FR3142511A1 - Procédé de commande et dispositif de commande d’une turbomachine hybride - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de commande d’une turbomachine hybride (1) comprenant les étapes suivantes : une détermination d’une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre une mesure d’une séquence de mesures d’un régime d’un arbre moteur (5) de la turbomachine hybride (1) etune consigne d’une séquence de consignes de régime moteur (7),une détermination d’une variation de débit de carburant et une détermination d’une variation de couple électrique, les déterminations utilisant chacune une différence entre une dernière mesure et une avant-dernière mesure de la séquence de mesures, un dernier écart associé à la dernière mesure, et une somme des écarts de la séquence d’écarts ; etune commande de la turbomachine hybride (1) pour faire varier un débit de carburant et un couple électrique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne la commande d’une turbomachine hybride, c’est-à-dire d’une turbomachine présentant un entraînement thermique et un entraînement électrique.
L’invention concerne, en particulier, un procédé de commande et un dispositif de commande multivariable, c’est-à-dire prenant en compte plusieurs degrés de liberté du système commandé.
Une turbomachine hybride présente deux degrés de liberté, à savoir un débit de carburant envoyé dans la chambre de combustion et un couple électrique appliqué sur un arbre moteur de la turbomachine. Par conséquence, une turbomachine hybride est considérée comme un système multivariable.
Le débit de carburant envoyé dans la chambre de combustion et le couple électrique appliqué sur un arbre moteur de la turbomachine sont des « entrées » du système de la turbomachine. Chacune agit sur le régime moteur, c’est-à-dire une vitesse angulaire de l’arbre moteur qui est une « sortie » du système de la turbomachine.
Les deux entrées du système, que sont le débit de carburant envoyé dans la chambre de combustion et le couple électrique appliqué sur un arbre moteur de la turbomachine, doivent être régulées : on doit en fixer automatiquement et en temps réel la valeur pour assurer un bon fonctionnement de la turbomachine, c’est-à-dire pour obtenir des valeurs des grandeurs de sortie satisfaisantes.
Le bon fonctionnement de la turbomachine peut être, en particulier, caractérisé par le bon suivi d’une courbe de consigne par la grandeur de sortie de la turbomachine.
Une courbe de consigne d’une grandeur de sortie, par exemple du régime moteur, est une courbe continue ou une séquence temporelle de valeurs de consigne représentant l’évolution temporelle souhaitée d’une telle grandeur de sortie, soit ici du régime de l’arbre moteur. Plus le régime moteur réel est proche de cette courbe de consigne, meilleur est le fonctionnement de la turbomachine.
Un procédé de commande de la turbomachine est une régulation des grandeurs d’entrée du système de la turbomachine à partir d’au moins une grandeur de sortie du système de la turbomachine. Il faut disposer pour cela non seulement d’une courbe de consigne de la grandeur de sortie mais aussi d’une mesure en temps réel de la grandeur de sortie.
Les procédés de commande d’une turbomachine hybride décrits précédemment ne sont pas satisfaisants car ils peuvent nécessiter une grandeur de sortie supplémentaire, comme par exemple le taux d’enrichissement. Cela suppose que l’on dispose non seulement d’une courbe de consigne mais aussi d’une mesure en temps réel de cette grandeur supplémentaire. Or, ces deux éléments peuvent être difficiles à déterminer ou à mettre en œuvre, notamment le taux d’enrichissement.
Les procédés de commande d’une turbomachine hybride décrits précédemment ne sont également pas satisfaisants car ils peuvent réguler une grandeur d’entrée en fonction de l’autre, par exemple la détermination du couple électrique peut s’effectuer après et en fonction de la détermination du débit de carburant. En particulier le couple électrique peut être maintenu nul tant que le débit de carburant peut être augmenté. Les deux degrés de liberté de la turbomachine ne sont pas alors utilisés de manière indépendante et optimale.
Il existe donc un besoin d’un procédé de commande d’une turbomachine hybride qui permet d’utiliser de manière indépendante les deux degrés de liberté sans recourir à des grandeurs de sortie dont la courbe de consigne ou la mesure en temps réel est difficile à déterminer ou à mettre en œuvre.
Un but de l’invention est de proposer un procédé de commande d’une turbomachine hybride permettant d’utiliser de manière indépendante deux degrés de liberté sans recourir à des grandeurs de sortie dont une courbe de consigne ou une mesure en temps réel est difficile à déterminer ou à mettre en œuvre.
