CN111077778A - 一种基于扩展卡尔曼滤波的船用燃气轮机参数估计及性能寻优方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于扩展卡尔曼滤波的船用燃气轮机参数估计及性能寻优方法，包括以下步骤：建立三轴燃气轮机数学模型；采用扩展卡尔曼滤波方法，利用在运行过程中发生气路故障的船用三轴燃气轮机可观测数据的输出，对其气路状态进行估计；采用Newton‑Raphson迭代法求解变工况下三轴燃气轮机的各部件压比、流量与效率特性，Runge‑Kutta方法求解三轴燃气轮机变工况动态过程；采用序列二次规划算法，建立性能寻优模型，求解使船用燃气轮机输出功率保持稳定的最佳稳态工作点。本发明可以在船用三轴燃气轮机发生气路故障时，对气路健康状态进行准确估计，并进行参数寻优。该求解非线性动态系统的方法应用范围较广，在其他系统应用于卡尔曼滤波时同样具有参考意义。

Description

一种基于扩展卡尔曼滤波的船用燃气轮机参数估计及性能寻 优方法

技术领域

本发明涉及的是一种船用燃气轮机控制方法，具体地说是船用燃气轮机性能寻优方法。

背景技术

船用燃气轮机在船舶动力领域得到了广泛的应用和发展，其安全和高效运行越来越重要。船用燃气轮机在使用过程中，受到来自海洋的海水飞溅和蒸发的腐蚀，含有大量氯化钠的空气进入发动机会使压气机表面积盐，使机组性能指标下降，同时还将对机组产生腐蚀，缩短发动机寿命。为保证船用燃气轮机安全和高效运行，降低生命周期成本，跟踪部件的性能参数和运行状况对于其自我诊断和故障分析至关重要。三轴燃气轮机是常见的船用燃气轮机。

卡尔曼滤波作为一种实时递推最优估计方法，可通过系统输入输出观测数据，在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态。由于它便于计算机编程实现，并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理，Kalman滤波是目前应用最为广泛的滤波方法已广泛应用于发动机状态监测和气路性能分析。基于非线性模型的燃气轮机气路故障诊断方法相比线性模型方法的诊断结果精度高。燃气轮机为弱非线性系统，研究选择基于扩展卡尔曼滤波进行。

发明内容

本发明的目的在于提供可以在船用三轴燃气轮机发生气路故障时，对气路健康状态进行准确估计，并进行参数寻优的一种基于扩展卡尔曼滤波的船用燃气轮机参数估计及性能寻优方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于扩展卡尔曼滤波的船用燃气轮机参数估计及性能寻优方法，其特征是：

(1)建立船用三轴燃气轮机数学模型，引入表征气路健康状态的流量、效率参数：

三轴燃气轮机非线性模型中引入表征各部件流量、效率健康状态的健康参数h，采用变比热方法计算三轴燃气轮机此工作点低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮与动力涡轮的工作参数及性能参数：

y_k＝g(x_k,h_k,u_k)+v_k

x为状态参数，u为输入参数，y为可测参数，w、v为系统噪声，k为离散的时间间隔；

(2)求解船用三轴燃气轮机非线性模型:

使用Matlab/Simulink中的S-function模块，调用三轴燃气轮机模型M文件，选择燃气轮机燃油量、压气机可转导叶角度作为输入量，流量不平衡量作为输出量，使用Newton-Raphson迭代法求解下式，

得到稳态工作点各部件特性，求解结果作为求解变工况动态过程的基础；

使用S-function模块，调用三轴燃气轮机模型M文件，选择燃气轮机稳态工作点各部件特性、燃油量、可转导叶角度作为输入量，功率的导数作为输出量，使用四阶Runge-Kutta方法求解下式，求解变工况动态过程：

β为建立数学模型时引入的求解各部件特性参数的自变量，e为流量不平衡方程的残差，n为高压轴与低压轴的转速向量，h为迭代步长，K为不同步长下高压轴与低压轴转速的导数向量；

