DE102008005939A1

DE102008005939A1 - Systeme und Verfahren zum Initialisieren dynamischer Modellzustände unter Verwendung eines Kalmanfilters

Info

Publication number: DE102008005939A1
Application number: DE102008005939A
Authority: DE
Inventors: Timothy Andrew Healy; Randy S. Rosson; Kevin Wood Wilkes
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2008-07-31
Also published as: CN101230803B; US20080178600A1; CH701650B1; CN101230803A; JP2008185029A; US7853392B2

Abstract

Die Ausführungsformen der Erfindung können System und Verfahren zum Initialisieren dynamischer Modellzustände unter Verwendung eines Kalmanfilters oder eines ähnlichen Filters bereitstellen. In einer Ausführungsform wird ein anpassungsfähiges modellbasiertes Steuersystem (100) zum Steuern eines Gasturbinenantriebs (110) bereitgestellt. Das System (100) kann mindestens einen Sensor (14) umfassen, der angepasst ist, um Informationen dynamischer Art (Y) über einen gegenwärtigen Zustand des Antriebs (110) zu erhalten. Darüber hinaus kann das System (100) ein Antriebsmodell (130) umfassen, das ange empfangen, und ferner angepasst ist, um den gegenwärtigen Zustand des Antriebs (110) widerzuspiegeln. Des Weiteren kann das System (100) einen Modellfilter (120) umfassen, der angepasst ist, um das Modell (130) mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art (Y) zu initialisieren, wobei mindestens ein Wert in das Antriebsmodell (130) eingegeben wird, der zumindest teilweise auf den Informationen dynamischer Art (Y) basiert. Außerdem kann das Modell (130) ferner angepasst sein, um zumindest teilweise, auf mindestens einem Wert basierend, eine Ausgabe des Antriebsmodells (130) zu bestimmen. Ferner kann das System (100) eine Steuereinrichtung (140) umfassen, die angepasst ist, um zumindest teilweise, auf der Ausgabe des Antriebsmodells (130) basierend, einen Antriebssteuervorgang zu bestimmen, und ferner angepasst ist, um ...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Modellieren von Gasturbinen und im Besonderen auf Systeme und Verfahren zum Initialisieren dynamischer Modellzustände unter Verwendung eines Kalmanfilters oder eines ähnlichen Filters.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Gestaltung und die Bedienung eines Verbrennungssystems in einer drehenden Maschine wie z. B. einer Gasturbine können komplex sein. Zur Gestaltung und zum Bedienen solcher Antriebe können herkömmliche Modelle verwendet werden, um Leistungsparameter für verschiedene Antriebskomponenten, umfassend statische und dynamische Zustände des Antriebs vorherzusagen. Ein Beispiel für einen dynamischen Zustand eines Gasturbinenantriebs ist die in einer Komponente der Gasturbine wie z. B. dem Rotor, der Turbinenschaufel oder dem Gehäuse gespeicherte Wärmeenergie. In einigen Fällen erfordern herkömmliche Modelle die Initialisierung von einem oder mehreren Leistungsparametern vor dem Erzeugen einer Vorhersage anderer Leistungsparameter.
Zum Beispiel kann eine typische Herangehensweise sein, einen thermischen Zustand für ein Modell durch Auswählen eines Zeitpunktes zu initialisieren, an dem der Wärmestrom ungefähr Null ist, oder wenn das Gasturbinentriebwerk thermisch stabil ist. Die praktische Erfahrung kann zeigen, dass bei einer vorbestimmten Belastungseinstellung ungefähr 30–60 Betriebsminuten nötig sein können, um eine thermische Stabilität oder Balance zu erreichen. In jedem Fall können, wenn der wahre dynamische Zustand nicht exakt initialisiert wird, Restfehler in der Modellierung anderer Leistungsparameter vorhanden sein. Abhängig von der Anzahl solcher Fehler, kann es einige Zeit dauern, bis diese Fehler während des Betriebs des Modells und des Antriebs abklingen.
