JP7470110B2 - 電気モータを備えるターボ機械を制御するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機用ターボ機械に関し、詳細には、航空機パイロットの制御レバーの位置の関数として所望の推力を提供するための、ターボ機械の制御に関する。

図１を参照すると、ツインスプールのターボファンエンジン式の航空機用ターボ機械１００が概略的に示してある。既知の態様では、ターボ機械１００は、ガス流の方向における上流から下流に向かって、ファン１１０と、低圧コンプレッサ１１１と、高圧コンプレッサ１１２と、燃料流設定値Ｑ_CMDを受信する燃焼チャンバ１１３と、高圧タービン１１４と、低圧タービン１１５と、排気一次ノズル１１６とを備える。低圧（ＬＰ）コンプレッサ１１１と低圧タービン１１５は、低圧シャフト１２１によって接続され、ともに低圧スプールを形成する。高圧（ＨＰ）コンプレッサ１１２と高圧タービン１１４は、高圧シャフト１２２によって接続され、燃焼チャンバも合わせてともに高圧スプールを形成する。ＬＰシャフト１２１によって駆動されるファン１１０は、吸入空気を圧縮する。この空気は、ファン１１０の下流で二次空気流と、いわゆる一次空気流に分割され、二次空気流は、二次ノズル（図示せず）に向かって直接導かれ、この二次ノズルを介して排出されて、ターボ機械１００によって提供される推力に加えられ、一次空気流は、低圧スプールと高圧スプールからなるガス発生器に入り、次いで一次ノズル１１６内に排出される。既知の態様では、ターボ機械１００の速度を変更するために、航空機パイロットは制御レバーの位置を変え、それにより燃焼チャンバ１１３における燃料流設定値Ｑ_CMDを変更することが可能になる。

ターボ機械１００の設計は、いわゆるポンピング現象に対する充分なマージンを考慮する必要がある。この現象は、コンプレッサのうちの１つのコンプレッサの翼に対して過剰に空気流が入ることによって引き起こされ、関連するコンプレッサの下流で圧力の大きく急激な変動につながり、また燃焼チャンバ１１３のシャットダウンにつながる恐れがある。この現象はさらに、コンプレッサの翼に対する激しい振動を引き起こし、したがって機械的な損傷につながる恐れがある。したがって、この現象の発生は特に防止されるべきである。使用中のコンプレッサの動作が、図によって全体的に示されており、この図は、出口と入口との間で得られる圧力比を、コンプレッサを通過する空気流量の関数として表しており、さらにこの図は、コンプレッサの回転速度の関数としてパラメータ化されている。この図には、ポンピング現象が発生する危険性をなくすために、超過すべきでない最大圧縮比の制限であるポンピングラインが存在する。既知の態様では、いわゆる動作ラインが規定され、この動作ラインは、ターボ機械１００が安定した動作状態にあるときに流量の関数として得られる圧縮比に関する。この動作ラインの配置は、ターボ機械１００の設計者の判断に委ねられており、ポンピングラインからのこの動作ラインの距離が、ポンピングマージンを表す。コンプレッサ効率（コンプレッサを回転駆動するために提供される仕事量に対する、空気に与えられる圧縮仕事量）は、第１近似に対し、ポンピングラインに近ければ近いほど良好であることに留意すべきである。その一方で、推力の増大を得るためにパイロットによって求められる、安定した動作からの加速（過渡フェーズ）は、コンプレッサにおいて、ポンピングラインに向かって動作値の逸脱を生じさせることになる。

実際、燃焼チャンバ１１３に追加燃料を噴射すると、慣性力のために回転速度が上がる時間がなくても、圧縮比はほぼ瞬時に上昇する。次いで、追加燃料の燃焼により流体にもたらされるエンタルピーの変動は、各タービンによって提供される仕事量の増大を生じさせ、その結果、対応するスプールの回転速度を上げることになる。コンプレッサの図では、これは結果として、速度が再び安定したときに前の動作値の流量より高い流量に対応した動作値で、動作値を動作ラインに戻すことになる。

したがって、ターボ機械１００の設計者は、動作ラインを可能な限り高く配置することによってその配置を最適化して、そのコンプレッサのよりよい効率の恩恵を受けるようにしながら、その一方で、安全な加速を可能にするためにポンピングラインから充分な距離を保つよう試みるべきである。

いかなるポンピング現象も防止するために、ターボ機械１００は、電子ユニットによって実行される調整システムを備える。図２を参照すると、調整システムは、安定化管理モジュール３１と、過渡意図検出モジュール３２と、速度軌道生成モジュール３３と、選択モジュール３４と、積分モジュール３５と、停止管理モジュール３６とを備える。

安定化管理モジュール３１は、ターボ機械１００の速度ＮＨと設定値速度ＮＨ_CONSとの差の関数として、修正量を選択モジュール３４に提供する。設定値速度ＮＨ_CONSは、航空機パイロットによって操縦可能な制御レバーの位置に比例する。このような安定化管理モジュール３１は、当業者に知られており、さらに詳細な説明はしない。

過渡意図検出モジュール３２の目的は、パイロットが望む過渡意図を検出することである。過渡意図検出モジュール３２は、ターボ機械１００の速度ＮＨと設定値速度ＮＨ_CONSとの差を判定する。制御レバーが定位置に保たれ、安定化管理モジュール３１が実行されているとき、ターボ機械１００の実際の速度ＮＨは定常状態であり、設定値速度ＮＨ_CONSに等しい。パイロットが制御レバーを動かすと、設定値速度ＮＨ_CONSが瞬時に変動する。反対に、ターボ機械１００の慣性および安定化管理モジュール３１があるため、速度ＮＨは瞬時に変動しない。したがって、過渡意図検出モジュール３２は、設定値速度ＮＨ_CONSと実際の速度ＮＨとの差が所定の閾値Ｓ２より大きいときに、過渡意図を検出する。

