開発の技術、法外な経費、信頼性のない装置などにより)不可能であり得るため、制御システムは、システムパラメータのリアルタイム推定を必要とし得る。特に、このような制御システムは、システム構成要素の材料温度と関連付けられたパラメータを監視することを希望し得る。システムパラメータは、制御フィードバックとして用いられる測定された入力の所与の集合のための工学的システム及び/またはプロセスの数学的抽象化であり得る。
過去においては、このような流体式工学的システム用の制御システムは、区分的線形状態変数表現に依存していた。これらの制御システムは、その性質上、比較的単純な非線形システムに限られていた。過去において用いられていた別の方式は、重要なシステムパラメータを制御センサーに結びつける半経験的関係に依存しているが、このようなシステムの欠点は、それが正確さを欠き、実装のために必要とされるさらなるハードウェアのために高価であるということである。小売り環境で静的シミュレーションを展開する他の試みがなされてきたが、その性質上、これらのモデルは、大規模で、反復解法を用い、高い維持経費を有し、リアルタイム環境では重要な堅牢さを欠く。
現代的な流体式工学的システム制御への周知の方式は、流体式工学的システムの構成要素レベルの物理学ベースの非反復的数学的抽象化の利用である。これらの数学的抽象化は、応用された流体式工学的システムに固有のソフトウェア環境で概念化される。工学的システム制御のためのこのようなシステム及び方法の例は、ここに参照として組み込まれる米国特許第8,090456号(「構成要素レベルの動的数学的モデルを利用する工学的システムの設計及び制御のためのシステム及び方法l」)にさらに詳述されている。
先行技術によるエンジンパラメータのオンボード合成(EPOS)モデルの計算的非効率を克服し得る流体式工学的システムのリアルタイム制御システムにおけるEPOSに対する必要性が存在する。特に、流体式工学的システムの構成要素の材料温度を制御する及び/または監視する流体式工学的システムのための制御システムが必要とされる。したがって、先行技術のEPOSモデルの計算的非効率を克服し得る前記機能性を提供するEPOSが必要とされる。
本開示の態様による制御システムを開示する。制御システムは、制御表面を含む制御デバイスを位置決めするためのアクチュエータを含み得るが、アクチュエータは、モデル状態を制御するために制御表面を位置決めする。システムは、アクチュエータをモデル出力の関数として方向付けるための制御法則を含み得る。制御システムは、モデル出力を生成するためのモデルプロセッサであって、モデル入力を処理してモデル動作モードを設定するための入力オブジェクトを含む、モデルプロセッサと、モデルプロセッサの動的状態を設定するための設定状態モジュールであって、動的状態がモデル動作モードに基づいて開ループモデルに入力される、設定状態モジュールと、を含み得るが、開ループモデルは、現行状態モデルを動的状態及びモデル入力の関数として生成し、現行状態モデルに対する制約は、一連のサイクル合成モジュールに基づき、一連のサイクル合成モジュールの各員は、制御デバイスのサイクルの構成要素をモデル化し、一連のユーティリティを含み、ユーティリティは、構成要素と関連付けられた物理的特性の数学的抽象化に基づく。一連のユーティリティは、制御システムのサイクルの構成要素と関連付けられた材料温度を決定するための材料温度ユーティリティを含み得る。モデルプロセッサは、開ループモデルの先行状態モデル出力及び現行状態モデルに基づくモデルの推定された状態を決定するための推定状態モジュールと、モデル出力を決定するためにモデルの推定された状態を処理するための出力オブジェクトと、をさらに含み得る。
ある実施態様では、モデル出力は、制御デバイスのサイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含み得る。
さらなる実施態様では、制御法則は、制御デバイスの気体経路に沿った流れを、制御デバイスへの流れを材料温度信号に基づいて制御することによって制御し得る。
さらなる実施態様では、アクチュエータは、制御デバイスのサイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含むモデル出力に基づいて、制御デバイスへの流れを調節し得る。
別の実施態様では、ユーティリティのうちの少なくとも1つは、1つ以上のサブユーティリティを含む構成可能ユーティリティである。
さらなる実施態様では、少なくとも1つの構成可能ユーティリティは、圧縮機要素またはタービン要素のうちの少なくとも一方の物理的プロセスをモデル化するように設計され得る。
ある実施態様では、モデル入力は、生のエフェクタデータ、境界条件、エンジン感知データ、ユニット変換情報、範囲制限情報、速度制限情報、動的補償決定、及び合成された欠如入力のうちの1つ以上を含み得る。
精密には、制御デバイスは、ガスタービンエンジンであり得る。
さらなる実施態様では、1つ以上のサイクル合成モジュールは、ガスタービンエンジンのサイクルの要素と関連付けられた物理的状態の1つ以上の数学的抽象化に基づく。
本開示の別の態様によれば、制御デバイスを制御するための方法が開示される。本方法は、モデルプロセッサを用いてモデル出力を生成することを含み得る。制御システムは、モデル出力を生成するためのモデルプロセッサであって、モデル入力を処理してモデル動作モードを設定するための入力オブジェクトを含む、モデルプロセッサと、モデルプロセッサの動的状態を設定するための設定状態モジュールであって、動的状態がモデル動作モードに基づいて開ループモデルに入力される、設定状態モジュールと、を含み得るが、開ループモデルは、現行状態モデルを動的状態及びモデル入力の関数として生成し、現行状態モデルに対する制約は、一連のサイクル合成モジュールに基づき、一連のサイクル合成モジュールの各員は、制御デバイスのサイクルの構成要素をモデル化し、一連のユーティリティを含み、ユーティリティは、構成要素と関連付けられた物理的特性の数学的抽象化に基づく。一連のサイクル合成モジュールは、構成要素と関連付けられた材料温度を決定するための材料温度ユーティリティを含み得る。モデルプロセッサは、開ループモデルの先行状態モデル出力及び現行状態モデルに基づくモデルの推定された状態を決定するための推定状態モジュールと、モデル出力を決定するためにモデルの推定された状態を処理するための出力オブジェクトと、をさらに含み得る。本方法は、制御デバイスと関連付けられたアクチュエータを、制御法則を用いてモデル出力の関数として方向付けて、制御表面を含む制御デバイスを、アクチュエータを用いて位置決めすることをさらに含み得るが、アクチュエータは、モデル状態を制御するために制御表面を位置決めする。
ある実施態様では、モデル出力は、制御デバイスのサイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含み得る。
さらなる実施態様では、本方法は、制御デバイスへの燃料の流れを材料温度信号に基づいて制御することによって、気体経路に沿った流れを、制御法則を用いて制御することをさらに含み得る。
さらなる実施態様では、本方法は、制御デバイスのサイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含むモデル出力に基づいて、制御デバイスの燃料の流れを調節することをさらに含み得る。
ある実施態様では、制御デバイスはガスタービンエンジンであり、1つ以上のサイクル合成モジュールは、ガスタービンエンジンの熱力学的サイクルの構成要素と関連付けられた物理的プロセスの1つ以上の数学的抽象化に基づく。
ある実施態様では、ユーティリティのうちの少なくとも1つは、1つ以上のサブユーティリティを含む構成可能ユーティリティである。
本開示の別の態様によれば、ガスタービンエンジンが開示される。ガスタービンエンジンは、ファン、ファンの下流にある圧縮機セクション、及び圧縮機セクションの下流にある燃焼器セクション、ならびに圧縮機セクションの下流にあるタービンセクションを含み得る。さらに、ガスタービンエンジンは、制御表面を含むガスタービンエンジンを位置決めするためのアクチュエータを含み得るが、アクチュエータは、モデル状態を制御するために、制御表面を位置決めする。ガスタービンエンジンは、アクチュエータをモデル出力の関数として方向付けるための制御法則を含み得る。ガスタービンエンジンは、モデル出力を生成するためのモデルプロセッサを含むが、モデルプロセッサは、モデル入力を処理してモデル動作モードを設定するための入力オブジェクトと、モデルプロセッサの動的状態を設定するための設定状態モジュールであって、動的状態は、モデル動作モードに基づいて開ループモデルに入力され、開ループモデルは、現行状態モデルを、動的状態及びモデル入力の関数として生成し、現行状態モデルに対する制約は、一連のサイクル合成モジュールに基づき、一連のサイクル合成モジュールの各員は、ガスタービンエンジンのサイクルの構成要素をモデル化し、かつ一連のユーティリティを含み、ユーティリティは、構成要素と関連付けられた物理的特性の数学的抽象化に基づく、設定状態モジュールと、ガスタービンエンジンのサイクルの構成要素と関連付けられた材料温度を決定するための材料温度ユーティリティを含む一連のユーティリティと、を含む。モデルプロセッサは、開ループモデルの先行状態モデル出力及び現行状態モデルに基づいて、モデルの推定された状態を決定するための推定状態モジュールと、モデル出力を決定するためにモデルの推定された状態を処理するための出力オブジェクトと、をさらに備え得る。
ある実施態様では、モデル出力は、ガスタービンエンジンのサイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含み得る。
さらなる実施態様では、制御法則は、ガスタービンエンジンの気体経路に沿った流れを、ガスタービンエンジンへの燃料の流れを熱伝達信号に基づいて制御することによって制御し得る。
さらなる実施態様では、アクチュエータは、ガスタービンエンジンのサイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含むモデル出力に基づいて、ガスタービンエンジンへの燃料の流れを調節し得る。
ある実施態様では、ガスタービンエンジンのサイクルの要素は、ダクト、ブリード、あるロケーションでの圧力損失、タービン、圧縮機、拡散器、バーナー、出口誘導翼、ノズル、ファン、効率損失モジュール、ファンギアボックス、またはトルク測定のうちの少なくとも1つの要素であり得る。
図面は、必ずしも原寸に比例していないことを理解すべきである。ある事例では、本開示を理解するためには必要のないまたは他の詳細を理解することを困難にする詳細は省略されている。もちろん、本開示は、本明細書に示す特定の実施形態には制限されないことを理解すべきである。
