JP4523693B2 - 航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用エンジンの制御装置にあっては、一般に、タービン回転数が、操縦者から要求される推力を実現する目標値に一致するようにガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系（あるいは推力制御系）と、タービン回転数の加減速率に基づいて燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系などの非定常モード制御系を並列して配置すると共に、演算された指令値の最小値あるいは最大値を選択し、選択した指令値に基づいて燃料流量を決定している。その例として、防技本技報 ６３０７号（１９９２年）「高性能エンジン制御装置（その２）の研究試作概要」を挙げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術においては、演算された指令値の最小値あるいは最大値を選択、換言すれば、制御モードを切り替えるとき、切り替えられた制御系において積分器をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる場合があった。
【０００４】
図１２を参照して説明すると、同図（ａ）は従来技術における定常モード制御系の動作を示すブロック図である。従来技術における定常モード制御系の動作にあっては、検出されたタービン回転数Ｎ１と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量（より詳しくはその指令値）Ｗｆが演算される。
【０００５】
この従来技術に係る制御系においては、一般に、図１２（ａ）に示す如く、検出されたタービン回転数Ｎ１と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、比例要素ＫP と積分要素１／Ｓ（Ｓ：ラプラス演算子）を用い（あるいはさらに微分要素を用い）、操作量Ｗｆ（より詳しくはタービン回転数Ｎ１に基づく操作量Ｗｆｎ１）が演算される。
【０００６】
尚、図示の例では、予め設定されたエンジンモデルに基づいて操作量を算出する、即ち、プラントの伝達関数が与えられたとき、閉ループ伝達関数がモデルに部分的に一致するように操作量を演算する（部分）モデルマッチング手法を利用して操作量を算出している。
【０００７】
図１２（ａ）に示す従来技術にあっては、例えば加減速モード制御系などの非定常モード制御系に切り替えるとき、積分器（１／Ｓ）をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【０００８】
従って、この発明の目的は上記した課題を解消することにあり、複数の制御系が並列に配置されたガスタービン・エンジンの制御装置において、制御モードが切り替えられるとき、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化するようにした航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１項にあっては、少なくとも１個のタービンを有する航空機用ガスタービン・エンジンにおいて、少なくともタービン回転数を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段、前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力を検出する操縦者要求推力検出手段、少なくとも前記検出されたタービン回転数と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系、前記検出されたタービン回転数の加減速率と目標加減速率の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系、前記定常モード制御系によって演算された指令値と前記加減速モード制御系によって演算された指令値のいずれかを選択する指令値選択手段、前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量を演算する燃料流量演算手段、および前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成した。
【００１０】
定常モード制御系などで用いられる積分要素を除去すると共に、燃料流量演算手段に積分要素を配置し、その積分要素を用いて燃料流量を演算するように構成したので、換言すれば、制御モードを切り替えた後に積分を行うようにしたので、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化することができ、前記した不都合を解消することができる。
【００１２】
さらに加減速モード制御系において、検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。また、ガスタービン・エンジンのヒートマスによる影響を受けることもない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即してこの発明の一つの実施の形態に係る航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を説明する。
【００１４】
図１はその装置を全体的に示す概略図である。
【００１５】
尚、航空機用ガスタービン・エンジンとしてはターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンおよびターボシャフト・エンジンの４種が知られているが、以下、２軸のターボファン・エンジンを例にとって説明する。
【００１６】
図１において、符号１０はターボファン・エンジン（以下「エンジン」という）を示し、符号１０ａはエンジン本体を示す。エンジン１０は機体（図示せず）の適宜位置にマウントされる。
【００１７】
エンジン１０はファン（ファン動翼）１２を備え、ファン１２は高速で回転しつつ外気から空気を吸引する。ファン１２にはロータ１２ａが一体的に形成され、ロータ１２ａは対向して配置されたステータ１４と共に低圧圧縮機１６を構成し、そこで吸引した空気を圧縮しつつ後方に圧送する。
【００１８】
尚、ファン１２の付近にはセパレータ２０によってダクト（バイパス）２２が形成され、吸引された空気の大部分は後段（コア側）で燃焼させられることなく、ダクト２２を通ってエンジン後方に噴出させられる。ファン排気は、その反作用としてエンジン１０が搭載される機体（図示せず）に推力（スラスト）を生じさせる。推力の大部分は、このファン排気によって生じる。
【００１９】
低圧圧縮機１６で圧縮された空気は後段の高圧圧縮機２４に送られ、そこでロータ２４ａおよびステータ２４ｂによってさらに圧縮された後、後段の燃焼器２６に送られる。
【００２０】
燃焼器２６は燃料ノズル２８を備え、燃料ノズル２８にはＦＣＵ（Fuel Control Unit 。燃料制御ユニット）３０で調量された燃料が圧送される。即ち、ＦＣＵ３０は燃料調量バルブ３２を備え、燃料ポンプ（ギヤポンプ）３４によって機体の適宜位置に配置された燃料タンク３６から汲み上げられた燃料は、燃料調量バルブ３２で調量された後、燃料供給通路３８を通って燃料ノズル２８に供給される。
【００２１】
噴霧された燃料は高圧圧縮機２４から圧送された圧縮空気と混合し、エンジン始動時にエキサイタ（図１で図示省略）および点火プラグ（図示せず）で点火されて燃焼する。混合気は一度着火されて燃焼を開始すると、かかる圧縮空気と燃料からなる混合気を連続的に供給されて燃焼を継続する。
【００２２】
燃焼によって生じた高温高圧ガスは高圧タービン４０に送られ、高圧タービン４０を高速回転させる。高圧タービン４０は前記した高圧圧縮機のロータ２４ａに高圧タービン軸４０ａを介して接続され、前記ロータ２４ａを回転させる。
【００２３】
高温高圧ガスは、高圧タービン４０を回転駆動した後、低圧タービン４２に送られ、低圧タービン４２を比較的低速で回転させる。低圧タービン４２は前記した低圧圧縮機１６のロータ１２ａに低圧タービン軸４２ａ（軸４０ａと同心二軸構造）を介して接続されており、前記ロータ１２ａおよびファン１２を回転させる。
【００２４】
低圧タービン４２を通過した高温高圧ガス（タービン排気）は、ダクト２２を通ってそのまま排出されるファン排気と混合させられてジェットノズル４４からエンジン後方に噴出される。
【００２５】
エンジン本体１０ａの外部下面の前側寄りには、アクセサリ・ドライブ・ギアボックス（以下「ギアボックス」という）５０がステー５０ａを介して取り付けられると共に、ギアボックス５０の前端には一体的に構成されたスタータおよびジェネレータ（以下「スタータ」と総称する）５２が取り付けられる。尚、ギアボックス５０の後端には前記したＦＣＵ３０が配置される。