加速要求の場合には、速度の逸脱が所定の閾値Ｓ２より大きいとき（ＮＨ_CONS－ＮＨ＞Ｓ２）、加速要求が検出される。同様に、減速の場合には、速度の逸脱が所定の閾値Ｓ２より大きいとき（ＮＨ－ＮＨ_CONS＞Ｓ２）、減速要求が検出される。過渡フェーズが検出されると、過渡意図検出モジュール３２は有効化信号を生成し、この有効化信号が、図２に示す速度軌道生成モジュール３３および選択モジュール３４に送信される。

加速要求の場合、速度軌道生成モジュール３３は、加速（加速軌道）用の速度設定値ＮＨ_TRANJACCを決定する。同様に、減速要求の場合、速度軌道生成モジュール３３は、減速（減速軌道）用の速度設定値ＮＨ_TRANJDECELを決定する。生成される軌道の関数として、速度軌道生成モジュール３３は、修正量を選択モジュール３４に提供する。

このような速度軌道生成モジュール３３は、当業者に知られており、特に米国特許出願公開第２０１３／０００８１７１号および仏国特許出願第２９７７６３８（Ａ１）号から知られており、さらに詳細な説明はしない。

この例において、選択モジュール３４が過渡意図検出モジュール３２から有効化信号を受信するとき、有効化信号が受信されなければ、選択モジュール３４は安定化管理モジュール３１から修正量を選択し、有効化信号が受信された場合には、速度軌道生成モジュール３３から修正量を選択する。このような選択モジュール３４は、当業者に知られており、さらに詳細な説明はしない。選択された修正量は、積分モジュール３５に提供される。積分モジュール３５は、選択された修正量を積分することにより、燃料流設定値Ｑ_CMDを決定する。

停止管理モジュール３６は、積分モジュール３５によって決定された燃料流設定値Ｑ_CMDの値を制限する。既知の態様では、停止管理モジュール３６は、ポンピングからターボ機械を保護するために、当業者に知られているいわゆるＣ／Ｐ停止を実行する。この例では、停止管理モジュール３６は、加速および減速における停止設定値を規定できるようにする。このような停止は、当業者に知られており、さらに詳細な説明はしない。

速度軌道生成モジュール３３および停止管理モジュール３６は、加速軌道を規定できるようにし、これが結果として、ポンピングを防止するために燃料流設定値Ｑ_CMDを制限することになる。このような調整システムは、仏国特許出願第２９７７６３８（Ａ１）号から知られており、さらに詳細な説明はしない。なお、調整中に加速設定値を考慮することにより、過渡中にポンピングからエンジンを保護することが知られている（たとえば、米国特許第４５４３７８２号および米国特許出願公開第２００３／００９４０００号を参照）。

図３を参照すると、パイロットの制御レバーによって決定された設定値速度ＮＨ_CONS、所定の加速軌道ＮＨ_TRANJACC、および現在速度ＮＨが、上側部分に示してある。下側部分には、最大停止燃料流Ｑ_MAX（＋＋＋線で示す）、最小停止燃料流Ｑ_MIN（－－－線で示す）、燃料流設定値Ｑ_CMD（実線で示す）が示してある。

パイロットが速度ＮＨ_CONSの加速を指令したとき、現在の燃料設定値Ｑ_CMDは、燃料停止モジュール３６によって決定された最大停止燃料流Ｑ_MAXによって制限されていることから、現在速度ＮＨは遅延を伴ってゆっくり上がる。実際、Ｑ_MAXによるＱ_CMDの飽和は体系的ではなく、所定の加速軌道ＮＨ_TRANJACCによって課される加速の強度、およびポンピングに対して利用可能なマージンに応じて異なる。このマージンが、速度軌道に追従するのに必要な加速度と両立不可能な場合には、Ｑ_MAXによってＱ_CMDが制限されることにつながり、現在速度ＮＨは加速軌道ＮＨ_TRANJACCに追従することができない。制限は、ポンピングに関する加速要求の範囲内で規定されるが、同じことが、ターボ機械のシャットダウンに対するマージンに関する減速要求にも当てはまる。

過渡フェーズ中（加速中、減速中など）にターボ機械の応答時間を改善するために、ターボ機械に電気モータを装備して、ポンピング現象につながることなくターボ機械の速度を上げるための付加的な電気トルクを提供することが実現されている。この目的のために、低圧シャフトから動力を取り込み、高圧シャフトに動力を導入するための電気モータを備えた航空機用ターボ機械が、国際公開第２０１６／０２０６１８号から知られている。

米国特許出願公開第２０１３／０００８１７１号明細書 仏国特許出願第２９７７６３８号明細書 米国特許第４５４３７８２号明細書 米国特許出願公開第２００３／００９４０００号明細書 国際公開第２０１６／０２０６１８号

本発明の１つの目的は、充分なポンピングマージンを確保し、電気モータの電力消費を制限しながら、ターボ機械の応答時間を最適化するために、電気モータによって提供される電気トルクを最適に調整できるようにすることである。