流体式工学的システムのための例示の制御システムのブロック図である。 図1の制御システムの例示のエンジンパラメータのオンボード合成(EPOS)モジュールのブロック図である。 図2のEPOSの例示のCAM入力オブジェクトのブロック図である。 図2のEPOSの例示の小型空気熱(CAM)オブジェクトのブロック図である。 図4のCAMオブジェクトの例示の開ループモデルのブロック図である。 図2のEPOSの例示の出力調整モジュールのブロック図である。 図1の制御システムを用いて材料温度を監視及び制御するための例示の制御構成のブロック図である。 図7の制御構成を用いて材料温度を制御するための方法を表すフローチャートである。 図1及び/または2のEPOSの例を実装するために実行され得る機械読み取り可能命令を表すフローチャートである。 図2及び/または4のCAMオブジェクトの例を実装するために実行され得る機械読み取り可能命令を表すフローチャートである。 図7〜8の機械読み取り可能命令の例及び/または本明細書の本開示の任意の要素を実行し得る処理システムの例のブロック図である。
図面を参照して、かつ具体的には図1に関連して、本開示による流体式工学的システム用の制御システムは、一般に参照番号100で呼ばれる。制御デマンドは、オペレータインターフェース140によって生成され得るし、エンジンパラメータオンボード合成(EPOS)110によって受信され得る。例えば、オペレータインターフェース140は、コックピットナビゲーションシステム及び/またはオペレータワークステーションなどのリアルタイムインターフェースであり得る。加えてまたは代替的に、オペレータインターフェース140は、別のより一般化されたプロセス制御インターフェースを含み得るが、これは、例えば、案内、ナビゲーション、もしくは制御のためのコンピュータまたは自動操縦システム(複数可)を含むソフトウェア制御構成要素150に対して制御コマンドをロギングすることに適している。さらに、制御デマンドは、内部メモリまたは、ソフトウェア制御要素150と動作的に関連付けられた他の任意の内部プログラミングによって生成され得る。
制御要素150は、装置130用の制御命令を生成及び/または処理し得るEPOS110及び制御法則111を含み得る。EPOS110及び制御法則111は、装置130に関して連想機能で監視し、制御し、または別様に動作するように設計されたソフトウェアモジュールとして実装され得る。制御法則111は、EPOS110から制御フィードバックと、オペレータインターフェース140から制御コマンドを獲得し得る。制御法則111は、装置130を制御するためにハードウェア制御要素120によって処理される工学的ユニット中で制御要求を生成し得る。
加えて、ソフトウェア制御構成要素150は、データのそれぞれの入力/出力の宛先に対する出力データ及び/または入力データを処理するために、出力コンディショナー113及び/または入力コンディショナー115を含み得る。入力コンディショナー115によって提供される、EPOS110への入力は、範囲障害及び範囲内故障(例えば、速度限界、チャネル間不整合など)を検出して、適正な入力値を入力に対する健全なステータス指示と共に提供するために、障害検出及び収容(FDA)論理117によって処理され得る。
さらに、ハードウェア制御構成要素120は、ソフトウェア制御構成要素150によって生成されたデジタルデータを装置130によって読み取り可能なアナログ形式(例えば、電気信号)に変換し、装置130によって生成されたアナログデータをソフトウェア構成要素150によって読み取り可能なデジタルデータに変換し、このような入力データ及び出力データを読み取り可能なように調整し、及び/または装置130と関連付けられたアクチュエータ124を制御し得る。デジタル−アナログコンバータ122は、制御法則111によって生成されたデジタル信号をアクチュエータ要求に変換することが可能である。アクチュエータ124は、EPOS110によって生成された命令に従って、装置130の様々な制御構成要素を位置決めするために制御ハードウェアを用いる1つ以上のデバイスであり得る。アクチュエータ124などのアクチュエータは、装置の迅速で正確な制御を提供するように設計され得る。
アクチュエータセンサー125は、アクチュエータ124の様々な状態を測定するために含まれ得るが、アクチュエータの状態(または位置)は、装置130の様々な制御構成要素の物理的構成に関連され得る。例えば、流体式システムは、線形位置または角度位置がアクチュエータセンサー124によって感知され、かつ、圧縮機、燃焼器、タービン、及び/またはノズル/排気のアセンブリに近接して置かれた制御表面または他の制御デバイスの物理的位置に関連するアクチュエータをしばしば含む。
さらに、ハードウェア制御構成要素120は、装置システムセンサー126を含み得る。装置システムセンサー126は、装置130と関連付けられた動作パラメータを測定し得る。例えば、流体式システムは、流体経路中の様々な軸方向及び放射方向のロケーションでの作動流体圧力、温度、及び流体の流れを測定する装置システムセンサー126を含み得る。装置システムセンサー126は、これに限られないが、温度センサー、流量センサー、振動センサー、破片センサー、電流センサー、電圧センサー、水準センサー、高度センサー、及び/または翼端センサーを含む様々な異なる感知デバイスを含み得る。装置システムセンサー126は、装置130の機能に関連する動作パラメータ、例えば、アクチュエータ124を制御装置130に方向付けるためにEPOS110に提出される制御コマンド及びEPOS110によって生成される制御要求に関連するパラメータを測定するように位置決めされ得る。
装置システムセンサー126とアクチュエータセンサー125との双方は、前記センサーからの読み出し結果に基づいて電気信号を生成し得る。アクチュエータセンサー125及び装置システムセンサー126によって生成された電気信号は、アナログ−デジタルコンバータ123に送信され得る。アナログ−デジタルコンバータは、電気信号を、入力調整モジュール115による処理の後でEPOS110と互換性があり、これによって読み出され得るデジタル信号データに変換し得る。
装置130は、任意の流体式工学的システムであり得る。流体式工学的システムの例は、飛行及び発電のためのガスタービンエンジン、HVAC&R(加熱、排気、空気調節、及び冷却)、燃料電池、及び他の、炭化水素抽出、材料処理、及び製造のためのより一般化された流体処理システムを含み得る。様々な実施形態において、装置130の物理的構成要素は、これに限られないが、圧縮機、燃焼器、タービン、シャフト、スプール、ファン、送風機、熱交換器、バーナー、燃料電池、電動機及び発電機、反応炉容器、貯蔵容器、流体分離器、管、ダクト、弁、混合器、ならびに他の流体処理デバイスまたは流量制御デバイスを含む。
一部の例では、装置130は、熱力学的サイクルを作動流体に実施して、回転エネルギー、電力、もしくは反応性信頼を生成し、加熱、排気、空気調節、及び冷却を提供し、または他の流体処理機能を実施し得る。利用可能なサイクルの範囲は、これに限られないが、次のサイクル及びその導関数を含む:Ottoサイクル、Dieselサイクル、Braytonタービン(もしくは第1Ericsson)サイクル、Brayton噴出(Barber/Joule)サイクル、Bell−Coleman(逆Brayton)サイクル、Ericsson(第2Ericsson)サイクル、Lenoir(パルス噴出)サイクル、ならびにCarnot、Stoddard、及びStirlingサイクル。加えてまたは代替的に、装置130は、加熱、冷却、流量制御のため、または、農業、輸送、食料及び飲料の生産、薬品生産、もしくは製造のアプリケーションの処理のため、または炭化水素燃料の抽出、輸送、もしくは処理のためにいくつかの個々の熱力学的処理を実施し得る。利用可能な熱力学的プロセスの範囲は、これに限られないが、断熱的、等温的、等圧的、等エントロピー的、等尺的(等容または等容積測定の)変換、発熱反応、吸熱反応、及び相変化を含む。
この例では、装置130は、ガスタービンエンジンである。したがって、装置130の監視される態様は、これに限られないが、圧縮機、燃焼器、タービン、及び/またはノズル/排気アセンブリを含み得る。ガスタービンエンジンの応用分野では、EPOS110によって受信/生成された入力及び出力の値は、ガスタービンエンジンの構成要素(すなわち、圧縮機、燃焼器、タービン、及び/またはノズル/排気アセンブリなど)に関連した位置(すなわち、ノズルエリア、可変翼角度、流れ経路エリアなど)の値、状態、及び実際の感知されたパラメータ値(すなわち、スプール速度、気体経路温度、構成要素に近接した圧力、構成要素に近接した流量など)を表すベクトルであり得る。
EPOS110によって処理されるデータは、装置130の機能に関連するパラメータを含むベクトルである。EPOS110に対する入力ベクトルの例は、外部入力ベクトル(UE)及びコレクター真理ベクトル(YCt)を含み得る。UEは、EPOS110によって処理される外部入力に対する値を含み得る。UEは、装置130中の様々な制御要素の構成、位置、及び状態を記述し得る。例えば、ガスタービンエンジンでは、外部入力ベクトルUEの個々の要素は、イフェクター位置に関連する値の集合を有し得るが、これらのイフェクター位置の値は、燃料流量、ノズルエリア、可変翼角度、流れ経路オリフィスエリア、及び他の制御要素のパラメータを記述し得る。さらに、UEは、装置130の動作に関連する境界条件に関連する値の集合を有する。装置130の物理的境界での流体温度、圧力、及び流量などの一部の境界条件は、装置システムセンサー126で直接に測定され得る。流体式応用分野では、境界条件は、境界流れ条件ならびに入口及び出口のロケーションを含み得る。航空応用分野に固有の他の境界条件は、これに限られないが、飛行速度、高度、ならびにブリードもしくは動力抽出のパラメータを含む。
コレクター真理ベクトルYCtは、制御システムのリアルタイム実行に関連付けられたデータを含み、装置130の動作に関連する実際の(感知された)パラメータ値を記述する。YCtの要素は、アクチュエータセンサー125及び/または装置システムセンサー126によって取られた測定値に基づき得る。さらに、YCtの要素は、感知されたパラメータの良く理解され信頼されるモデル、例えば、Pitot管またはVenturi管の前後での差圧低下に基づく流量モデルから誘導された値に基づき得る。ガスタービンエンジンに対して、一般的なYCtのベクトル要素は、これに限られないが、スプール速度、気体経路温度、及び/または圧力を含むが、これらの全ての値は、圧縮機、燃焼器、及びタービンなどのエンジン構成要素に近接し得る。校正を含む非リアルタイムの応用分野の文脈では、YCtは、物理的に試験され得るまたはモデルに基づき得る高忠実度データに対応し得る。
