background image

Katedra Termodynamiki, 

Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych 

Wydział Mechaniczny 

Politechnika Lubelska 

 

Adaptacyjne sterowanie śmigłowcowym silnikiem Diesla 

 

autor: mgr inż. Paweł Magryta 

 

Streszczenie 

Artykuł prezentuje koncepcję zastosowania adaptacyjnego sterowania silnikiem Diesla 

zamontowanym  w  lekkim  śmigłowcu.  W  pracy  przedstawione  są  ogólne  założenia  strategii 
sterowania  silnikami  Diesla  w  motoryzacji  oraz  przedstawione  jest  podejście  do  sterowania 
takiego  rodzaju  silnikiem  umieszczonym  w  śmigłowcu.  Artykuł  przedstawia  założenia  lotu 
lekkim  śmigłowcem  w  funkcji  kontroli  prędkości  obrotowej  silnika  oraz  prezentuje 
możliwość zastosowania adaptacji bezpośredniej w sterowaniu jednostką napędową. 

1.  Założenia ogólne idealnego silnika Diesla do lekkiego śmigłowca 

 
Biorąc  pod  uwagę,  że  całkowita  masa  startowa  lekkiego  śmigłowca  wynosi  około 

1200  -  1800  kg,  można  w  prosty  sposób  w  oparciu  o  ogólne  założenia  analityczne  określić 
niezbędną  moc  potrzebną  do  lotu.  Najbardziej  niekorzystne  warunki  w  aspekcie  koniecznej 
mocy  będą  występować  w  przypadku  startu  takiej  jednostki  oraz  zawisu  na  pewnej 
wysokości. Ponieważ większość jednostek latających tego typu posiada maksymalne pułapy 
lotu  w  okolicach  6000  m  n.p.m.,  można  założyć,  że  silnik  Diesla  również  powinien  być 
zdolny do pracy w warunkach ISA określonych tą maksymalną wysokością. Uwzględniając te 
aspekty  można  określić  niezbędną  moc  maksymalną  na  dwóch  wysokościach  0  i  2500  m 
n.p.m.  Ze  względu  na  warunki  ciśnieniowe  panujące  na  różnych  wysokościach  minimalna 
moc w przypadku tego drugiego pułapu jest wyższa (tab. 1). 

Innym  ważnym  aspektem  zastosowania  silnika  Diesla  jest  jego  masa.  W  ogólnym 

przeglądzie  lekkich  maszyn  latających  można  przyjąć  masę  silników  turbowałowych  na 
poziomie 90 - 100 kg. Ograniczenie masy silnika Diesla o mocy ok. 300 kW do tej wartości 
jest niemożliwe. W tabeli 1 przedstawiona została masa silnika równa 180 kg, co w sposób 
jasny przekłada się na wartość współczynnika masy do mocy na poziomie mniejszym niż 0,6 
kg/kW.  Trzeba  podkreślić,  że  wartość  ta  jest  bardzo  mała,  ponieważ  obecnie  stosowane  w 
przemyśle  motoryzacyjnym  nowoczesne  silniki  Diesla  o  zbliżonej  mocy  posiadają 
współczynniki na poziomie 0,9 - 1,2 kg/kW. 

background image

Głównym  celem  zastosowania  silnika  Diesla  w  lekkim  śmigłowcu  jest  zmniejszenie 

zużycia  paliwa  i  jednocześnie  zmniejszenie  zanieczyszczenia  środowiska.  Dlatego  też 
w tabeli  1  przedstawiono  wartość  współczynnika  godzinowego  zużycia  paliwa  na  poziomie 
mniejszym niż 0,19 kg/kWh. 

 
Tab. 1. Ogólne założenia dla silnika Diesla w lekkim śmigłowcu 

Lp.   Nazwa  

Wartość  

1.  

Moc maks. na wysokości 0 m n.p.m. 

300 kW  

2.  

Moc maks. na wysokości 2500 m n.p.m.  

322 kW  

3.  

Moc ciągła na wysokości 0 m n.p.m.  

280 kW  

4.  

Masa silnika z instalacjami  

180 kg  

5.  