この目的のために、本発明は、ターボ機械を制御するための方法であって、ターボ機械が、ガス発生器の上流に位置付けられた、一次空気流と二次空気流を区切るファンを備え、一次空気流が、前記ガス発生器を通過し、ガス発生器が、低圧コンプレッサと、高圧コンプレッサと、燃焼チャンバと、高圧タービンと、低圧タービンとを備え、前記低圧タービンが、低圧回転シャフトによって前記低圧コンプレッサに接続され、前記高圧タービンが、高圧回転シャフトによって前記高圧コンプレッサに接続されており、ターボ機械が、高圧回転シャフトにトルク導入装置を形成する電気モータを備え、燃焼チャンバにおける燃料流設定値Ｑ_CMDおよび電気モータに提供されるトルク設定値ＴＲＱ_CMDが決定される方法において、制御方法が、
燃料流設定値Ｑ_CMDを決定するために第１の燃料調整ループを実行するステップであって、
ｉ． 速度過渡意図ＴopＡccel、ＴopＤecelを、現在速度ＮＨと決定された設定値速度ＮＨ_CONSとの差の関数として検出するステップ、
ｉｉ． 過渡速度設定値ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣonsを決定するステップ、
ｉｉｉ． 過渡速度設定値ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣonsの関数として、燃料修正量ΔＱ_CMDを決定するステップ、および
ｉｖ． 燃料修正量ΔＱ_CMDの関数として、燃料流設定値Ｑ_CMDを決定するステップ
を含むステップと、
トルク設定値ＴＲＱ_CMDを決定するために第２のトルク調整ループを実行するステップであって、
ｉ． 過渡速度設定値ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣonsの関数として、トルク修正量ΔＴＲＱ_CMDを決定するステップ、および
ｉｉ． トルク修正量ΔＴＲＱ_CMDの関数として、トルク設定値ＴＲＱ_CMDを決定するステップ
を含むステップと
を含む、制御するための方法に関する。

本発明により、特にターボ機械のポンピングまたはシャットダウンを防止するための制限に起因して第１の燃料ループの調整が制限されるとき、第２のトルク調整ループが、第１の燃料ループと連帯的に作用することを可能にする。したがって、ターボ機械の現在速度は、反応的に軌道設定値に追従することができる。ターボ機械の動作性は、こうして改善される。

さらに第２のトルク調整ループは、有利には、ターボ機械のポンピングおよびシャットダウンの制限を拡張できるようにして、燃料設定値のより良好な調節を可能にする。言い換えれば、第２のトルク調整ループは、有利には、第１の燃料調整ループを改善することを可能にする。有利には、第２のトルク調整ループは、第１の燃料調整ループに取って代わるのではなく、動作制限に到達したときに第１の調整ループをサポートする。これは、速度調整の基本原理が乱されず、確実な調整が保証されることを意味する。

好ましくは、制御方法は、
第１の燃料調整ループを実行するステップ中に、燃料設定値ストップＴopＢuteeＡccel、ＴopＢuteeＤecelを検出するステップと、
第２のトルク調整ループを実行するステップ中に、トルク設定値ＴＲＱ_CMDをゼロリセットするステップであって、速度過渡意図ＴopＡccel、ＴopＤecelを検出した場合、および燃料設定値ストップＴopＢuteeＡccel、ＴopＢuteeＤecelを検出した場合に、トルク設定値ＴＲＱ_CMDをゼロリセットするステップが阻止される、ステップと
を含む。

有利には、制御方法は、トルク設定値ＴＲＱ_CMDをゼロリセットするステップであって、継続的に実行されるが、燃料設定値調整の制限に到達したときには阻止されるステップを含む。言い換えれば、過剰な電力消費を防止するために、電気トルクは継続的には使用されない。燃料設定値調整の制限に到達したとき（ポンピング、シャットダウンなど）、電気トルクが高圧シャフトに導入されて、制限を拡張することが可能になる。言い換えれば、電気トルクは、導入されると、第１の燃料調整ループに調整マージンを提供する。このマージンが得られると、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、特に徐々に、ゼロリセットされてもよい。

好ましくは、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、好ましくは少なくとも１つの低減勾配に従って徐々にゼロリセットされる。徐々にゼロリセットされることは、急なゼロリセットと反対であり、急なゼロリセットは、ターボ機械の速度の乱れを生じさせる。低減勾配に従って徐々にゼロリセットすることにより、第２のトルク調整ループがその影響を低減させて第１の燃料調整ループがその影響を回復できるようになる速度を制御できるようになる。

好ましくは、低減勾配は、第１の燃料調整ループの応答時間の関数である。言い換えれば、ゼロリセット速度は、第１の燃料調整ループの関数として決定されることから、最適である。こうして、第２のトルク調整ループの影響の低減が、第１の燃料調整ループによって直接補填される。

有利には、制御方法は、トルク設定値ＴＲＱ_CMDを決定するために、トルク修正量ΔＴＲＱ_CMDを二重積分するステップを含む。二重積分は、永久にゼロの速度誤差を確保し、したがって所定の加速時間または減速時間を確保することから、有利である。

好ましくは、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、電気モータＭＥの構造によって決定される最大トルク値ＴＲＱ_maxと、電気モータＭＥの構造によって決定される最小トルク値ＴＲＱ_minとの間の範囲内にある。

また、本発明は、コンピュータプログラムであって、前記プログラムがコンピュータによって実行されたときに、上に説明した制御方法のステップを実行するための命令を含むコンピュータプログラムに関する。また本発明は、前記コンピュータプログラムを記録するための媒体に関する。上述した記録媒体は、プログラムを記憶可能な任意のエンティティまたは装置とすることができる。たとえば、媒体は、ＲＯＭ、たとえばＣＤ－ＲＯＭもしくは超小型電子回路ＲＯＭ、または磁気記録媒体、たとえばハードディスクなどの記憶媒体を備えてもよい。その一方で、記録媒体は、電気ケーブルもしくは光ケーブル、無線、または他の手段によって搬送されることが可能な電気信号または光信号などの伝送可能な媒体に対応してもよい。本発明によるプログラムは、特にインターネットタイプのネットワークにダウンロードされてもよい。あるいは、記録媒体は、プログラムが組み込まれる集積回路であって、当該の方法を実行するように適合された、または当該の方法を実行する際に使用されるように適合された集積回路に対応してもよい。

