CN106257354B - 燃气轮机控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃气轮机控制方法及系统，能够在不消除微分项的情况下避免常规PID控制器易使操作信号出现尖脉冲的现象。所述方法包括：获取燃气轮机的状态参数基准和实际的状态参数；将所述状态参数基准作为参考输入和所述实际的状态参数作为测量值，传输至预先建立的PID控制器，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；根据所述燃气轮机的燃料量控制所述燃气轮机的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机控制领域，具体涉及一种燃气轮机控制方法及系统。
背景技术
应用于电厂的重型燃气轮机其控制手段主要包括燃料量和空气流量，主要为燃料量的控制，由于在燃机运行的不同阶段控制目标不同，主流的燃气轮机控制系统一般都采用最小值选择的方式选择不同的控制方案来实现不同的控制目标，除启动及停机外其他的控制方式都为闭环PID控制，如图1所示为现有的PID控制的结构框图，由图1易知下述的关系式：
其中
为控制器，Kp为控制器的比例作用系数，Ti为控制器的积分时间常数，Td为控制器的为微分时间常数，N(s)为噪声，D(s)为干扰，Y(s)为输出，R(s)为参考输入，Gp为被控制对象(根据PI控制器输出的燃料量，控制进入燃气轮机燃烧室的燃料量，从而控制燃气轮机的工作状态，比如转子速度，或者透平的排气温度，或者压气机压比等)。
由于参考输入随压比、喘振边界、或者以一定速率变化，参考输入的频繁变化易造成操作量产生尖脉冲，比如，如果参考输入信号是阶跃信号，此时的控制器采用PID控制器，由于控制作用中存在导数项，所以操作变量中包含一个脉冲函数，即使在实际的PID控制器中使用
(其中Td为微分时间，s为拉普拉斯算子，γ为变形的微分项系数)代替纯导数项Tds，当输入阶跃信号时操作信号中仍然会有一个尖脉动函数，这种定点冲击是在燃机控制中不希望出现的情况，所以主流燃机控制系统的各个控制方式都去掉了微分控制即D控制，即实际的控制方式包括转速PI控制、温度PI控制、压比PI控制等。这种一刀切的做法将微分项的缺陷避开，但同时将微分项超前调节的优点也丢弃掉了。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种燃气轮机控制方法及系统，能够在不消除微分项的情况下避免常规PID控制器使操作信号出现尖脉冲的情况。
为此目的，本发明提出一种燃气轮机控制方法，包括：
获取燃气轮机的状态参数基准和实际的状态参数；
将所述状态参数基准作为参考输入和所述实际的状态参数作为测量值，传输至预先建立的PID控制器，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
根据所述燃气轮机的燃料量控制所述燃气轮机的工作状态。
另一方面，本实施例公开一种燃气轮机控制系统，包括：
状态参数采集传感器、减法器、PID控制器和执行器；其中，
所述状态参数采集传感器，用于采集燃气轮机实际的状态参数；
所述减法器，用于将预先存储的燃气轮机的状态参数基准与所述燃气轮机实际的状态参数进行减法运算；
所述PID控制器，用于对所述减法运算的结果进行计算，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
所述执行器，用于根据所述燃气轮机的燃料量执行相应的操作，对所述燃气轮机的燃料量进行控制，以控制所述燃气轮机的工作状态。
本发明实施例所述的燃气轮机控制方法及系统，通过在在前向通道中去掉微分项，在反馈通道中加入微分项，相当于在PID控制器的前面参考输入端加入了滤波环节，以应对参考输入的频繁突然变化，从而能够在不消除微分项的情况下避免常规PID控制器使操作信号出现尖脉冲。
附图说明
图1为现有的PID控制器结构框图；
图2为本发明燃气轮机控制方法一实施例的流程示意图；
图3为本发明燃气轮机控制方法另一实施例中PID控制器结构框图；
图4为本发明燃气轮机控制方法又一实施例中PID控制器结构框图；
图5为本发明燃气轮机控制系统一实施例的方框结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本实施例公开一种燃气轮机控制方法，包括：
S1、获取燃气轮机的状态参数基准和实际的状态参数；
S2、将所述状态参数基准作为参考输入和所述实际的状态参数作为测量值，传输至预先建立的PID控制器，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
S3、根据所述燃气轮机的燃料量控制所述燃气轮机的工作状态。
本发明实施例的燃气轮机控制方法，通过在在前向通道中去掉微分项，在反馈通道中加入微分项，相当于在PID控制器的前面参考输入端加入了滤波环节，以应对参考输入的频繁突然变化，从而能够在不消除微分项的情况下避免常规PID控制器使操作信号出现尖脉冲。
可选地，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，所述PID控制器的比例控制位于前向通道中。
可选地，参看图3，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，所述PID控制器的微分控制的输入为实际的状态参数与噪声之和，所述PID控制器的比例控制的输入和积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述比例控制的输出和积分控制的输出之和与所述微分控制的输出进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
本发明实施例设计的PID控制器，将PI环节设置在前向通道中，将D环节设置在反馈通道中，整个控制环节如图3所示。
当扰动和噪声都是零时，本实施例的PID控制器的输出和参考输入的闭环传递函数为：
当参考输入和噪声都为零时，本实施例的PID控制器的输出和扰动的闭环传递函数为：
基本PID控制器如图1所示，当扰动和噪声都是零时，基本PID控制器的输出和参考输入的闭环传递函数为：
当参考输入和噪声都为零时，基本PID控制器的输出和扰动的闭环传递函数为：
本实施例的PID控制器与基本PID控制器的
