CN106321251B - 重型燃气轮机压气机压比控制方法、控制器及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重型燃气轮机压气机压比控制方法、控制器及控制系统。该方法包括：获取燃气轮机压气机的实际压比；压比控制器根据所述实际压比对基准压比进行扰动补偿，以获取该压比控制器的输出信号；将该压比控制器的输出信号传输至执行机构，以调整所述压气机所输出的压比。本发明可以保证压气机有较快的响应速度的同时，使压气机具有较好的稳定性。

Description

重型燃气轮机压气机压比控制方法、控制器及控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种重型燃气轮机压气机压比控制方法、控制器及控制系统。

背景技术

重型燃气轮机广泛应用于电厂，对其控制时控制参数主要包括燃料量与空气流量，通常情况下控制燃料量即可。根据燃气轮机工作的阶段不同，其控制目标也不相同。主流燃气轮机的控制系统经常采用最小值方式选择不同的控制方案，从而实现控制不同的控制目标，除启动及停机外其他控制方式都选择闭环PID控制。为了防止噪声、扰动等外部干扰使操作量产生尖脉冲，目前各个控制方式都去掉了微分控制(即PID控制中的D控制)，从而实际控制方式变为PI控制，例如：压比PI控制、温度PI控制、转速/负荷闭环PI控制等。

现有技术中，主流重型燃气轮机控制系统中大部分采用PI闭环控制，不考虑微分(即D控制)的作用，这种去掉微分控制的做法虽然能够避免由于噪声扰动等干扰造成的微分项误动作，但是同时也去掉了微分项超前调节的优点。如图1所示，其中Y(S)与输入R(S)、扰动D(S)、噪声N(S)都有关系，他们之间传递函数为

其中，为控制器，N(s)为噪声，D(s)为干扰，Y(s)为输出，R(s)为参考输入，G_p为控制对象。

由图1及上述公式可知，当参考输入变化或者出现扰动或者噪声时，输出信号都会根据前向通道的控制器进行相应变化，从而不利于调节。

发明内容

本发明的其中一个目的在于提供一种重型燃气轮机压气机压比控制方法、控制器及控制系统，用于解决现有技术中去掉微分控制引起的输出信号随着前向通道的控制器进行相应变化的技术问题。

第一方面本发明提出了一种重型燃气轮机压气机压比控制方法，包括：

获取燃气轮机压气机的实际压比；

压比控制器根据所述实际压比对基准压比进行扰动补偿，以获取该压比控制器的输出信号；

将该压比控制器的输出信号传输至执行机构，以调整所述压气机所输出的压比。

可选地，所述获取燃气轮机压气机的实际压比的步骤包括：

获取实际压比值、实际压比微分值和总扰动；

分别获取实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和总扰动观测值。

可选地，压气机的二阶微分G_P(s)的状态空间为：

其中，u为压气机输入信号，y为压气机实际压比，为压气机的实际压比微分值，且x₁＝y、x₃＝f，把f＝g+(b-b₀)u视为总扰动，b是输入增益，b₀是对b的估计误差，g是压气机自身摄动和外部扰动的总影响。

可选地，所述分别获取实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和总扰动观测值的步骤包括：

其中，z₁、z₂、z₃为实际压比y、实际压比微分值总扰动f的估计值，β₁、β₂、β₃为待确定线性扩张状态观测器的参数，用来控制估计值的准确性，b₀是对b的估计误差。

可选地，所述线性扩张状态观测器的特征多项式为：

λ_o＝s³+β₁s²+β₂s+β₃＝(s+w_o)³

其中，β₁、β₂、β₃为待确定线性扩张状态观测器的参数，w_o为线性扩张状态观测器的带宽，λ_o为线性扩张状态观测器的特征多项式。

第二方面，本发明实施例又提供了一种重型燃气轮机压气机压比控制器，包括：线性扩张状态观测器单元、扰动补偿单元和反馈单元，其中，所述线性扩张状态观测器单元的第一信号输入端连接压气机的信号输出端，第二信号输入端连接该压比控制器的信号输出端，第一信号输出端与第二信号输出端分别连接所述反馈单元的第一信号输入端与第二信号输入端，第三信号输出端连接所述扰动补偿单元的第一信号输入端；所述反馈单元的信号输出端连接所述扰动补偿单元的第二信号输入端；所述扰动补偿单元的信号输出端连接压气机的信号输入端；

所述线性扩张状态观测器单元用于分别获取实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和总扰动观测值；

所述反馈单元用于根据实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和基准压比获取反馈单元的输出信号，以降低稳态误差；

所述扰动补偿单元用于根据反馈单元的输出信号与总扰动观测值获取压比控制器的输出信号。

第三方面，本发明实施例又提供了一种重型燃气轮机压比控制系统，采用上述的控制器制成。

本发明实施例可以将内部扰动、外部扰动视为总扰动，通过线性扩张状态观测器对扰动的状态观测估计，并通过扰动补偿作用消除扰动对压气机的影响。本发明可以保证压气机有较快的响应速度的同时，使压气机具有较好的稳定性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是现有技术中提供的一种PID控制结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种重型燃气轮机压比控制流程图；