また、本発明はさらに、上に説明したコンピュータプログラムからの命令を含むメモリを備える、ターボ機械用の電子制御ユニットに関する。
また、本発明は、上に説明した電子ユニットを備えるターボ機械に関する。

単に例として提供される以下の説明を読み、添付図面を参照すると、本発明がよりよく理解される。

先行技術によるターボ機械の概略図である。 先行技術による燃料流設定値調整システムの概略図である。 先行技術による、パイロットの加速指令の結果としてエンジン速度および燃料流設定値の増大を示す概略図である。 本発明の実施形態によるターボ機械の概略図である。 本発明による、燃料流設定値およびトルク設定値の調整システムを示す概略図である。 図５の調整システムの第１の燃料調整ループを示す概略図である。 図５の調整システムの第２のトルク調整ループを示す概略図である。 図７の第２のトルク調整ループの積分モジュールを示す概略図である。 本発明による、パイロットの加速指令の結果としてエンジン速度、燃料流設定値、およびトルク設定値の増大を示す概略図である。

これらの図は、本発明を実行するために本発明を詳細に開示しており、当然ながらこれらの図は、必要に応じて本発明をより明確に定義するために使用されてもよいことに留意すべきである。

図４を参照すると、ツインスプールのターボファンエンジン式の航空機用ターボ機械Ｔが概略的に示してある。既知の態様では、ターボ機械Ｔは、ガス流の方向における上流から下流に向かって、ファン１０と、低圧コンプレッサ１１と、高圧コンプレッサ１２と、燃料流設定値Ｑ_CMDを受信する燃焼チャンバ１３と、高圧タービン１４と、低圧タービン１５と、排気一次ノズル１６とを備える。低圧（ＬＰ）コンプレッサ１１と低圧タービン１５は、低圧シャフト２１によって接続され、ともに低圧スプールを形成する。高圧（ＨＰ）コンプレッサ１２と高圧タービン１４は、高圧シャフト２２によって接続され、燃焼チャンバ１３も合わせてともに高圧スプールを形成する。ＬＰシャフト２１によって駆動されるファン１０は、吸入空気を圧縮する。この空気は、ファンの下流で二次空気流と、いわゆる一次空気流に分割され、二次空気流は、二次ノズル（図示せず）に向かって直接導かれ、この二次ノズルを介して排出されて、ターボ機械Ｔによって提供される推力に加えられ、一次空気流は、低圧スプールと高圧スプールからなるガス発生器に入り、次いで一次ノズル１６内に排出される。既知の態様では、ターボ機械Ｔの速度を変更するために、航空機パイロットは制御レバーの位置を変え、それにより燃焼チャンバ１３における燃料流設定値Ｑ_CMDを変更することが可能になる。

図４を参照すると、ターボ機械Ｔは、付加的なトルクを高圧シャフト２２に提供するように構成された電気モータＭＥをさらに備える。ターボ機械Ｔの動作は、電子ユニット２０によって制御され、この電子ユニット２０は、ターボ機械Ｔの動作パラメータ、特にターボ機械Ｔの速度ＮＨを表す信号を取得して、燃料流設定値Ｑ_CMDおよびトルク設定値ＴＲＱ_CMDを電気モータＭＥに提供する。

図５に示してあるように、電子ユニット２０は、第１の燃料流設定値Ｑ_CMD調整ループＢ１（以下「第１の燃料ループＢ１」と呼ぶ）と、第２の電気トルク設定値ＴＲＱ_CMD調整ループＢ２（以下「第２のトルクループＢ２」と呼ぶ）とを備える調整システムを備える。
図５に示してあるように、第１の燃料ループＢ１は、
－ ターボ機械Ｔの速度ＮＨ入力と、
－ 航空機パイロットによって操縦可能な制御レバーの位置によって規定される設定値速度ＮＨ_CONS入力と、
－ ターボ機械Ｔに送信される燃料流設定値Ｑ_CMD出力と、
－ 複数の出力指標とを備え、複数の出力指標は、
－ 加速過渡要求の指標ＴopＡccel、
－ 減速過渡要求の指標ＴopＤecel、
－ 加速Ｃ／Ｐ停止による修正子制御の飽和によって規定される加速停止の指標ＴopＢuteeＡccel、
－ シャットダウンＣ／Ｐ停止による修正子制御の飽和によって規定される減速停止の指標ＴopＢuteeＤecel、
－ 加速用の速度軌道設定値ＮＨＴrajＡccelＣons、
－ 減速用の速度軌道設定値ＮＨＴrajＤecelＣons
である。
さらに図５を参照すると、第２のトルクループＢ２は、第１の燃料ループＢ１によって生成されたすべての出力指標、すなわちＴopＡccel、ＴopＤecel、ＴopＢuteeＡccel、ＴopＢuteeＤecel、ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣonsとともに、ターボ機械Ｔの速度ＮＨ入力を、入力として受信する。有利には、この調整システムにより、第２のトルクループＢ２は、高い優先度を維持している燃料ループＢ１の挙動の関数として適応性のあるトルク設定値ＴＲＱ_CMDを提供することが可能になる。

この例において第１の燃料ループＢ１は、燃焼チャンバＰＳ３への静圧入力も備える。

各ループＢ１、Ｂ２の構造および動作を、ここで詳細に説明する。

第１の燃料調整ループＢ１
既知の態様では、図６を参照すると、第１の燃料ループＢ１は、安定化管理モジュール３０１と、過渡意図検出モジュール３０２と、速度軌道生成モジュール３０３と、選択モジュール３０４と、積分モジュール３０５と、積分の飽和関数、したがって燃料制御Ｑ_CMDの飽和関数を満たす停止管理モジュール３０６とを備える。