Le but est atteint dans le cadre de l’invention grâce à un procédé de commande d’une turbomachine hybride comprenant les étapes suivantes :
- une détermination d’une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre
- une mesure d’une séquence de mesures d’un régime d’un arbre moteur de la turbomachine hybride et
- une consigne d’une séquence de consignes de régime moteur,
- une détermination d’une variation de débit de carburant et une détermination d’une variation de couple électrique, les déterminations étant notamment simultanées, et les déterminations utilisant chacune
- une différence entre une dernière mesure de la séquence de mesures et une avant-dernière mesure de la séquence de mesures, un dernier écart associé à la dernière mesure, et
- une somme des écarts de la séquence d’écarts ; et
une commande de la turbomachine hybride pour faire varier un débit de carburant de la variation de débit de carburant déterminée et un couple électrique de la variation de couple électrique déterminée.
Un tel procédé est avantageusement et optionnellement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
- au cours de la détermination de la variation de débit de carburant et de la variation de couple électrique, on détermine un produit entre une matrice de gain et un vecteur, le vecteur étant formé de la différence entre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure, du dernier écart et de la somme des écarts ;
- la matrice de gain est obtenue par interpolation entre deux matrices de référence d’un jeu de matrices de référence de sorte à tenir compte d’un point de fonctionnement de la turbomachine hybride associé à la dernière mesure ;
L’invention porte également sur un dispositif de commande d’une turbomachine hybride comprenant :
- une entrée, configurée pour recevoir une séquence de mesures du régime moteur de la turbomachine hybride,
- une mémoire, configurée pour enregistrer la séquence de mesures et une séquence de consignes de la vitesse,
- un calculateur, configuré pour :
- déterminer une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre
- une mesure d’une séquence de mesures du régime moteur de la turbomachine hybride, et
- une consigne d’une séquence de consignes régime moteur,
- déterminer, notamment simultanément, une variation de débit de carburant et une variation de couple électrique, les déterminations utilisant chacune
- une différence entre une dernière mesure de la séquence de mesures et une avant-dernière mesure de la séquence de mesures,
- un dernier écart associé à la dernière mesure, et
- une somme des écarts de la séquence d’écarts ; et
- une sortie configurée pour fournir une commande à la turbomachine hybride.
- déterminer une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre
L’invention porte également sur une turbomachine comprenant un dispositif de commande tel que décrit précédemment et un aéronef comprenant une telle turbomachine.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La est une représentation schématique d’un dispositif de commande selon un mode de réalisation de l’invention sur laquelle une turbomachine hybride 1 comprend deux entraînements d’un arbre moteur haute-pression et/ou basse-pression mis en mouvement par un entraînement thermique et un entraînement électrique.
La turbomachine hybride peut être considérée, du point de vue du contrôle, comme un système multivariable comprenant deux grandeurs de commande ou d’entrée :
- une commande de débit de carburant « WF », référencée 9 sur la
- une commande de couple électrique « TRQ », référencée 11 sur la
Plus généralement, la turbomachine hybride 1 présente plusieurs grandeurs de sortie devant être régulées et/ou limitées, telles que notamment un régime de l’arbre moteur basse-pression, un régime de l’arbre moteur haute-pression, éventuellement une pression en entrée de chambre de combustion.
Par ailleurs, La turbomachine peut être de type double corps double flux, de sorte qu’elle comprend un arbre basse-pression et un arbre haute-pression. Dans un tel cas, le couple électrique commandé mentionné plus haut est un couple électrique appliqué à l’arbre haute-pression. Un couple électrique peut en outre être appliqué à l’arbre basse-pression, mais dans le cadre de ce texte ce couple fait alors l’objet d’une commande indirecte construite à partir de la commande du couple électrique appliqué à l’arbre haute-pression.
Un dispositif de commande 3 apte à commander la turbomachine hybride 1 est représenté à la .
Le fonctionnement de la turbomachine hybride 1 est régulé en utilisant des grandeurs d’entrée, représentées sur la arrivant dans la turbomachine hybride 1, côté « IN », et une grandeur de sortie, représentée sur la sortant dans la turbomachine hybride 1 côté « OUT ».
Les grandeurs d’entrée utilisées sont un débit de carburant et un couple électrique. Plus précisément, le dispositif de commande 3 fournit la commande de débit de carburant 9 à envoyer dans la chambre de combustion et la commande de couple électrique 11 à appliquer sur un arbre moteur de la turbomachine hybride 1. La grandeur de sortie utilisée est le régime moteur. Il peut s’agir du régime d’un arbre moteur haute-pression ou basse-pression. Une mesure du régime moteur 5 est envoyée vers le dispositif de commande 3. La mesure du régime moteur 5 suppose de disposer, dans la turbomachine hybride 1, d’un capteur du régime moteur dans la turbomachine hybride 1.