Godzinowe zużycie paliwa  

nie większe niż 0,19 kg/kWh  

6.  

Współczynnik masy do mocy  

nie większy niż 0,6 kg/kW  

7.  

Resurs  

nie mniejszy niż 4000 godzin  

 

Najważniejszym  parametrem  pracy  śmigłowca  nie  przedstawionym  w  powyższej 

tabeli jest prędkość obrotowa wirnika głównego. Wirnik o średnicy 9 m powinien pracować 
nominalnie  z  prędkością  400  -  420  obr/min,  natomiast  wirnik  ogonowy  o  średnicy  0,8  m 
z prędkością  ok.  5200  -  6000  obr/min.  Wartości  te  mogą  ulegać  nieznacznym  odchyleniom 
podczas lotu o ok. ± 5% wartości nominalnej. Za nieprzekroczenie tych wartości odpowiadać 
będzie adaptacyjny system sterowania. 

2.  Zmienne zewnętrzne warunki lotu śmigłowca

 

Śmigłowiec  podczas  lotu  jest  narażony  na  bardzo  dużo  zmiennych  warunków 

zewnętrznych wpływających bezpośrednio na obciążenie łopat rotora głównego, co w sposób 
oczywisty  przekłada  się  na  zmienne  warunki  pracy  silnika  napędzającego  ten  statek 
powietrzny. 

Należą do nich m.in.: 

  zmiana masy podwieszonego ładunku, 
 

zmiana masy wynikająca ze zmiany ilości pasażerów śmigłowca, 

 

zmiana masy wynikająca ze spalenia pewnej ilości paliwa, 

 

zmienna prędkość, kierunek i zwrot wiatru podczas lotu, 

 

nagłe lokalne zmiany gęstości powietrza, 

 

zmienność ukształtowania otoczenia, szczególnie podczas lotu w terenie miejskim. 

Poniżej  ukazano  przykładowy  udział  procentowy  stanów  pracy  helikoptera  wraz 

z wartością niezbędnej mocy potrzebnej w tym stanie pracy. Jak widać z tabeli 2 największy 

background image

udział  procentowy  pracy  śmigłowca  stanowią  takie  przedziały  jak:  loty  z  prędkością 
przelotową,  loty  wytrzymałościowe  czy  loty  w  dobrych  warunkach.  Właśnie  podczas  tych 
stanów  lotu  występują  najmniej  korzystne  zjawiska  wpływające  na  nagłą  zmianę 
zapotrzebowania na chwilową moc silnika, na które w sposób natychmiastowy powinien on 
reagować. 

Tab. 2. Warunki lotu lekkiego śmigłowca 

Lp.  

Warunki lotu  

Moc  

Czas  

1.  

Warunki przyziemne  

0%  

0,38%  

2.  

Autorotacja  

10%  

1,18%  

3.  

Obniżanie  

30%  

3,31%  

4.  

Loty wytrzymałościowe  

31-60%   26,62%  

5.  

Loty z prędkością przelotową  

61-80%   38,42%  

6.  

Loty w dobrych warunkach  

81-99%   15,58%  

7.  

Manewry dynamiczne  

100%  

6,67%  

8.  

Zawis, start  

Max  

7,66%  

Bardzo  znaczący  wpływ  na  warunki  lotu  śmigłowca  ma  występowanie  nagłych, 

nieprzewidywalnych  podmuchów  wiatru.  Na  rysunku  1  przedstawiono  przykładowy  wykres 
ilustrujący średnią prędkość wiatru zmierzoną w ciągu następujących po sobie 2 minutowych 
odcinków czasu, jego kierunek i wartość dynamiczną występowania podmuchów w czasie 3 
sekund.  Jak  widać  z  wykresu  te  przykładowe  warunki  wietrzne  charakteryzują  się  bardzo 
dużą niejednorodnością i chaosem. Jednostka powietrzna pracująca podczas takich warunków 
wietrznych będzie potrzebowała ciągłego zmiennego zapotrzebowania na moc, lecz ze stałą 
prędkością obrotową. 

