CN105910131A - 一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，基于逆动力学模型的串级控制方法。本发明还公开了一种高温燃烧系统燃气温度控制系统，包括内环控制系统和外环控制系统：内环控制系统包括燃油流量控制系统和空气流量控制系统，分别控制进入系统燃烧室的燃油流量与空气质量；外环控制系统包括外环温度控制系统，以温度为控制目标，以系统燃烧室为控制对象，以温度传感器为反馈量，采用基于系统逆动力学的自适应控制方法实现燃气温度的控制。本发明的优点体现在：提高其温度控制性能和燃烧品质，不仅对高温热领域的设备研制、科研、试验和生产具有重大的指导意义，而且对节能减排具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及高温燃烧系统温度控制技术领域，具体涉及一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统。
背景技术
本发明涉及的高温燃烧系统是指在热风洞燃烧室中航空煤油与高速空气流燃烧产生高温燃气流场，从而模拟被试件在实际工作中的受热情况，最典型的应用是实现对某些耐高温材料或试件的热强度测试和对高温热电偶进行动态标定。通过对某些耐高温材料或试件的热流场模拟，可以试验其在高温情况下的热应力，为测试其强度性能提供依据。在高温温度传感器稳态与动态校准中，通过热流场模拟可以给出温度传感器的校准数据，从而为高温热领域的设备研制、科研、试验和生产提供可靠的温度测量数据。
试件的热强度测试试验和高温温度传感器动态热标定都需要产生一个均匀分布且稳定的温度场，能够产生均匀而稳定的温度场是体现高温燃烧系统性能优劣的直接指标，对温度控制性能的高低直接反映了高温燃烧系统性能的好坏。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中高温燃烧系统对燃气温度的高品质控制要求，提供一种高温燃烧系统燃气温度控制方法，旨在实现燃气温度的高品质控制，达到节能减排的目的。
本发明的再一目的，是提供一种高温燃烧系统燃气温度控制系统。
为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，基于逆动力学模型的串级控制方法，具体包括如下步骤：
S1建立燃油供给系统与空气进给系统的数学模型，在此基础上提出合适的控制方法实现燃油流量与空气流量的精确控制；
S2分析燃油在高温系统中的燃烧特性，采用系统辨识的方法建立高温燃烧系统燃气温度的逆模型；
S3建立高温燃烧系统燃气温度逆动力学模型与控制器之间的直接联系，得到期望的燃油流量与空气流量值；
S4根据逆模型的在线辨识结果实时改变控制器的参数，从而实现燃气温度的自适应控制。
为实现上述第二个目的，本发明公开了如下技术方案：
一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，包括内环控制系统和外环控制系统：
内环控制系统包括燃油流量控制系统和空气流量控制系统，分别控制进入系统燃烧室的燃油流量与空气质量；
外环控制系统包括外环温度控制系统，以温度为控制目标，以系统燃烧室为控制对象，以温度传感器为反馈量，采用基于系统逆动力学的自适应控制方法实现燃气温度的控制。
进一步的，所述燃油流量控制系统包括燃油流量控制器、燃油供给系统、流量传感器和比较器：
所述流量传感器安装在燃油供给系统的供油管路上，与管路连接，它获取流量信号送给比较器，用于计算误差；
所述流量控制器安装在控制柜中，与燃油供给系统连接，其输出信号用来控制燃油供给系统中油泵的转速或比例阀的开度，从而实现燃油流量的控制；
所述燃油供给系统由变频电机、油泵、比例节流阀、供油管路，用来给高温燃烧系统提供燃油，安装在油泵间，与高温燃烧系统的燃烧室相连；
所述比较器用于计算燃油流量误差，内置于控制器中，与燃油流量控制器相连。
