行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 動態特性分析與失速控制 ※
※ (Ⅰ)
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※ The Development of Axial Flow Compression System with ※
※ Monitoring Control： ※
※ Analysis of System Dynamics and Stall Control ※
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計畫類別：
R
個別型計畫
□整合型計畫
計畫編號：NSC 90－2212－E－009－067
執行期間：
90 年 8 月 1 日至
91 年 7 月 31 日
計畫主持人：廖德誠 教授
共同主持人：胡文聰 教授
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學電機與控制工程學系
中
華
民
國
91 年
10 月
31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
動態系統分析與失速控制
(Ⅰ)
Development of Axial Flow Compr ession Systems with
Monitor ing Contr ol：
Analysis of System Dynamics and Stall Contr ol
計畫編號：NSC 90-2212-E-009-067
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：廖德誠教授 交通大學電機與控制工程系
一、中文摘要 過去數年在國科會經費補助下，我們 在噴射引擎之軸向壓縮機系統相關研究 上，已累積了相當經驗與基礎。在這些基 礎上，我們規劃在 90 年 8 月至 93 年 7 月 之三年間結合國內相關學者、專家共同在 電腦模擬、控制律分析設計及實際系統建 立、量測上，共同努力。本計劃即為此架 構下從事系統動態特性分析及失速控制律 設計的一個子計劃。在原規劃中此子計劃 將結合實驗部份與系統分析之另一子計 劃，在軸向壓縮機系統控制上，依據實驗 數據，修正成實際可用之控制器設計。在 致動器方面，將分別考慮壓縮機轉速及出 口調氣閥(Throttle)等兩種型式的致動器及 其組合。此外，由於有關壓縮機轉速控制 之系統模式，目前並不完備，在本計劃中， 我們將分別從理論分析與配合實驗及模式 判別等子計劃所獲得之資料兩方面著手使 該系統模式完備，以提供其它子計劃分析 之所需。在控制律分析設計上，考慮的控 制 設 計 有 ： 分 叉 控 制 設 計 (Bifurcation Control Design) 、 模 糊 控 制 設 計 (Fuzzy Control Design) 、 滑 模 控 制 設 計 (Sliding-mode Control Design)及李亞夫諾 全 域 控 制 設 計 (Lyapunov-Based Global Design)等。期望在三年計畫中，建構出實 際有效之控制器，以提昇壓機系統工作性 能。 關鍵詞：軸向流壓縮機系統、旋轉失速、 非線性控制 Abstr actThe main goal of this three-year research project is to establish a real axial flow compression system for dynamical analysis robustness control, and stall control designs. In the first year, we propose to establish an experimental verification of a throttle control based compression system. In addition, we will also devote to theoretical analysis of compressor speed control laws for system dynamics, and development of control software. In the second year, not only to do experiments for the verification of the compressor speed control laws designed in the tasks of the first year, but also to assist the preliminary design of system safety monitoring. In the third year, all the efforts will be devoted to the experimental verification of compressor system via both compressor speed and throttle control as well as the development of system monitoring control.
Keywor ds: Axial flow compression system,
二、計畫緣由與目的 渦輪引擎在各項工業的能源及動力供 應上有著不可或缺的地位，在航太工業中 更是關鍵的元件，因此相關的研究一直是 產學界的重要課題。提升渦輪引擎的效率 不僅增加其工作能量，也節省相當可關的 能源損失，而提升渦輪引擎效率最直接有 效的方法是提升壓縮機段的壓力昇，然而 當壓縮機運轉接近其所能達到的最大壓力 差時，壓縮機內的流場會出現不穩定的現 象 ， 即 所 謂 的 激 喘 (surge) 或 旋 轉 失 壓 (rotating stall)，使得壓力昇反而急遽減少而 大幅降低引擎的效率，情況嚴重的，甚至 發生失壓及造成渦輪機損毀，因此渦輪引 擎所設計之操作點均遠離此一最大壓力 昇，以避免危險，傳統的渦輪機改善是從 流體力學及機械結構的研究，直接提升壓 縮機的性能，這樣的研究不僅費時費事， 所得到的成果也極為有限。