下記に説明するように、速度軌道生成モジュール３０３は、この軌道を制御するための指令を生成するようにも構成される。

安定化管理モジュール３０１は、ターボ機械Ｔの速度ＮＨと設定値速度ＮＨ_CONSとの差の関数として、修正量を選択モジュール３０４に提供する。このような安定化管理モジュール３０１は、当業者に知られており、さらに詳細な説明はしない。

過渡意図検出モジュール３０２の目的は、パイロットが望む過渡意図を検出することである。過渡意図検出モジュール３０２は、ターボ機械Ｔの速度ＮＨと設定値速度ＮＨ_CONSとの差を判定する。制御レバーが定位置に保たれ、安定化管理モジュール３０１が実行されているとき、ターボ機械Ｔの実際の速度ＮＨは定常状態であり、設定値速度ＮＨ_CONSに等しい。パイロットが制御レバーを動かすと、設定値速度ＮＨ_CONSが瞬時に変動する。反対に、ターボ機械Ｔの慣性および安定化管理モジュール３０１があるため、速度ＮＨは瞬時に変動しない。したがって、過渡意図検出モジュール３０２は、設定値速度ＮＨ_CONSと実際の速度ＮＨとの差が所定の閾値Ｓ３より大きいときに、過渡意図を検出する。

本発明によれば、過渡意図検出モジュール３０２は、加速過渡要求の指標ＴopＡccelおよび減速過渡要求の指標ＴopＤecelも提供する。加速の場合には、速度の逸脱が所定の閾値Ｓ３より大きいとき（ＮＨ_CONS－ＮＨ＞Ｓ３）、加速過渡要求の指標ＴopＡccelが有効化される。この機能は、比較器である加速サブモジュール３０２ａにおいて実行される。同様に、減速の場合には、速度の逸脱が所定の閾値Ｓ３より大きいとき（ＮＨ－ＮＨ_CONS＞Ｓ３）、減速過渡要求の指標ＴopＤecelが有効化される。この機能は、比較器である減速サブモジュール３０２ｄにおいて実行される。例として、閾値Ｓ３は２００ｒｐｍである。

過渡フェーズが検出されると、過渡意図検出モジュール３０２は有効化信号を生成し、この有効化信号が、図６に示す速度軌道生成モジュール３０３および選択モジュール３０４に送信される。

加速の場合、速度軌道生成モジュール３０３は、加速（加速軌道）用の速度設定値ＮＨＴrajＡccelＣonsを決定する。同様に、減速の場合、速度軌道生成モジュール３０３は、減速（減速軌道）用の速度ＮＨ設定値ＮＨＴrajＤecelＣonsを決定する。このような速度軌道生成モジュール３０３は、当業者に知られており、さらに詳細な説明はしない。さらに、生成モジュール３０３は、必要に応じて、軌道設定値に追従することが可能になる修正量を生成するようにも構成される。

この例では、選択モジュール３０４が過渡意図検出モジュール３０２から有効化信号を受信するとき、有効化信号が受信されなければ、選択モジュール３０４は安定化管理モジュール３０１から修正量を選択し、有効化信号が受信された場合には、速度軌道生成モジュール３０３から修正量を選択する。このような選択モジュール３０４は、当業者に知られており、さらに詳細な説明はしない。

選択された燃料修正量ΔＱ_CMDは、積分モジュール３０５に提供される。積分モジュール３０５は、燃料修正量ΔＱ_CMDを積分することにより、燃料流設定値Ｑ_CMDを決定する。

停止管理モジュール３０６は、積分モジュール３０５によって決定された燃料流設定値Ｑ_CMDの値を制限する。既知の態様では、停止管理モジュール３０６は、当業者に知られているいわゆるＣ／Ｐ停止を実行する。この例では、停止管理モジュール３０６は、加速および減速における停止設定値を規定できるようにする。この目的のために、加速の場合、停止管理モジュール３０６は、加速Ｃ／Ｐ停止による修正子制御の飽和の指標ＴopＢuteeＡccelを規定できるようにする。同様に、減速の場合、停止管理モジュール３０６は、シャットダウンＣ／Ｐ停止による修正子制御の飽和の指標ＴopＢuteeＤecelを規定できるようにする。このような停止は、当業者に知られており、さらに詳細な説明はしない。好ましくは、停止管理モジュール３０６は、燃焼チャンバＰＳ３における静圧および速度ＮＨ（高圧スプール速度）の関数として停止を決定する。

上に示したように、このような調整は、ターボ機械Ｔに送信される燃料設定値Ｑ_CMDを制限するためには最適であるが、かなりの応答時間を生じさせる。

この欠点をなくすために、第２のトルクループＢ２が第１の燃料ループＢ１に結合されて、最適なトルク設定値ＴＲＱ_CMDが決定される。この目的のために、先行技術とは異なり、第１の燃料ループＢ１は、第２のトルクループＢ２に対して様々な出力指標、すなわちＴopＡccel、ＴopＤecel、ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣons、ＴopＢuteeＡccel、ＴopＢuteeＤecelを通信する。

第２のトルク調整ループＢ２
第２のトルク調整ループＢ２の目的は、電気モータＭＥを節約して使用することである。したがって、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、軌道が制限され（ＴopＢuteeＡccelまたはＴopＢuteeＤecel）、速度設定値ＮＨ_CONSと実際の速度ＮＨとの間の逸脱が、過渡制御（ＴopＡccelまたはＴopＤecel）を有効化する必要性を示すときのみ有効化される。言い換えれば、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、燃料設定値Ｑ_CMDがその動作範囲内に制限されるときのみ、有効化される。