【００２６】
エンジン１０の始動時、スタータ５２によって軸５６が回転させられると、その回転は駆動軸５８（および図示しないベベルギアなどのギア機構）を介して高圧タービン軸４０ａに伝えられ、燃焼に必要な空気が送り込まれる。
【００２７】
他方、軸５６の回転はＰＭＡ（パーマネントマグネット・オルタネータ）６０と燃料ポンプ３４に伝えられて燃料ポンプ３４を駆動し、前記したように燃料を燃料ノズル２８を介して噴霧する。よって生じた混合気は、点火されて燃焼を開始する。
【００２８】
エンジン１０が自立運転回転数に達すると、高圧タービン軸４０ａの回転が逆に駆動軸５８（および図示しないベベルギアなどのギア機構）を介して軸５６に伝えられ、燃料ポンプ３４を駆動すると共に、ＰＭＡ６０とスタータ５２を駆動する。それによって、ＰＭＡ６０は発電すると共に、スタータ５２は、機体に電力を供給する。
【００２９】
エンジン１０において、低圧タービン軸４２ａの付近にはＮ１センサ（回転数センサ）６２が配置され、低圧タービン回転数（低圧タービン軸４２ａの回転数）Ｎ１に比例する信号を出力すると共に、軸５６の付近にはＮ２センサ（回転数センサ）６４が配置され、高圧タービン回転数（高圧タービン軸４０ａの回転数）Ｎ２に比例する信号を出力する。
【００３０】
またエンジン本体１０ａの前面の空気取り入れ口６６の付近にはＴ１（温度センサ）センサ６８およびＰ１センサ（圧力センサ）７０が配置され、流入空気の温度Ｔ１および圧力Ｐ１に比例する信号を出力すると共に、後述するＥＣＵ
（Electronic Control Unit 。電子制御ユニット）の内部にはＰ０センサ（圧力センサ）７２が設けられ、大気圧Ｐ０に比例する信号を出力する。
【００３１】
またロータ２４ａの下流にはＰ３センサ（圧力センサ）７４が配置されて高圧圧縮機２４の出力圧Ｐ３に比例する信号を出力すると共に、高圧タービン４０と低圧タービン４２の間の適宜位置にはＩＴＴセンサ（温度センサ）７６が配置され、その部位の温度（エンジン代表温度）ＩＴＴに比例する信号を出力する。
【００３２】
エンジン本体１０ａの上端位置には前記したＥＣＵ（符号８０で示す）が収納される。上記したセンサ群の出力は、ＥＣＵ８０に送られる。
【００３３】
図２は、ＥＣＵ８０および前記したＦＣＵ３０の構成、特にＦＣＵ３０の構成を全体的に示すブロック図である。
【００３４】
前記したセンサ群に加え、機体操縦席（コックピット。図示せず）付近に設置されたスラストレバー（スロットルレバー）８２の付近にはＴＬＡセンサ（スラストレバー位置センサ）８４が配置され、パイロット（操縦者）が入力したスラストレバー位置（操作者要求推力）ＴＬＡに比例する信号を出力する。ＴＬＡセンサ８４の出力もＥＣＵ８０に入力される。尚、図２、図３、において各センサ（Ｐ０センサ、ＴＬＡセンサなど）は、その検出対象パラメータ名（Ｐ０、ＴＬＡなど）で示す。
【００３５】
さらに、ＦＣＵ３０の適宜位置にはＦＭＶＰセンサ（バルブ位置センサ。図２で図示省略）が設けられ、燃料調量バルブ３２のバルブ位置ＦＭＶＰに比例する信号を出力する。ＦＭＶＰセンサの出力もＥＣＵ８０に入力される。
【００３６】
さらに、ＥＣＵ８０には、通信インターフェース・ユニット８８を介して前記したスラストレバー８２以外の機器のパイロット選択指令９０、機体搭載コンピュータ（Air Data Computer あるいはＡＤＣ）９２からのデータ（例えばマッハ数Ｍｎ、圧力高度ＡＬＴ、外気温度（より具体的には全温度ＴＡＴ、真大気温度ＳＡＴ））、および第２のエンジン（図示せず）のＥＣＵ９４からのデータが入力（あるいは出力）されると共に、コックピット内のディスプレイ９６に接続されてＥＣＵ８０のデータを表示させる。
【００３７】
ＥＣＵ８０は入力値に基づき、スラストレバー位置（操作者要求出力）ＴＬＡに応じて低圧タービン軸回転数（低圧タービン回転数）Ｎ１と目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給すべき燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆを、トルクモータ９８への通電電流指令値として算出してＦＣＵ３０に送る。
【００３８】
さらに、ＥＣＵ８０は検出された低圧タービン回転数Ｎ１および高圧タービン回転数Ｎ２の値のいずれかがリミット値（例えば、それぞれの最高回転数の１０７％相当値）を超えるか否か監視し、検出された低圧タービン回転数Ｎ１および高圧タービン回転数Ｎ２のいずれかがリミット値を超えるときはオーバースピードと判断し、エンジン１０に供給すべき燃料流量が所定値、より具体的には零あるいは最小となるようにトルクモータ９８への通電電流指令値を決定してＦＣＵ３０に送る。
【００３９】
さらに、ＥＣＵ８０は検出された高圧タービン回転数Ｎ２の変化率Ｎ２ドット（Ｎ２の微分値。加減速率）と目標加減速率Ｎ２ドットｃｏｍの偏差が減少するようにエンジン１０に供給すべき燃料流量の指令値Ｗｆ、より詳しくはトルクモータ９８への通電電流指令値を決定してＦＣＵ３０に送る。
【００４０】
ＦＣＵ３０は低圧燃料ポンプ１００を備え、燃料タンク３６（図２で図示省略）から汲み上げられた燃料は、フィルタ（およびオイルクーラ）１０２を経て前記した燃料ポンプ３４で高圧化されて燃料調量バルブ３２に送られる。トルクモータ９８は燃料調量バルブ３２に接続され、そのスプール位置を決定する。従って、高圧ポンプ３４を介して圧送された燃料は、燃料調量バルブ３２でそのスプール位置に応じた流量に調節（調量）される。
【００４１】
調量された燃料は、シャットオフバルブ１０４、ドレーンバルブ１０６およびシャットオフ機構１０８を介して前記した燃料ノズル２８に供給される。
【００４２】
尚、低圧タービン軸４２ａには非常停止スイッチ１１０が接続されており、低圧タービン軸４２ａが何らかの理由から変位するとオンし、シャットオフ機構１０８を動作させて燃料ノズル２８への燃料供給を機械的に遮断する。同様に、ソレノイド１１２が設けられ、パイロット選択指令９０に応じてシャットオフバルブ１０４を動作させて燃料ノズル２８への燃料供給を遮断する。
【００４３】
次いで、実施の形態に係るガスタービン・エンジンの制御装置の動作、より具体的にはＥＣＵ８０の動作を具体的に説明する。
【００４４】
図３は、そのＥＣＵ８０の動作を具体的に示すブロック図である。
【００４５】
図示の如く、ＥＣＵ８０は最大Ｎ１演算部（図に「Max N1 on Condition 」と示す) ８００を備え、最大Ｎ１演算部８００は、マッハ数Ｍｎ、圧力高度ＡＬＴ、真大気温度ＳＡＴ、Anti-Iceなどのエンジンからの抽気状態Ａ／Ｉに基づいて低圧タービン回転数Ｎ１の最大値Ｎ１＊ｍａｘｃｏｍを演算する。
【００４６】
また、ＥＣＵ８０はアイドル回転数演算部（図に「Idle (Ground/Flight)」と示す）８０２を備え、アイドル回転数演算部８０２は、マッハ数Ｍｎ、圧力高度ＡＬＴ、真大気温度ＳＡＴ，Ａ／Ｉ，ＷＯＷ（Weight-on-Wheel 。車輪負荷信号）に基づいて低圧タービン回転数Ｎ１の最小値Ｎ１＊ｍｉｎｃｏｍと、アイドル時の高圧タービン回転数Ｎ２＊ｉｄｌｅを演算する。
【００４７】
演算された低圧タービン回転数Ｎ１の最大値Ｎ１＊ｍａｘｃｏｍ、低圧タービン回転数Ｎ１の最小値Ｎ１＊ｍｉｎｃｏｍおよびアイドル時の高圧タービン回転数Ｎ２＊ｉｄｌｅは、推力演算部（図に「TLA Power Setting 」と示す) ８０４に送られる。推力演算部８０４は、それら入力値と、別途入力される検出スラストレバー位置ＴＬＡおよび流入空気温度Ｔ１に基づいて前記した低圧タービン目標回転数Ｎ１ｃｏｍと高圧タービン目標回転数Ｎ２ｃｏｍを演算する。
【００４８】
演算された低圧タービン目標回転数Ｎ１ｃｏｍと高圧タービン目標回転数Ｎ２ｃｏｍは、回転数フィードバック制御部（図に「Speed Feedback Control (N1/N2)」と示す。前記した定常モード制御系に相当) ８０６に送られる。
【００４９】
回転数フィードバック制御部８０６は、それら入力値と、別途入力される検出低圧タービン回転数Ｎ１と高圧タービン回転数Ｎ２に基づき、検出されたタービン回転数Ｎ１と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給する操作量（燃料流量の指令値）Ｗｆドットｎ１を演算すると共に、検出されたタービン回転数Ｎ２と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ２ｃｏｍの偏差が減少するように、操作量Ｗｆドットｎ２を演算する。このように、操作量Ｗｆは後述する如く、その微分値（ドットと表記）として演算する。
【００５０】