进一步的，所述燃油流量控制器采用PID预测控制器进行燃油流量控制，所述PID预测控制器包括模糊控制器、PID控制器、Levinson预测器：
所述模糊控制器内置于燃油流量控制器中，与PID控制器相连，主要用来实时改变PID控制器的比例、积分、微分系数；所述PID控制器内置于燃油流量控制器中，与控制对象燃油供给系统相连，主要用来控制燃油流量；Levinson预测器内置于燃油流量控制器中，与控制对象相连，主要用来预测控制对象的未来输出值。
进一步的，所述空气流量控制系统包括空气流量控制器、空气进给系统、空气流量传感器和比较器：
所述空气流量控制器内置滑膜预测控制算法，安装在控制柜中，与空气进给系统连接，其输出信号用来控制空气进给系统中比例阀的开度，从而实现空气流量的控制；
空气进给系统由空压机、气阀和管路组成，安装在气流发生间，与高温燃烧系统的燃烧室相连，主要用来给高温燃烧系统的燃烧室提供一定流量要求的气流；
空气流量传感器，安装在供气管路上，与供气管路相连，用来获取空气流量信号送给比较器，用于计算误差；
比较器，用于计算空气流量误差，内置于控制器中，与空气流量控制器相连。
进一步的，所述外环温度控制器包括温度传感器及温度控制器，温度控制器根据期望的燃气温度获得期望的燃油流量与空气流量，然后将其输出给内环流量控制系统，温度传感器实时采集燃气温度反馈至温度控制器。
本发明公开的一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，具有以下有益效果：
提出高温燃烧系统燃烧温度的高品质控制方法，提高其温度控制性能和燃烧品质，不仅对高温热领域的设备研制、科研、试验和生产具有重大的指导意义，而且对节能减排具有重要的现实意义。
附图说明
图1是本发明一种高温燃烧系统燃气温度控制系统的总体控制原理示意图；
图2是燃油供给系统原理示意图；
图3是模糊PID预测控制器原理示意图；
图4是基于逆模型的外环温度自适应控制器原理示意图；
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
一种高温燃烧系统燃气温度控制方法，基于逆动力学模型的串级控制方法，具体包括如下步骤：
S1建立燃油供给系统与空气进给系统的数学模型，在此基础上提出合适的控制方法实现燃油流量与空气流量的精确控制；
S2分析燃油在高温系统中的燃烧特性，采用系统辨识的方法建立高温燃烧系统燃气温度的逆模型；
S3建立高温燃烧系统燃气温度逆动力学模型与控制器之间的直接联系，得到期望的燃油流量与空气流量值；
S4根据逆模型的在线辨识结果实时改变控制器的参数，从而实现燃气温度的自适应控制。
请参见图1，图1中的e(t)是期望温度与实际温度之间的差值，即温度误差值；e1(t)为期望燃油流量与实际燃油流量之间的差值，即燃油流量误差值；e2(t)为期望空气流量与实际空气流量之间的差值，即空气流量误差值。由于高温燃烧系统燃烧室燃气的温度不仅取决于进入燃烧室的燃油流量，还取决于进入系统燃烧室的空气流量，且存在工况复杂，大滞后、大惯性、干扰较多等不利因素，因此，本发明提出一种高温燃烧系统燃气温度控制系统，包括内环控制系统和外环控制系统：
内环控制系统包括燃油流量控制系统和空气流量控制系统，分别控制进入系统燃烧室的燃油流量与空气质量；
外环控制系统包括外环温度控制系统，以温度为控制目标，以系统燃烧室为控制对象，以温度传感器为反馈量，采用基于系统逆动力学的自适应控制方法实现燃气温度的控制。
见图2，图2中的qoil是进入燃烧室的燃油流量，Qinair指进入燃烧室内的空气流量；Qoutair是指从燃烧室出来的燃气流量。作为具体实施例，所述燃油流量控制系统包括燃油流量控制器、燃油供给系统、流量传感器和比较器：流量传感器安装在燃油供给系统的供油管路上，与管路连接，它获取流量信号送给比较器，用于计算误差；流量控制器安装在控制柜中，与燃油供给系统连接，其输出信号用来控制燃油供给系统中油泵的转速或比例阀的开度，从而实现燃油流量的控制；燃油供给系统由变频电机、油泵、比例节流阀、供油管路，用来给高温燃烧系统提供燃油，安装在油泵间，与高温燃烧系统的燃烧室相连；比较器用于计算燃油流量误差，内置于控制器中，与燃油流量控制器相连。其基本供油原理为：当系统需求的燃油流量较大时，关闭旁路电液比例节流阀，通过调节泵的转速实现燃油流量的控制；当系统需求的流量较小时，固定泵的转速，通过调节旁路电液比例节流阀的开度实现燃油流量的控制。
