Motor Kontrolcüsü Tasarımı

TUSAŞ Motor Sanayii AŞ’nin (TEI) dergisi ”TEI Post”un 137. sayısında, TEI’de Elektrik, Elektronik, Kontrol ve Gömülü Sistemler Müdürlüğünde mühendis olarak görev yapan Tuğba Leblebici’nin kaleme aldığı bir makaleye yer veriliyor.

“TEI Post” dergisinin 137. sayısına ve geçmiş sayılarına mobil uygulamamızın dergi bölümünden ulaşabilirsiniz.

Dergide yer alan “Motor Kontrolcüsü Tasarımı” başlıklı yazıyı takipçilerimize sunuyoruz: 

MOTOR KONTROLCÜSÜ TASARIMI

TEI’de yürütülen özgün tasarıma sahip yerli motor projelerinde, motoru yöneten Motor Kontrol Sistemi (FADEC: Full Authority Digital Engine Control) bilgisayarı da özgün olarak tasarlanmaktadır. 2004 yılında tasarım faaliyetlerine başlanan turbojet ve turboprop gaz türbin motorlar ve son yıllarda bunlara eklenen pistonlu motorlar için kontrol bilgisayarı tasarımları da paralelde sürdürülmektedir. ANKA platformu ile testleri gerçekleştirilmekte olan TEI-PD170 Turbodizel Havacılık Motoru’nun kontrolcüsü, GÖKBEY Genel Maksat Helikopteri’ne takılmak üzere hazırlanmakta olan TEI-TS1400 motorunun kontrolcüsü ve bunlar gibi gaz türbinli ve pistonlu motorların sertifye edilebilir kontrolcü tasarımları yapılmaktadır.

FADEC

FADEC; motoru çalışmasını başlatmadan kapatmaya kadar, performansıyla birlikte emniyeti de gözeterek dijital olarak yöneten sistemdir. Modern motorlarda kullanılan FADEC sisteminde; yüksek hız, çözünürlük ve doğrulukta ölçüm sağlayan algılayıcılarla ölçülen motor parametreleri sürekli olarak takip edilerek motor performansı otomatik olarak ayarlanır. Böylece pilotun iş yükü azaltılarak daha emniyetli, verimli ve rahat uçuş sağlanmaktadır. Hata durumlarında pilot göstergelerinde sesli veya görsel uyarılar oluşturularak, gerektiğinde ise otomatik önlemler ve hata önleyici aksiyonlar alınarak emniyetli uçuşa destek verilir.

Elektronik kontrol sayesinde, pilotun tepki hızının yavaşlığı, dikkatsizliği gibi insan faktöründen kaynaklanabilecek hatalar en aza indirilir. Sonradan analiz edilebilir yapıda kaydedilen veri ve olay kayıtları anlamlandırma ve geliştirme faaliyetlerine imkân sunar.

ELEKTRONİK KONTROL ÜNİTESİ

FADEC sisteminde, kontrolü sağlayan birim elektronik kontrol ünitesidir (EKÜ). Temel olarak algılayıcılardan okunan bilgileri işleyerek, hesaplamalar sonucunda eyleyicilere komut gönderme ve uyarı sinyalleri oluşturma mantığı ile çalışır. Motor kontrol sistemi içinde genellikle yedekli bulunur ve hata durumlarında yedekler arasında geçiş yapılması imkânı vardır. Bilgilerin yedekli kanallardan alınma ve diğer alt sistemlere iletilme şekli, aviyonik mimariye göre değişiklik gösterebilir.

Aktif kanal yönetimi elektronik kontrol ünitesinin bir fonksiyonudur, algoritmadaki değerlendirmeye göre kullanılacak bilginin seçimi yapılır.