图3是本发明实施例提供的一种重型燃气轮机压比控制器结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种重型燃气轮机压比控制系统结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

本发明实施例提供了一种重型燃气轮机压气机压比控制方法，如图2所示，包括：

获取燃气轮机压气机的实际压比；

压比控制器根据实际压比对基准压比进行扰动补偿，以获取该压比控制器的输出信号；

将该压比控制器的输出信号传输至执行机构，以调整压气机所输出的压比。

本发明实施例以基准压比为参考输入，实际压比为测量值。基准压比随不同工况下喘振边界变化而变化。当实际压比超出基准压比时，通过压比控制器的输出信号驱动控制对象(一般是燃料调节阀或者进口可调导叶)，使得实际压比小于或者等于基准压比，即不让实际压比超过基准压比，以避免压气机发生喘振。本发明实施例可以将内部扰动、外部扰动视为总扰动，通过线性扩张状态观测器对扰动的状态观测估计，并通过扰动补偿作用消除扰动对压气机的影响。本发明可以保证压气机有较快的响应速度的同时，使压气机具有较好的稳定性。

实施例二

为进一步体现本发明提供的一种重型燃气轮机压比控制方法的优越性，本发明又提供了一种重型燃气轮机压比控制器，如图3所示，包括：线性扩张状态观测器单元100、扰动补偿单元300和反馈单元200，其中，线性扩张状态观测器单元100的第一信号输入端101连接压气机400的信号输出端，第二信号输入端102连接该压比控制器的信号输出端，第一信号输出端103与第二信号输出端104分别连接反馈单元200的第一信号输入端201与第二信号输入端202，第三信号输出端105连接扰动补偿单元300的第一信号输入端301；反馈单元200的信号输出端203连接扰动补偿单元300的第二信号输入端302；扰动补偿单元300的信号输出端303连接压气机400的信号输入端；

线性扩张状态观测器单元100用于分别获取实际压比y的观测值z₁、实际压比微分值的观测值z₂和总扰动f的观测值z₃；

反馈单元200用于根据实际压比观测值z₁、实际压比微分值的观测值z₂和基准压比r获取反馈单元的输出信号u₀，以降低稳态误差；

所述扰动补偿单元用于根据反馈单元的输出信号u₀与总扰动观测值z₃获取压比控制器的输出信号u。

由于扰动会影响系统输出，所以输出信号即实际压比中也会反映出扰动的作用。线性扩张状态观测器单元100(Linear State Observer，LESO)可以估计扰动的作用。如图3所示，r、y分别为压比控制器的输入信号、压气机的实际压比；G_P(s)为被控对象(执行机构和压气机)，k_p、k_d为反馈单元参数，d为压气机的外部干扰，b₀为压比控制器中对系统输入增益b的估计。

被控对象压气机G_P(s)的微分表示形式：

其中，u为压气机输入信号，y为压气机实际压比，为压气机的实际压比微分值，ω为压气机的不可测扰动，b为输入增益，g为压气机的自身摄动和外部扰动的总影响。

或者，被控对象压气机G_P(s)的微分表示形式也可以为：

其中，f＝g+(b-b₀)u为压气机的总扰动，此时将b₀对输入增益b的估计误差也视为扰动的一部分。

令x₁＝y、其中定义f为系统的一个扩张状态。令x₃＝f。假设f是可微的，并定义则式(2)可以用状态空间表示为：

压气机实际压比y、压气机的实际压比微分值和压气机的总扰动f的估计值可以根据线性扩张状态观测器100得到：

其中，z₁、z₂、z₃为y、f的估计值，β₁、β₂、β₃为待确定线性扩张状态观测器的参数，用来控制估计值的准确性。

由于一般控制器的控制性能与其带宽有直接关系，可知线性扩张状态观测器的估计值的准确性与其带宽也有很大的相关性。为简化计算，本发明令w_o为线性扩张状态观测器的带宽，将式(4)表示为w_o的形式，即：

λ_o＝s³+β₁s²+β₂s+β₃＝(s+w_o)³ (5)

由式(5)可知，带宽w_o为线性扩张状态观测器单元中唯一需要整定的参数，从而使计算变得更加简单。一般情况下，带宽w_o越大则线性扩张状态观测器单元估计的准确性超高，但同时该线性扩张状态观测器单元对噪声也越加敏感，从而不利于线性扩张状态观测器单元对高频段的控制。为此，本发明实施例中，对带宽w_o的选择兼顾控制性能与抗噪性能，选取一个折中值。在带宽w_o确定以后，待确定线性扩张状态观测器的参数β₁、β₂、β₃就可以根据上式(5)进行确定。

由图3可知，扰动补偿单元的扰动补偿环节为：

若线性扩张状态观测器能够实现z₃＝f时，将式(6)代入式(2)中，可以得到从而被控对象即压气机可以转换成双积分器串联结构，使压比控制器的控制更加方便。

由图3可知，反馈单元的表达式为：

u₀＝k_p(r-z₁)-k_dz₂ (7)