また、ＥＣＵ８０は加速制御部（図に「Acceleration Control」と示す。前記した加減速モード制御系に相当) ８０８を備え、加速制御部８０８は、高圧タービン回転数Ｎ２、流入空気温度Ｔ１、流入空気圧力Ｐ１，Ａ／Ｉに基づいて検出された高圧タービン回転数Ｎ２の加速率Ｎ２ドットと目標とする目標加速率Ｎ２ドットｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットａｃｃを演算する。
【００５１】
また、ＥＣＵ８０はＰ３圧力制御部（図に「P3 Limit Control」と示す。前記した非定常モード制御系に相当) ８１０を備え、Ｐ３圧力制御部８１０は、高圧圧縮機２４の出口圧力Ｐ３とＰＲ（Power-Reserve 信号）に基づいて出口圧力Ｐ３のリミット値に相当するエンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットｐ３を演算する。
【００５２】
また、ＥＣＵ８０はＩＴＴ温度制御部（図に「ITT Limit Control 」と示す。前記した非定常モード制御系に相当) ８１２を備え、ＩＴＴ温度制御部８１２は、タービン温度ＩＴＴ、スラストレバー位置ＴＬＡおよびＰＲに基づいてタービン温度ＩＴＴのリミット値に相当するエンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットｉｔｔを演算する。
【００５３】
また、ＥＣＵ８０は減速制御部（図に「Deceleration Control(Dec-limit) 」と示す。前記した加減速モード制御系に相当) ８１４を備え、減速制御部８１４は、高圧タービン回転数Ｎ２、流入空気温度Ｔ１、流入空気圧力Ｐ１、Ａ／Ｉに基づいて検出されたタービン回転数Ｎ２の減速率Ｎ２ドットと目標とする目標減速率Ｎ２ドットｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットｄｅｃを演算する。
【００５４】
これら演算された燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆは全て選択回路（図に「Select Logic」と示す。前記した指令値選択手段に相当) ８２０に送られ、選択回路８２０は、その中から決められたロジックに従い一つの値を選択して出力Ｗｆｃｏｍとする。
【００５５】
ＥＣＵ８０はトルクモータドライバ８２６を備え、トルクモータドライバ８２６は、入力した最大値Ｗｆｃｏｍと検出された燃料調量バルブ３２のバルブ位置ＦＭＶＰとからバルブ指令値ＦＭＶＣＭＤ（より詳しくはトルクモータ通電電流指令値）を演算して出力する。
【００５６】
図４は、図３の中で上記した選択回路８２０の内部の演算の動作を示す、図３の部分ブロック図である。
【００５７】
図示の如く、選択回路８２０に送られる上記した燃料流量の指令値のうち、減速制御部８１４からの燃料流量の指令値Ｗｆドットｄｅｃを除く全ての指令値が選択回路８２１（図に「Select/Low」と示す）に送られ、最小値が選択される。
【００５８】
次いでその最小値と減速制御部８１４からの燃料流量の指令値Ｗｆドットｄｅｃが選択回路８２２（図に「Select/High 」と示す）に送られ、最大値が選択される。次いで、その最大値に前回値ＬａｓｔＷｆが加算される。
【００５９】
ここで、同図の説明を続ける前に、図１２を再び参照してこの実施の形態に係る装置の動作を説明する。
【００６０】
図１２（ａ）に示す従来技術においては目標値Ｎ１ｃｏｍと検出値Ｎ１の偏差が減少するように比例要素ＫP と積分要素１／Ｓを用いて操作量Ｗｆが演算される結果、制御モードを切り替えるとき、積分器（１／Ｓ）をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【００６１】
そこで、この実施の形態においては、図１２（ｂ）に示す如く、積分要素１／Ｓを破線で示す選択回路８２４による選択点（図に「Select」と示す) の下流に移して操作量（前記燃料流量）を演算するようにした。尚、積分要素を選択点の下流に移したため、その上流においては操作量（燃料流量の指令値）は微分値Ｗｆドットを使用することになる。
【００６２】
即ち、制御モードを切り替えた後に積分を行い、制御モードでの積分要素を除去するようにした。これによって、積分器のリセットを不要とし、アルゴリズムをシンプルにすることができて、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【００６３】
尚、図１２（ｂ）に示す構成においても、予め設定されたエンジンモデルに基づいて操作量を算出、より具体的には、プラントの伝達関数が与えられたとき、閉ループ伝達関数がモデルに部分的に一致するように操作量を演算する（部分）モデルマッチング手法を利用して操作量を算出する。
【００６４】
図４の説明に戻ると、前回値Ｌａｓｔｗｆの加算は、この積分動作に相当する。次いで、加算値に高圧圧縮機２４の出口圧Ｐ３を乗じる。これは、図３において実際は燃料流量指令値を出口圧Ｐ３で除算した値を燃料流量の指令値としていることから、その修正のためである。
【００６５】
さらに、修正された値は別の選択回路８２３，８２４で所定の値と比較されて選択され、選択された値が前記したようにトルクモータドライバ８２６に送られるが、この発明の要旨は選択回路８２０内で選択、換言すれば制御モード（制御系）が切り換えられた後の操作量の演算にあるので、詳細な説明は省略する。
【００６６】
同様のことは、図３に関して説明した加速制御部８０８の動作についても妥当する。
【００６７】
図５を参照して説明すると、（ａ）は従来技術における加速制御を示し、そこでは目標値Ｎ２ドットｃｏｍと検出値Ｎ２ドットの偏差が減少するように、比例要素ＫP 、微分要素ＫD および２個の積分要素１／Ｓを用いて操作量Ｗｆａｃｃが演算される。従って、この制御モードに切り替えるときも、２個の積分器（１／Ｓ）をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【００６８】
そこで、この実施の形態においては、図５（ｂ）に示す如く、図１２（ｂ）と同様に積分要素１／Ｓを破線で示す選択点の下流に移し、操作量を演算するようにした。
【００６９】
即ち、制御モードを切り替えた後に積分を行い、制御モードでの積分要素を除去するようにした。これによって、積分器のリセットを不要とし、アルゴリズムをシンプルにすることができて、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【００７０】
尚、積分要素を選択点の下流に移したため、その上流においては操作量（燃料流量の指令値）の微分値Ｗｆドットａｃｃを使用することとなる点も図１２（ｂ）と異ならない。
【００７１】
さらに、図５（ａ）に示す従来技術に係る加速制御から残りの１個の積分要素を除去し、それに代えて修正値Ｎ２ｃ（高圧タービン回転数Ｎ２に基づく修正値）のスケジュールを追加するようにした。
【００７２】
図６は、その加速制御部８０８の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【００７３】
即ち、目標値と検出値の偏差と比例ゲインＫP の積に、偏差の微分値に微分ゲインＫD を乗じた値と、Ｎ２ｃのスケジュール値としてＷｆドットが加算されるようにした。Ｗｆドットは、図示の如く、高圧タービン回転数Ｎ２（より詳しくはＮ２を大気温度比θ（＝流入空気温度Ｔ１／所定温度ＴＳＴＤ（共に絶対温度）で算出）の平方根値で補正した値）に従って算出される。ここで、スケジュール値をＮ２平方根θ＝２８０００を超えた付近から算出するのは、この付近から積分要素を除去したことによる定常誤差の影響が大きくなるためである。
【００７４】
このように、加速制御においては、制御精度を向上させるために、加速モード制御系に積分要素を本来は必要とするが、積分要素を除去すると共に、この実施の形態においては、それに代えてスケジュール値を加算するように構成したので、図１２（ｂ）に関して述べたのと同様の効果を得ることができると共に、制御精度を向上させることができる。また、エンジン１０のヒートマスによる影響を受けることもない。
【００７５】
図７は発明者達が行ったテスト結果を示すデータ図である。
【００７６】
図において、符号ａは、図５（ｂ）および図６に示す構成の比例ゲインＫP 、微分ゲインＫD を用いるときの、即ち、スケジュール値を加算しない場合の結果を示す。
【００７７】
符号ｂは、比例ゲインＫP 、微分ゲインＫD を符合ａの場合に比して増加させたときの結果を示す。また、符号ｃは、符合ａの場合と同一の比例ゲインＫP 、微分ゲインＫD を用いると共に、図５（および図６）に示すスケジュール値を加算したときの結果を示す。