本開示の小型空気熱モデル(CAM)を用いて図2は、図1のEPOS110の実施形態をさらに詳細に示す。図2のEPOS110は、CAM入力オブジェクト220を含むことに限られないが、小型空気熱モデル(CAM)オブジェクト230、及びCAM出力オブジェクト240を含み得る。EPOS110は、ベクトルUERaw及びYCtRawに関連する生の入力データを受信し得る。UERawは、アクチュエータセンサー125、装置システムセンサー126、及び/または他の任意の関連付けられたセンサー及び/または入力部から得られた値を含み得る。YCtRawは、アクチュエータセンサー125、装置システムセンサー126、及び/または他の任意の関連付けられたセンサー及び/または入力部から得られた値を含み得る。
CAM入力オブジェクト220は、受信された入力UEからの選択された値を入力ベクトルUE_inにパッケージングし得る。同様に、CAM入力オブジェクト220は、受信された入力からの選択された値をコレクター真理ベクトルYCt_inにパッケージングし得る。さらに、ベクトルUE_in及びYCt_inは、次に、入力値を保護するように調整され得るが、これは、値を範囲制限することによって、値を命令に基づいて制約すること及び/または任意のさらなる入力修正機能をベクトルに対して実施することによって実行され得る。CAM入力オブジェクト220はまた、受信された入力ベクトルを用いて、FADEC110の動作モード(OpMode)を決定し得る。入力調整モジュール220は、調整された外部入力ベクトルUE、調整された真理ベクトルYCt、及びOpModeベクトルを出力し得る。
ベクトル値の入力有効性は、CAM入力オブジェクト220の各々のセンサー入力に固有の障害検出及び収容論理によって(例えば、FDA論理117からの処理を通じて)保証され得る。障害検出及び収容論理は、範囲障害及び範囲内故障(すなわち、速度限界、チャネル間不整合など)を検出して、全てに対して適正な値を健全なステータス指示と共に提供する。CAM入力オブジェクト220の例を、図3を参照して以下により詳細に説明する。
CAM入力オブジェクト220の出力は、CAMオブジェクト230によって受信される。CAMオブジェクト230は、エンジン構成要素の空気熱表現、すなわち構成要素モジュールを含み得る。CAMオブジェクト230内の構成要素モジュールは、装置130の動作を支配する物理法則(すなわち、エネルギー保存則、質量の保存則、モーメントの保存則、回転システムに対するニュートンの第2法則、及び/または任意のさらなる周知の計算可能物理モデル)の数学的抽象化に関連するシステムの制約に従って動作し得る。CAMオブジェクト230内の各々の含まれるモジュールに対するシステム制約は、装置130の監視されるエリア及び/または機能(すなわち、バイパスダクトブリードモジュール、低スプール圧縮機モジュール、バーナーモジュール、寄生動力抽出モジュールなど)をシミュレートするために、内部でプログラムされる固有の制約を有し得る。
CAMオブジェクト230は、機能中に、オンボードコレクター状態、解法状態、及び物理状態を表す入力ベクトルを、内部解法状態と共に用い得る。解法状態は、高速動力学に対応し、算術的ループを解き、高度に非線形なモデル要素を平滑化するために導入され得る。CAMオブジェクト230は、合成されたパラメータベクトルYを出力し得る。ベクトルYは、CAMオブジェクト230によって決定された動作範囲に関連して推定され得る。CAMオブジェクト230の例を、図4を参照して以下にさらに説明する。
CAMオブジェクト230の出力は、CAM出力オブジェクト240によって受信され得る。CAM出力オブジェクト240は、制御ソフトウェア及び/またはハードウェアを消費することによって必要とされる選択CAM出力を後処理し得る。一部の出力に対して、CAM出力オブジェクト240は、単位変換を実施し、試験加算器を応用し、及び/または周辺状態間で内挿法を実施し、及び/または開始動作中でCAM出力し得る。CAM出力オブジェクト240は、Yベクトルを関連する構成要素によって所望される値固有の値(すなわち、温度、圧力、流量、センサー温度、及び/または他の出力合成)にアンパックし得る。CAM出力オブジェクト240はまた、構成要素間ステーション流量、温度、圧力、及び/または燃料対空気混合比、トルク、推力、ブリード流量、及び/または圧縮機及びタービンケースの間隔を出力し得る。CAM出力オブジェクト240はまた、EPOS110によって決定された現行状態(例えば、前述の「OpMode」動作モード)を示し得る。CAM出力オブジェクト240の例を、図10を参照して以下により詳細に説明する。
CAM入力オブジェクト220に戻ると、図3は、図2のCAM入力オブジェクト220の例示の実施形態を示す。図3のCAM入力オブジェクトは、UEベクトルパッケージャー310、YCtベクトルパッケージャー320、OpModeディターミナー330、及び入力保護モジュール340を含み得る。UEベクトルパッケージャーはベクトルUERawを受信し得るし、UEベクトルパッケージャー310は、所望の値を入力ベクトルから選択して、ベクトルUE_inを作成し得るが、これは、入力保護モジュール340に出力され得る。UEベクトルパッケージャー310はまた、単位変換のため、及び、存在し得ないUEに対する値を合成するために用いられ得る。同様に、YCtベクトルパッケージャーは、ベクトルYCtRawを受信し得る。YCtベクトルパッケージャー310は、所望の値を入力ベクトルから選択して、ベクトルYCt_inを作成し得るが、これは、入力保護モジュール340に出力され得る。
OpModeディターミナー330は、CAMオブジェクト230の動作モードを、各々の動作モードで実行されるために必要な入力値の健康ステータスに基づいて確立し得る。健康ステータスは、FDA論理117によって決定された制御センサーのステータスと、内部状態及び出力の状態などのCAMオブジェクト230による内部生成された情報と、を含み得る。OpModeディターミナー330は、最高の忠実度モードを利用可能な入力に基づいて求め、障害を収納するために減少した忠実度モードに復帰し得る論理設計を用いて動作し得る。OpModeディターミナー330によって決定された動作モードは、装置130の機能に関連し、入力ベクトル値及び/またはCAM状態及び/または出力の状態に基づく動作モードのプログラムされたリストのうちの1つである。様々な下流の要素の機能は、OpModeディターミナー330によって決定された、結果として得られる動作モードによって影響され得る。
一旦、CAMのOpModeが決定されると、入力保護モジュール340は、OpModeベクトルと、ベクトルパッケージャー310、320からの入力とを用いて、入力ベクトルUE及びYCtを決定する。前記ベクトルは、図4により詳しく示すCAMオブジェクト230によって受信される。
CAMオブジェクト230は、状態ベクトルXC、XS、及びXPを生成し得る。物理状態ベクトル(XP)は、興味ある時間中に装置130の動力学に関連するシミュレートされたパラメータを含むが、その導関数(XpDot)は、開ループモデル410で計算される。ベクトルXPは、これを含むことに限られないが、スプールシャフト速度、装置素材温度などを含み得る。解法状態ベクトルXSは、装置130のある構成要素になされた調整に関連する値を含み得る。これらの値は、CAMに起因する誤りを補償するための調整であり得る。XCベクトルは、YCtの実の値に匹敵するモデル化されたYCベクトルを作成するためのYCtベクトルの精密化されたものであるシミュレートされた構成要素水準値であるオンボードコレクター状態に関連する値を含み得る。さらに、CAMオブジェクト230は離散的なリアルタイムシミュレーションとして実装されるため、CAMオブジェクト230は、シミュレーションの各々動的パスを完全に実施し得るが、各々のパスは、文字kで示される。各々のシミュレーションパスkとシミュレーション時間ステップdtとの積は、シミュレーション時間である。kの値は、1だけ連続して増加し得る(例えば、k=[1、2、3、・・・])。
設定状態モデル420は、UEベクトル、YCtベクトル、及びOpModeベクトルの入力を受信し得る。加えて、設定状態モジュール420は、推定状態モジュール440によって生成されたXベクトルの先行状態の値を受信し得る。図4では、先行状態は状態「(k−1)」で示されている。設定状態モジュール420は、Xベクトル中の状態を基点値でオーバーライドするが、しかしながら、値がオーバーライドする必要がなければ、設定状態モジュール420は、通過要素として機能し得る。設定状態モジュール420のオーバーライド機能は、CAMモジュール230に対して入力された動作モード(OpMOde)次第で、Xベクトル内の値を基点(U)または外部(YCt)の値でオーバーライドし得る。オーバーライド値を獲得するため、設定状態モジュール420は、初期化中に使用されるCAM状態の基点値をルックアップし得る。設定状態モジュール420はまた、解法状態の能動的部分集合を選択し得る。出力として、設定状態モジュール420は、開ループモデル410で用いられるコレクター状態(XC)ベクトル、解法状態(XS)ベクトル、及び物理状態(XP)ベクトルを生成し得る。
開ループモデル410は、1つ以上のサイクル合成モジュールから成り得るが、各々のサイクル合成モジュールは、装置130と関連付けられた構成要素、機能、及び/または状態に関連する。この例では、開ループモデル410は、装置130のサイクルと関連付けられた構成要素、機能、及び/または状態を表し得る様々なサイクル合成モジュールから構成される。開ループモジュールは、いかなる特定の数のモジュールにも限定されず、装置130と関連付けられた構成要素、機能、及び/または状態をシミュレートするために用いられる任意の数のモジュールを含み得る。開ループモデル410は、設定状態モジュール420及びイフェクター/境界状態ベクトル(UE)から、コレクター状態(XC)ベクトル、解法状態(XS)ベクトル、及び物理状態(XP)ベクトルの入力を受信し得る。開ループモデル410に入力される値は、装置130の構成要素をシミュレートする様々なモジュールに対する入力として用いられ得る。開ループモデル410は、サイクル合成モジュールによって生成される値を用いて、合成されたパラメータベクトルY(k)をUE(k)及びX(k)に基づいて形成する。合成されたパラメータベクトルY(k)は、開ループモジュール410のシミュレートされた物理学から決定された合成されたサイクル値を含み、また、装置130の制御のために用いられ得る。