1

 

Rys. 1. Czasowa obserwacja warunków wietrznych w miejscowości Hoquiam 

                                                           

1

 http://www.climate.washington.edu/stormking/December2007.html 

background image

Zastosowanie  sterowania  silnikiem  w  aspekcie  zmiennych  warunków  zewnętrznych 

zostało  potwierdzone  m.in.  w  pracach  naukowych  dotyczących  sterowania  modelarskich 
śmigłowców.  Zgodnie  z  rysunkiem  2  podczas  wystąpienia  bocznego  wiatru  pozycja 
modelarskiego śmigłowca zaczęła się zmieniać w każdej badanej osi x, y, z. Sytuacja taka jest 
odzwierciedleniem warunków dla śmigłowca w dużej skali. 

2

 

Rys. 2. Zmiana pozycji modelarskiego śmigłowca w badanej przestrzeni 

 

3.  Sterowanie śmigłowcowym silnikiem Diesla 

Obecnie stosowane silniki Diesla w motoryzacji wyposażone są w bezpośredni wtrysk 

paliwa  do  komory  spalania.  Dzięki  postępowi  technologicznemu  możliwe  jest  wykonanie 
głównych  elementów  układu  paliwowego  (pompy  wysokiego  ciśnienia  oraz  wtryskiwacza) 
w  sposób  umożliwiający  precyzyjne  podawanie  dawki  paliwa.  Konstrukcja  pomp 
wtryskowych  wysokiego  ciśnienia  umożliwia  osiągnięcie  ciśnienia  paliwa  rzędu  ponad 
20 MPa,  co  w  połączeniu  z  dużą  dokładnością  wykonania  wtryskiwacza  pozwala  na  lepsze 
rozdrobnienie  strugi  podawanego  paliwa,  a  w  połączeniu  z  elektronicznym  układem 
sterowania wtryskiem (kąt początku wtrysku, ciśnienie wtrysku i czas otwarcia wtryskiwacza) 
pozwala  na  dozowanie  odpowiedniej  dawki  paliwa  w  każdych  warunkach  pracy  silnika. 
Przekłada się to na wzrost mocy jednostki napędowej i jej ekologiczność. Schemat sterowania 
samochodowym silnikiem Diesla został przedstawiony na rysunku 3. 

 

 

                                                           

2

 Źródło: Cunjia Liu, Wen-HuaChen, JohnAndrews: „Tracking control of small-scale helicopters using explicit 

nonlinear MPC augmented with disturbance observers” Control Engineering Practice 

background image

 

Rys. 3. Schemat sterowania samochodowym silnikiem Diesla 

Podobny system sterowania będzie zastosowany w lekkim śmigłowcu. Najważniejszą 

różnicą w porównaniu do systemu występującego w samochodzie będzie zupełnie odwrócona 
strategia  sterowania.  W  zależności  od  zastosowanego  silnika  Diesla  wartością  zadaną 
w sterowaniu  będzie  prędkość  obrotowa  na  poziomie  ok.  4000  obr/min.  Wartością  zmienną 
będzie  chwilowe  zapotrzebowanie  na  moc,  zależne  głównie  od  warunków  lotu.  Natomiast 
wartością  sterowaną  będzie  w  sposób  pośredni  ilość  paliwa  dostarczanego  do  komory 
spalania  silnika,  a  w  sposób  bezpośredni  jednostka  sterująca  będzie  ustalać  wydatki 
poszczególnych  wtryskiwaczy.  Schemat  sterowania  śmigłowcowym  silnikiem  Diesla  został 
przedstawiony na rysunku 4. 

 

Rys. 4. Schemat sterowania śmigłowcowym silnikiem Diesla 

Wartość sterowana

?