Le dispositif de commande 3 peut également recevoir une consigne de régime moteur 7.
Une consigne est une courbe continue ou une séquence temporelle de valeurs représentant une évolution temporelle souhaitée d’une grandeur de sortie, telle que par exemple une évolution temporelle souhaitée du régime moteur, à savoir une vitesse angulaire de l’arbre moteur. Notamment, la consigne peut être associé à une manœuvre particulière comme un décollage, un atterrissage, etc…
Le dispositif de commande 3 peut également recevoir une mesure de la pression extérieure 6.
A partir de la mesure du régime moteur 5 et de la mesure de la pression extérieure 6 reçues, le dispositif de commande 3 peut construire un indicateur, par exemple un indicateur de détection de transitoire signalant un régime de fonctionnement où les paramètres du moteur varient de manière significative (décollage, manœuvre, traversée de trous d’air, atterrissage, etc…), un indicateur de limitation de débit de carburant ou indicateur de saturation carburant signalant que le débit ne peut plus être augmenté ou encore un indicateur de limitation de couple électrique ou indicateur de saturation électrique signalant que le couple électrique ne peut plus être augmenté.
Le dispositif de commande 3 peut également être bouclé. A cet effet, le dispositif de commande 3 peut recevoir, en entrée,
- la commande de débit de carburant 9, selon une ligne de retour carburant 17, et/ou
- la commande de couple électrique11, selon une ligne de retour couple électrique 15.
Cela signifie que le dispositif de commande 3 présente un fonctionnement par incrémentation en ce que la commande de débit de carburant 9 et la commande de couple électrique 11 déterminées à une étape k utilisent la commande de débit de carburant 9 et la commande de couple électrique 11 déterminées à une étape k-1, précédant temporellement l’étape k.
Renvoyer la commande de débit de carburant 9, comme indiqué par la ligne de retour carburant 17, et la commande de couple électrique11, comme indiqué par la ligne de retour couple électrique 15, au dispositif de commande 3, c’est-à-dire les commandes de débit de carburant et de couple électrique déterminées à l’étape k-1, permet de prendre en compte un éventuel écart entre la commande initiale et une saturation.
Le dispositif de commande 3 peut comprendre, par exemple, une mémoire 31 configurée pour enregistrer :
- une séquence de consignes de régime moteur 7, notamment l’évolution temporelle de la vitesse angulaire de l’arbre moteur de la turbomachine hybride 1, et/ou
- une séquence de mesures du régime moteur 5, notamment l’évolution temporelle de la vitesse reçue de la turbomachine hybride 1,
Par ailleurs, la mémoire 31 peut également enregistrer des indicateurs 13, et/ou des résultats préalablement déterminés dans le dispositif de commande 3, par exemple à l’étape k-1 précédente.
On comprend par les termes « séquence de consignes » ou « séquence de mesures », une série temporelle de valeurs successives de consignes ou de mesures. Chaque valeur est horodatée et/ou associée à un instant temporel, de sorte qu’une séquence de consignes ou de mesures correspond à une évolution temporelle d’une grandeur susceptible d’être représentée graphiquement.
Le dispositif de commande 3 peut également comprendre un calculateur 33 configuré pour déterminer, notamment en temps réel, la commande de débit de carburant 9 et la commande de couple électrique 11, par exemple à partir des données reçues, telles que par exemple la mesure du régime moteur 5, de la mesure de la pression extérieure 6 et/ou la consigne de régime moteur 7, et/ou enregistrées , telles que par exemple séquence de consignes de régime moteur 7, la séquence de mesures du régime moteur 5 et/ou les indicateurs 13.
Le dispositif de commande 3 présenté à la peut correspondre à une architecture de type « Plusieurs Entrées - Une seule Sortie », également désignée par l’acronyme « MISO » pour «Multiple Input Single Output» en anglais, puisqu’il il fournit deux entrées à la turbomachine hybride 1 en fonction d’une seule sortie de celle-ci.
Le dispositif de commande 3 présenté permet de mettre en œuvre un procédé de commande de la turbomachine hybride 1 comprenant les étapes suivantes.
Dans une première étape, une séquence de consignes de régime moteur 7, notamment d’une vitesse angulaire d’un arbre moteur de la turbomachine hybride 1, est enregistrée. L’enregistrement de la première étape s’effectue par exemple dans la mémoire 31 du dispositif de commande 3. L’enregistrement de la séquence de consignes de régime moteur 7 peut avoir lieu avant une mise en fonctionnement de la turbomachine hybride 1 et/ou avant toute mesure du régime moteur 5 sur la turbomachine hybride 1.