一連のサイクル合成モジュールを示し、図5は、図4の開ループモデル410の実施形態の例を解説する。開ループモデル410は、一群の一次ストリームモジュール510、一群の二次ストリームモジュール520、一群のさらなるモジュール530、及びベクトルデータパッケージャ540を含み得る。開ループモデル410は、設定状態モジュール420からのコレクター状態(XC)ベクトル、解法状態(XS)ベクトル、及び物理状態(XP)ベクトル、ならびにイフェクターベクトル(UE)の入力を受信し得る。一群の一次ストリームモジュール510、一群の二次ストリームモジュール520、及びさらなるモジュール530は全て、設定状態モジュール420からのコレクター状態(XC)ベクトル、解法状態(XS)ベクトル、及び物理状態(XP)ベクトル、ならびにイフェクターベクトル(UE)から入力を受信し得る。さらに、開ループモジュール410は、上記のモジュール群を含むことに制限されず、むしろ、開ループモジュール410は、モジュール群を省略する及び/または他のモジュール群を含み得る。開ループモジュール410の任意のモジュールまたは全てのモジュールは、互いと相互作用して、各々のモジュールの出力を生成し得る。
開ループモジュール410の各々のモジュールは、装置130の構成要素を表し得るし、ユーティリティのライブラリによって実装され得るが、各々のユーティリティは、構成要素の計算の様々な部分を成す物理特性の数学的表現であり得る。例えば、モジュールのユーティリティは、CAMオブジェクト230全体にわたって再使用可能であり得て、かつEPOS110の読み出し可能性及び保守可能性を改善し得る圧縮機、タービン、ブリード、圧力損失などの表現を含み得る。これらの構成要素は、空気力学及び熱力学プロセスの物理学的表現から構築され得る。例えば、各々のモジュールは、構成要素の出口での全圧、全温度、燃料/空気混合比、及び気体流量、及び/または、装置130のモデル化された部分と関連付けられた他の任意のパラメータを含む出力ベクトルを生成し得る。
一部の例では、一次ストリームモジュール510は、これを含むことに限られないが、装置130の対応する要素に基づいて次のものを含み得る:低スプール圧縮機をモデル化するCMP_Lモジュール605、低スプール圧縮機と関連付けられたブリードをモデル化するD_BLD_STB610、圧縮機のダクトを通過する空気流と関連付けられた圧力損失をモデル化するD_CS_INTモジュール615、高スプール圧縮機をモデル化するCMP_Hモジュール620、高スプール圧縮機の出口でのダクト中の器具と関連付けられた圧力損失をモデル化するD_I030 625モジュール、拡散器をモデル化するD_DIF_BURNモジュール630、バーナーをモデル化するBRN_PRIモジュール635、高スプールタービンをモデル化するTRB_Hモジュール640、低スプールタービンをモデル化するTRB_Lモジュール645、低タービン出口誘導翼ダクトをモデル化するD_EGV_LTモジュール650、出口誘導翼ダクトの後部のプローブと関連付けられた圧力損失をモデル化するD_I0495モジュール655、ダクトであって、器具プローブを含む、ダクト中を移動する空気に関連する圧力損失をモデル化するD_I_NOZ_PRIモジュール660、一次ノズルダクトをモデル化するD_TEC_NOZモジュール665、一次ノズルダクトと関連付けられた圧力損失をモデル化するD_NOZ_PRIモジュール670、及びNOZ_PRIモジュール675一次ノズル。加えて、二次ストリームモジュール520は、これを含むことに限られないが、装置130の対応する要素に基づいて次のものを含み得る:ファン外径圧縮機をモデル化するCMP_F_SECモジュール705の例、ファン出口誘導翼ダクトをモデル化するD_EGV_FOモジュール710、低圧縮機と高圧縮機との間の出口ダクトをモデル化するD_BLD_SECモジュール715、B25ブリードの下流のダクトをモデル化するD_AVE_140モジュール720、装置130のバイパスダクトブリードをモデル化するD_BLD_NOZ_SECモジュール725、二次ノズルダクトをモデル化するD_I_NOZ_SECモジュール730、及び二次ノズルをモデル化するNOZ_SECモジュール735。さらに、特定のストリームと関連付けられていないいくつかのモジュールが存在し、モジュール530は、これを含むことに限られないが、装置130の状態に基づいて次のものを含み得る:装置130のエネルギー及び/または効率の損失の効果をモデル化するPOWER_EXTRACTモジュール805、装置130のファンギアボックスからの電力損失の清算をモデル化するFAN_ID_POWERモジュール810、及び装置130内の不安定なトルク均衡に関連するエネルギーの保存の清算をモデル化するTORQUE_BALANCEモジュール815、及びOLM410中で検出された誤りに対するソリューションを形成するCALC_ERR_SLVRモジュール820。さらに、装置130と関連付けられた任意のさらなる物理特性をモデル化する任意のさらなるモジュール及び/またはモジュールの群は、開ループモデル410の一部として含まれ得る。
図5のモジュールの例は、1つ以上の物理学ベースの構成可能ユーティリティを用いて設計され得る。構成可能ユーティリティは、EPOS構造内のサブシステムのライブラリに含まれ得る。開ループモジュール440は、上記のモジュールを物理学ベースの構成可能ユーティリティのサブシステムから、事前プログラムされた命令及び/またはユーザ入力に基づいてコンパイルし得る。
一旦、開ループモデル410の様々なモジュールの全体にわたってデータが処理されると、ベクトルデータパッケージャ540は、入力データを、一次ストリームモジュール510の群、二次ストリームモジュール520の群、及びさらなるモジュール530から受信する。モデル状態及び入力に基づく合成されたパラメータベクトルY(k)に加えて、開ループモデルはまた、解法状態ベクトル(XS)に関連する解法誤りベクトル(ErrSlvr)を出力し得る。また、開ループモデル410は、物理状態導関数ベクトル(XPDot)を収集して出力し得る。受信されたデータは、ベクトルY(k)、ErrSlvr、及びXPDotの形態でベクトルデータパッケージャ540によってパッケージングされ得る。さらに、ベクトルデータパッケージャは、ベクトルデータをより少ないベクトル及び/またはさらなるベクトルにパッケージングし得る。
開ループモデル410の前記モジュールを含むために用いられるあるユーティリティは、気体ベースの特性をモデル化し得るし、例えば、比熱を温度及び燃料/空気混合比の関数として、相対圧力をエンタルピー及び燃料/空気混合比の関数として、エンタルピーを温度及び燃料/空気混合比の関数として、比熱比を温度及び燃料/空気混合比の関数として、相対圧力を温度及び燃料/空気混合比の関数として、相対圧力を温度及び燃料/空気混合比の関数として、温度をエンタルピー及び燃料/空気混合比の関数として、及び/または気体定数及び比熱比を温度及び燃料/空気混合比の関数として表し得る。他のユーティリティの例は、熱伝導率を気体全温度の関数として、絶対粘度を気体全温度の関数として、臨界流れパラメータを比熱及び気体定数の関数として、熱膨張係数を材料の温度及び/または種類の関数として、材料の比熱を材料の温度及び/または種類の関数として、及び/または材料の熱伝導率を材料の温度及び種類の関数としてモデル化し得る。さらに、他の気体関連の機能をモデル化する他のユーティリティが存在し得る。加えてまたは代替的に、装置130と関連付けられた他の任意の特性をモデル化する他の任意のユーティリティが、含まれ得る。
ユーティリティは、それぞれのサイクル合成モジュールによってモデル化された装置130の要素と関連付けられた様々な材料の温度及び/または温度変化速度を決定するための1つ以上の熱伝達ユーティリティを含み得る。熱伝達ユーティリティは、前記材料(複数可)と関連付けられた推定された材料温度(Tm)及び/または推定された材料温度変化速度(TmDot)を生成し得る。
加えて、開ループモデル410を含むモジュールは、1つ以上の構成可能ユーティリティを含み得る。構成可能ユーティリティは、エンジンの構成要素の複雑な表現であり得る。例えば、構成可能ユーティリティは、圧縮機またはタービンなどの主要なエンジン構成要素中の特定の物理的効果を表し得る。構成可能ユーティリティの各々の実例は、たとえ構成可能モデルのインターフェースが不変のままであっても、それがモデル化する物理的プロセスのいくつかの表現のうちの1つであるように選択され得る。構成可能ユーティリティは、下層の構成可能サブシステムを切り替えることによって特定の構成要素を表すようにそれ自身を再構成し得る。このような構成可能ユーティリティを用いることは、開ループモデル430のソフトウェアプリケーションの保守可能性に恩典を与え得る。
ある実施形態の例では、構成可能ユーティリティは、装置130の圧縮機中でのReynolds効果をモデル化するように設計され得るし、また、圧縮機の特定の構成要素(例えば、高スプール圧縮機、低スプール圧縮機など)を表すようにそれ自身を再構成し得る。この例の構成可能圧縮機のReynolds効果ユーティリティは、サイクル合成モジュールの形成で用いられ得るし、また、低スプール圧縮機(例えば、図5のCMP_Lモジュール605)、高スプール圧縮機(例えば、図5のCMP_Hモジュール620)、及び/または圧縮機のシミュレーションと関連付けられる他の任意のモジュールをシミュレートするモジュール中で用いられ得る。同様に、開ループモデル410の具体的なモジュールは、構成可能ユーティリティを利用して、装置130のタービン中でのReynolds効果をモデル化し得るし、また、圧縮機の特定の構成要素を表すようにそれ自身を再構成し得る。
OLM410の例では、具体的なユーティリティは、装置130の圧縮機の物理的プロセスをモデル化し得るし、また、このような物理的プロセスの表現をサブユーティリティとして含み得る。圧縮機ユーティリティの例のサブユーティリティは、これを含むことに限られないが、装置130の基本的物理学(例えば、等エントロピー圧縮、熱力学の法則、理想的気体特性など)と関連付けられた基本的物理学ユーティリティ、構成要素空気熱マップ評価、気体材料熱伝達特性、構成要素ブリードのモデル、断熱定常状態からのトルクの構成要素、及び/またはマップとサイクルの状態(設計、気体特性、Reynolds効果、間隔、撚り戻し効果など)間での拡大縮小の効果を含み得る。このような圧縮機ユーティリティの出力は、これを含むことに限られないが、構成要素出口気体流れ状態、ブリード流れ、旋回角度、全構成要素入口気体流れ、トルク抽出、及び材料温度の導関数を含み得る。圧縮機ユーティリティは、他のユーティリティ(例えば、選択可能スケジューリングパラメータを持つオフボード補正ルックアップテーブル、構成要素のためのオンボード及び/またはオフボード補正を可能とするセレクターなど)と動作的に関連付けられ、例えば、CMP_Lモジュール605及び/またはCMP_Hモジュール620のような圧縮機関連モジュールを形成し得る。