(3)建立船用三轴燃气轮机气路状态估计模型：

将三轴燃气轮机发生故障时带有测量噪声的可测参数测量值输入到扩展卡尔曼滤波器，故障状态下已知可测参数与基准模型参数的偏差量估计出动态系统状态参数变化过程：

P是状态预测误差的协方差阵，K是滤波增益阵，Q是过程噪声w的协方差矩阵，R是过程噪声v的协方差矩阵，系统矩阵A和测量方程C通过Jacobian计算方法来获得：

(4)故障状态下三轴燃气轮机的性能寻优方法：

利用序列二次规划算法对故障状态下的船用三轴燃气轮机进行性能寻优，扩展卡尔曼滤波器将对状态参数的估计结果输入到优化算法程序，即在已知三轴燃气轮机气路故障状态下，以燃油量、低压压气机可转导叶角度、高压压气机可转导叶角度为被控参数，寻求使三轴燃气轮机输出功率回复到故障之前状态的稳态工作点，保证燃机输出；优化过程中建立非线性不等式约束条件：n_L≤n_L,max＝1.02n_L,D，n_H≤n_H,max＝1.02n_H,D，

n_L,max是低压转子最大转速，n_H,max是高压转子最大转速，n_L,D是低压转子故障前转速，n_H,D是高压转子故障前转速，

是高压涡轮进口最大温度，

是高压涡轮故障前温度，

是动力涡轮出口最大温度，

是高压涡轮故障前温度。

本发明的优势在于：本发明可以在船用三轴燃气轮机发生气路故障时，对气路健康状态进行准确估计，并进行参数寻优。从而保持船用燃气轮机输出功率稳定，降低涡轮进出口温度，提高发动机寿命。有效地防止了由于气路故障引起的过度燃烧问题，保证船用燃气轮机安全稳定运行。该求解非线性动态系统的方法应用范围较广，在其他系统应用于卡尔曼滤波时同样具有参考意义。

附图说明

图1为本发明船用三轴燃气轮机结构简图；

图2为进行参数估计及性能寻优流程图的。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明的目的通过以下方案实现：

(1)根据船用三轴燃气轮机数学模型，采用变比热方法计算出三轴燃气轮机给定工作点下低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮与动力涡轮的工作参数及性能参数；

(2)根据对三轴燃气轮机在气路故障变化过程中可测参数的观测，测量方差已知的情况下，从一系列存在测量噪声的数据中，估计出动态系统的状态参数变化过程；

(3)根据经典的Newton-Raphson迭代法求解稳态工作点各部件的压比、流量与效率特性；四阶Runge-Kutta方法求解转子动力学非线性常微分方程，迭代求解气路故障状态下三轴燃气轮机变工况动态过程；

(4)利用序列二次规划算法对故障状态下的船用三轴燃气轮机进行性能寻优，以三轴燃气轮机输出功率稳定输出为目标，控制被控参数使船用三轴燃气轮机达到非线性不等式约束条件下的目标性能。

具体为：

(1)引入健康参数

三轴燃气轮机非线性模型中引入表征各部件流量、效率健康状态的健康参数h，采用变比热方法计算三轴燃气轮机此工作点低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮与动力涡轮的工作参数及性能参数：

x为状态参数，u为输入参数，y为可测参数，w、v为系统噪声，k为离散的时间间隔。

(2)船用三轴燃气轮机非线性模型求解方法

使用Matlab/Simulink中的S-function模块，调用三轴燃气轮机模型M文件，选择燃气轮机燃油量、压气机可转导叶角度作为输入量，流量不平衡量作为输出量，使用经典的Newton-Raphson迭代法求解(2)，可得到稳态工作点各部件特性，求解结果作为求解变工况动态过程的基础；使用S-function模块，调用三轴燃气轮机模型M文件，选择燃气轮机稳态工作点各部件特性、燃油量、可转导叶角度作为输入量，功率的导数作为输出量，使用四阶Runge-Kutta方法求解(3)，求解变工况动态过程。

β为建立数学模型时引入的求解各部件特性参数的自变量，e为流量不平衡方程的残差，n为高压轴与低压轴的转速向量，h为迭代步长，K为不同步长下高压轴与低压轴转速的导数向量。