La séquence de consignes de régime moteur 7 peut s’écrire sous la forme de valeurs NHCp, où p est un indice variant de 0 à N et représente une position de la valeur dans la séquence.
Dans une deuxième étape, une séquence de mesures du régime moteur 5 est enregistrée.
Une fois la turbomachine hybride 1 mise en fonctionnement, le régime moteur est surveillé et des mesures successives sont transmises au dispositif de commande 3, formant une séquence de mesures du régime moteur 5, comprenant de plus en plus de mesures au cours du temps. L’enregistrement de la deuxième étape s’effectue par exemple dans la mémoire 31 du dispositif de commande 3.
La séquence de mesures du régime moteur 5 peut s’écrire sous la forme de valeurs NHp, où p est un indice variant de 0 à k et représente une position de la valeur dans la séquence. L’indice k est l’indice de la dernière mesure NHkreçue.
Les indices correspondent à des pas de temps ou des points de fonctionnement successifs de la turbomachine hybride 1.
Dans une troisième étape, le calculateur 33 détermine une séquence d’écarts entre la mesure du régime moteur 5 et la consigne de régime moteur 7, chaque écart étant égal à une différence entre une mesure du régime moteur 5 et une consigne de régime moteur 7 associée à la mesure. La séquence de mesures du régime moteur 5 et la séquence de consignes de régime moteur 7 ne contiennent pas nécessairement le même nombre de valeurs, mais elles sont référencées temporellement l’une par rapport à l’autre. Autrement dit, à chaque mesure du régime moteur 5 est associée une consigne de régime moteur 7, la mesure du régime moteur 5 et la consigne étant en coïncidence temporelle. L’objectif de la régulation est de rendre chaque mesure du régime moteur 5 la plus proche possible de sa consigne de régime moteur 7.
La séquence d’écarts peut s’écrire sous la forme de valeurs ENHp, où p est un indice variant de 0 à k, les écarts sont calculés indice par indice selon le calcul :
ENHp= NHp- NHCp.
Dans une quatrième étape, le calculateur 33 détermine, notamment simultanément, une variation de débit de carburant ∆WFp, correspondant à une différence de la commande de débit de carburant 9 entre un instant p et un instant précédent p-1, soit :
∆WFp=WFp– WFp-1
et une variation de couple électrique ∆TRQp, correspondant à une différence de la commande de couple électrique 11 entre un instant p et un instant précédent p-1, soit :
∆TRQp= TRQp– TRQp-1.
La commande de débit de carburant 9 et la commande de couple électrique 11 sont des signaux variant au cours du temps et pouvant être discrétisés sous forme d’une séquence temporelle de commande de carburant WFpet d’une séquence de commande de couple électrique TRQp.
Les valeurs de la séquence temporelle de commande de carburant W Fpet de la séquence de commande de couple électrique TRQpsont indicées par un indice p variant de 0 à k, chaque commande étant associée à une même mesure.
La variation de commande de débit de carburant ∆WFpet la variation de commande de couple électrique ∆TRQps’effectuent en fonction :
- d’une différence du régime moteur entre une dernière mesure et une avant-dernière mesure du régime moteur 5 de la turbomachine hybride 1,
- d’un écart ENHkassocié à la dernière mesure du régime moteur 5, et
- d’une somme de tous les écarts.
La dernière mesure du régime moteur 5 est la dernière mesure reçue par le dispositif de commande 3 et constitue donc la mesure la plus récente de l’état du régime moteur. Il s’agit donc de la mesure NHkcorrespondant au dernier indice k. La différence entre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure du régime moteur 5 s’écrit :
∆NHk= NHk– NHk-1.
L’écart associé à la dernière mesure du régime moteur 5 s’écrit :
ENHk= NHk- NHCk.
La somme de tous les écarts IENHkse calcule selon l’expression suivante :
IENHk= ENH0+ ENH1+ ENH2+…+ ENHk-1+ ENHk.
La somme de tous les écarts IENHkcorrespond à une intégrale de l’erreur depuis l’indice p=0 jusqu’au dernier indice p=k.