Daher besteht ein Bedarf nach anpassungsfähigen Steuersystemen und -verfahren. Ferner besteht noch ein Bedarf nach anpassungsfähigen Systemen und Verfahren, bei denen sich das Steuersystem in Echtzeit selbst aktualisieren kann. Es besteht ebenfalls ein Bedarf nach anpassungsfähigen Systemen und Verfahren, die unter Verwendung eines Computers automatisiert werden können. Darüber hinaus besteht ein Bedarf nach anpassungsfähigen Steuersystemen und Verfahren zur Steuerung von Gasturbinenantrieben wie z. B. Gasturbinen in einem Flugtriebwerk, Kraftwerk, Schiffsantrieb oder einer Industrieanwendung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Ausführungsformen der Erfindung können einige oder alle vorstehend beschriebenen Bedürfnisse ansprechen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind im Wesentlichen auf Systeme und Verfahren zum Initialisieren und Konfigurieren dynamischer Modellzustände unter Verwendung eines Kalmanfilters oder eines ähnlichen Filters gerichtet, um der gemessenen Leistung einer Gasturbine zu entsprechen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein System ein Modell mit mindestens einem Filter umfassen, der angepasst ist, um mindestens einen dynamischen Zustand des Modells zu initialisieren, um mindestens einer Leistungsmessung eines zugehörigen Antriebs zu entsprechen. Das System kann ebenfalls mindestens eine Steuereinrichtung umfassen, die angepasst ist, um einen Befehl für den zugehörigen Antrieb zu erzeugen, der zumindest partiell auf dem initialisierten Modell basiert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Filter ein Kalmanfilter sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein Modell ein Wärmeaufnahmemodell umfassen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein dynamischer Zustand des Modells der Wärmestromzustand des Modells sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern einer Gasturbine das Erhalten von Informationen dynamischer Art umfassen, die zu einem gegenwärtigen Zustand eines Antriebs gehören. Das Verfahren kann ebenfalls das Initialisieren eines Antriebsmodells mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art umfassen, wobei mindestens ein Wert, der zumindest partiell auf den Informationen dynamischer Art basiert, in das Antriebsmodell eingegeben wird. Darüber hinaus kann das Verfahren das Bestimmen des gegenwärtigen Zustands des Antriebs von dem Modell umfassen, das zumindest teilweise auf mindestens einem Wert basiert. Des Weiteren kann das Verfahren das Bestimmen eines Antriebssteuervorgangs umfassen, das zumindest teilweise auf dem Zustand des Antriebs basiert. Außerdem kann das Verfahren das Ausgeben eines Steuerbefehls umfassen, um den Antriebssteuervorgang zu implementieren.
In einem Aspekt der Erfindung können die Informationen dynamischer Art mindestens eine der nachstehenden Informationen umfassen: eine Temperatur, einen Druck, eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Punkten in dem Antrieb, eine Abgastemperatur oder eine Verdichterausgangstemperatur.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Erhalten von Informationen dynamischer Art, die zu einem gegenwärtigen Zustand eines Antriebs gehören, das Erhalten von Informationen über mindestens eine der nachstehenden Einheiten umfassen: den Antrieb, eine Antriebskomponente, ein Antriebssystem, eine Antriebssystemkomponente, ein Antriebssteuersystem, eine Antriebssteuersystemkomponente, einen Gasbereich in dem Antrieb, die Gasbereichdynamik, einen Aktuator, einen Effektor, eine Steuereinrichtung, die das Antriebsverhalten modifiziert, einen Sensor, einen Monitor, ein Messsystem, ein Kraftstoffaufbereitungssystem, ein Kraftstofffördersystem, eine Schmieranlage, die Hydraulik, eine Exemplarstreuung des Antriebs, den Verschleiß, eine mechanische Störung, eine elektrische Störung, eine chemische Störung, einen mechanischen Fehler, einen elektrischen Fehler, einen chemischen Fehler, einen mechanischen Schaden, einen elektrischen Schaden, einen chemischen Schaden, eine Systemstörung, einen Systemfehler und einen Systemschaden.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Antriebsmodell ein anpassungsfähiges Echtzeit-Antriebssimulationsmodell umfassen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Modellfilter einen Kalmanfilter umfassen.