OLMモデルユーティリティの別の例は、タービンユーティリティである。タービンユーティリティの例のサブユーティリティは、これを含むことに限られないが、装置130の基本的物理学(例えば、等エントロピー膨張、熱力学の法則、理想的気体特性など)と関連付けられた基本的物理学ユーティリティ、構成要素空気熱マップ評価、気体材料熱伝達特性、入口誘導翼のモデル、組み込まれたタービン冷却ブリードのモデル、回転子入口温度計算、タービン間隔効果、及び/またはマップとサイクルの状態(設計、気体特性、Reynolds効果、間隔、撚り戻し効果など)間での拡大縮小の効果を含み得る。このようなタービンユーティリティの例の出力は、これを含むことに限られないが、構成要素出口状態、回転子入口温度、タービン中への流れ、生成されたトルク、材料温度導関数、現行状態での定常状態材料温度、材料温度の時間定数、熱膨張による装置の半径、及び/または間隔値を含み得る。タービンユーティリティは、他のユーティリティ(例えば、選択可能スケジューリングパラメータを持つオフボード補正ルックアップテーブル、構成要素のためのオンボード及び/またはオフボード補正を可能とするセレクターなど)と動作的に関連付けられて、例えば、TRB_Hモジュール640及び/またはTRB_Lモジュール645のような圧縮機関連モジュールを形成し得る。
図4に戻ると、感知用合成モジュール430は、センサーの周囲及びセンサー本体の熱慣性でのレジーム/ロケーション効果によるYにパッケージングされた対応する平均の気体経路エンジンステーション推定値とは異なる制御センサーの特定値をモデル化し得る。Y及び導関数物理状態ベクトル(XPDot)の入力を受信して、感知用合成モジュール430は、CAMモジュール230内で障害または誤り検出の別の手段として機能し得る。
Y(k)、YC(k)、XPDot(k)、及び/またはErrSlvr(k)の入力を受信して、推定状態モジュール440は、前記入力を用いて、CAM状態ベクトルX(k)の次のパス値を決定し得る。推定状態モジュール440は、解法状態誤りベクトルを拡大縮小して補正し、解法利得スケジューリングパラメータを選択し、解法状態利得を計算し、コレクター状態誤りベクトルを計算、拡大縮小、及び補正し、状態導関数を積分し、状態積分器範囲制限を適用し、状態積分器を初期化中にリセットし飽和状態積分器を検出し、及び/または不当に大きい合成値によって示された内部誤りを検出し得る。
推定状態モジュール440は、イフェクターベクトル(UE)、合成されたパラメータベクトル(Y),オンボードコレクター状態ベクトル(XC)、物理状態ベクトル(XP)、解法状態ベクトル(XS)、解法誤りベクトル(errSlver)、及び物理状態導関数ベクトル(XPDot)の入力を受信し得る。推定状態モジュール440は、オンボードコレクター状態ベクトル(XC_ESM)、物理状態ベクトル(XP_ESM)、及び解法状態ベクトル(XS_ESM)の更新されたバージョンを出力し得る。これらのベクトルは、開ループモデル410の現行の繰り返しからの分析された状態ベクトルである。
推定状態モジュール440の出力は、図6に示すCAM出力オブジェクト240によって受信される。CAM出力オブジェクト240は、これを含むことに限られないが、ベクトルアンパッカー910、温度バリュエータ920、圧力バリュエータ930、流れバリュエータ940、センサー温度バリュエータ950、他の出力シンセサイザ960、及びステータスインジケータ970を含み得る。ベクトルアンパッカー910は、合成されたパラメータベクトル(Y)の入力を受信し得る。ベクトルアンパッカー910は、アンパックされたYベクトルを出力調整モジュールの他の要素に出力し得る。ステータスインジケータ970は、動作モードベクトル(OpMode)の入力を受信し得る。さらに、出力調整モジュール240は、上記の要素を含むことに限られず、むしろ、出力調整モジュール240は、要素を省略する及び/または他の要素を含み得る。
温度バリュエータ920は、合成されたパラメータベクトル(Y)の温度関連値を処理し得る。これは、単位変換を実施すること、試験加算器を実装すること、装置130の機能の始動中での温度値間での非線形内挿法を実施すること、及び/または必要とされれば/されるときに、デフォルトテーブルから温度値をバックアップとして獲得することを含み得る。温度バリュエータ920は、上記の様式で機能することに限られず、むしろ、温度バリュエータ920は、リストアップされた機能のうちの任意のものを省略する及び/または合成されたパラメータベクトル(Y)の処理温度データに関連するさらなる機能を追加し得る。
圧力バリュエータ930は、合成されたパラメータベクトル(Y)の圧力関連値を処理し得る。これは、単位変換を実施すること、試験加算器を実装すること、装置130の機能の始動中での圧力値間での非線形内挿法を実施すること、及び/または必要とされれば/されるときに、デフォルトテーブルから圧力値をバックアップとして獲得することを含み得る。圧力バリュエータ930は、上記の様式で機能することに限られず、むしろ、圧力バリュエータ930は、リストアップされた機能のうちの任意のものを省略する及び/または合成されたパラメータベクトル(Y)の処理圧力データに関連するさらなる機能を追加し得る。
流れバリュエータ940は、合成されたパラメータベクトル(Y)の燃料流れ関連値を処理し得る。これは、単位変換を実施すること、試験加算器を実装すること、装置130の機能の始動中での燃料流れ値間での非線形内挿法を実施すること、及び/または必要とされれば/されるときに、デフォルトテーブルから燃料流れ値をバックアップとして獲得することを含み得る。流れバリュエータ940は、上記の様式で機能することに限られず、むしろ、流れバリュエータ940は、リストアップされた機能のうちの任意のものを省略する及び/または合成されたパラメータベクトル(Y)の処理燃料流れデータに関連するさらなる機能を追加し得る。
センサー温度バリュエータ950は、合成されたパラメータベクトル(Y)のセンサー温度関連値を処理し得る。これは、単位変換を実施すること、試験加算器を実装すること、装置130の機能の始動中での温度値間での非線形内挿法を実施すること、及び/または必要とされれば/されるときに、デフォルトテーブルからセンサー温度値をバックアップとして獲得することを含み得る。センサー温度バリュエータ950は、上記の様式で機能することに限られず、むしろ、センサー温度バリュエータ950は、リストアップされた機能のうちの任意のものを省略する及び/または合成されたパラメータベクトル(Y)の処理センサー温度データに関連するさらなる機能を追加し得る。
他の出力シンセサイザ960は、温度バリュエータ920、圧力バリュエータ930、流れバリュエータ940、センサー及び/または温度バリュエータ950によって処理されない合成されたパラメータベクトル(Y)の他の出力データを処理し得る。これは、単位変換を実施すること、試験加算器を実装すること、装置130の機能の始動中での温度値間での非線形内挿法を実施すること、及び/または必要とされれば/されるときに、デフォルトテーブルから他の出力値をバックアップとして獲得することを含み得る。流れバリュエータ940は、上記の様式で機能することに限られず、むしろ、流れバリュエータ940は、リストアップされた機能のうちの任意のものを省略する及び/または合成されたパラメータベクトル(Y)の処理用の他の出力データに関連するさらなる機能を追加し得る。
ステータスインジケータ970は、動作モードベクトル(OpMode)から入力を受信し得る。この入力を用いて、ステータスインジケータ970は、任意の下流の論理デバイス中で用いられるCAMモジュール230の動作ステータスのステータス指示を生成して提供し得る。
制御システム100は、装置130の所与の流れ経路内の装置130の材料の温度を監視及び/または制御するために実装され得る。制御システム100の目的は、装置130の性能を最大化すると同時に、前記構成要素の材料の過剰な材料温度によって引き起こされる構成要素の摩耗を軽減することである。例えば、装置のバーナーでの高温は、サイクルの熱効率を増加させ得るが、エンジンの構成要素中の材料の過剰な材料温度を引き起こし得る。したがって、バーナーに流れる燃料を制限することは、所与の材料での温度を減少させ得る。したがって、制御システム100は、材料温度制御のために用いられ得る。
次に図7を参照して、材料温度を決定及び制御するための制御構成160が示されている。より詳しく上述したように、CAMベースEPOS110は、エフェクタの位置及び境界条件(Ufb)を、装置130からハードウェア制御構成要素120を介して受信する。加えて、EPOS110は、1つ以上のセンサー及び/または他のハードウェア入力部を介して、装置130からエンジン/サイクル測定値(Ym)を受信し得る。入力を用いて、EPOSは、制御用のモデル出力を生成する。
特に、EPOS110は、モデル出力を用いて、所与の装置材料の温度の値(Tm)及び温度の変化速度の値(TmDot)を決定し得る。装置材料は、例えば、タービンのケースの表面などのターボ機械と関連付けられた材料表面であり得る。ソフトウェア制御要素150もまた、温度の目標値(TmGoal)及び温度変化速度の目標値(TmDotGoal)を決定し得る。目標値は、EPOS110によって生成され得る及び/または目標値は、オペレータインターフェース140から生成された入力を用いて決定され得る。
m、TmDot、TmGoal、及びTmDotGoalの生成された値は、制御ハードウェアに出力される高度多変数制御(AMVC)命令165を決定するために用いられ得る。AMVC命令165は、制御法則111によって生成され得る。一部の例では、制御誤り(errCtrl)処理は、AMVC165の入力に適用され得る。AMVC命令165は、アクチュエータ124)などのハードウェア制御要素150によって用いられて、装置150に対する制御要求(Ufb)を生成する。制御構成160を用いて、制御要求は、図8のフローチャート980に説明するように、材料温度を制御及び監視するために用いられ得る。