【００７８】
図７から、図５（ｂ）および図６に示すスケジュール値の加算が効果的であることが理解できよう。
【００７９】
図８および図９は、前記した回転数フィードバック制御部８０６の動作を詳細に示す、図３の部分ブロック図である。図示の如く、積分要素が除去されると共に、偏差に積分ゲインＫI を乗じることなどによって低圧タービン目標回転数Ｎ１ｃｏｍと高圧タービン目標回転数Ｎ２ｃｏｍに応じた燃料流量の指令値Ｗｆドットｎ１、Ｗｆドットｎ２が演算される。
【００８０】
また、図１０および図１１は、前記したＰ３圧力制御部８１０およびＩＴＴ温度制御部８１２の動作を詳細に示す、図３の部分ブロック図である。図示の如く、積分要素が除去されると共に、偏差に積分ゲインＫI を乗じることなどによって出口圧力Ｐ３のリミット値に相当する燃料流量の指令値およびタービン温度ＩＴＴのリミット値に相当する燃料流量の指令値Ｗｆドットｐ３、Ｗｆドットｉｔｔが演算される。
【００８１】
この実施の形態においては上記の如く、全ての制御系において積分要素を除去するようにしたので、制御モードが切り替えられたとき、積分器のリセットが不要となってアルゴリズムをシンプルにすることができると共に、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【００８２】
また、加速モード制御系においては、第２の積分要素に代えてスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。
【００８３】
上記の如く、この実施の形態にあっては、少なくとも１個のタービン（より具体的には低圧タービン（４２）および高圧タービン（４０））を有する航空機用ガスタービン・エンジン（ターボファン・エンジン１０）において、少なくともタービン回転数（低圧タービン回転数Ｎ１、高圧タービン回転数Ｎ２）を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段（Ｎ１センサ６２，Ｎ２センサ６４，ＥＣＵ８０）、前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力（スラストレバー位置ＴＬＡ）を検出する操縦者要求推力検出手段（ＴＬＡセンサ８４，ＥＣＵ８０）、少なくとも前記検出されたタービン回転数（Ｎ１）と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数（Ｎ１ｃｏｍ）の偏差が減少するように、少なくとも積分要素（１／Ｓ）を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系（回転数フィードバック制御部８０６）、前記検出されたタービン回転数（Ｎ２）の加減速率（Ｎ２ドット）と目標加減速率（Ｎ２ドットｃｏｍ）の偏差が減少するように、少なくとも積分要素（１／Ｓ）を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系（加速制御部８０８，Ｐ３圧力制御部８１０，ＩＴＴ温度制御部８１２、減速制御部８１４）、前記定常モード制御系によって演算された指令値（Ｗｆ）と前記加減速モード制御系によって演算された指令値（Ｗｆ）のいずれかを選択する指令値選択手段（選択回路８２０）、前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量（その指令値Ｗｆ）を演算する燃料流量演算手段（ＥＣＵ８０）、および前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段（ＦＣＵ３０、燃料調量バルブ３２、トルクモータ９８など）を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、図６に示す如く、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成した。
【００８５】
尚、上記した実施の形態において、航空機用ガスタービン・エンジンとしてはターボファン・エンジンを例にとったが、ターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンおよびターボシャフト・エンジンなどであっても良い。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１項にあっては、定常モード制御系などで用いられる積分要素を除去すると共に、燃料流量演算手段に積分要素を配置し、その積分要素を用いて燃料流量を演算するように構成したので、換言すれば、制御モードを切り替えた後に積分を行うようにしたので、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化することができ、前記した不都合を解消することができる。
【００８７】
さらに加減速モード制御系において、検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。また、ガスタービン・エンジンのヒートマスによる影響を受けることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係る航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１装置の中のＥＣＵおよびＦＣＵの構成を示す説明ブロック図である。
【図３】図２のＥＣＵの動作を具体的に示すブロック図である。
【図４】図３の中の選択回路８２０の内部の演算の動作を示す、図３の部分ブロック図である。
【図５】図３の中の加速制御部の動作を示すブロック図である。
【図６】図３の中の加速制御部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図７】図３の中の加速制御部のスケジュール値について発明者達が行ったテスト結果を示すデータ図である。
【図８】図３の中の推力演算部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図９】同様に図３の中の推力演算部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図１０】図３の中のＰ３圧力制御部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図１１】図３の中のＩＴＴ温度制御部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図１２】図３の中の回転数フィードバック制御部（定常制御モード系）の動作を従来技術と対比して示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 航空機用ガスタービン・エンジン（ターボファン・エンジン）
１２ ファン
１２ａ ロータ
１４ ステータ
１６ 低圧圧縮機
２４ 高圧圧縮機
２４ａ ロータ
２４ｂ ステータ
２６ 燃焼器
２８ 燃料ノズル
３０ ＦＣＵ（Fuel Control Unit )
３２ 燃料調量バルブ
４０ 高圧タービン
４０ａ 高圧タービン軸
４２ 低圧タービン
４２ａ 低圧タービン軸
６２ Ｎ１センサ（低圧タービン回転数検出手段）
６４ Ｎ２センサ（高圧タービン回転数検出手段）
６８ Ｔ１センサ
７０ Ｐ１センサ
７２ Ｐ０センサ
７４ Ｐ３センサ
７６ ＩＴＴセンサ
８０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit 。電子制御ユニット）
８２ スラストレバー（スロットルレバー）
９２ 機体搭載コンピュータ（ＡＤＣ）
９８ トルクモータ
８０６ 回転数フィードバック制御部（定常制御モード系）
８０８ 加速制御部（加減速モード制御系）
８１０ Ｐ３圧力制御部（非定常モード制御系）
８１２ ＩＴＴ温度制御部（非定常モード制御系）
８１４ 減速制御部（加減速モード制御系）
８２０ 選択回路（指令値選択手段）
【発明の属する技術分野】
この発明は航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用エンジンの制御装置にあっては、一般に、タービン回転数が、操縦者から要求される推力を実現する目標値に一致するようにガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系（あるいは推力制御系）と、タービン回転数の加減速率に基づいて燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系などの非定常モード制御系を並列して配置すると共に、演算された指令値の最小値あるいは最大値を選択し、選択した指令値に基づいて燃料流量を決定している。その例として、防技本技報 ６３０７号（１９９２年）「高性能エンジン制御装置（その２）の研究試作概要」を挙げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術においては、演算された指令値の最小値あるいは最大値を選択、換言すれば、制御モードを切り替えるとき、切り替えられた制御系において積分器をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる場合があった。