Darüber hinaus kann in einem anderen Aspekt der Erfindung das Initialisieren eines Antriebsmodells mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art das Eingeben von mindestens einem gemessenen Leistungswert in das Antriebsmodell umfassen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Initialisieren eines Antriebsmodells mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art das Implementieren eines Kalmanfilters umfassen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren das Wiederholen von mindestens einem Teil der vorherigen Schritte umfassen, wobei zusätzliche Informationen dynamischer Art in das Antriebsmodell eingegeben werden, um die Antriebssteuerung zu verbessern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann das automatische Durchführen des Verfahrens von einem Computer umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein anpassungsfähiges modellbasiertes Steuersystem zum Steuern eines Gasturbinenantriebs mindestens einen Sensor umfassen, der angepasst ist, um Informationen dynamischer Art über einen gegenwärtigen Zustand des Antriebs zu erhalten. Des Weiteren kann das System ein Antriebsmodell umfassen, das angepasst ist, um Informationen von dem Sensor zu erhalten, und ferner angepasst ist, um den gegenwärtigen Zustand des Antriebs wiederzuspiegeln. Das System kann ebenfalls einen Modellfilter umfassen, der angepasst ist, um das Modell mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art zu initialisieren, wobei mindestens ein zumindest partiell auf den Informationen dynamischer Art basierender Wert in das Antriebsmodell einge geben wird. Darüber hinaus kann das Modell ferner angepasst werden, um eine Ausgabe des Antriebsmodells zu bestimmen, die zumindest teilweise auf mindestens einem Wert basiert. Außerdem kann das System eine Steuereinrichtung umfassen, die angepasst ist, um einen Antriebssteuervorgang zu bestimmen, der zumindest teilweise auf der Ausgabe des Antriebsmodells basiert, und ferner angepasst ist, um einen Steuerbefehl auszugeben, um den Antriebsteuervorgang zu implementieren.
In einem Aspekt der Erfindung können die Informationen dynamischer Art mindestens eine der nachstehenden Informationen umfassen: eine Temperatur, einen Druck, eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Punkten in dem Triebwerk, eine Abgastemperatur oder eine Verdichterausgangstemperatur.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung können die Informationen dynamischer Art über einen gegenwärtigen Zustand eines Antriebs Informationen über mindestens einen der nachstehenden Punkte umfassen: das Triebwerk, eine Antriebskomponente, ein Antriebsystem, eine Antriebssystemkomponente, ein Antriebsteuersystem, eine Antriebssteuersystemkomponente, einen Gasbereich in dem Triebwerk, die Gasbereichdynamik, einen Aktuator, einen Effektor, eine Steuereinrichtung, die das Antriebsverhalten modifiziert, einen Sensor, einen Monitor, ein Messsystem, ein Kraftstoffaufbereitungssystem, ein Kraftstofffördersystem, eine Schmieranlage, die Hydraulik, eine Triebwerksexemplarstreuung, den Verschleiß, eine mechanische Störung, eine elektrische Störung, eine chemische Störung, einen mechanischen Fehler, einen elektrischen Fehler, einen chemischen Fehler, einen mechanischen Schaden, einen elektrischen Schaden, einen chemischen Schaden, eine Systemstörung, einen Systemfehler und einen Systemschaden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Antriebsmodell ein anpassungsfähiges Echtzeit-Antriebssimulationsmodell umfassen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann der mindestens eine zumindest teilweise auf den Informationen dynamischer Art basierende Wert mindestens einen gemessenen Leistungswert umfassen.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Modell ferner angepasst sein, um mindestens einen Teil der vorherigen Schritte zu wiederholen, wobei zusätzliche Informationen dynamischer Art in das Antriebsmodell eingegeben werden, um die Antriebssteuerung zu verbessern.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Modell automatisch von einem Computer implementiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein anpassungsfähiges modellbasiertes Steuersystem, das angepasst ist, um ein Gasturbinentriebwerk zu steuern, mindestens ein Modell umfassen, das angepasst ist, um die Leistung eines Gasturbinenantriebs darzustellen.