其中，u₀为反馈单元输出信号，k_d、k_p为反馈单元参数，r为基准压比，z₁、z₂为y、的估计值。

将式(7)带入扰动补偿后的双积分器串联对象可得控制系统的闭环方程：

结合带宽与控制性能的关系，令w_c为控制器带宽，令闭环方程(8)的特征多项式表示为w_c的形式。

λ_o＝s²+k_ds+k_p＝(s+w_c)² (9)

这样带宽w_c就成为控制器中唯一需要整定的参数，从而可以简化控制器参数的计算。一般情况下，带宽w_c值越大系统的响应速度也越快，不过会对稳定性产生一定的影响。所以，带宽w_c值的选取兼顾系统响应速度和稳定性，折中选择带宽w_c值，从而可以根据式(9)与w_c的关系来确定参数k_d、k_p。

由此可见，压比控制器将内部扰动、外部扰动(包括噪声)视为总扰动，根据线性扩张状态观测器观测估计扰动的状态，利用扰动补偿作用消除扰动对压气机的实际压比的影响，从而可以提高压比控制过程的稳定性与鲁棒性。

实施例三

为进一步体现本发明提供的一种重型燃气轮机压比控制器的优越性，本发明实施例又提供了一种重型燃气轮机压比控制系统，如图4所示，采用上述的控制器制成。可以看出，该控制系统都可与前文中至少一种控制器相互对应，因而可以解决同样的技术问题，并取得相同的技术效果，因此其具体实施方式可以参照前文，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的一种重型燃气轮机压气机压比控制方法、控制器及控制系统，通过观测压气机输出的实际压比，将压比控制系统的总扰动视为一个扩张状态，通过线性扩张状态观测器进行观测；通过扰动补偿和线性反馈控制率调整所述压气机压比控制执行机构的实际输入值，进而控制压比，使得实际压比小于或者等于基准压比。本发明可以通过扰动补偿作用消除扰动对压气机的影响，使压气机在具有较快响应速度的同时还具有较好的稳定性，还可以避免压气机喘振。

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 (5)

1.一种重型燃气轮机压气机压比控制方法，其特征在于，包括：

获取燃气轮机压气机的实际压比；

压比控制器根据所述实际压比对基准压比进行扰动补偿，以获取该压比控制器的输出信号；

将该压比控制器的输出信号传输至执行机构，以调整所述压气机所输出的压比；

所述获取燃气轮机压气机的实际压比的步骤包括：

获取实际压比值、实际压比微分值和总扰动；

分别获取实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和总扰动观测值；

所述分别获取实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和总扰动观测值的步骤包括：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>u</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，z₁、z₂、z₃为实际压比y、实际压比微分值总扰动f的估计值，β₁、β₂、β₃为待确定线性扩张状态观测器的参数，用来控制估计值的准确性，b₀是对输入增益b的估计误差，u为压气机输入信号。

2.根据权利要求1所述重型燃气轮机压气机压比控制方法，其特征在于，压气机的二阶微分G_P(s)的状态空间为：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>u</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>h</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，u为压气机输入信号，y为压气机实际压比，为压气机的实际压比微分值，且x₁＝y、x₃＝f，把f＝g+(b-b₀)u视为总扰动，b是输入增益，b₀是对b的估计误差，g是压气机自身摄动和外部扰动的总影响。

3.根据权利要求1所述重型燃气轮机压气机压比控制方法，其特征在于，线性扩张状态观测器的特征多项式为：

λ_o＝s³+β₁s²+β₂s+β₃＝(s+w_o)³

其中，β₁、β₂、β₃为待确定线性扩张状态观测器的参数，w_o为线性扩张状态观测器的带宽，λ_o为线性扩张状态观测器的特征多项式。

4.一种重型燃气轮机压气机压比控制器，其特征在于，包括：线性扩张状态观测器单元、扰动补偿单元和反馈单元，其中，所述线性扩张状态观测器单元的第一信号输入端连接压气机的信号输出端，所述线性扩张状态观测器单元的第二信号输入端连接该压比控制器的信号输出端，所述线性扩张状态观测器单元的第一信号输出端与第二信号输出端分别连接所述反馈单元的第一信号输入端与第二信号输入端，所述线性扩张状态观测器单元的第三信号输出端连接所述扰动补偿单元的第一信号输入端；所述反馈单元的信号输出端连接所述扰动补偿单元的第二信号输入端；所述扰动补偿单元的信号输出端连接压气机的信号输入端；

所述线性扩张状态观测器单元用于分别获取实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和总扰动观测值；

所述反馈单元用于根据实际压比观测值、实际压比微分值的观测值和基准压比获取反馈单元的输出信号，以降低稳态误差；

所述扰动补偿单元用于根据反馈单元的输出信号与总扰动观测值获取压比控制器的输出信号。

5.一种重型燃气轮机压比控制系统，其特征在于，利用权利要求4所述的控制器制成。