ブロック982で、EPOS110のモデル出力部は、(それぞれのサイクル合成モジュールによってモデル化された)装置130の所与の構成要素の推定された材料温度(Tm)及び/または推定された材料温度変化速度(TmDot)(双方の値は、Xfベクトルに含まれる)を生成し得る。Tm及びTmDotの値は、開ループモデル410による計算中に決定され得るが、材料温度が達成された材料に関連する特定のサイクル合成モジュールが、これらの値を生成し得る。サイクル合成モジュールは、そのそれぞれのサイクル合成モジュールによってモデル化された所与の要素の材料のTm及び/またはTmDotを決定する一連のユーティリティ(例えば、「材料温度ユーティリティ」)からのユーティリティを用い得る。
ブロック984に進んで、制御法則は、材料温度信号を受信し得るが、この材料温度信号は、Tm及び/またはTmDotの値を含み得る。材料温度信号を用いて、制御法則111は、材料温度信号に基づく指定された要素での装置の気体経路に沿った流れに対する制御を決定し得る(ブロック986)。制御法則111による制御出力の決定は、材料温度の目標値及び/または材料温度変化速度の目標値に基づき得る。さらに、またはあるいは、制御出力は、他の事前プログラミング及び/またはユーザ入力に基づき得る。
最後に、アクチュエータ124は、モデル出力に基づいて入力を受信し得るが、モデル出力は、制御システムのサイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含む(988)。アクチュエータによって受信された入力は、エフェクタの境界条件を統御し、かつ、例えば、装置130の燃料の流れを調節するために用いられ得る。
図1のEPOS110を実装する様式の例を図2〜6に示したが、図2〜6に示す1つ以上の要素、プロセス、及び/またはデバイスは、他の任意の方法で、組み合わされ、分割され、再配列され、省略され、消去及び/または実装され得る。さらに、図1〜6の要素の例は、1つ以上の回路(複数可)、プログラム可能プロセッサ(複数可)、特定用途向け集積回路(複数可)(ASIC)、プログラム可能論理デバイス(複数可)(PLD)、及び/またはフィールドプログラム可能論理デバイス(複数可)(FPLD)などによって実装され得る。本特許の装置またはシステムの請求範囲のいずれかが、純粋のソフトウェア及び/またはファームウェア実装例をカバーするものと解釈されたときには、要素の例のうちの少なくとも1つを、これによって、ソフトウェア及び/またはファームウェアを記憶するメモリ、DVD、CD、Blu−rayなどの有形のコンピュータ読み取り可能媒体を明確に含むように定義される。さらにまた、図示された実施形態の例は、図1〜6に示すものに加えてまたはそれらの代わりに、1つ以上の要素、プロセス、及び/またはデバイスを含み得る、及び/または図示する要素、プロセス、及びデバイスの任意または全てのうちの2つ以上を含み得る。
機械読み取り可能命令の例を表すフローチャートを、図9及び10に示す。これらの例では、機械読み取り可能命令は、図11に関連して以下に検討されたコンピュータ1200の例に示すプロセッサ1210などのプロセッサによる実行用のプログラムを含む。このプログラムは、CD−ROM、フロッピディスク、ハードドライブ、デジタル汎用ディスク(DVD)、Blu−rayディスク、またはプロセッサ1210と関連付けられたメモリなどの有形のコンピュータ読み取り可能媒体上に記憶されるソフトウェアに具現化され得るが、しかし、プログラム全体及び/またはその部分は、代替例では、プロセッサ1210以外のデバイスによって実行される及び/またはファームウェアもしくは専用のハードウェアに具現化され得る。さらに、プログラムの例は図9及び10に示すフローチャートを参照して説明するが、本開示の実施形態を実装する多くの他の方法が、代替例では用いられ得る。例えば、ブロックを実行する順序は、変更され得る、及び/または記述されるブロックのいくつかは、変更、消去、または組み合わされ得る。
図9を参照して、機械読み取り可能命令1000の例は、図1及び/または2のEPOS110を実装するために実行され得る。図1及び/または2を参照して、機械読み取り可能命令1000の例は、ブロック1010で実行を開始し、入力ベクトルは、CAM入力オブジェクト220によって受信されて、CAM入力オブジェクト220によって用いられて、シミュレーションの動作モード(OpMode)を決定し、かつCAM入力ベクトルUE及びYCtをコンパイルする(ブロック1015)。CAM入力ベクトルは、次に、CAMオブジェクト230によって用いられて、合成されたパラメータベクトルYを、CAMモジュール230の内部物理状態モジュールと、外部入力UE及びYCt、及びOpModeとに基づいて決定する(ブロック1020)。合成されたパラメータベクトルYは、例えば、図1の制御法則123などの外部モジュールによって用いられるように、CAM出力オブジェクト240によって調整される(ブロック1025)。
図10の機械読み取り可能命令1100の例は、図2及び/または4のCAMオブジェクト230を実装するために実行され得る。図2及び/または4を参照すると、設定状態モジュールは、XE_ESM(k−1)、XC_ESM(k−1)、及びXP_ESM(k−1)の形態で推定状態モジュール440によって生成されたベクトルUE、YC(k)、OpMode、及び先行物理状態ベクトルに基づいて、CAMオブジェクト230からの入力を受信して、その状態を設定する(ブロック1110)。開ループモデル410は、UE、YC(k)、XC(k−1)、XS(k−1)、及びXP(k−1)に含まれるデータを1つ以上の含まれているサイクル合成モジュールを用いて処理することによって、合成されたパラメータベクトルY(k)を決定するが、1つ以上のサイクル合成モジュールは、装置130のサイクルの要素と関連付けられた物理状態の数学的抽象化(複数可)である(ブロック1115)。感知用合成モジュール430は、合成されたパラメータベクトルY(k)を受信して、ベクトル中の潜在的な誤りを検出する(ブロック1120)。推定状態モジュール440は、現在の状態(k)に対する物理状態ベクトルXS_ESM(k)、XC_ESM(k)、及びXP_ESM(k)を決定する(ブロック1125)。推定状態モジュール440は、ベクトルXS_ESM(k)、XC_ESM(k)、及びXP_ESM(k)を、次の連続する状態を処理するために設定状態モジュール420に出力する(ブロック1130)。推定状態モジュール440は、CAMモジュール230の外部で用いられるようにベクトルY(k)を出力する(ブロック1135)。
図11は、図1〜7の装置を実装するために図8〜9の命令を実行することが可能なコンピュータ1200の例のブロック図である。コンピュータ1200は、例えば、サーバ、パソコン、または他の任意の種類のコンピューティングデバイスであり得る。
本実施例のシステム1200は、プロセッサ1210を含む。例えば、プロセッサ1210は、任意の所望の家族または製造業者からの1つ以上のマイクロプロセッサまたはコントローラによって実装することが可能である。
プロセッサ1210は、ローカルメモリ1215を含み、リードオンリーメモリ1230及びランダムアクセスメモリ1220を含むメインメモリと、バス1240を介して通信状態にある。ランダムアクセスメモリ1220は、同期型ダイナミックランダムアクセスメモリ(SDRAM)、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)、RAMBUSダイナミックランダムアクセスメモリ(RDRM)、及び/または他の任意の種類のランダムアクセスメモリデバイスによって実装され得る。リードオンリーメモリ1230は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、及び/または他の任意の所望の種類のメモリデバイスによって実装され得る。
コンピュータ1200はまた、インターフェース回路1250を含む。インターフェース回路1230は、Ethernetインターフェース、ユニバーサルシリアルバス(USB)、及び/またはPCIエクスプレスインターフェースなどの任意の種類のインターフェース基準によって実装され得る。
1つ以上の入力デバイス1254は、インターフェース回路1250に接続される。入力デバイス(複数可)1254は、ユーザがデータ及びコマンドをプロセッサ1210に入力することを許容する。入力デバイス(複数可)は、例えば、キーボード、マウス、タッチ画面、トラックパッド、トラックボール、アイソポイント、及び/または音声認識システムによって実装することが可能である。インターフェース1250は、図1のオペレータインターフェース115と連動して、これと並列に、またはこれの代わりに動作し得る。
1つ以上の出力デバイス1258もまた、インターフェース回路1250に接続される。出力デバイス1258は、関連付けられたデータのための、例えば、表示デバイス(例えば、液晶ディスプレイ、陰極線管ディスプレイ(CRT)など)及び/または飛行及び発電のためのガスタービンエンジン、HVAC&R(加熱、排気、空気調節、及び冷却)、燃料電池、及び他の、炭化水素抽出、材料処理、及び製造のためのより一般化された流体処理システムなどの流体式工学的システムと動作的に関連付けられたアクチュエータによって実装することが可能である。
前記から、本明細書に開示する技術は、これに限られないが、流体式工学的システムを制御するためのシステム及び方法などの様々な設定において産業上の利用可能性を有することが分かる。流体式工学的システムの例は、飛行及び発電のためのガスタービンエンジン、HVAC&R(加熱、排気、空気調節、及び冷却)、燃料電池、及び他の、炭化水素抽出、材料処理、及び製造のためのより一般化された流体処理システムを含み得る。本開示の教示を用いて、流体式工学的システムの小型空気熱モデルは、システムの制御デバイス及び/またはオンボードプロセッサに対する計算負荷を軽減するように設計され得る。このようなモデルの効率は、一連のユーティリティの使用を通じて改善され得るが、これらのユーティリティは、工学的システムの構成要素と関連付けられた物理特性の数学的抽象化に基づく。先行技術に勝るこの改善は、計算効率を保存し得るし、また、流体式工学的システムのための制御システムの精度を向上させ得る。
本開示は航空機のガスタービンエンジンを参照していたが、当業者は、本明細書の教示は、上述したように他の応用分野でも用いることが可能であることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、本発明を実行するための最良の形態として本明細書に提示された実施形態に制限されず、本発明は請求の範囲の精神及び範囲に入る全ての等価物も含むことを意図する。