In einem Aspekt der Erfindung kann mindestens ein Schätzer angepasst sein, um einen gegenwärtigen Zustand des Antriebs zu bestimmen, und ferner angepasst sein, um das Modell mit den Informationen dynamischer Art zu initialisieren.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann mindestens eine modellbasierte Steuerung angepasst sein, um eine Ausgabe des Schätzers zu verwenden und mindestens einen Steuerbefehl an das Gasturbinentriebwerk zu liefern.
In einem anderen Aspekt der Erfindung können die Informationen dynamischer Art mindestens eine der nachstehenden Informationen umfassen: eine Temperatur, einen Druck, eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Punkten in dem Triebwerk, eine Abgastemperatur oder eine Verdichterausgangstemperatur.
In einem anderen Aspekt der Erfindung können die Informationen dynamischer Art Informationen über mindestens einen der nachstehenden Punkte umfassen: das Triebwerk, eine Antriebskomponente, ein Antriebsystem, eine Antriebssystemkomponente, ein Antriebsteuersystem, eine Antriebssteuersystemkomponente, einen Gasbereich in dem Triebwerk, die Gasbereichdynamik, einen Aktuator, einen Effektor oder Aktor, eine Steuereinrichtung, die das Antriebsverhalten modifiziert, einen Sensor, einen Monitor, ein Messsystem, ein Kraftstoffaufbereitungssystem, ein Kraftstofffördersystem, eine Schmieranlage, die Hydraulik, eine Antriebsexemplarstreuung, den Verschleiß, eine mechanische Störung, eine elektrische Störung, eine chemische Störung, einen mechanischen Fehler, einen elektrischen Fehler, einen chemischen Fehler, einen mechanischen Schaden, einen elektrischen Schaden, einen chemischen Schaden, eine Systemstörung, einen Systemfehler und einen Systemschaden.
Darüber hinaus kann in einem anderen Aspekt der Erfindung das Modell ein anpassungsfähiges Echtzeit-Antriebssimulationsmodell umfassen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Modell ferner angepasst, um mindestens einen Teil der vorherigen Schritte zu wiederholen, wobei zusätzliche Informationen dy namischer Art in das Antriebsmodell eingegeben werden, um die Antriebssteuerung zu verbessern.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Schätzer einen Kalmanfilter umfassen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird das anpassungsfähige modellbasierte Steuersystem automatisch von einem Computer implementiert.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Nachdem die Erfindung so weit allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, die nicht zwangsläufig maßstabsgerecht gezeichnet sind und in denen:
1 ein schematisches Diagramm ist, das den Aufbau eines Beispielgasturbinenantriebs zeigt, welches von einer Ausführungsform dieser Erfindung gesteuert werden kann.
2 ein Blockdiagramm ist, das Komponenten eines anpassungsfähigen Antriebsteuersystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
3 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispielmodell während der normalen Ausführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
4 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispielmodell während der dynamischen Konfiguration gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
5–6 eine Reihe von Wärmeübergangsgleichungen für ein Beispielsystem und -modell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellen.
7–9 Initialisierungsphasen für Beispielmodelleinstellungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung für den Betrieb ausgewählter Komponenten einer Gasturbine darstellen.
10–13 Beispielvergleiche einer Gasturbine, die eine Ausführungsform der Erfindung implementiert, und einer Gasturbine, die keine Ausführungsform der Erfindung implementiert, darstellen.
14–15 stellen Beispielvergleiche einer Gasturbine dar, die eine Ausführungsform der Erfindung implementiert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun nachstehend ausführlicher mit Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen Beispielausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier dargestellten Beispielausführungsformen begrenzt ausgelegt werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen so bereitgestellt, dass diese Darstellung Fachleuten den Anwendungsbereich der Erfindung vermittelt. Gleiche Ziffern verweisen durchweg auf gleiche Elemente.