(3)在Matlab/Simulink中建立船用三轴燃气轮机气路状态估计模型

将三轴燃气轮机发生故障时带有测量噪声的可测参数测量值输入到扩展卡尔曼滤波器，故障状态下已知可测参数与基准模型参数的偏差量估计出动态系统状态参数变化过程。

P是状态预测误差的协方差阵，K是滤波增益阵，Q是过程噪声w的协方差矩阵，R是过程噪声v的协方差矩阵。系统矩阵A和测量方程C通过Jacobian计算方法来获得：

(4)故障状态下三轴燃气轮机的性能寻优方法

利用序列二次规划算法对故障状态下的船用三轴燃气轮机进行性能寻优。扩展卡尔曼滤波器将对状态参数的估计结果输入到优化算法程序，即在已知三轴燃气轮机气路故障状态下，以燃油量、低压压气机可转导叶角度、高压压气机可转导叶角度为被控参数，寻求使三轴燃气轮机输出功率回复到故障之前状态的稳态工作点，保证燃机输出。优化过程中建立非线性不等式约束条件：n_L≤n_L,max＝1.02n_L,D，n_H≤n_H,max＝1.02n_H,D，

n_L,max是低压转子最大转速，n_H,max是高压转子最大转速，n_L,D是低压转子故障前转速，n_H,D是高压转子故障前转速，

是高压涡轮进口最大温度，

是高压涡轮故障前温度，

是动力涡轮出口最大温度，

是高压涡轮故障前温度。

Claims (1)

1.一种基于扩展卡尔曼滤波的船用燃气轮机参数估计及性能寻优方法，其特征是：

(1)建立船用三轴燃气轮机数学模型，引入表征气路健康状态的流量、效率参数：

三轴燃气轮机非线性模型中引入表征各部件流量、效率健康状态的健康参数h，采用变比热方法计算三轴燃气轮机此工作点低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮与动力涡轮的工作参数及性能参数：

y_k＝g(x_k,h_k,u_k)+v_k

x为状态参数，u为输入参数，y为可测参数，w、v为系统噪声，k为离散的时间间隔；

(2)求解船用三轴燃气轮机非线性模型:

使用Matlab/Simulink中的S-function模块，调用三轴燃气轮机模型M文件，选择燃气轮机燃油量、压气机可转导叶角度作为输入量，流量不平衡量作为输出量，使用Newton-Raphson迭代法求解下式，

得到稳态工作点各部件特性，求解结果作为求解变工况动态过程的基础；

使用S-function模块，调用三轴燃气轮机模型M文件，选择燃气轮机稳态工作点各部件特性、燃油量、可转导叶角度作为输入量，功率的导数作为输出量，使用四阶Runge-Kutta方法求解下式，求解变工况动态过程：

β为建立数学模型时引入的求解各部件特性参数的自变量，e为流量不平衡方程的残差，n为高压轴与低压轴的转速向量，h为迭代步长，K为不同步长下高压轴与低压轴转速的导数向量；

(3)建立船用三轴燃气轮机气路状态估计模型：

将三轴燃气轮机发生故障时带有测量噪声的可测参数测量值输入到扩展卡尔曼滤波器，故障状态下已知可测参数与基准模型参数的偏差量估计出动态系统状态参数变化过程：

P是状态预测误差的协方差阵，K是滤波增益阵，Q是过程噪声w的协方差矩阵，R是过程噪声v的协方差矩阵，系统矩阵A和测量方程C通过Jacobian计算方法来获得：

(4)故障状态下三轴燃气轮机的性能寻优方法：

利用序列二次规划算法对故障状态下的船用三轴燃气轮机进行性能寻优，扩展卡尔曼滤波器将对状态参数的估计结果输入到优化算法程序，即在已知三轴燃气轮机气路故障状态下，以燃油量、低压压气机可转导叶角度、高压压气机可转导叶角度为被控参数，寻求使三轴燃气轮机输出功率回复到故障之前状态的稳态工作点，保证燃机输出；优化过程中建立非线性不等式约束条件：n_L≤n_L,max＝1.02n_L,D，n_H≤n_H,max＝1.02n_H,D，

n_L,max是低压转子最大转速，n_H,max是高压转子最大转速，n_L,D是低压转子故障前转速，n_H,D是高压转子故障前转速，

是高压涡轮进口最大温度，

是高压涡轮故障前温度，

是动力涡轮出口最大温度，

是高压涡轮故障前温度。

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