相同，对比
本实施例的PID控制器的
如下：
以上各式中Y(s)为输出的拉普拉斯变换，D(s)为扰动的拉普拉斯变换，R(s)为输入的拉普拉斯变换，Kp为比例作用系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，Gp(s)为被控对象传递函数，s为拉普拉斯算子。
由上述公式可知，根据本实施例的PID控制器，通过将比例控制和积分控制设置在前向通道中，将微分控制设置在反馈通道中，相当于在基本的PID控制器的前面参考输入端加入了滤波环节，以应对参考输入的频繁突然变化，因而能够防止操作信号出现尖脉冲。
可选地，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，所述PID控制器的比例控制位于反馈通道中。
可选地，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，所述PID控制器的比例控制的输入和微分控制的输入为实际的状态参数与噪声之和，所述PID控制器的积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述积分控制的输出，与所述比例控制的输出和所述微分控制的输出之和进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
本发明实施例设计的PID控制器，将I环节设置在前向通道中，将PD环节设置在反馈通道中，如图4所示。
当参考输入和噪声都为零时，本实施例的PID控制器的输出和扰动的闭环传递函数为：
本实施例的PID控制器与基本的PID控制器的
相同，对比
当扰动和噪声都是零时本实施例的PID控制器的输出和参考输入的闭环传递函数
为：
其中，Y(s)为输出的拉普拉斯变换，D(s)为扰动的拉普拉斯变换，R(s)为输入的拉普拉斯变换，Kp为比例作用系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，Gp(s)为被控对象传递函数，s为拉普拉斯算子。
由上述公式可知，根据本实施例的PID控制器，通过将积分控制设置在前向通道中，将比例控制和微分控制设置在反馈通道中，相当于在基本的PID控制器的前面参考输入端加入了滤波环节，以应对参考输入的频繁突然变化，因而能够防止操作信号出现尖脉冲。
可选地，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，所述燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实际转速；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。
本发明的控制包括转速控制、温度控制或者压比控制。
转速控制器，参考输入为转速基准，实际的转速为测量值，转速基准在不同阶段以不同的速率变化。
温度控制器，参考输入为温度基准，实际的排气温度为测量值，温度基准随不同工况下压比或者负荷变化而变化。
压比控制器，参考输入为压比基准，实际的压比为测量值，压比基准随不同工况下喘振边界的变化而变化。
本发明实施例通过转速控制、温度控制或者压比控制来指导燃料阀门的开度，能够较为准确地对燃气轮机的燃料量进行控制。
如图5所示，本实施例公开一种燃气轮机控制系统，包括：
状态参数采集传感器1、减法器2、PID控制器3和执行器4；其中，
状态参数采集传感器1，用于采集燃气轮机实际的状态参数；
减法器2，用于将预先存储的燃气轮机的状态参数基准与燃气轮机实际的状态参数进行减法运算；
所述PID控制器3，用于对所述减法运算的结果进行计算，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
执行器4，用于根据所述燃气轮机的燃料量执行相应的操作，对所述燃气轮机的燃料量进行控制，以控制所述燃气轮机的工作状态。
本发明实施例的燃气轮机控制系统，通过在在前向通道中去掉微分项，在反馈通道中加入微分项，相当于在PID控制器的前面参考输入端加入了滤波环节，以应对参考输入的频繁突然变化，从而能够在不消除微分项的情况下避免常规PID控制器使操作信号出现尖脉冲。
可选地，在本发明燃气轮机控制系统的另一实施例中，所述PID控制器的比例控制位于前向通道中，所述PID控制器的微分控制的输入为实际的状态参数与噪声之和，所述PID控制器的比例控制的输入和积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述比例控制的输出和积分控制的输出之和与所述微分控制的输出进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
可选地，在本发明燃气轮机控制系统的另一实施例中，所述PID控制器的比例控制位于反馈通道中，所述PID控制器的比例控制的输入和微分控制的输入为实际的状态参数与噪声之和，所述PID控制器的积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述积分控制的输出，与所述比例控制的输出和所述微分控制的输出之和进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
可选地，在本发明燃气轮机控制系统的另一实施例中，所述燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实际转速；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。
与现有的技术比较，本发明的优点是:
针对燃气轮机控制中转速基准在不同阶段以不同的速率变化、温度基准随不同工况下压比或功率的变化而变化、压比基准随不同工况下喘振边界的变化而变化等设定值随动变化的情况，设计PID控制器，使得输出能够快速跟踪输入，并未消除微分项却避免了常规PID控制器使得操作信号出现尖脉冲的情况。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种燃气轮机控制方法，其特征在于，包括：
获取燃气轮机的状态参数基准和实际的状态参数；
将所述状态参数基准作为参考输入和所述实际的状态参数作为测量值，传输至预先建立的PID控制器，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