MOTOR KONTROLÜ

Platforma motor tarafından istenen performansta ve emniyetli şekilde güç aktarılması için motorun gerekli ve uygun koşullarda çalıştırılmasını sağlayan ve motora işlevsellik kazandıran organ Elektronik Kontrol Ünitesidir. EKÜ, platforma güç veren motor sisteminin beyni olarak düşünülebilir. Bir motorun otomatik olarak güvenli bir şekilde başlatılması, talep edilen koşullarda çalışmasının (yavaşlama/hızlanma) sağlanması, hatalı durumların tespit edilmesi ve gerekli uyarıların oluşturulması, hatalı durumlarda önlem alma veya gerektiğinde motorun durdurulması, iki motorlu sistemlerde iki motorun birlikte çalışması için koordinasyonun sağlanması, otorotasyon veya yer etkisi gibi unsurların kontrol altında tutulması gibi işlevler kontrol algoritması içerisinde yer almaktadır. Algılayıcılardan okunan bilgilerin güvenilir olup olmadığının tespitinden sonra anlamlandırılarak ve platformdan gelen girdiler kullanılarak bu işlevleri yerine getirmek amacıyla eyleyicilere komutlar gönderilmektedir. Bu ara yüzlerin uygun şekilde yönetilmesi de yine kontrolcünün görevidir. Toplanacak ve kaydedilecek veri özelliklerinin belirlenerek ilgili bölümlere tanımlanması kontrol sistemi geliştiricileri tarafından sağlanmaktadır.

Platformun güç ihtiyaçlarını karşılayacak olan motorun kavramsal tasarımı yapılırken, platformun manevra isterlerine göre motordan beklenen dinamik davranışın oluşturulabilmesi için tasarım girdileri verilerek motor sistem mimarisinin oluşturulmasına katkı sağlanmaktadır. Motor mimarisi netleştikçe paralelde kontrol fonksiyonlarını geliştirmek ve doğrulamak için kullanılacak test sistemleri ihtiyaçları da tanımlanmaya başlanmaktadır (V-modele göre doğrulama ve gerçekleme faaliyetleri planlanır).

Motor kontrol sistemi işlevleri, platforma göre tanımlanan motor gereksinimlerine göre şekillenmektedir. Motorun çalışmasında rolü olan en başta yakıt sistemi olmak üzere, yağlama, başlatma, ateşleme, hava veya yakıt tahliye sistemleri gibi alt sistemlerin bu gereksinimlere göre işlevlendirilmesi gerekmektedir. Alt sistemler valfler, pompalar, motorlar gibi eyleyiciler aracılığı ile yönlendirilmektedir. Bu eyleyicilerin yüksek hızda (tepki süresi), doğrulukta ve çözünürlükte çalışması kontrol sistemi ve motor performansı açısından kritiktir. Eyleyicilerin seçimi için gerekli olan bu isterler kontrol sisteminin ihtiyacı tanımlaması ile ortaya çıkmaktadır. Aynı durum algılayıcılar için de geçerlidir. Motor sıcaklık, basınç, hız, tork gibi bilgilerinin yüksek hızda (tepki süresi), doğrulukta ve çözünürlükte ölçülmesi, kontrol döngüsünün hızlı işletilmesi ve aynı zamanda yüksek doğal frekansa sahip olan motora ait dinamiklerin yakalanmasında önem taşımaktadır. Bu parametrelerin dışında, elektronik kontrol ünitesi komutlarının eyleyiciler ile sağlandığının doğrulanması için (eyleyici çıkışının ölçümü) ya da yakıt sistem kontrolü gibi iç döngülerin kontrolü için çeşitli ölçümler de yapılmaktadır. Bu ölçüm parametrelerinin sağlık kontrolleri ve verilerin fltrelenmesi de kontrol sistemi tarafından yapılmaktadır. Sağlık durumuna göre ilgili verinin kullanılmayıp, varsa yedek algılayıcı verisinin kullanılmasına veya başka bir yedek çözümün devreye alınması kararı kontrol algoritması tarafından verilir.

Platformda pilot tarafından kokpit panelinden veya kumanda kollarından girilen komutlar, kontrol sistemine iletilmekte ve pilot taleplerine göre kontrol algoritmasında gerekli değerlendirmeler, hesaplar yapılarak aksiyonlar alınmaktadır. Bazı tasarımlarda platforma etki eden dış faktörlere ait ölçümler motora alınarak bu etkilerin algoritmada hesaba katılması sağlanmaktadır.

Kontrol sistemi motor performansını sağlarken bir yandan da tasarım sınırlarını kontrol etmektedir. Limit aşım durumlarında veya emniyetin sağlanması için uyarı oluşturma, motor limitlerini ve limit toleranslarını yönetme, gerektiğinde ise motoru kapatma yetkisine sahiptir.

Tasarlanan kontrol algoritması, havacılık yazılım geliştirme standartlarına uyumlu olarak geliştirilen gömülü yazılıma entegre edilir. Geliştirilen gömülü yazılım sistemi, yine havacılık standartlarına tabii olarak tasarlanan donanım üzerinde koşturulur. Bu sebeple tasarım sırasında havacılık ürün geliştirme standartlarının gereklilikleri dikkate alınır.