【０００４】
図１２を参照して説明すると、同図（ａ）は従来技術における定常モード制御系の動作を示すブロック図である。従来技術における定常モード制御系の動作にあっては、検出されたタービン回転数Ｎ１と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量（より詳しくはその指令値）Ｗｆが演算される。
【０００５】
この従来技術に係る制御系においては、一般に、図１２（ａ）に示す如く、検出されたタービン回転数Ｎ１と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、比例要素ＫP と積分要素１／Ｓ（Ｓ：ラプラス演算子）を用い（あるいはさらに微分要素を用い）、操作量Ｗｆ（より詳しくはタービン回転数Ｎ１に基づく操作量Ｗｆｎ１）が演算される。
【０００６】
尚、図示の例では、予め設定されたエンジンモデルに基づいて操作量を算出する、即ち、プラントの伝達関数が与えられたとき、閉ループ伝達関数がモデルに部分的に一致するように操作量を演算する（部分）モデルマッチング手法を利用して操作量を算出している。
【０００７】
図１２（ａ）に示す従来技術にあっては、例えば加減速モード制御系などの非定常モード制御系に切り替えるとき、積分器（１／Ｓ）をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【０００８】
従って、この発明の目的は上記した課題を解消することにあり、複数の制御系が並列に配置されたガスタービン・エンジンの制御装置において、制御モードが切り替えられるとき、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化するようにした航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１項にあっては、少なくとも１個のタービンを有する航空機用ガスタービン・エンジンにおいて、少なくともタービン回転数を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段、前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力を検出する操縦者要求推力検出手段、少なくとも前記検出されたタービン回転数と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系、前記検出されたタービン回転数の加減速率と目標加減速率の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系、前記定常モード制御系によって演算された指令値と前記加減速モード制御系によって演算された指令値のいずれかを選択する指令値選択手段、前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量を演算する燃料流量演算手段、および前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成した。
【００１０】
定常モード制御系などで用いられる積分要素を除去すると共に、燃料流量演算手段に積分要素を配置し、その積分要素を用いて燃料流量を演算するように構成したので、換言すれば、制御モードを切り替えた後に積分を行うようにしたので、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化することができ、前記した不都合を解消することができる。
【００１２】
さらに加減速モード制御系において、検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。また、ガスタービン・エンジンのヒートマスによる影響を受けることもない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即してこの発明の一つの実施の形態に係る航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を説明する。
【００１４】
図１はその装置を全体的に示す概略図である。
【００１５】
尚、航空機用ガスタービン・エンジンとしてはターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンおよびターボシャフト・エンジンの４種が知られているが、以下、２軸のターボファン・エンジンを例にとって説明する。
【００１６】
図１において、符号１０はターボファン・エンジン（以下「エンジン」という）を示し、符号１０ａはエンジン本体を示す。エンジン１０は機体（図示せず）の適宜位置にマウントされる。
【００１７】
エンジン１０はファン（ファン動翼）１２を備え、ファン１２は高速で回転しつつ外気から空気を吸引する。ファン１２にはロータ１２ａが一体的に形成され、ロータ１２ａは対向して配置されたステータ１４と共に低圧圧縮機１６を構成し、そこで吸引した空気を圧縮しつつ後方に圧送する。
【００１８】
尚、ファン１２の付近にはセパレータ２０によってダクト（バイパス）２２が形成され、吸引された空気の大部分は後段（コア側）で燃焼させられることなく、ダクト２２を通ってエンジン後方に噴出させられる。ファン排気は、その反作用としてエンジン１０が搭載される機体（図示せず）に推力（スラスト）を生じさせる。推力の大部分は、このファン排気によって生じる。
【００１９】
低圧圧縮機１６で圧縮された空気は後段の高圧圧縮機２４に送られ、そこでロータ２４ａおよびステータ２４ｂによってさらに圧縮された後、後段の燃焼器２６に送られる。
【００２０】
燃焼器２６は燃料ノズル２８を備え、燃料ノズル２８にはＦＣＵ（Fuel Control Unit 。燃料制御ユニット）３０で調量された燃料が圧送される。即ち、ＦＣＵ３０は燃料調量バルブ３２を備え、燃料ポンプ（ギヤポンプ）３４によって機体の適宜位置に配置された燃料タンク３６から汲み上げられた燃料は、燃料調量バルブ３２で調量された後、燃料供給通路３８を通って燃料ノズル２８に供給される。
【００２１】
噴霧された燃料は高圧圧縮機２４から圧送された圧縮空気と混合し、エンジン始動時にエキサイタ（図１で図示省略）および点火プラグ（図示せず）で点火されて燃焼する。混合気は一度着火されて燃焼を開始すると、かかる圧縮空気と燃料からなる混合気を連続的に供給されて燃焼を継続する。
【００２２】
燃焼によって生じた高温高圧ガスは高圧タービン４０に送られ、高圧タービン４０を高速回転させる。高圧タービン４０は前記した高圧圧縮機のロータ２４ａに高圧タービン軸４０ａを介して接続され、前記ロータ２４ａを回転させる。
【００２３】
高温高圧ガスは、高圧タービン４０を回転駆動した後、低圧タービン４２に送られ、低圧タービン４２を比較的低速で回転させる。低圧タービン４２は前記した低圧圧縮機１６のロータ１２ａに低圧タービン軸４２ａ（軸４０ａと同心二軸構造）を介して接続されており、前記ロータ１２ａおよびファン１２を回転させる。
【００２４】
低圧タービン４２を通過した高温高圧ガス（タービン排気）は、ダクト２２を通ってそのまま排出されるファン排気と混合させられてジェットノズル４４からエンジン後方に噴出される。
【００２５】
エンジン本体１０ａの外部下面の前側寄りには、アクセサリ・ドライブ・ギアボックス（以下「ギアボックス」という）５０がステー５０ａを介して取り付けられると共に、ギアボックス５０の前端には一体的に構成されたスタータおよびジェネレータ（以下「スタータ」と総称する）５２が取り付けられる。尚、ギアボックス５０の後端には前記したＦＣＵ３０が配置される。
【００２６】
エンジン１０の始動時、スタータ５２によって軸５６が回転させられると、その回転は駆動軸５８（および図示しないベベルギアなどのギア機構）を介して高圧タービン軸４０ａに伝えられ、燃焼に必要な空気が送り込まれる。
【００２７】
他方、軸５６の回転はＰＭＡ（パーマネントマグネット・オルタネータ）６０と燃料ポンプ３４に伝えられて燃料ポンプ３４を駆動し、前記したように燃料を燃料ノズル２８を介して噴霧する。よって生じた混合気は、点火されて燃焼を開始する。
【００２８】