根据所述燃气轮机的燃料量控制所述燃气轮机的工作状态；
所述PID控制器的比例控制位于前向通道中；
所述PID控制器的微分控制的输入为实际的状态参数与噪声之和，所述PID控制器的比例控制的输入和积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述比例控制的输出和积分控制的输出之和与所述微分控制的输出进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机控制方法，其特征在于，所述燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实际转速；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。
3.一种燃气轮机控制方法，其特征在于，包括：
获取燃气轮机的状态参数基准和实际的状态参数；
将所述状态参数基准作为参考输入和所述实际的状态参数作为测量值，传输至预先建立的PID控制器，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
根据所述燃气轮机的燃料量控制所述燃气轮机的工作状态；
所述PID控制器的比例控制位于反馈通道中；
所述PID控制器的比例控制的输入和微分控制的输入为实际的状态参数与噪声之和，所述PID控制器的积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述积分控制的输出，与所述比例控制的输出和所述微分控制的输出之和进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机控制方法，其特征在于，所述燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实际转速；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。
5.一种燃气轮机控制系统，其特征在于，包括：
状态参数采集传感器、减法器、PID控制器和执行器；其中，
所述状态参数采集器，用于采集燃气轮机实际的状态参数；
所述减法器，用于将预先存储的燃气轮机的状态参数基准与所述燃气轮机实际的状态参数进行减法运算；
所述PID控制器，用于对所述减法运算的结果进行计算，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
所述执行器，用于根据所述燃气轮机的燃料量执行相应的操作，对所述燃气轮机的燃料量进行控制，以控制所述燃气轮机的工作状态；
所述PID控制器的比例控制位于前向通道中，所述PID控制器的微分控制的输入为实际的状态参数与噪音之和，所述PID控制器的比例控制的输入和积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述比例控制的输出和积分控制的输出之和与所述微分控制的输出进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机控制系统，其特征在于，所述燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实际转速；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。
7.一种燃气轮机控制系统，其特征在于，包括：
状态参数采集传感器、减法器、PID控制器和执行器；其中，
所述状态参数采集器，用于采集燃气轮机实际的状态参数；
所述减法器，用于将预先存储的燃气轮机的状态参数基准与所述燃气轮机实际的状态参数进行减法运算；
所述PID控制器，用于对所述减法运算的结果进行计算，得到燃气轮机的燃料量；其中，所述PID控制器的积分控制位于前向通道中，微分控制位于反馈通道中；
所述执行器，用于根据所述燃气轮机的燃料量执行相应的操作，对所述燃气轮机的燃料量进行控制，以控制所述燃气轮机的工作状态；
所述PID控制器的比例控制位于反馈通道中，所述PID控制器的比例控制的输入和微分控制的输入为实际的状态参数与噪声之和，所述PID控制器的积分控制的输入为燃气轮机的状态参数基准与所述微分控制的输入之差，所述积分控制的输出，与所述比例控制的输出和所述微分控制的输出之和进行减法运算的结果为所述燃气轮机的燃料量。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机控制系统，其特征在于，所述燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实际转速；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者
所述燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。
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Effective date of registration: 20191225 Address after: 102209 Beijing Changping District in the future of the national electric investment group Park in the future science city south of Beijing Applicant after: China United heavy-duty gas turbine technology Co., Ltd. Address before: 100084, Beijing, Haidian District science and Technology Park, Tsinghua Science and technology building, block C, 10 Applicant before: Beijing Huatsing Gas Turbine & IGCC Technology Co., Ltd. |
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