下記に説明するように、提供された電気トルクＴＲＱ_CMDにより、動作値は動作制限から逸脱することが可能になり、したがって燃料設定値Ｑ_CMDを再度適合させるための制御マージンが提供される。本発明により、第１の燃料ループＢ１と第２のトルクループＢ２は交代してターボ機械Ｔの動作性（応答時間など）を改善し、それと同時に、電気モータＭＥによる電力消費を制限する。

図７を参照すると、第２のトルク調整ループＢ２は、指令決定モジュール４０１と、ゼロリセットモジュール４０２と、積分モジュール４０３と、スイッチ４０４とを備える。

指令決定モジュール４０１は、
－ ターボ機械の現在速度ＮＨ入力と、
－ トルク指令の設定値量を提供する加速（加速軌道）用の速度ＮＨ設定値ＮＨＴrajＡccelＣonsと、
－ トルク指令の設定値量を提供する減速（減速軌道）用の速度ＮＨ設定値ＮＨＴrajＤecelＣonsと
を含む。

指令決定モジュール４０１は、減速サブモジュール４０１ｄおよび加速サブモジュール４０１ａを備え、これらはそれぞれ、加速（加速トルク）用のトルク指令ＴＲＱＴrajＡccelＣmdと、減速（減速トルク）用のトルク指令ＴＲＱＴrajＤecelＣmdを計算するように構成される。

この例では、加速サブモジュール４０１ａは、加速（加速トルク）用の第２の導関数型の修正量ＴＲＱＴrajＡccelＣmdを、加速（加速軌道）用の速度ＮＨ設定値ＮＨＣonsおよび現在速度ＮＨ入力の関数として計算する。好ましくは、加速サブモジュール４０１ａは、以下の伝達関数
を満たす積分二重積分器型の修正子の形態であり、
ここで、
－ Ｋは所定の逆定数であり、
－ τ_NH、τ_Transit、およびτ_BFは、所定の時定数である。

このような加速サブモジュール４０１ａの構造は、当業者に知られている。減速サブモジュール４０１ｄの構造および機能も類似している。

図７を参照すると、積分モジュール４０３による積分の前に、減速における減速指令または加速における加速指令を選択するために、スイッチ４０４によって指令の選択が実行される。

ゼロリセットモジュール４０２は、第１の燃料ループＢ１からの複数の入力指標、すなわち
－ 加速過渡要求の指標ＴopＡccel、
－ 減速過渡要求の指標ＴopＤecel、
－ 加速Ｃ／Ｐ停止による修正子制御の飽和によって規定される加速停止の指標ＴopＢuteeＡccel、
－ シャットダウンＣ／Ｐ停止による修正子制御の飽和によって規定される減速停止の指標ＴopＢuteeＤecel
を含む。

ゼロリセットモジュール４０２の目的は、トルク設定値ＴＲＱ_CMDをゼロリセットすることである。下記に説明するように、ゼロリセットは突然行われるのではなく、徐々に行われる。ゼロリセットモジュールは、継続的に実行される。それでもなお、ゼロリセットは、以下の場合に阻止される。
－ 加速が要求されたとき、およびすでに加速ストップに到達しているとき（ＴopＡccelおよびＴopＢuteeＡccelが有効）、または
－ 減速が要求されたとき、およびすでに減速ストップに到達しているとき（ＴopＤecelおよびＴopＢuteeＤecelが有効）。

第１の燃料ループＢ１の燃料設定値Ｑ_CMDが、許容された動作範囲から逸脱することが望まれるとき、ゼロリセットモジュール４０２はゼロリセットされない。したがって、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、動作値を動作制限から逸脱できるようにする。トルク設定値ＴＲＱ_CMDをゼロリセットすることは、燃料設定値Ｑ_CMDによる調整が可能なときにのみ開始される。

言い換えれば、第２のトルクループＢ２は、第１の燃料ループＢ１と相乗的に作用する。第２のトルクループＢ２は、第１の燃料ループＢ１をサポートする。したがって、安定化した速度では、トルク設定値ＴＲＱ_CMDがゼロリセットされて、電力消費が制限され効率が改善される。

図７を参照すると、積分モジュール４０３は、
－ スイッチ４０４からのトルク修正量ΔＴＲＱ_CMDを受信する修正入力と、
－ 電気モータＭＥの構造によって決定される最大トルク値ＴＲＱ_maxと、
－ 電気モータＭＥの構造によって決定される最小トルク値ＴＲＱ_minと、
－ ゼロリセットモジュール４０２によって提供されるゼロリセットＲＡＺ入力と、
－ トルク設定値ＴＲＱ_CMD出力と
を含む。

この例では、積分モジュール４０３は、トルク修正量ΔＴＲＱ_CMDを積分するための二重積分器である。これにより、永久にゼロの速度誤差が確保され、したがって所定の加速時間または減速時間が確保される。

積分モジュール４０３の例が、図８に詳細に示してある。この実装形態の例では、積分モジュール４０３は、トルク設定値ＴＲＱ_CMDをいくつかの傾斜または勾配に応じて規定できるようにする。図８を参照すると、積分モジュール４０３は、積分器５１、５２の飽和値を計算するための２つのモジュールを含む。

図８に示してあるように、電気機械ＭＥの制約に関する最大トルクＴＲＱｍａｘの制限と最小トルクＴＲＱｍｉｎの制限を満たすために、また電気モータＭＥの物理構造によって計算モジュール５１、５２の要求が制限された場合に備えて、計算モジュール５１、５２の発散を防止するために、２つの計算モジュール５１、５２は飽和させられることになる。

各計算モジュール５１、５２は、トルク設定値ＴＲＱ_CMDの値を徐々に低減するために、ゼロリセットＲＡＺ入力を含む。

実際、付加的なまたは不足した機械的トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、過渡が終了したら抑制されなくてはならない。実際、過渡に使用されるトルクは、もはや必ずしも現在の必要性に対応しておらず、望ましくない過剰な電力消費を生じさせることから、維持されなくてもよい。