  1. 制御システム(100)であって、
    制御表面を含む制御デバイス(130)を位置決めするためのアクチュエータ(124)であって、モデル状態を制御するために前記制御表面を位置決めする、アクチュエータ(124)と、
    前記アクチュエータ(124)を、モデル出力の関数として方向付けるための制御法則(111)と、
    前記モデル出力を生成するためのモデルプロセッサ(110)と、
    を備え、前記モデルプロセッサが、
    モデル入力を処理してモデル動作モードを設定するための入力オブジェクト(220)と、
    前記モデルプロセッサの動的状態を設定するための設定状態モジュール(420)であって、前記動的状態が、前記モデル動作モードに基づいて開ループモデル(410)に入力され、
    前記開ループモデル(410)が、現行状態モデルを、前記動的状態及び前記モデル入力の関数として生成し、前記現行状態モデルに対する制約が、一連のサイクル合成モジュールに基づいており、前記一連のサイクル合成モジュールの各部が、前記制御デバイスのサイクルの構成要素をモデル化し、かつ一連のユーティリティを含み、前記ユーティリティが、前記構成要素と関連付けられた物理的特性の数学的抽象化に基づき、前記一連のユーティリティが、前記制御システム(130)の前記サイクルの構成要素と関連付けられた材料温度を決定するための材料温度ユーティリティを含む、設定状態モジュール(420)と、
    前記開ループモデル(410)の先行状態モデル出力及び前記現行状態モデルに基づいて、前記モデルの推定された状態を決定するための推定状態モジュール(440)と、
    前記モデル出力を決定するために前記モデルの前記推定された状態を処理するための出力オブジェクト(240)と、
    を備えた、制御システム(100)。

