CN110939519B - 微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和pi控制方法 - Google Patents

微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和pi控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法。它包括如下步骤，步骤一：确定喷油量；步骤二：根据起动电机电流调整单位喷油量耗时；步骤三：采用遇限削弱积分法进行抗积分饱和。本发明具有防止控制器进入积分饱和区，加快控制器的反应调节，减小起动机电流波动量，使起动阶段起动机电流更加平稳的优点。

Description

微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法
技术领域
本发明涉及微型燃气轮机起动机电流控制技术领域，更具体说是一种微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法。
背景技术
微型燃气轮机一般指功率在500kw以下的燃气轮机。在微型燃气轮机的起动过程中，起动电机电流控制在工业上常用PI控制。PI控制存在积分饱和的问题，当系统存在一个方向的误差时，由于积分的累加作用会使控制量一直增大，可能会使控制量达到执行器的执行阈值，如果此时误差的方向发生改变，控制量会逐渐减小，控制量也会退出饱和区，执行器也会在阈值内执行；如果此时误差方向还是没有改变，控制量会继续增大但是执行器会一直保持在阈值，此时控制量就进入了饱和区。进入饱和区越深，退出饱和区时间就会越长，在饱和区时执行器会一直在阈值位置，如果误差发生反向，执行器不会立刻有反应，控制量会慢慢减小，等执行器退出饱和区才会有反应。这样就会使控制的动态响应变差，控制性能变差。由于PI控制存在积分饱和的问题，造成微型燃气轮机起动过程中，起动电机电流波动较大的问题。
因此，现亟需开发一种使起动阶段起动机电流更加平稳的微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制(PI控制的意思是指根据给定值与实际输出值构成的控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制)方法，具有防止控制器进入积分饱和区，加快控制器的反应调节，减小起动机电流波动量，使起动阶段起动机电流更加平稳。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：确定喷油量；
步骤二：根据起动电机电流调整单位喷油量耗时；
步骤三：采用遇限削弱积分法进行抗积分饱和。
在上述技术方案中，在步骤一中，确定喷油量，如式(1.1)所示，
Figure BDA0002281710220000021
U(i+1)＝kpe(i+1)+ki∫e(i+1)dt (1.2)
e(i)＝Ist-I(i) (1.3)
上式(1.1)、(1.2)、(1.3)中：Gf为喷油量(g/s)；
U为时间间隔(s)；
Ist为电流设定值(A)；
I为电流值(A)；
e为电流值与电流设定值之间的误差(A)；
kp为比例常数；
ki为积分常数；
i为时间节点序列。
在上述技术方案中，在步骤二中，当起动电机电流变大时，减小单位喷油量耗时；当起动电机电流过小时，增加单位喷油量耗时。
在上述技术方案中，在步骤三中，防止控制器进入积分饱和区，采用遇限削弱积分法进行抗积分饱和，具体如下所示，
S31：采集数据，计算误差e(k)；
S32：判断此时PI控制输出量U(k)是否超出上限或低于下限；
S33：当U(k)超出上限或低于下限时，控制器积分器不再进行累积；当U(k)没有进入饱和区时，积分器正常进行累积；
S34：输出U(k)；
喷油量由公式(1.4)确定：
Figure BDA0002281710220000031
式(1.4)中：Gf为喷油量(g/s)；
U为时间间隔(s)；
i为时间节点序列。
本发明具有如下优点：
(1)本发明针对微型燃气轮机起动过程中，起动电机和涡轮共同带动燃气轮机转速上升阶段，起动电机电流波动大，容易超限的问题，根据起动过程实验数据，分析得到引起起动电机电流波动大的原因是电流PI控制进入了积分饱和区；根据遇限削弱积分法，设计了抗积分饱和PI控制器，将该控制器应用在了微型燃气轮机起动过程中；通过设计遇限削弱积分法，从而防止控制器进入积分饱和区，从而加快控制器的反应调节，减小起动机电流波动量，使起动阶段起动机电流更加平稳；
(2)本发明针对微型燃气轮机起动过程中起动电机电流波动大，容易超限，甚至造成报警、起动失败的问题；通过分析起动电机和涡轮共同工作的特点，以及微型燃气轮机起动过程实验数据，申请人发现造成起动电机电流波动大，容易超限的原因是燃油增加速率达到最低限后，起动机的电流PI控制进入了积分饱和区；最后，针对燃油增加速率达到最低限后，积分器进入饱和区的问题，设计抗积分饱和PI控制器；
(3)起动过程喷油量的控制规律不同于额定转速附近喷油量的控制规律；起动过程中，由于转速低，空气流量小，熄火裕度较额定转速时小，另外，起动过程中转速一直在上升，压气机耗功持续增加，稳态喷油需求量同样一直增加，因此，起动过程中喷油量呈单调增加的规律；同时，起动过程是起动电机与涡轮共同推动的结果，为保证起动电机不能超负荷、超转矩，要平衡好涡轮与起动电机的功率分配；基于上述原则设计起动过程起动电机电流PI控制规律，实现起动电机恒扭矩工作。
附图说明
图1为本发明遇限削弱积分计算流程图。
图2为本发明微型燃气轮机起动过程转速上升规律。
图3为本发明起动阶段，PI控制和抗积分饱和PI控制效果对比图。
图4为本发明PI控制的实验数据图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本申请基于起动过程喷油量的控制规律不同于额定转速附近喷油量的控制规律，起动过程中，由于转速低，空气流量小，熄火裕度较额定转速时小，另外，起动过程中转速一直在上升，压气机耗功持续增加，稳态喷油需求量同样一直增加，因此，起动过程中喷油量呈单调增加的规律。同时，起动过程是起动电机与涡轮共同推动的结果，为保证起动电机不能超负荷、超转矩，要平衡好涡轮与起动电机的功率分配。基于上述原则设计起动过程起动电机电流PI控制规律，实现起动电机恒扭矩工作。
参阅附图可知：微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法，包括如下步骤，
步骤一：确定喷油量；
步骤二：根据起动电机电流调整单位喷油量耗时；
步骤三：采用遇限削弱积分法进行抗积分饱和。
进一步地，在步骤一中，确定喷油量，如式(1.1)所示，
Figure BDA0002281710220000051
U(i+1)＝kpe(i+1)+ki∫e(i+1)dt (1.2)
e(i)＝Ist-I(i) (1.3)
上式(1.1)、(1.2)、(1.3)中：Gf为喷油量(g/s)；
U为时间间隔(s)；
Ist为电流设定值(A)；
I为电流值(A)；
e为电流值与电流设定值之间的误差(A)；
kp为比例常数；
ki为积分常数；
i为时间节点序列。
其中Ui+1按照图1流程图计算得到。
进一步地，在步骤二中，当起动电机电流变大时，说明起动电机分担了较大的起动功率，应加快喷油量的增加速率，即减小单位喷油量耗时U。同理，当起动电机电流过小时，说明起动电机分担起动功率过小，燃烧室喷油量过多，存在燃气初温过高，涡轮后温度过高的风险，此时应当减小喷油量的增加速率，即增加单位喷油量耗时U。
更进一步地，在步骤三中，微型燃气轮机实际燃油控制系统执行机构存在控制死区，喷油量增加速度不可能无限快，同时低增加量也不可能无限接近于零。当执行机构已经到达了控制极限，但是误差仍然在扩大时，PID控制器积分作用就会继续作用，控制器计算输出仍然在扩大或者减小，当偏差反向时，由于积分作用存在的较大累计值，控制量需要较长时间才能脱离积分饱和区，由于控制量不能得到及时的调节，控制量将产生较大波动；
如图1所示，为防止控制器进入积分饱和区，采用遇限削弱积分法进行抗积分饱和，具体如下所示，
S31：采集数据，计算误差e(k)；
S32：判断此时PI控制输出量U(k)是否超出上限或低于下限；
S33：当U(k)超出上限或低于下限时，控制器积分器不再进行累积；当U(k)没有进入饱和区时，积分器正常进行累积；
S34：输出U(k)；U(k)为抗积分饱和算法的输出值；
喷油量由公式(1.4)确定：
Figure BDA0002281710220000061
式(1.4)中：Gf为喷油量(g/s)；
U为时间间隔(s)；
i为时间节点序列。
其中Ui+1按照图1流程图计算得到。
设定燃气轮机转速上升规律如图2所示，在起动电机双闭环PI控制和起动电机电流PI控制下，燃气轮机转速按照设定规律上升，在常规起动电机电流PI控制和抗积分饱和PI控制下的起动电机电流变化规律如图3所示。
对比仿真结果与实际实验数据，起动电机电流和喷油量两者仿真结果变化规律与实验数据变化趋势相似，验证了仿真模型的有效性。通过图4可以看出，在点火成功后，由于涡轮做功起动电机分配的起动功率迅速减少，起动电机电流迅速减少，在电流PI控制下，喷油量增加速度迅速降低至最小，在起动电机电流上升超过设定值35A之后，由于积分饱和的原因，控制信号仍然处于控制机构的调节死区，喷油量未能及时增加，导致起动电机电流继续增加，直到控制信号脱离死区。由于积分饱和的原因造成了起动电机电流较大波动，在仿真模型中采用抗积分饱和的PI控制，起动电机电流仿真结果如图3所示，可以看出起动电机电流的波动明显减小，对比常规电流PI控制与抗饱和积分PI控制器输出值，两次输出值如图4所示，从图中可以看出PI控制与抗积分饱和控制在270s进入了控制机构饱和区，但抗积分饱和PI控制脱离积分饱和区更加快速，喷油量及时增加，从而使电机电流波动更小。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (3)