例として、減速の場合には、第２のトルクループＢ２は、決定された軌道に応じて速度ＮＨを低減できるようにするため、抵抗トルクＴＲＱ_CMDを課し、ターボ機械Ｔは、過渡の終わりにアイドル速度に到達する。抵抗トルクＴＲＱ_CMDが、安定化したアイドルフェーズにおいて減速中に維持されると、次いでアイドル状態を維持するために必要な燃料が、この抵抗トルクを不必要に補填しなくてはならず、このことは、この動作フェーズにおいてもはや有用ではない。この場合、効率が損なわれる。この認識は、加速の終了フェーズ、および加速と減速が交互に行われるフェーズに当てはまる。

図７に示してあるように、ゼロリセットＲＡＺ指標は、それぞれの積分器５１、５２が有効にされたときに、ゼロリセットされることを可能にする。しかし、電気トルクＴＲＱが急激に抑制されすぎることによる速度ＮＨの乱れを防止するために、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、所定の勾配、この例では低減勾配ＱＫＧＳ（図示せず）に応じて緩やかに低減される。実際には、この例において、積分器の値が記憶され、過去の値の関数として徐々にゼロリセットされる。ゼロリセットＲＡＺ指標がもはやゼロに向かっていないとき、積分器の値は再び増大し始める。

有利には、低減勾配ＱＫＧＳは、第１の燃料ループＢ１の応答時間の関数として事前決定されており、この応答時間は、試験およびシミュレーションによって得られる。したがって、第２のトルクループＢ２の積分モジュール４０３は、速度ＮＨに対するその影響を低減し、これにより、供給されている電気トルクによって、動作値が制限Ｑ_MAX、Ｑ_MINから逸脱できるようになっているので、有利には、第１の燃料ループＢ１が燃料設定値Ｑ_CMDを効果的に適応させることが可能になる。第１の燃料ループＢ１によって行われる補填は当然であり、制御されている。

言い換えれば、第２のトルクループＢ２は、過渡中に第１の燃料ループＢ１を解放する。したがって、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、トルク調整を有効化するための条件が消失したときに、ゼロリセットされる。

電気機械ＭＥによって供給されたトルク設定値ＴＲＱ_CMDを抑制することは、同時に燃料設定値Ｑ_CMDを適合させることによって補填されなくてはならず、そうでなければ、速度ＮＨの乱れが体系的になる。有利には、燃料設定値Ｑ_CMDを適合させることが自動で行われ、第２のトルクループＢ２において第１の燃料ループＢ１のための新規の指標を計算することは不要である。

燃料流設定値Ｑ_CMDおよび電気トルク設定値ＴＲＱ_CMDが決定される、ターボ機械の制御方法の実装形態の例を、ここで説明する。

実装形態のこの例では、図９に示してあるように、パイロットが制御レバーを操作して、ターボ機械Ｔの速度を時点ｔ１（＝５秒）において上げる。

第１の調整ループＢ１は、過渡意図検出モジュール３０２を介して速度過渡を検出し、加速過渡要求の指標ＴopＡccelを発する。同様に、速度軌道生成モジュール３０３は、加速（加速軌道）用の速度設定値ＮＨＴrajＡccelＣonsを決定する。図９に示してあるように、加速軌道は傾きの形態である。さらに、停止管理モジュール３０６は、燃料流設定値Ｑ_CMDの値を制限し、最大燃料設定値Ｑ_MAXを課す加速停止設定値ＴopＳtopＡccelを規定する。

時点ｔ１とｔ２の間に規定された期間Ｐ１－２中には、最大燃料設定値Ｑ_MAXによって燃料設定値Ｑ_CMDが制限されることから、現在速度ＮＨは、加速軌道設定値ＮＨＴrajＡccelＣonsより低い。

この期間Ｐ１－２中に、トルク設定値ＴＲＱ_CMDは時点ｔ２まで徐々に増大する（図９では慣例により、トルク増大は負の値を有する）。トルク設定値ＴＲＱ_CMDが増大するとき、現在速度ＮＨは、付加的電気トルクに起因して増大し、反応的に加速軌道ＮＨＴrajＡccelＣonsに追従することが可能になり、このことは非常に有利である。さらに、トルク設定値ＴＲＱ_CMDが増大するとき、燃料設定値Ｑ_CMDは最大燃料設定値Ｑ_MAXから逸脱し、したがって、もはや制限されることのない燃料設定値Ｑ_CMDの調整範囲が提供される。

また、時点ｔ２とｔ３の間に規定される期間Ｐ２－３中には、現在速度ＮＨが加速軌道ＮＨＴrajＡccelＣonsに反応的に追従するように、第１の燃料ループＢ１によって、燃料設定値Ｑ_CMDを適合させることが可能になる。燃料設定値Ｑ_CMDが最大燃料設定値Ｑ_MAXから逸脱するので、加速停止設定値ＴopＳtopＡccelはもはや有効化されない。また、トルク設定値ＴＲＱ_CMDをゼロリセットすることが、期間Ｐ２－３にわたって実行されてもよい。図９に示すように、ゼロリセットは、現在速度ＮＨを急激に低下させないように、また第１の燃料ループＢ１が調整を引き継ぐことを可能にするように、徐々に実行される。