Le procédé tel que présenté plus haut utilise trois grandeurs de sorties toutes construites à partir de la vitesse angulaire (consigne de la vitesse angulaire et mesure de la vitesse angulaire) : la différence entre une dernière mesure et une avant-dernière mesure, l’écart associé à la dernière mesure, et la somme de tous les écarts. Ces trois grandeurs permettent de déterminer les grandeurs d’entrée sans avoir recours à une grandeur de sortie autre que la vitesse angulaire et en particulier sans avoir recours à une grandeur de sortie dont la courbe de consigne ou la mesure en temps réel serait difficile à déterminer ou à mettre en œuvre. Par ailleurs lorsque cette détermination des valeurs des deux grandeurs d’entrée se fait simultanément, les deux degrés de liberté de la turbomachine sont utilisés de manière plus optimale que dans l’art antérieur.
Une telle détermination s’appuie sur une modélisation particulière de la turbomachine hybride 1 par un système de type Linéaire Invariant dans le Temps, également désigné par l’acronyme LTI pour «Linear Time-Invariant» en anglais, où pour passer de l’indice k à l’indice k+1, le régime moteur est donné par une première équation, ou équation (1) :
L’équation (1) est un modèle de synthèse. Elle constitue une description mathématique du système permettant de relier les entrées, à savoir la commande de débit de carburant 9, la consigne de débit de carburant, la commande de couple électrique 11, et/ou la consigne de couple électrique, et la sortie, à savoir le régime moteur.
Le terme A de l’équation (1) est une matrice d’état. Le terme A de l’équation (1) peut être assimilé à une constante de temps, notamment caractéristique du temps de réponse lié à l’inertie de la turbomachine hybride 1.
Le terme B de l’équation (1) est une matrice de commande. Le terme B de l’équation (1) est susceptible de contenir une information d’un gain du système, notamment un gain statique établissant un lien entre un incrément de consigne (débit de carburant et/ou couple électrique) et un incrément de régime obtenu par cet incrément de consigne une fois le régime stabilisé.
Pour annuler une erreur dynamique, également dénommée trainage, consistant en un retard entre une variation linéaire de la consigne et la variation correspondante du régime moteur, il est proposé d’utiliser un modèle de synthèse « augmenté ».
A cet effet, le modèle de synthèse « augmenté » utilise en plus de la différence ∆NHkentre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure du régime moteur 5 :
- l’écart ENHkassocié à la dernière mesure du régime moteur 5, correspondant notamment à une erreur d’asservissement et
- la somme de tous les écarts IENHk, correspondant notamment à l’intégrale de l’erreur d’asservissement,
selon une deuxième équation, ou équation (2), plus générale que la première équation, ou équation (1) :
Le terme ∆NHCk = NHCk – NHCk-1 correspond à la différence entre la dernière consigne de rang k et l’avant-dernière consigne de rang k-1.
L’équation (2) peut être utilisée pour déterminer une troisième équation, ou équation (3), exprimant la variation de débit de carburant ∆WFket la variation de couple électrique ∆TRQken fonction de
- la différence ∆NHkentre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure du régime moteur 5,
- l’écart ENHkassocié à la dernière mesure du régime moteur 5, et
- la somme de tous les écarts IENHk
sous la forme d’une troisième équation, ou équation (3) :
dans laquelle, le terme « K » est une matrice de gain.
La variation de débit de carburant ∆WFket la variation de couple électrique ∆TRQksont obtenues, notamment simultanément, par le produit de la matrice de gain K et d’un vecteur formé de
- la différence ∆NHkentre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure du régime moteur 5,
- l’écart ENHkassocié à la dernière mesure du régime moteur 5 et
- la somme IENHkde tous les écarts.
Pour utiliser un correcteur, il est nécessaire au préalable de déterminer la matrice de gain K, ce qui revient à effectuer « une synthèse du correcteur multi-variable ».
Une telle synthèse est du type « retour d’état linéaire quadratique » (Commande linéaire quadratique LQ) et consiste à minimiser un critère ou une quantité ‘J’ dans laquelle apparaissent des matrices de pondération Q, R et S.
Celles-ci sont fixées en début de calcul en fonction du comportement souhaité du moteur, et, en particulier, en fonction de l’absence de trainage souhaitée.
Plus précisément, c’est le choix des matrices de pondérations Q, R et S qui permet d’obtenir différents réglages du correcteur et le comportement moteur souhaité, par exemple la suppression du trainage, c’est-à-dire une minimisation du transfert entre la consigne et l’erreur d’asservissement au sens de la norme 2 en contraignant la dynamique de l’erreur.
La minimisation du critère par le Lagrangien permet de travailler avec une expression analytique de la matrice de gain sous la forme :
où les termes R, B, A et S sont des matrices connues. Seule la matrice P reste à être déterminée selon l’expression de l’unique solution de l’équation algébrique de Riccati discrète :
avec :
Cette dernière équation permet de déterminer la matrice P et par, conséquent, la matrice de gain K.