实际的燃油供给系统存在纯滞后、多干扰和参数时变等不利于控制的因素，给燃油流量的精确控制带来了困难。见图3，图3中的r(k)是指k时刻被控量的设定值，e(k)是指k时刻被控量的误差值，e(k)-e(k-1)是指k时刻与k-1时刻被控量误差的差值，即被控量误差的增量；u(k)表示k时刻PID控制器的输出量；y(k)是指k时刻被控对象的输出值；G(z)表示被控对象，ym(k+d)表示k+d时刻被控对象的输出值,即预测的被控对象未来d步的输出值；ΔKp(k),ΔKI(k)和ΔKd(k)表示k时刻模糊控制器输出的比例系数，积分系数和微分系数的增量，Z-1表示延时一个采样周期。所述燃油流量控制器采用PID预测控制器进行燃油流量的精确控制，所述PID预测控制器包括模糊控制器、PID控制器、Levinson预测器：模糊控制器内置于燃油流量控制器中，与PID控制器相连，主要用来实时改变PID控制器的比例、积分、微分系数；PID控制器内置于燃油流量控制器中，与控制对象燃油供给系统相连，主要用来控制燃油流量；Levinson预测器内置于燃油流量控制器中，与控制对象相连，主要用来预测控制对象的未来输出值。它的基本思想是利用过程输出的历史数据，采用Levinson预测器预测未来d步的输出值，并将该预测值作为反馈信号与设定信号进行比较，将此误差值送给PID控制器，从而使被延迟了的控制量超前反应到控制器，明显减小超调和加快调节时间。同时将设定值与Levinson预测器预测值的误差值和误差的变化值送到模糊控制器，模糊控制器的输出用来在线修正PID控制器的参数，实现用模糊控制提高系统的鲁棒性，用PID控制提高系统的稳态精度，用预测控制消除系统的纯滞后，从而达到满意的控制效果。
由于实际中的空气进给系统也是一个具有纯滞后的系统，因此，设计控制器时主要是解决纯滞后对系统的影响，同时保证控制系统具有较好的鲁棒性，空气流量控制系统包括空气流量控制器、空气进给系统、空气流量传感器和比较器：空气流量控制器内置滑膜预测控制算法，安装在控制柜中，与空气进给系统连接，其输出信号用来控制空气进给系统中比例阀的开度，从而实现空气流量的控制；空气进给系统由空压机、气阀和管路组成，安装在气流发生间，与高温燃烧系统的燃烧室相连，主要用来给高温燃烧系统的燃烧室提供一定流量要求的气流；空气流量传感器，安装在供气管路上，与供气管路相连，用来获取空气流量信号送给比较器，用于计算误差；比较器，用于计算空气流量误差，内置于控制器中，与空气流量控制器相连。滑膜预测控制算法的基本思想是结合预测控制和滑膜控制的优点，用预测控制来解决纯滞后对控制系统的不利影响，用滑膜控制保证控制系统的鲁棒性，同时用预测策略来降低滑膜控制中的抖振现象。
见图4，图中r(k)是指k时刻被控量的设定值；yd(k)是指k时刻被控量的期望值，TDL1/TDL2/TDL3为延时单元，延时一个采样周期，u(k)和u(k-1)分别为k时刻和k-1时刻控制器的输出值，e(k)和e(k-1)分别指k时刻和k-1时刻被控量的误差值，y(k)是指k时刻被控对象的输出值；x(k)是k-1时刻被控对象的输出值；Ψ(k)是k时刻燃气温度逆模型与温度控制器之间的调节关系(无统一的表达式)，作为具体实施例，所述外环温度控制器包括温度传感器及温度控制器，温度控制器根据期望的燃气温度获得期望的燃油流量与空气流量，然后将其输出给内环流量控制系统，温度传感器实时采集燃气温度反馈至温度控制器。外环温度控制器采用一种基于逆动力学模型的自适应燃气温度控制方法，它的基本原理为：首先通过辨识获取燃气温度的逆动力学模型，然后建立逆动力学模型与控制器之间的直接连接，最后根据逆动力学模型的在线辨识结果实时改变控制器的参数，从而实现燃气温度的自适应控制。另外，根据逆动力学的求解，可以保证燃油流量与空气流量的最佳配比，从而避免富油燃烧，实现燃油的高品质燃烧和节能减排的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，其特征在于，基于逆动力学模型的串级控制方法，具体包括如下步骤：