Die Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf Blockdiagramme und schematische Darstellungen von Verfahren und Systemen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es wird verstanden werden, dass jeder Diagrammblock sowie jede Kombination aus Diagrammblöcken durch Computerprogrammanweisungen implementiert werden kann. Diese Computerprogrammanweisungen können auf einen oder mehrere Universalcomputer, Spezialcomputer oder andere programmierbare datenverarbeitende Geräte geladen werden, um Maschinen herzustellen, damit die Anweisungen, die auf den Computern oder anderen datenverarbeitenden Geräten laufen, Mittel zum Implementieren der in dem Block oder den Blöcken spezifizierten Funktionen erzeugen. Solche Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Speicher gespeichert werden, der einen Computer oder ein anderes programmierbares datenverarbeitendes Gerät anweisen kann, auf bestimmte Art und Weise zu arbeiten, so dass die in dem computerlesbaren Speicher gespeicherten Anweisungen ein Produkt erzeugen, das ein Anweisungsmittel umfasst, welches die in dem Block oder den Blöcken spezifizierte Funktion implementiert.
In den Ausführungsformen dieser Erfindung kann jedes technische System, Steuersystem oder jede Eigenschaft des Antriebs oder des Triebwerkteilsystems modelliert werden, umfassend, aber nicht begrenzt auf, das Triebwerk selbst, den Gasbereich und die Gasdynamik; Aktuatoren, Effektoren oder andere Steuereinrichtungen, die das Antriebsverhalten modifizieren oder ändern; Sensoren, Monitore oder Messsysteme; das Kraftstoffaufbereitungssystem; das Kraftstoffförderungssystem; die Schmieranlage; und/oder die Hydraulik. Die Modelle dieser Komponenten und/oder Systeme können physikbasierte Modelle sein (umfassend ihre lineare Annäherung). Zusätzlich oder alternativ können die Modelle auf linearer und/oder nichtlinearer Systemidentifikation, neuronalen Netzen und/oder Kombinationen davon basieren.
Gasturbinen sind luftatmende Triebwerke oder Antriebe, die basierend auf dem Brayton-Kreisprozess Arbeit erzeugen. Einige Beispiele für Gasturbinen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, umfassen: Flugtriebwerke, Stromversorgungssysteme, Antriebe für Marineanwendungen, als Pumpen verwendete Turbinen, in Kombikraftwerken verwendete Turbinen und in anderen Industrieanwendungen verwendete Turbinen. In Gasturbinen wird die Wärmeenergie aus der Verbrennung des Kraftstoffs mit Luft, der Verbrennung des Kraftstoffs mit einem Oxidationsmittel, chemischen Reaktionen und/oder Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle bezogen. Die Wärmeenergie wird dann in nutzbare Arbeit umgewandelt. Diese Arbeit kann in Form von Schubkraft, Wellenleistung oder Elektrizität ausgegeben werden. Die Leistung bzw. der Betrieb dieser Triebwerke wird durch die Verwendung von Aktuatoren gesteuert. Einige Beispiele für Aktuatoren in Gasturbinentriebwerken umfassen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Kraftstoffaufbereitungsventile, Einlassleitschaufeln, variable Statorleitschaufeln, variable Geometrie, Entlüftungsventile, Anlassventile, Abstandssteuerventile, Einlasswärme, variable Auspuffdüsen und dergleichen. Einige Beispiele für gemessene Antriebswerte umfassen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Temperaturen, Drücke, Rotordrehzahlen, Aktuatorpositionen und/oder Strömungen.
Ein Beispielschema für ein Beispielnachverbrennungsgasturbinentriebwerk 10 ist in 1 dargestellt mit Bezeichnungen der Stationen 12, Sensoren 14 und Aktuatoren 16, wobei die Aktuatoren umfassen können: eine IGV, d. h. Einlassleitschaufel; eine VSV, d. h. variable Statorleitschaufel; ein MFMV, d. h. Hauptkraftstoffaufbereitungsventil; ein AFMV, d. h. Nachverbrennungskraftstoffaufbereitungsventil und eine A8 variable Auspuffdüse; und die Sensoren können erfassen: T2, d. h. die Fan-Einlasstemperatur; N2, d. h. Fan-Drehzahl; PS14, d. h. den statischen Fan-Ausgangsdruck; P25, d. h. den Verdichtereinlassdruck; N25, d. h. die Kerndrehzahl; PS3, d. h. den statischen Verdichterausgangsdruck und T4B, d. h. die Hochdruckturbinenaustrittstemperatur.