エンジン１０が自立運転回転数に達すると、高圧タービン軸４０ａの回転が逆に駆動軸５８（および図示しないベベルギアなどのギア機構）を介して軸５６に伝えられ、燃料ポンプ３４を駆動すると共に、ＰＭＡ６０とスタータ５２を駆動する。それによって、ＰＭＡ６０は発電すると共に、スタータ５２は、機体に電力を供給する。
【００２９】
エンジン１０において、低圧タービン軸４２ａの付近にはＮ１センサ（回転数センサ）６２が配置され、低圧タービン回転数（低圧タービン軸４２ａの回転数）Ｎ１に比例する信号を出力すると共に、軸５６の付近にはＮ２センサ（回転数センサ）６４が配置され、高圧タービン回転数（高圧タービン軸４０ａの回転数）Ｎ２に比例する信号を出力する。
【００３０】
またエンジン本体１０ａの前面の空気取り入れ口６６の付近にはＴ１（温度センサ）センサ６８およびＰ１センサ（圧力センサ）７０が配置され、流入空気の温度Ｔ１および圧力Ｐ１に比例する信号を出力すると共に、後述するＥＣＵ
（Electronic Control Unit 。電子制御ユニット）の内部にはＰ０センサ（圧力センサ）７２が設けられ、大気圧Ｐ０に比例する信号を出力する。
【００３１】
またロータ２４ａの下流にはＰ３センサ（圧力センサ）７４が配置されて高圧圧縮機２４の出力圧Ｐ３に比例する信号を出力すると共に、高圧タービン４０と低圧タービン４２の間の適宜位置にはＩＴＴセンサ（温度センサ）７６が配置され、その部位の温度（エンジン代表温度）ＩＴＴに比例する信号を出力する。
【００３２】
エンジン本体１０ａの上端位置には前記したＥＣＵ（符号８０で示す）が収納される。上記したセンサ群の出力は、ＥＣＵ８０に送られる。
【００３３】
図２は、ＥＣＵ８０および前記したＦＣＵ３０の構成、特にＦＣＵ３０の構成を全体的に示すブロック図である。
【００３４】
前記したセンサ群に加え、機体操縦席（コックピット。図示せず）付近に設置されたスラストレバー（スロットルレバー）８２の付近にはＴＬＡセンサ（スラストレバー位置センサ）８４が配置され、パイロット（操縦者）が入力したスラストレバー位置（操作者要求推力）ＴＬＡに比例する信号を出力する。ＴＬＡセンサ８４の出力もＥＣＵ８０に入力される。尚、図２、図３、において各センサ（Ｐ０センサ、ＴＬＡセンサなど）は、その検出対象パラメータ名（Ｐ０、ＴＬＡなど）で示す。
【００３５】
さらに、ＦＣＵ３０の適宜位置にはＦＭＶＰセンサ（バルブ位置センサ。図２で図示省略）が設けられ、燃料調量バルブ３２のバルブ位置ＦＭＶＰに比例する信号を出力する。ＦＭＶＰセンサの出力もＥＣＵ８０に入力される。
【００３６】
さらに、ＥＣＵ８０には、通信インターフェース・ユニット８８を介して前記したスラストレバー８２以外の機器のパイロット選択指令９０、機体搭載コンピュータ（Air Data Computer あるいはＡＤＣ）９２からのデータ（例えばマッハ数Ｍｎ、圧力高度ＡＬＴ、外気温度（より具体的には全温度ＴＡＴ、真大気温度ＳＡＴ））、および第２のエンジン（図示せず）のＥＣＵ９４からのデータが入力（あるいは出力）されると共に、コックピット内のディスプレイ９６に接続されてＥＣＵ８０のデータを表示させる。
【００３７】
ＥＣＵ８０は入力値に基づき、スラストレバー位置（操作者要求出力）ＴＬＡに応じて低圧タービン軸回転数（低圧タービン回転数）Ｎ１と目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給すべき燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆを、トルクモータ９８への通電電流指令値として算出してＦＣＵ３０に送る。
【００３８】
さらに、ＥＣＵ８０は検出された低圧タービン回転数Ｎ１および高圧タービン回転数Ｎ２の値のいずれかがリミット値（例えば、それぞれの最高回転数の１０７％相当値）を超えるか否か監視し、検出された低圧タービン回転数Ｎ１および高圧タービン回転数Ｎ２のいずれかがリミット値を超えるときはオーバースピードと判断し、エンジン１０に供給すべき燃料流量が所定値、より具体的には零あるいは最小となるようにトルクモータ９８への通電電流指令値を決定してＦＣＵ３０に送る。
【００３９】
さらに、ＥＣＵ８０は検出された高圧タービン回転数Ｎ２の変化率Ｎ２ドット（Ｎ２の微分値。加減速率）と目標加減速率Ｎ２ドットｃｏｍの偏差が減少するようにエンジン１０に供給すべき燃料流量の指令値Ｗｆ、より詳しくはトルクモータ９８への通電電流指令値を決定してＦＣＵ３０に送る。
【００４０】
ＦＣＵ３０は低圧燃料ポンプ１００を備え、燃料タンク３６（図２で図示省略）から汲み上げられた燃料は、フィルタ（およびオイルクーラ）１０２を経て前記した燃料ポンプ３４で高圧化されて燃料調量バルブ３２に送られる。トルクモータ９８は燃料調量バルブ３２に接続され、そのスプール位置を決定する。従って、高圧ポンプ３４を介して圧送された燃料は、燃料調量バルブ３２でそのスプール位置に応じた流量に調節（調量）される。
【００４１】
調量された燃料は、シャットオフバルブ１０４、ドレーンバルブ１０６およびシャットオフ機構１０８を介して前記した燃料ノズル２８に供給される。
【００４２】
尚、低圧タービン軸４２ａには非常停止スイッチ１１０が接続されており、低圧タービン軸４２ａが何らかの理由から変位するとオンし、シャットオフ機構１０８を動作させて燃料ノズル２８への燃料供給を機械的に遮断する。同様に、ソレノイド１１２が設けられ、パイロット選択指令９０に応じてシャットオフバルブ１０４を動作させて燃料ノズル２８への燃料供給を遮断する。
【００４３】
次いで、実施の形態に係るガスタービン・エンジンの制御装置の動作、より具体的にはＥＣＵ８０の動作を具体的に説明する。
【００４４】
図３は、そのＥＣＵ８０の動作を具体的に示すブロック図である。
【００４５】
図示の如く、ＥＣＵ８０は最大Ｎ１演算部（図に「Max N1 on Condition 」と示す) ８００を備え、最大Ｎ１演算部８００は、マッハ数Ｍｎ、圧力高度ＡＬＴ、真大気温度ＳＡＴ、Anti-Iceなどのエンジンからの抽気状態Ａ／Ｉに基づいて低圧タービン回転数Ｎ１の最大値Ｎ１＊ｍａｘｃｏｍを演算する。
【００４６】
また、ＥＣＵ８０はアイドル回転数演算部（図に「Idle (Ground/Flight)」と示す）８０２を備え、アイドル回転数演算部８０２は、マッハ数Ｍｎ、圧力高度ＡＬＴ、真大気温度ＳＡＴ，Ａ／Ｉ，ＷＯＷ（Weight-on-Wheel 。車輪負荷信号）に基づいて低圧タービン回転数Ｎ１の最小値Ｎ１＊ｍｉｎｃｏｍと、アイドル時の高圧タービン回転数Ｎ２＊ｉｄｌｅを演算する。
【００４７】
演算された低圧タービン回転数Ｎ１の最大値Ｎ１＊ｍａｘｃｏｍ、低圧タービン回転数Ｎ１の最小値Ｎ１＊ｍｉｎｃｏｍおよびアイドル時の高圧タービン回転数Ｎ２＊ｉｄｌｅは、推力演算部（図に「TLA Power Setting 」と示す) ８０４に送られる。推力演算部８０４は、それら入力値と、別途入力される検出スラストレバー位置ＴＬＡおよび流入空気温度Ｔ１に基づいて前記した低圧タービン目標回転数Ｎ１ｃｏｍと高圧タービン目標回転数Ｎ２ｃｏｍを演算する。
【００４８】
演算された低圧タービン目標回転数Ｎ１ｃｏｍと高圧タービン目標回転数Ｎ２ｃｏｍは、回転数フィードバック制御部（図に「Speed Feedback Control (N1/N2)」と示す。前記した定常モード制御系に相当) ８０６に送られる。
【００４９】
回転数フィードバック制御部８０６は、それら入力値と、別途入力される検出低圧タービン回転数Ｎ１と高圧タービン回転数Ｎ２に基づき、検出されたタービン回転数Ｎ１と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ１ｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給する操作量（燃料流量の指令値）Ｗｆドットｎ１を演算すると共に、検出されたタービン回転数Ｎ２と操縦者要求推力を実現する目標回転数Ｎ２ｃｏｍの偏差が減少するように、操作量Ｗｆドットｎ２を演算する。このように、操作量Ｗｆは後述する如く、その微分値（ドットと表記）として演算する。
【００５０】
また、ＥＣＵ８０は加速制御部（図に「Acceleration Control」と示す。前記した加減速モード制御系に相当) ８０８を備え、加速制御部８０８は、高圧タービン回転数Ｎ２、流入空気温度Ｔ１、流入空気圧力Ｐ１，Ａ／Ｉに基づいて検出された高圧タービン回転数Ｎ２の加速率Ｎ２ドットと目標とする目標加速率Ｎ２ドットｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットａｃｃを演算する。
【００５１】
また、ＥＣＵ８０はＰ３圧力制御部（図に「P3 Limit Control」と示す。前記した非定常モード制御系に相当) ８１０を備え、Ｐ３圧力制御部８１０は、高圧圧縮機２４の出口圧力Ｐ３とＰＲ（Power-Reserve 信号）に基づいて出口圧力Ｐ３のリミット値に相当するエンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットｐ３を演算する。