Wartość zadana

ok. 4000 obr/min

Wartość zmienna

warunki lotu

M

e

 [Nm]

n

 [

obr/ min]

[

mm

3

/skok]

background image

Do  odpowiedniej  regulacji  prędkości  obrotowej  silnika  będzie  zastosowana  strategia 

sterowania  z  wykorzystaniem  adaptacji  bezpośredniej.  Poniżej  przedstawione  zostały 
schematy  sterowania  w  sposób  wykorzystujący  adaptację  pośrednią  (rys.  5)  i  adaptację 
bezpośrednią  (rys.  6).  Istotą  tych  układów  regulacji  jest  powiązanie  parametrów  regulatora 
z wynikami  bieżącej  identyfikacji  modelu  parametrycznego,  przeprowadzanej  na  podstawie 
bieżących  pomiarów  wielkości  sterujących  i  wielkości  regulowanej  obiektu.  Zaletą  tego 
układu  jest  zdolność  wykrywania  zmian  parametrów  obiektu,  niezależnie  od  tego  czym 
zostały  wywołane.  Wadą  jest  natomiast  bardzo  duża  złożoność  teoretyczna,  gdyż  nawet 
w  przypadku  liniowego  modelu  obiektu,  układ  regulacji  adaptacyjnej  z  dołączoną 
identyfikacją modelu jest układem nieliniowym, niestacjonarnym, poddawanym zakłóceniom 
losowym. Ze względu na brak skutecznych narzędzi teoretycznych powoduje to konieczność 
stosowania komputerowych technik symulacyjnych do analizy i projektowania tych układów. 

+

-

Proces

Regulator

Identyfikacja

modelu regulatora

Wielkość

regulowana

Wartość

zadana

Cel

regulacji

Parametry

regulatora

 

Rys. 5. Schemat regulacji adaptacyjnej z identyfikacją pośrednią sterowania 

Sterowanie 

wykorzystaniem 

adaptacji 

pośredniej 

polega 

na 

tym, 

że identyfikowanym  modelem  może  być  model  obiektu.  W  tym  przypadku,  na  podstawie 
znajomości  modelu  obiektu  i  celu  regulacji,  dokonywana  jest  synteza  regulatora  poprzez 
wyznaczenie jego parametrów. Ponieważ do parametrów regulatora dochodzi się pośrednio za 
pomocą  parametrów  modelu  obiektu,  regulację  taką  nazywa  się  regulacją  adaptacyjną 
z  identyfikacją 

pośrednią.  Zaletą  tego  układu  jest  możliwość  wykorzystania 

zidentyfikowanego modelu do syntezy dowolnego regulatora zaś zidentyfikowane parametry 
obiektu są łatwe do interpretacji. Jego wadą jest to,  że syntezę  regulatora przeprowadza się 
w każdym  kroku  procesu  sterowania.  Wada  ta  traci  na  znaczeniu  wobec  wzrostu  szybkości 
obliczeń współczesnych mikrokontrolerów. 

 

 

background image

 

Rys. 6. Schemat regulacji adaptacyjnej z identyfikacją bezpośrednią sterowania 

Sterowanie 

wykorzystaniem 

adaptacji 

bezpośredniej  polega  na  tym, 

że identyfikowanym  modelem  może  być  model  docelowego  regulatora.  W  tym  wariancie 
identyfikuje  się  bezpośrednio  parametry  regulatora  –  stąd  nazwa  „regulacja  adaptacyjna 
z identyfikacją  bezpośrednią”.  Zaletą  tego  rozwiązania  jest  to,  że  synteza  regulatora 
dokonywana  jest  tylko  raz  off-line.  Wadami  są  trudności  w  identyfikacji  obiektu 
nieregulowanego  oraz  fakt,  że  liczba  identyfikowanych  parametrów  wzrasta  wraz  z  czasem 
opóźnienia i stopniem złożoności regulatora. 

4.  Podsumowanie 

Zastosowanie adaptacyjnego systemu sterowania w lekkim śmigłowcu wyposażonym 

w silnik Diesla rokuje duże nadzieje na przyszłość i wydaje się być kierunkiem rozwojowym. 
Wymagane jest jednak wykonanie badań symulacyjnych i weryfikacyjnych układu sterowania 
w  celu  eliminacji  fluktuacji  prędkości  obrotowej.  Normy  lotnicze  dopuszczają  maksymalnie 
5% odstępstwo od tej wartości, dlatego też system ten musi być niezawodny. 

 

 

+

-

Proces

Regulator

Identyfikacja

modelu obiektu

Wielkość

regulowana

Wartość

zadana

Synteza 

regulatroa

Cel

regulacji

Parametry

regulatora