時点ｔ３において、時点ｔ１と同様に、燃料設定値Ｑ_CMDは、最大燃料設定値Ｑ_MAXによって制限される。次いで、加速停止設定値ＴopＳtopＡccelが有効化され、トルク設定値ＴＲＱ_CMDのゼロリセットが阻止されて、トルク設定値ＴＲＱ_CMDが再び増大する。時点ｔ３において、トルク設定値ＴＲＱ_CMDには、取り消されるべき時間がなかった。同様に、時点ｔ３とｔ４の間に規定された期間Ｐ３－４にわたって、最大燃料設定値Ｑ_MAXによって燃料設定値Ｑ_CMDが制限されることから、現在速度ＮＨは、加速軌道設定値ＮＨＴrajＡccelＣonsより低い。トルク設定値ＴＲＱ_CMDは、時点ｔ４まで徐々に増大する。

本発明によって、電気モータＭＥは、最適な軌道追従を可能にし、燃料設定値Ｑ_CMD用の調整マージンを提供するように、節約して使用される。第１の燃料ループＢ１および第２のトルクループＢ２は、速度軌道の追従を最適化し、したがってターボ機械Ｔの動作性を改善するために、相乗的に実行される。

当然ながら、これらの指標のうちの一部のみが使用されてもよい。同様に、当然ながら、他の指標を使用して、トルク設定値調整が精緻化されてもよい。

Claims (9)

1. ターボ機械（Ｔ）を制御するための制御方法であって、前記ターボ機械（Ｔ）が、ガス発生器の上流に位置付けられた、一次空気流と二次空気流を区切るファン（１０）を備え、前記一次空気流が、前記ガス発生器を通過し、前記ガス発生器が、低圧コンプレッサ（１１）と、高圧コンプレッサ（１２）と、燃焼チャンバ（１３）と、高圧タービン（１４）と、低圧タービン（１５）とを備え、前記低圧タービン（１５）が、低圧回転シャフト（１０）によって前記低圧コンプレッサに接続され、前記高圧タービン（１４）が、高圧回転シャフト（２２）によって前記高圧コンプレッサ（１２）に接続されており、前記ターボ機械が、前記高圧回転シャフト（２２）にトルク導入装置を形成する電気モータ（ＭＥ）を備え、前記燃焼チャンバ（１３）における燃料流設定値（Ｑ_CMD）および前記電気モータ（ＭＥ）に提供されるトルク設定値（ＴＲＱ_CMD）が決定される方法において、前記制御方法が、
   前記燃料流設定値（Ｑ_CMD）を決定するために第１の燃料調整ループ（Ｂ１）を実行するステップであって、
   ｉ． 速度過渡意図（ＴopＡccel、ＴopＤecel）を、現在速度（ＮＨ）と決定された設定値速度（ＮＨ_CONS）との差の関数として検出するステップ、
   ｉｉ． 過渡速度設定値（ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣons）を決定するステップ、
   ｉｉｉ． 前記過渡速度設定値（ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣons）の関数として、燃料修正量（ΔＱ_CMD）を決定するステップ、および
   ｉｖ． 前記燃料修正量（ΔＱ_CMD）の関数として、前記燃料流設定値（Ｑ_CMD）を決定するステップ
   を含むステップと、
   前記トルク設定値（ＴＲＱ_CMD）を決定するために第２のトルク調整ループ（Ｂ２）を実行するステップであって、
   ｉ． 前記過渡速度設定値（ＮＨＴrajＡccelＣons、ＮＨＴrajＤecelＣons）の関数として、トルク修正量（ΔＴＲＱ_CMD）を決定するステップ、および
   ｉｉ． 前記トルク修正量（ΔＴＲＱ_CMD）の関数として、前記トルク設定値（ＴＲＱ_CMD）を決定するステップ
   を含むステップと
   を含むことを特徴とする、制御方法。
2. 請求項１に記載の制御方法であって、
   前記第１の燃料調整ループ（Ｂ１）を実行する前記ステップ中に、燃料設定値ストップ（ＴopＢuteeＡccel、ＴopＢuteeＤecel）を検出するステップと、
   前記第２のトルク調整ループ（Ｂ２）を実行する前記ステップ中に、前記トルク設定値（ＴＲＱ_CMD）をゼロリセットするステップであって、速度過渡意図（ＴopＡccel、ＴopＤecel）を検出した場合、および燃料設定値ストップ（ＴopＢuteeＡccel、ＴopＢuteeＤecel）を検出した場合に、前記トルク設定値（ＴＲＱ_CMD）をゼロリセットするステップが阻止される、ステップと
   を含むことを特徴とする、制御方法。
3. 請求項２に記載の制御方法であって、前記トルク設定値（ＴＲＱ_CMD）が、徐々にゼロリセットされることを特徴とする、制御方法。
4. 請求項３に記載の制御方法であって、徐々にゼロリセットされる前記トルク設定値（ＴＲＱ _CMD ）の低減勾配が、前記第１の燃料調整ループ（Ｂ１）の応答時間の関数であることを特徴とする、制御方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の制御方法であって、前記トルク設定値（ＴＲＱ_CMD）を決定するために、前記トルク修正量（ΔＴＲＱ_CMD）を二重積分するステップを含むことを特徴とする、制御方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の制御方法であって、前記トルク設定値（ＴＲＱ_CMD）が、前記電気モータ（ＭＥ）の構造によって決定される最大トルク値（ＴＲＱ_max）と、前記電気モータ（ＭＥ）の構造によって決定される最小トルク値（ＴＲＱ_min）との間の範囲内にあることを特徴とする、制御方法。
7. コンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムがコンピュータによって実行されたときに、請求項１から６のいずれか１項に記載の制御方法の前記ステップを実行するための命令を含むことを特徴とする、コンピュータプログラム。
8. 請求項７に記載のコンピュータプログラムの命令を含むメモリを備えることを特徴とする、ターボ機械用の電子制御ユニット。
9. 請求項８に記載の電子ユニットを備えることを特徴とする、ターボ機械。
   

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