由於 surge 與 rotating stall 明顯的限制 了渦輪引擎所能達到的最大工作效率，探 討 surge 與 stall 的成因並研究以不同的控 制方法避免此種不穩定現象乃成為近年來 相關領域的熱門研究課題。在過去數年 間，有關噴射引擎系統效率的提升與動態 分析等研究已有不少文獻發表。然而，由 於系統具有高度的非線性特性，以及目前 對系統特性的不全然了解，例如，軸流式 壓縮系統的特徵曲線在不穩定區段內不容 易量測，其特性會隨旋轉速度的不同而有 所差異。且 3D 的特性也不容易分析等，都 有待進一步的探討。大多數已發表文獻都 是由機械設計的觀點，經由數值分析或實 驗驗證而成。由系統理論觀點探討申數值 分析或實驗驗證而成。由系統理論觀點探 討相關問題的文獻並不多見。一般而言， 系統理論分析所獲得的分析法則較不受系 統結構的影響，而其所獲得之控制法則能 提供較可信賴的設計。由於渦輪引擎系統 是一個高度非線性系統，藉由數值分析或 實驗數據所獲得的結果只能了解系統的部 份特性，因此，藉由系統理論分析的輔助， 有關渦輪引擎的重要研究課題。 本計畫針對過去我們在這方面的研究 作一整合及改進。更重要的，我們在實驗 驗證上嘗試建立一可準確量測、驗證的軸 向壓縮機系統，希望對國內航太工業人才 培育及相關問題之研究提供一定的貢獻。 具體的研究目的有： (1) 壓縮機特徵曲線 Css 估測。 (2) 建 立 實 驗 壓 縮 機 系 統 相 對 之 Moore-Greitzer 系統模式。 (3) Throttle 控制 Moore-Greitzer 系統模式 之動態實驗驗證。 (4) 壓縮機系統靜態實驗數據與系統動態 數值模擬成果之評比。 (5) 壓 縮 機 系 統 之 動 態 控 制 (dynamic control)法則實驗驗證。 (6) 壓 縮 機 系 統 可 量 測 輸 出 信 號 回 授 throttle 控制法則實驗驗證。 (7) 壓縮機系統之擴大 DOA throttle 控制法 則設計。 (8) 壓縮機系統之完全穩定及大域控制之 throttle 控制法則設計。 三、結果與討論 由於整個整合型計畫因為一些子計畫 未獲國科會補助而無法確實整合。因此， 本計畫在缺乏相關子計畫，提供足夠實際 整合量測數據下，本計畫主要從事規劃中 之控制法則設計。整體而言，在過去一年 中，我們完成了一些階段性的目標，其成 果除了在期刊及研討會的論文發表上獲得 肯定(詳見參考文獻)，也使得計畫朝預期的 目標邁進了一大步，其具體成果分別簡述 如下： 1. 軸 向 流 壓 縮機系統特性曲線C 之估ss 測： 依據實驗數據在不同轉速下獲得相對 之壓縮機特性函數，並以外插法及最小 平方法等技巧加以估測。
階壓縮機系統方程式。
3. 研究以 washout filter 為主之動態控制法 則 對 於 喘 振 及 失 壓 現 象 消 除 之 可 行 性，由理論推導確認此一作法可改善喘 振之發生，如圖一所示。
4. 研究以 internal mode control 法則應用 在喘振現象消除之可行性及成效，如圖 二所示。 5. 研究壓縮機系統因量測不準確性所衍 生之強健控制法則設計。其設計主要以 可變結構控制法則作為系統不準性之 補償，如圖三所示。 6. 改進模糊控制法則在壓縮機系統控制 的應用。 7. 研究擴大穩定工作點對干擾信號之忍 受範圍(domain of attraction)之控制法則 及提出相對改進之 Lyapunov 函數。 圖一 圖二 圖三 四、計畫成果自評 本計畫之原規劃目標在於建立適切之 實驗量測平台，並透過實驗數據驗證控制 法則及理論的可行性。由於整個整合型計 畫因為一些子計畫未獲國科會補助而無法 確實整合。因此，本計畫在缺乏相關子計 畫，提供足夠實際整合量測數據下，主要 從事規劃中之控制法則設計。在理論上， 我們已經有不錯的成果，且部份研究成果 已有多篇學術論文發表（詳見參考文獻）。 雖然仍有很多實驗相關的實際操作與設計 問題有待未來後續進一步研究解決，本計 畫的研究成果表現大致上達成預期的工作 目標。
五、參考文獻
[1] D.-C. Liaw, J. -T Huang and C. -C. Song, "Robust stabilization of a centrifugal compressor with spool dynamics, " submitted to IEEE Trans. Automatic Control, December 2000.
[2] D.-C. Liaw and C.-C. Song, "A Lyapunov function for axial flow compressor dynamics," to be submitted to IEEE Trans. Automatic Control, Nov. 2002.
[3] D.-C..Liaw and J.-T. Huang, "Fuzzy control of compressor dynamics via fuzzy logic approach," to be submitted to J. Intelligent & Robotic Systems, Nov. 2002
[4] D.-C. Liaw, C.-C. Song and W.-C. Chung, “Robust Stabilization of a Centrifugal Compressor via Sliding Mode Control,” 2002「民航學會/航太學會 /燃料學會」學術聯合會議, 高雄, Taiwan, R.O.C., March 23, 2002, pp.445-452.
[5] D.-C.Liaw, S.-M. Ren and W.-C. Chung, “Washout-Filter Based Control for Axial Flow Compression Systems,” 2002「民航學會/航太學會 /燃料學會」學術聯合會議, 高雄, Taiwan, R.O.C., March 23, 2002, pp.573-580.
[6] D.-C. Liaw, S.-M. Ren, W.-C. Chung and Eyad H. Abed, “Surge Control of Axial Flow Compression Systems via Linear and Nonlinear Designs,” Proc. 2002 American Control Conference, Anchorage, Alaska, USA, May 8-10, 2002, pp.4347-4352. [7]D.-C. Liaw, J.-T. Huang and C.-C. Song, "Robust
stabilization of a centrifugal compressor with spool dynamics", Proc. 2002 American Control Conference, Anchorage, Alaska, USA, May 8-10, 2002, pp.3301-3306.
[8]D.-C. Liaw, S.-M. Ren and W.-C. Chung, "Input-Output feedback linearization scheme to surge control, " The 2001 Seminar and symposium on Applied Power Electronics Technology, Hsinchu, Taiwan, R.O.C., November 23, 2001.