Connaître la matrice de gain K permet, lors du procédé de commande, de déterminer, notamment simultanément, la variation de débit de carburant ∆WFket la variation de couple électrique ∆TRQken fonction de la différence ∆NHk entre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure du régime moteur 5, l’écart ENHkassocié à la dernière mesure du régime moteur 5, et la somme IENHkde tous les écarts, en utilisant la troisième équation , ou équation (3) :
Il est à noter que la matrice de gain K dépend du point de fonctionnement moteur. Plus précisément, la matrice de gain K est déterminée à partir des termes A et B dépendant du point de fonctionnement moteur.
Cela est pris en compte en pratique en prédéterminant un jeu de matrices de référence et, en fonction de la mesure du point de fonctionnement moteur, de calculer la matrice de gain par interpolation entre deux matrices de référence.
Le jeu de matrices de référence est préalablement déterminé avant la mise en œuvre du procédé de commande. Chaque matrice de référence est associée à un point de fonctionnement de la turbomachine hybride 1, dit point de référence.
Une matrice de référence est associée à une équation d’évolution d’un vecteur de suivi d’une commande de régime ou de vitesse angulaire formé d’une variation de régime ou de vitesse angulaire à un instant, d’une différence de régime ou de vitesse angulaire à la commande à l’instant et d’une intégrale de la différence
Le point de fonctionnement peut notamment être déduit d’une mesure interne du moteur, par exemple une mesure du régime ou de la vitesse angulaire de l’arbre moteur ou une mesure d’une pression en entrée de la chambre de combustion, et d’une mesure externe au moteur, par exemple la pression extérieure. Le point de fonctionnement peut donc être associé à un vecteur de plusieurs mesures.
Le point de fonctionnement mesuré, plus spécifiquement un vecteur « point de fonctionnement », permet de déterminer la matrice de gain K à utiliser en ce point par interpolation linéaire entre des matrices de référence associées à des vecteurs référence qui encadre le vecteur « point de fonctionnement ».
La prise en compte de la saturation du carburant, c’est-à-dire l’impossibilité d’augmenter une consigne de carburant au-delà d’un certain maximum également dénommée « commande saturée », et/ou du couple, c’est-à-dire l’impossibilité d’augmenter la consigne du couple électrique à cause d’une limite machine ou d’une limite d’un niveau d’hybridation, peut être gérée par une « augmentation » du modèle.
Par exemple, le vecteur d’état comprenant
- la différence ∆NHk entre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure du régime moteur 5,
- l’écart ENHkassocié à la dernière mesure du régime moteur 5, correspondant notamment à l’erreur d’asservissement, et
- la somme IENHkde tous les écarts, correspondant notamment à l’intégrale de l’erreur d’asservissement,
peut être complété d’un écart entre la commande saturée et la commande calculée par le correcteur de suivi de trajectoire.
Différentes manières pour prendre en compte un tel vecteur d’état peuvent être envisagées, notamment en le considérant comme une perturbation et/ou selon une manière faisant appel aux outils mathématiques décrits précédemment.
La consigne de débit de carburant 9 et la consigne de couple 11 sont calculées par intégration numérique selon les équations suivantes :
Les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques d’un suivi de commande respectivement en accélération et en décélération selon l’invention et montrent des résultats de simulations numériques de suivi de commande selon le procédé de commande précédemment présenté sont illustrés.
La est plus spécifiquement relative à une accélération du régime moteur.
La comprend un premier graphe 2A sur lequel l’axe des ordonnées correspond au régime moteur, ou vitesse angulaire, et l’axe des abscisses correspond au temps.
Le premier graphe 2A de la comporte :
- une courbe de consigne 20, correspondant à la consigne de régime moteur 7,
- une courbe de régime 22, correspondant à la mesure du régime moteur 5, et
- une courbe de régime minimal 24, correspondant à un régime minimal moteur.
Par ailleurs, la comprend un deuxième graphe 2B sur lequel l’axe des ordonnées correspond à un débit de carburant et l’axe des abscisses correspond au temps.
Le deuxième graphe 2B de la comporte :
- une courbe de débit carburant maximal 30, correspondant à un débit de carburant maximal à ne pas dépasser pour le régime moteur courant,
- une courbe de débit carburant minimal 34, correspondant à un débit de carburant minimal en dessous duquel il n’est pas possible de descendre, et
- une courbe de commande carburant 32, correspondant à la commande de débit de carburant 9.