【００５２】
また、ＥＣＵ８０はＩＴＴ温度制御部（図に「ITT Limit Control 」と示す。前記した非定常モード制御系に相当) ８１２を備え、ＩＴＴ温度制御部８１２は、タービン温度ＩＴＴ、スラストレバー位置ＴＬＡおよびＰＲに基づいてタービン温度ＩＴＴのリミット値に相当するエンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットｉｔｔを演算する。
【００５３】
また、ＥＣＵ８０は減速制御部（図に「Deceleration Control(Dec-limit) 」と示す。前記した加減速モード制御系に相当) ８１４を備え、減速制御部８１４は、高圧タービン回転数Ｎ２、流入空気温度Ｔ１、流入空気圧力Ｐ１、Ａ／Ｉに基づいて検出されたタービン回転数Ｎ２の減速率Ｎ２ドットと目標とする目標減速率Ｎ２ドットｃｏｍの偏差が減少するように、エンジン１０に供給する燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆドットｄｅｃを演算する。
【００５４】
これら演算された燃料流量の指令値（操作量）Ｗｆは全て選択回路（図に「Select Logic」と示す。前記した指令値選択手段に相当) ８２０に送られ、選択回路８２０は、その中から決められたロジックに従い一つの値を選択して出力Ｗｆｃｏｍとする。
【００５５】
ＥＣＵ８０はトルクモータドライバ８２６を備え、トルクモータドライバ８２６は、入力した最大値Ｗｆｃｏｍと検出された燃料調量バルブ３２のバルブ位置ＦＭＶＰとからバルブ指令値ＦＭＶＣＭＤ（より詳しくはトルクモータ通電電流指令値）を演算して出力する。
【００５６】
図４は、図３の中で上記した選択回路８２０の内部の演算の動作を示す、図３の部分ブロック図である。
【００５７】
図示の如く、選択回路８２０に送られる上記した燃料流量の指令値のうち、減速制御部８１４からの燃料流量の指令値Ｗｆドットｄｅｃを除く全ての指令値が選択回路８２１（図に「Select/Low」と示す）に送られ、最小値が選択される。
【００５８】
次いでその最小値と減速制御部８１４からの燃料流量の指令値Ｗｆドットｄｅｃが選択回路８２２（図に「Select/High 」と示す）に送られ、最大値が選択される。次いで、その最大値に前回値ＬａｓｔＷｆが加算される。
【００５９】
ここで、同図の説明を続ける前に、図１２を再び参照してこの実施の形態に係る装置の動作を説明する。
【００６０】
図１２（ａ）に示す従来技術においては目標値Ｎ１ｃｏｍと検出値Ｎ１の偏差が減少するように比例要素ＫP と積分要素１／Ｓを用いて操作量Ｗｆが演算される結果、制御モードを切り替えるとき、積分器（１／Ｓ）をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【００６１】
そこで、この実施の形態においては、図１２（ｂ）に示す如く、積分要素１／Ｓを破線で示す選択回路８２４による選択点（図に「Select」と示す) の下流に移して操作量（前記燃料流量）を演算するようにした。尚、積分要素を選択点の下流に移したため、その上流においては操作量（燃料流量の指令値）は微分値Ｗｆドットを使用することになる。
【００６２】
即ち、制御モードを切り替えた後に積分を行い、制御モードでの積分要素を除去するようにした。これによって、積分器のリセットを不要とし、アルゴリズムをシンプルにすることができて、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【００６３】
尚、図１２（ｂ）に示す構成においても、予め設定されたエンジンモデルに基づいて操作量を算出、より具体的には、プラントの伝達関数が与えられたとき、閉ループ伝達関数がモデルに部分的に一致するように操作量を演算する（部分）モデルマッチング手法を利用して操作量を算出する。
【００６４】
図４の説明に戻ると、前回値Ｌａｓｔｗｆの加算は、この積分動作に相当する。次いで、加算値に高圧圧縮機２４の出口圧Ｐ３を乗じる。これは、図３において実際は燃料流量指令値を出口圧Ｐ３で除算した値を燃料流量の指令値としていることから、その修正のためである。
【００６５】
さらに、修正された値は別の選択回路８２３，８２４で所定の値と比較されて選択され、選択された値が前記したようにトルクモータドライバ８２６に送られるが、この発明の要旨は選択回路８２０内で選択、換言すれば制御モード（制御系）が切り換えられた後の操作量の演算にあるので、詳細な説明は省略する。
【００６６】
同様のことは、図３に関して説明した加速制御部８０８の動作についても妥当する。
【００６７】
図５を参照して説明すると、（ａ）は従来技術における加速制御を示し、そこでは目標値Ｎ２ドットｃｏｍと検出値Ｎ２ドットの偏差が減少するように、比例要素ＫP 、微分要素ＫD および２個の積分要素１／Ｓを用いて操作量Ｗｆａｃｃが演算される。従って、この制御モードに切り替えるときも、２個の積分器（１／Ｓ）をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【００６８】
そこで、この実施の形態においては、図５（ｂ）に示す如く、図１２（ｂ）と同様に積分要素１／Ｓを破線で示す選択点の下流に移し、操作量を演算するようにした。
【００６９】
即ち、制御モードを切り替えた後に積分を行い、制御モードでの積分要素を除去するようにした。これによって、積分器のリセットを不要とし、アルゴリズムをシンプルにすることができて、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【００７０】
尚、積分要素を選択点の下流に移したため、その上流においては操作量（燃料流量の指令値）の微分値Ｗｆドットａｃｃを使用することとなる点も図１２（ｂ）と異ならない。
【００７１】
さらに、図５（ａ）に示す従来技術に係る加速制御から残りの１個の積分要素を除去し、それに代えて修正値Ｎ２ｃ（高圧タービン回転数Ｎ２に基づく修正値）のスケジュールを追加するようにした。
【００７２】
図６は、その加速制御部８０８の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【００７３】
即ち、目標値と検出値の偏差と比例ゲインＫP の積に、偏差の微分値に微分ゲインＫD を乗じた値と、Ｎ２ｃのスケジュール値としてＷｆドットが加算されるようにした。Ｗｆドットは、図示の如く、高圧タービン回転数Ｎ２（より詳しくはＮ２を大気温度比θ（＝流入空気温度Ｔ１／所定温度ＴＳＴＤ（共に絶対温度）で算出）の平方根値で補正した値）に従って算出される。ここで、スケジュール値をＮ２平方根θ＝２８０００を超えた付近から算出するのは、この付近から積分要素を除去したことによる定常誤差の影響が大きくなるためである。
【００７４】
このように、加速制御においては、制御精度を向上させるために、加速モード制御系に積分要素を本来は必要とするが、積分要素を除去すると共に、この実施の形態においては、それに代えてスケジュール値を加算するように構成したので、図１２（ｂ）に関して述べたのと同様の効果を得ることができると共に、制御精度を向上させることができる。また、エンジン１０のヒートマスによる影響を受けることもない。
【００７５】
図７は発明者達が行ったテスト結果を示すデータ図である。
【００７６】
図において、符号ａは、図５（ｂ）および図６に示す構成の比例ゲインＫP 、微分ゲインＫD を用いるときの、即ち、スケジュール値を加算しない場合の結果を示す。
【００７７】
符号ｂは、比例ゲインＫP 、微分ゲインＫD を符合ａの場合に比して増加させたときの結果を示す。また、符号ｃは、符合ａの場合と同一の比例ゲインＫP 、微分ゲインＫD を用いると共に、図５（および図６）に示すスケジュール値を加算したときの結果を示す。
【００７８】
図７から、図５（ｂ）および図６に示すスケジュール値の加算が効果的であることが理解できよう。
【００７９】
図８および図９は、前記した回転数フィードバック制御部８０６の動作を詳細に示す、図３の部分ブロック図である。図示の如く、積分要素が除去されると共に、偏差に積分ゲインＫI を乗じることなどによって低圧タービン目標回転数Ｎ１ｃｏｍと高圧タービン目標回転数Ｎ２ｃｏｍに応じた燃料流量の指令値Ｗｆドットｎ１、Ｗｆドットｎ２が演算される。
【００８０】
また、図１０および図１１は、前記したＰ３圧力制御部８１０およびＩＴＴ温度制御部８１２の動作を詳細に示す、図３の部分ブロック図である。図示の如く、積分要素が除去されると共に、偏差に積分ゲインＫI を乗じることなどによって出口圧力Ｐ３のリミット値に相当する燃料流量の指令値およびタービン温度ＩＴＴのリミット値に相当する燃料流量の指令値Ｗｆドットｐ３、Ｗｆドットｉｔｔが演算される。