Das in 1 dargestellte Triebwerk 10 kann eine aerodynamisch gekoppelte Dualrotormaschine sein, wobei ein Niederdruckrotorsystem (Fan und Niederdruckturbine) von einem Hochdrucksystem (Kerntriebwerk) mechanisch unabhängig sein kann. Die über die Einlassöffnung eintretende Luft kann durch den Fan komprimiert und anschließend in zwei konzentrische Strömungen geteilt werden. Eine dieser Strömungen kann in den Hochdruckverdichter eintreten und durch die Hauptbrennkammer des Antriebs, die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine Weiterströmen. Die andere Strömung kann durch einen ringförmigen Kanal geleitet und mithilfe einer gewundenen Rampe stromabwärts der Niederdruckturbine wieder mit der Kernströmung vereint werden. Die vereinten Strömungen können in eine eingezogene variable Auspuffdüse in den Verstärker eintreten, wo die Strömung unter Druck gesetzt, expandiert und rückwärts in die Atmosphäre beschleunigt werden kann, wodurch sie eine Schubkraft erzeugt.
Die verschiedenen Aktuatoren des Antriebs 10 können durch Aktuationseingaben einer Steuereinrichtung wie z. B. des nachstehend mit Bezug auf 2 beschriebenen modellbasierten prädiktiven Beispielsteuermoduls gesteuert werden. Die verschiedenen Sensoren können gemessene oder gefühlte Parameterwerte zum Überwachen und Verwenden durch ein oder mehrere System liefern. Zum Beispiel können die gefühlten und gemessenen Werte genutzt werden, um die Werte verschiedener Leis tungsparameter unter Verwendung eines Zustandschätzers, wie nachstehend mit Bezug auf 2 beschrieben, zu schätzen.
Fachleute werden verstehen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsformen auf eine Vielfalt von Systemen anwendbar und nicht auf Triebwerke oder andere Einrichtungen begrenzt sind, die der in 1 beschriebenen ähneln.
Steuersysteme, die dazu eingerichtet sind, um die Steuerung solcher Triebwerke bereitzustellen, wurden bereitgestellt in U.S.-Patent Nr. 6,823,253 , mit dem Titel "METHODS AND APPARATUS FOR MODEL PREDICTIVE CONTROL OF AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINES," (Verfahren und Gerät für die prädiktive Modellsteuerung von Fluggasturbinentriebwerken) eingereicht am 27. Nov. 2002; U.S.-Patent Nr. 6,823,675 B2 , mit dem Titel "ADAPTIVE MODEL-BASED CONTROL SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING A GAS TURBINE," (Anpassungsfähige modellbasierte Steuersysteme und -verfahren zum Steuern einer Gasturbine), eingereicht am 13. Nov. 2002; und U.S.-Patentanmeldung Nr. 2005/0193739 A1, mit dem Titel "MODEL-BASED CONTROL SYSTEMS AND METHODS FOR GAS TURBINE ENGINES" (Modellbasierte Steuersysteme und -verfahren für Gasturbinentriebwerke), eingereicht am 2. März 2004, wobei die Inhalte jedes dieser Patente als Referenz hierin enthalten sind.
2 stellt eine Steueranordnung dar, die ein Beispielmodell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert. Das in 2 dargestellte Steuersystem 100 ist angepasst, um die technische Maschinenanlage bzw. das Gasturbinentriebwerk 110 zu überwachen und zu steuern, um unter einer Vielfalt an Bedingungen eine im Wesentlichen optimale Leistung zu bieten. Die Anlage bzw. das Triebwerk 110 kann Sensoren umfassen, die Werte Y bestimmter Parameter fühlen oder messen. Diese Parameter können Fan-Drehzahl, Drücke und Druckverhältnisse sowie Temperaturen umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt. Die Anlage bzw. der Antrieb 110 kann auch einen oder mehrere Aktuatoren umfassen, die durch eine oder mehrere Befehlseingaben U gesteuert werden können. Die Anlage bzw. der Antrieb 110 kann zum Beispiel dem in 1 dargestellten Triebwerk 10 ähneln.