De plus, la comprend un troisième graphe 2C sur lequel l’axe des ordonnées correspond à un couple électrique et l’axe des abscisses correspond au temps.
Le troisième graphe 2C de la comporte :
- une courbe de commande couple électrique 40, correspondant à la commande de couple électrique 11.
Le premier graphe 2A, le deuxième graphe 2B et le troisième graphe 2C de la sont synchronisés, de sorte que, à chaque instant, les différents graphes donnent les valeurs de consigne, de mesure et/ou de commande correspondant au point de fonctionnement de la turbomachine hybride 1.
Enfin, la est plus spécifiquement relative à une décélération du régime moteur.
La comprend un premier graphe 3A dans lequel l’axe des ordonnées correspond à une vitesse angulaire et l’axe des abscisses correspond au temps.
Le premier graphe 3A de la comporte :
- une courbe de consigne 50, correspondant à la consigne de régime moteur 7, et
- une courbe de régime 52, correspondant à la mesure du régime moteur 5.
Par ailleurs, la comprend un deuxième graphe 3B dans lequel l’axe des ordonnées correspond à un débit de carburant et l’axe des abscisses correspond au temps.
Le deuxième graphe 3B de la comporte :
- une courbe de débit carburant maximal 60, correspondant à un débit de carburant maximal à ne pas dépasser pour le régime moteur courant,
- une courbe de débit carburant minimal 64, correspondant à un débit de carburant minimal en dessous duquel il n’est pas possible de descendre,
- une courbe de commande carburant 62, correspondant à la commande de débit de carburant 9.
De plus, la comprend un troisième graphe 3C dans lequel l’axe des ordonnées correspond à un couple électrique et l’axe des abscisses correspond au temps.
Le troisième graphe 3C de la comporte :
- une courbe de commande couple électrique 70, correspondant à la commande de couple électrique 11, et
- une couple électrique maximal courbe 72, correspondant à un couple électrique maximal à ne pas dépasser pour le régime moteur courant.
Le premier graphe 3A, le deuxième graphe 3B et le troisième graphe 3C de la sont synchronisés, de sorte que, à chaque instant, les différents graphes donnent les valeurs de consigne, de mesure et/ou de commande correspondant au point de fonctionnement de la turbomachine hybride 1.
La commande de débit de carburant 9 et la commande de couple électrique 11 sont générées en temps réel par le procédé de commande décrit précédemment.
Dans les figures 2 et 3, les séquences de consignes, de mesures et de commandes contiennent tellement de point que le rendu sur les figures est pour chacune celui assimilable à une courbe continue.
On remarque tout d’abord que la commande de débit de carburant 9 et la commande de de couple électrique 11 varient de manière indépendante. En particulier, la commande du couple électrique 11 peut être différente de zéro sans que la commande du débit de carburant 9 soit en saturation, c’est-à-dire confondu avec la courbe de débit de carburant maximal 6 ou la courbe de débit de carburant minimal 64.
Par exemple, la courbe de commande du débit de carburant 32 en n’est jamais en saturation alors que la courbe de commande du couple électrique 40 varie et prend des valeurs différentes de zéro.
Lorsque cette génération des deux commandes est simultanée, elle permet d’explorer des régimes de fonctionnement de la turbomachine hybride 1 plus vastes que dans l’art antérieur et une meilleure optimisation de fonctionnement.
Par ailleurs, l’erreur de traînage dans le résultat illustré est faible. Une erreur de traînage correspond à un décalage temporel entre la consigne et la mesure de la grandeur de sortie. Il y a un traînage, par exemple, lorsque le régime ou la vitesse angulaire mesurée est en retard par rapport au régime ou à la vitesse angulaire de consigne 20.
La courbe de régime 22 est peu ou pas décalée temporellement par rapport à la courbe de consigne 20, de sorte que le trainage est faible.
Un tel bénéfice provient notamment du fait que le procédé de commande correspond à une architecture du type « retour d’état » de classe 2, c’est-à-dire comprenant 2 intégrateurs ou deux grandeurs intégrées à savoir l’écart ENHkassocié à la dernière mesure du régime moteur 5, et la somme IENHkde tous les écarts, pour calculer, notamment simultanément, la consigne de débit de carburant 9 et la consigne de couple électrique 11.
La consigne de débit de carburant 9 et la consigne de couple électrique 11 permettent de suivre la trajectoire d’accélération et/ou de décélération du régime moteur sans trainage lorsque la boucle de suivi de trajectoire est activée et appliquée.