【００８１】
この実施の形態においては上記の如く、全ての制御系において積分要素を除去するようにしたので、制御モードが切り替えられたとき、積分器のリセットが不要となってアルゴリズムをシンプルにすることができると共に、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【００８２】
また、加速モード制御系においては、第２の積分要素に代えてスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。
【００８３】
上記の如く、この実施の形態にあっては、少なくとも１個のタービン（より具体的には低圧タービン（４２）および高圧タービン（４０））を有する航空機用ガスタービン・エンジン（ターボファン・エンジン１０）において、少なくともタービン回転数（低圧タービン回転数Ｎ１、高圧タービン回転数Ｎ２）を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段（Ｎ１センサ６２，Ｎ２センサ６４，ＥＣＵ８０）、前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力（スラストレバー位置ＴＬＡ）を検出する操縦者要求推力検出手段（ＴＬＡセンサ８４，ＥＣＵ８０）、少なくとも前記検出されたタービン回転数（Ｎ１）と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数（Ｎ１ｃｏｍ）の偏差が減少するように、少なくとも積分要素（１／Ｓ）を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系（回転数フィードバック制御部８０６）、前記検出されたタービン回転数（Ｎ２）の加減速率（Ｎ２ドット）と目標加減速率（Ｎ２ドットｃｏｍ）の偏差が減少するように、少なくとも積分要素（１／Ｓ）を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系（加速制御部８０８，Ｐ３圧力制御部８１０，ＩＴＴ温度制御部８１２、減速制御部８１４）、前記定常モード制御系によって演算された指令値（Ｗｆ）と前記加減速モード制御系によって演算された指令値（Ｗｆ）のいずれかを選択する指令値選択手段（選択回路８２０）、前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量（その指令値Ｗｆ）を演算する燃料流量演算手段（ＥＣＵ８０）、および前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段（ＦＣＵ３０、燃料調量バルブ３２、トルクモータ９８など）を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、図６に示す如く、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成した。
【００８５】
尚、上記した実施の形態において、航空機用ガスタービン・エンジンとしてはターボファン・エンジンを例にとったが、ターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンおよびターボシャフト・エンジンなどであっても良い。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１項にあっては、定常モード制御系などで用いられる積分要素を除去すると共に、燃料流量演算手段に積分要素を配置し、その積分要素を用いて燃料流量を演算するように構成したので、換言すれば、制御モードを切り替えた後に積分を行うようにしたので、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化することができ、前記した不都合を解消することができる。
【００８７】
さらに加減速モード制御系において、検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。また、ガスタービン・エンジンのヒートマスによる影響を受けることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係る航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１装置の中のＥＣＵおよびＦＣＵの構成を示す説明ブロック図である。
【図３】図２のＥＣＵの動作を具体的に示すブロック図である。
【図４】図３の中の選択回路８２０の内部の演算の動作を示す、図３の部分ブロック図である。
【図５】図３の中の加速制御部の動作を示すブロック図である。
【図６】図３の中の加速制御部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図７】図３の中の加速制御部のスケジュール値について発明者達が行ったテスト結果を示すデータ図である。
【図８】図３の中の推力演算部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図９】同様に図３の中の推力演算部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図１０】図３の中のＰ３圧力制御部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図１１】図３の中のＩＴＴ温度制御部の詳細を示す、図３の部分ブロック図である。
【図１２】図３の中の回転数フィードバック制御部（定常制御モード系）の動作を従来技術と対比して示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 航空機用ガスタービン・エンジン（ターボファン・エンジン）
１２ ファン
１２ａ ロータ
１４ ステータ
１６ 低圧圧縮機
２４ 高圧圧縮機
２４ａ ロータ
２４ｂ ステータ
２６ 燃焼器
２８ 燃料ノズル
３０ ＦＣＵ（Fuel Control Unit )
３２ 燃料調量バルブ
４０ 高圧タービン
４０ａ 高圧タービン軸
４２ 低圧タービン
４２ａ 低圧タービン軸
６２ Ｎ１センサ（低圧タービン回転数検出手段）
６４ Ｎ２センサ（高圧タービン回転数検出手段）
６８ Ｔ１センサ
７０ Ｐ１センサ
７２ Ｐ０センサ
７４ Ｐ３センサ
７６ ＩＴＴセンサ
８０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit 。電子制御ユニット）
８２ スラストレバー（スロットルレバー）
９２ 機体搭載コンピュータ（ＡＤＣ）
９８ トルクモータ
８０６ 回転数フィードバック制御部（定常制御モード系）
８０８ 加速制御部（加減速モード制御系）
８１０ Ｐ３圧力制御部（非定常モード制御系）
８１２ ＩＴＴ温度制御部（非定常モード制御系）
８１４ 減速制御部（加減速モード制御系）
８２０ 選択回路（指令値選択手段）
Claims (1)
- 少なくとも１個のタービンを有する航空機用ガスタービン・エンジンにおいて、
ａ．少なくともタービン回転数を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段、
ｂ．前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力を検出する操縦者要求推力検出手段、
ｃ．少なくとも前記検出されたタービン回転数と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系、
ｄ．前記検出されたタービン回転数の加減速率と目標加減速率の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系、
ｅ．前記定常モード制御系によって演算された指令値と前記加減速モード制御系によって演算された指令値のいずれかを選択する指令値選択手段、
ｆ．前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量を演算する燃料流量演算手段、
および
ｇ．前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段、
を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したことを特徴とする航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置。
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