  2. 前記モデル出力が、前記制御デバイス(130)の前記サイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含む、請求項1に記載の制御システム(100)。

  3. 前記制御法則(111)が、前記材料温度信号に基づいて前記制御デバイス(130)への流れを制御することによって、前記制御デバイス(130)の気体経路に沿った流れを制御する、請求項2に記載の制御システム(100)。

  4. 前記アクチュエータ(124)が、前記制御デバイス(130)の前記サイクルの少なくとも1つの構成要素の前記材料温度に基づく前記材料温度信号を含んだ前記モデル出力に基づいて、前記制御デバイス(130)への流れを調節する、請求項3に記載の制御システム(100)。

  5. 前記ユーティリティのうちの少なくとも1つが、1つ以上のサブユーティリティを含む構成可能ユーティリティである、請求項1に記載の制御システム(100)。

  6. 少なくとも1つの構成可能ユーティリティが、圧縮機要素またはタービン要素のうちの少なくとも一方の物理的プロセスをモデル化するように設計される、請求項5に記載の制御システム(100)。

  7. 前記モデル入力が、生のエフェクタデータ、境界条件、エンジン感知データ、ユニット変換情報、範囲制限情報、速度制限情報、動的補償決定、及び合成された欠如入力のうちの1つ以上を含む、請求項1に記載の制御システム(100)。

  8. 前記制御デバイス(130)が、ガスタービンエンジンである、請求項1に記載の制御システム(100)。

  9. 前記1つ以上のサイクル合成モジュールが、前記ガスタービンエンジンの熱力学的サイクルの構成要素と関連付けられた物理的プロセスの1つ以上の数学的抽象化に基づく、請求項8に記載の制御システム(100)。

  10. 制御デバイス(130)を制御するための方法であって、
    モデルプロセッサ(110)を用いてモデル出力を生成することであって、前記モデルプロセッサ(110)が、
    モデル入力を処理してモデル動作モードを設定するための入力オブジェクト(220)と、
    前記モデルプロセッサの動的状態を設定するための設定状態モジュール(420)であって、前記動的状態が、前記モデル動作モードに基づいて開ループモデル(410)に入力され、
    前記開ループモデル(410)が、現行状態モデルを、前記動的状態及び前記モデル入力の関数として生成し、前記現行状態モデルに対する制約が、一連のサイクル合成モジュールに基づいており、前記一連のサイクル合成モジュールの各部が、前記制御デバイス(130)のサイクルの構成要素をモデル化し、かつ一連のユーティリティを含み、前記ユーティリティが、前記構成要素と関連付けられた物理的特性の数学的抽象化に基づき、前記一連のユーティリティが、前記制御デバイス(130)の前記サイクルの構成要素と関連付けられた材料温度を決定するための材料温度ユーティリティを含む、設定状態モジュール(420)と、
    前記開ループモデル(410)の先行状態モデル出力及び前記現行状態モデルに基づいて、前記モデルの推定された状態を決定するための推定状態モジュール(440)と、
    モデル出力を決定するために前記モデルの前記推定された状態を処理するための出力オブジェクト(240)と、
    を備えた、モデルプロセッサ(110)を用いてモデル出力を生成することと、
    前記制御デバイス(130)と関連付けられたアクチュエータ(124)を、制御法則(111)を用いて、前記モデル出力の関数として方向付けることと、
    制御表面を含む前記制御デバイスを、前記アクチュエータ(124)を用いて位置決めすることであって、前記アクチュエータ(124)が、前記モデル状態を制御するために前記制御表面を位置決めすることと、
    を備えた、方法。

  11. 前記モデル出力が、前記制御デバイス(130)の前記サイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含む、請求項10に記載の方法。

  12. 前記材料温度信号に基づいて前記制御デバイスへの燃料の流れを制御することによって、気体経路に沿った流れを、前記制御法則(111)を用いて制御することをさらに含む、請求項11に記載の方法。

  13. 前記制御デバイス(130)の前記サイクルの少なくとも1つの構成要素の前記材料温度に基づく前記材料温度信号を含んだ前記モデル出力に基づいて、前記制御デバイス(130)への燃料の流れを調節することをさらに含む、請求項12に記載の方法。

  14. 前記制御デバイス(130)がガスタービンエンジンであり、前記1つ以上のサイクル合成モジュールが、前記ガスタービンエンジンの熱力学的サイクルの構成要素と関連付けられた物理的プロセスの1つ以上の数学的抽象化に基づく、請求項10に記載の方法。

  15. 前記ユーティリティのうちの少なくとも1つが、1つ以上のサブユーティリティを含む構成可能ユーティリティである、請求項10に記載の方法。

  16. ガスタービンエンジン(130)であって、
    ファンと、
    前記ファンの下流の圧縮機セクションと、
    前記圧縮機セクションの下流の燃焼器セクションと、
    前記燃焼器セクションの下流のタービンセクションと、
    制御表面を含む前記ガスタービンエンジン(130)を位置決めするためのアクチュエータ(124)であって、モデル状態を制御するために前記ガスタービンエンジン(130)の要素の制御表面を位置決めする、アクチュエータ(124)と、
    前記アクチュエータ(111)をモデル出力の関数として方向付けるための制御法則(111)と、
    前記モデル出力を生成するためのモデルプロセッサ(110)と、
    を備え、前記モデルプロセッサ(110)が、
    モデル入力を処理してモデル動作モードを設定するための入力オブジェクト(220)と、
    前記モデルプロセッサの動的状態を設定するための設定状態モジュール(420)であって、前記動的状態が、前記モデル動作モードに基づいて開ループモデル(410)に入力され、
    前記開ループモデル(410)が、現行状態モデルを前記動的状態及び前記モデル入力の関数として生成し、前記現行状態モデルに対する制約が一連のサイクル合成モジュールに基づいており、前記一連のサイクル合成モジュールの各部が、前記ガスタービンエンジンのサイクルの構成要素をモデル化し、かつ一連のユーティリティを含み、前記ユーティリティが、前記構成要素と関連付けられた物理的特性の数学的抽象化に基づき、前記一連のユーティリティが、前記ガスタービンエンジン(130)の前記サイクルの構成要素と関連付けられた材料温度を決定するための材料温度ユーティリティを含む、設定状態モジュール(420)と、
    前記開ループモデルの先行状態モデル出力及び前記現行状態モデルに基づいて、前記モデルの推定された状態を決定するための推定状態モジュールと、
    前記モデル出力を決定するために前記モデルの前記推定された状態を処理するための出力オブジェクトと、
    を備えた、ガスタービンエンジン(130)。

  17. 前記モデル出力が、前記ガスタービンエンジン(130)の前記サイクルの少なくとも1つの構成要素の材料温度に基づく材料温度信号を含む、請求項16に記載のガスタービンエンジン(130)。

  18. 前記制御法則(111)が、前記熱伝達信号に基づいて前記ガスタービンエンジン(130)への燃料の流れを制御することによって、前記ガスタービンエンジン(130)の気体経路に沿った流れを制御する、請求項17に記載のガスタービンエンジン(130)。

  19. 前記アクチュエータ(124)が、前記ガスタービンエンジン(130)の前記サイクルの少なくとも1つの構成要素の前記材料温度に基づく前記材料温度信号を含んだ前記モデル出力に基づいて、前記ガスタービンエンジン(130)への燃料の流れを調節する、請求項18に記載のガスタービンエンジン(130)。

  20. 前記ガスタービンエンジン(130)のサイクルの前記要素が、ダクト、ブリード、あるロケーションでの圧力損失、タービン、圧縮機、拡散器、バーナー、出口誘導翼、ノズル、ファン、効率損失モジュール、ファンギアボックス、またはトルク測定値のうちの少なくとも1つの要素である、請求項16に記載のガスタービンエンジン(130)。

 

 

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