En effet, selon la phase de vol, la consigne obtenue par le calculateur, tel que décrit jusqu’à présent, peut être utilisée ou non. Selon la phase de vol, le besoin d’une erreur de trainage faible n’est pas toujours présent. C’est notamment le cas pour une phase de vol « croisière » où il y a peu de transitoires rapides et où on aura tendance à utiliser un correcteur plus adapté.
Si le correcteur du type « retour d’état » de classe 2 n’est pas toujours appliqué, il est toutefois toujours actif, au sens où il calcule en continu une consigne. Cela permet notamment une continuité de la consigne lorsqu’on bascule d’un calculateur à un autre.
Le procédé de commande et le dispositif de commande 3 selon l’invention permettent de répondre au besoin pilote en tenant compte de la capacité du moteur à accélérer ou décélérer, et en particulier de :
- limiter le temps d’accélération des moteurs « bons » ayant une marge au pompage afin de réduire les suralimentations en carburant de la chambre de combustion, également dénommées sous le terme anglais «over-fuelling», et ainsi limiter une température des gaz en sortie (également dénommée sous le terme anglais «Exhaust Gas Temperature» ou l’acronyme EGT) durant les accélérations pour augmenter la durée de vie ; et
- limiter la dissymétrie de poussée entre les moteurs durant l’accélération afin de réduire la traînée de l’avion et l’effet de lacet moteur.
Claims (6)
- Procédé de commande d’une turbomachine hybride (1) comprenant les étapes suivantes :
- une détermination d’une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre
- une mesure d’une séquence de mesures d’un régime d’un arbre moteur (5) de la turbomachine hybride (1) et
- une consigne d’une séquence de consignes de régime moteur (7),
- une détermination d’une variation de débit de carburant et une détermination d’une variation de couple électrique, les déterminations étant notamment simultanées, et les déterminations utilisant chacune
- une différence entre une dernière mesure de la séquence de mesures et une avant-dernière mesure de la séquence de mesures, un dernier écart associé à la dernière mesure, et
- une somme des écarts de la séquence d’écarts ; et
- une commande de la turbomachine hybride (1) pour faire varier un débit de carburant de la variation de débit de carburant déterminée et un couple électrique de la variation de couple électrique déterminée.
- une détermination d’une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre
- Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel, au cours de la détermination de la variation de débit de carburant et de la variation de couple électrique, on détermine un produit entre une matrice de gain et un vecteur, le vecteur étant formé de la différence entre la dernière mesure et l’avant-dernière mesure, du dernier écart et de la somme des écarts.
- Procédé de commande selon la revendication 2, dans lequel la matrice de gain est obtenue par interpolation entre deux matrices de référence d’un jeu de matrices de référence de sorte à tenir compte d’un point de fonctionnement de la turbomachine hybride (1) associé à la dernière mesure.
- Dispositif de commande (3) d’une turbomachine hybride (1) comprenant :
- une entrée, configurée pour recevoir une séquence de mesures du régime moteur (5) de la turbomachine hybride (1),
- une mémoire (31), configurée pour enregistrer la séquence de mesures (5) et une séquence de consignes (7) de la vitesse,
- un calculateur (33), configuré pour :
- déterminer une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre
- une mesure d’une séquence de mesures du régime moteur (5) de la turbomachine hybride (1), et
- une consigne d’une séquence de consignes régime moteur (7),
- déterminer, notamment simultanément, une variation de débit de carburant et une variation de couple électrique, les déterminations utilisant chacune
- une différence entre une dernière mesure de la séquence de mesures et une avant-dernière mesure de la séquence de mesures,
- un dernier écart associé à la dernière mesure, et
- une somme des écarts de la séquence d’écarts ; et
- déterminer une séquence d’écarts, chaque écart étant une différence entre
- une sortie configurée pour fournir une commande à la turbomachine hybride (1).
- Turbomachine hybride (1) comprenant un dispositif de commande (3) selon la revendication 4.
- Aéronef comprenant une turbomachine hybride (1) selon la revendication 5.
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|---|---|---|---|
| FR2212564A FR3142511A1 (fr) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | Procédé de commande et dispositif de commande d’une turbomachine hybride |
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|---|---|---|---|
| FR2212564 | 2022-11-30 | ||
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Citations (3)
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| WO2022112028A1 (fr) * | 2020-11-27 | 2022-06-02 | Safran Aircraft Engines | Procédé de commande d'une turbomachine comportant un moteur électrique |
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2022
- 2022-11-30 FR FR2212564A patent/FR3142511A1/fr active Pending
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2023
- 2023-11-27 WO PCT/FR2023/051856 patent/WO2024115846A1/fr unknown
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| WO2024115846A1 (fr) | 2024-06-06 |
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