1.微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：确定喷油量；
步骤二：根据起动电机电流调整单位喷油量耗时；
步骤三：防止控制器进入积分饱和区，采用遇限削弱积分法进行抗积分饱和，具体如下所示，
S31：采集数据，计算误差e(k)；
S32：判断此时PI控制输出量U(k)是否超出上限或低于下限；
S33：当U(k)超出上限或低于下限时，控制器积分器不再进行累积；当U(k)没有进入饱和区时，积分器正常进行累积；
S34：输出U(k)；
喷油量由公式(1.4)确定：
Figure FDA0002790644080000011
式(1.4)中：Gf为喷油量(g/s)；
U为时间间隔(s)；
i为时间节点序列。
2.根据权利要求1所述的微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法，其特征在于：在步骤一中，确定喷油量，如式(1.1)所示，
Figure FDA0002790644080000012
U(i+1)＝kpe(i+1)+ki∫e(i+1)dt (1.2)
e(i)＝Ist-I(i) (1.3)
上式(1.1)、(1.2)、(1.3)中：Gf为喷油量(g/s)；
U为时间间隔(s)；
Ist为电流设定值(A)；
I为电流值(A)；
e为电流值与电流设定值之间的误差(A)；
kp为比例常数；
ki为积分常数；
i为时间节点序列。
3.根据权利要求1所述的微型燃气轮机起动机电流抗积分饱和PI控制方法，其特征在于：在步骤二中，当起动电机电流变大时，减小单位喷油量耗时；同理，当起动电机电流过小时，增加单位喷油量耗时。
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