Çeşitli ortamlarda test edilerek geliştirilmekte ve doğrulanmaktadır. Yalnızca motor üzerinde gözlenebilecek dolayısıyla motor çalıştırılarak yapılması zorunlu olan testler, motorun zorunlu olmadığı belli fonksiyonların test edilebileceği rig (yakıt rigi, yanma rigi gibi) testleri, motorun yazılımsal modeli kullanılarak yazılım ve donanım testlerinin yapılabileceği HIL (Hardware In the Loop) testleri, platformun zorunlu olduğu testler, platform benzetim ortamlarının (irtifa test düzeneği, dinamometre sistemi) kurulduğu ortamlarda yapılan testler ile tasarım ve gereksinim doğrulama faaliyetleri gerçekleştirilir

Kontrol Tasarım Mühendisi

Genel olarak bir kontrol tasarım mühendisinin sorumluluk alanları; gereksinim yönetimi, motor modelleme, simülasyon, kontrolcü algoritması tasarımı, tasarlanan algoritmanın gömülü koda dönüştürülmesi, laboratuvar testleri, rig testleri, motor testleri, platform üzeri yer testleri, uçuş testleri ile nihai algoritmanın geliştirilmesini ve doğrulanarak sertifkasyona uygun bir şekilde yaşatılabilen kontrol sistemi geliştirme çalışmalarını kapsamaktadır.

Motor ihtiyaçlarının belirlendiği üst seviye gereksinimlerden, kontrol sistemini doğrudan veya dolaylı olarak etkileyen gereksinimler, kontrol tasarım mühendisleri tarafından değerlendirilerek, kontrol tasarımına şekil vermektedir. Bu gereksinimler alt seviyeye kırılarak kontrol algoritmasının hedeflerini tarif eden, daha detaylı olan gereksinimlere dönüştürülmektedir. Bu gereksinimlerin doğrulanma yöntemi bu aşamada planlanmakta, test gerekliyse uygun test ortamlarının oluşturulabilmesi için talepler ilgili disiplinlere iletilmektedir. Gereksinimlerin sağlanması konusunda risk bulunuyorsa bu riskler bu aşamada ortaya konmaktadır.

Motor tasarımı devam ederken, kontrolcü tasarım faaliyetlerinin de paralelde yürütülebilmesi için bilgisayar ortamında oluşturulan motor modelinden yararlanılmaktadır. Kontrol tasarımının doğruluğu, bu modelin gerçeğe yakınlığı ile doğru orantılıdır. Motor, aksesuar alt sistemleri, algılayıcılar ve eyleyicileri içeren sistem modeli ne kadar detaylı ve gerçeğe yakınsa, motor üzerinde yapılacak doğrulama o kadar kolay olacaktır. Ancak modelleme faaliyeti de, test verileri ile olgunlaştığından bu seviyede gelişmiş modeller tasarımın belli aşamalarına kadar oluşturulamamaktadır.

Kontrolcü tasarımı geliştirme aşamasında iken ilk HIL veya motor testleri hızlı prototip hazır donanımlarla yapılabilir. Bilgisayar ortamında (Matlab/Simulink) oluşturulan algoritmadan üretilen kod ve kodun çalışacağı donanım hava aracına takılacak olgunluğa geldiğinde, emniyet seviyesine (Design Assurance Level) göre DO-178, DO-254 gibi tasarım standartlarına uyumlu olarak tasarlanmış olması beklenmektedir. Bu amaçla, kontrolcü tasarım aşamasında bazı sertifkasyon kuralları gözetilerek tasarım yapılmakta, paralelde sertifkasyon kontrolleri gerçekleştirilmektedir. Kontroller sonrasında sertifkasyona uyum sağlanamıyorsa tasarımda güncelleme yapılmaktadır.

Kontrol sistemi, motorun her parçasına etki ettiği ve her parçasından etkilendiği için sistemin tamamı tarafından beslenmekte ve bütün sistemleri beslemektedir. Bu sebeple bir kontrol mühendisinin Aviyonik sistem, Motor tasarım, Performans, Test ve doğrulama, Yazılım, Sistem mühendisliği, Donanım, Yanma odası, Emniyet bölümleri gibi birçok farklı disiplinle etkileşimli çalışması gerekmektedir.