S1建立燃油供给系统与空气进给系统的数学模型，在此基础上提出合适的控制方法实现燃油流量与空气流量的精确控制；
S2分析燃油在高温系统中的燃烧特性，采用系统辨识的方法建立高温燃烧系统燃气温度的逆模型；
S3建立高温燃烧系统燃气温度逆动力学模型与控制器之间的直接联系，得到期望的燃油流量与空气流量值；
S4根据逆模型的在线辨识结果实时改变控制器的参数，从而实现燃气温度的自适应控制。
2.一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，其特征在于，包括内环控制系统和外环控制系统：
内环控制系统包括燃油流量控制系统和空气流量控制系统，分别控制进入系统燃烧室的燃油流量与空气质量；
外环控制系统包括外环温度控制系统，以温度为控制目标，以系统燃烧室为控制对象，以温度传感器为反馈量，采用基于系统逆动力学的自适应控制方法实现燃气温度的控制。
3.根据权利要求2所述的一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，其特征在于，所述燃油流量控制系统包括燃油流量控制器、燃油供给系统、流量传感器和比较器：
所述流量传感器安装在燃油供给系统的供油管路上，与管路连接，它获取流量信号送给比较器，用于计算误差；
所述流量控制器安装在控制柜中，与燃油供给系统连接，其输出信号用来控制燃油供给系统中油泵的转速或比例阀的开度，从而实现燃油流量的控制；
所述燃油供给系统由变频电机、油泵、比例节流阀、供油管路，用来给高温燃烧系统提供燃油，安装在油泵间，与高温燃烧系统的燃烧室相连；
所述比较器用于计算燃油流量误差，内置于控制器中，与燃油流量控制器相连。
4.根据权利要求3所述的一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，其特征在于，所述燃油流量控制器采用PID预测控制器进行燃油流量控制，所述PID预测控制器包括模糊控制器、PID控制器、Levinson预测器：
所述模糊控制器内置于燃油流量控制器中，与PID控制器相连，主要用来实时改变PID控制器的比例、积分、微分系数；所述PID控制器内置于燃油流量控制器中，与控制对象燃油供给系统相连，主要用来控制燃油流量；Levinson预测器内置于燃油流量控制器中，与控制对象相连，主要用来预测控制对象的未来输出值。
5.根据权利要求2所述的一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，其特征在于，所述空气流量控制系统包括空气流量控制器、空气进给系统、空气流量传感器和比较器：
所述空气流量控制器内置滑膜预测控制算法，安装在控制柜中，与空气进给系统连接，其输出信号用来控制空气进给系统中比例阀的开度，从而实现空气流量的控制；
空气进给系统由空压机、气阀和管路组成，安装在气流发生间，与高温燃烧系统的燃烧室相连，主要哟过来给高温燃烧系统的燃烧室提供一定流量要求的气流；
空气流量传感器，安装在供气管路上，与供气管路相连，用来获取空气流量信号送给比较器，用于计算误差；
比较器，用于计算空气流量误差，内置于控制器中，与空气流量控制器相连。
6.根据权利要求2所述的一种高温燃烧系统燃气温度控制方法及其系统，其特征在于，所述外环温度控制器包括温度传感器及温度控制器，温度控制器根据期望的燃气温度获得期望的燃油流量与空气流量，然后将其输出给内环流量控制系统，温度传感器实时采集燃气温度反馈至温度控制器。
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