Die Werte Y der gefühlten oder gemessenen Parameter werden an einen Zustandsschätzer 120 geliefert. Die Eingabe der Werte, wie z. B. Temperaturen, in den Zustandsschätzer 120 kann verwendet werden, um einen oder mehrere Werte in dem Zustandsschätzer zu initialisieren. Der Zustandsschätzer 120 kann ein Modell 130 der Anlage bzw. des Antriebs 110 umfassen. Das Modell 130 kann von dem Zustandsschätzer 120 verwendet werden, um einen oder mehrere Zustandsparameter zu erzeugen, die Schätzungen der Leistungsparameter umfassen können. In einer besonderen Ausführungsform kann das Modell 130 eine mit einem Kalmanfilter implementierte anpassungsfähige Echtzeit-Antriebssimulation (ARES) sein, die nachstehend mit Bezug auf 3–4 ausführlicher beschrieben wird. Die ARES kann ein Modell sein, das für die Verwendung mit einer modellbasierten Steuereinrichtung für relativ große Industriegasturbinen angepasst ist. In anderen Ausführungsformen kann das Modell 130 einen rekursiven Filter, einen rekursiven Schätzer, einen anpassungsfähigen digitalen Filter, einen erweiterten Kalmanfilter oder einen beliebigen anderen Filter, Algorithmus, eine Einrichtung oder ein Verfahren umfassen, der/die/das dem hierin beschriebenen ähnelt.
Die Zustandsparameter des Zustandsschätzers 120 und des dazugehörigen Modells 130 können an ein modellbasiertes prädiktives Steuermodul oder Steuermodul 140 übertragen werden.
Das Steuermodul 140 kann die Zustandsparameter zum Durchführen einer Optimierung verwenden, um Befehle für einen oder mehrere Aktuatoren der Anlage bzw. des Antriebs 110 zu bestimmen. Zum Beispiel kann das Steuermodul 140 eine Optimierung durchführen, um einen oder mehrere Antriebssteuervorgänge und die entsprechenden Steuerbefehle für einen oder mehrere Aktuatoren eines Gasturbinenantriebs zu bestimmen. In diesem Zusammenhang kann das Steuermodul 140 einen Optimierer 150 und ein Modell 160 umfassen. Das zu dem Steuermodul 140 gehörende Modell 160 kann mit dem Modell 130, welches zu dem Zustandsschätzer 120 gehört, identisch sein. Fachleute werden erkennen, dass ein Modell entweder in dem Zustandsschätzer 120 oder dem Steuermodul 140 oder beiden implementiert werden kann. In einer besonderen Ausführungsform können das Modell 130, das Modell 160 oder beide eine mit einem Kalmanfilter implementierte anpassungsfähige Echtzeit-Antriebssimulation (ARES) sein, die nachstehend mit Bezug auf 3–4 ausführlicher beschrieben wird. Die Verwendung von einem oder beiden Modellen 130, 160 erlaubt der Optimierung des Antriebs 110 schnell zu konvergieren.
In der Praxis können die Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, um die Modelle 130, 160 bei Inbetriebnahme der Anlage bzw. des Antriebs 110 zu initialisieren. Darüber hinaus können die Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, um die dynamischen Zustände der Modelle 130, 160 nach einer beliebigen Zeit eines Ereignisses wie z. B. Entlastung oder Sensorfehler erneut zu initialisieren. Andere Ausführungsformen der Erfindung können verwendet werden, um die dynamischen Zustände anderer Arten von Maschinen oder Einrichtungen unter anderen Umständen zu initialisieren.
3 und 4 sind Blockdiagramme, die jeweils ein Beispielmodell während der normalen Ausführung und während der dynamischen Konfiguration gemäß den Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Diese Diagramme stellen die Datenverarbeitung von verschiedenen mit den Modellen 300, 400 verbundenen Modulen dar, wie z. B. eine mit einem Kalmanfilter implementierte anpassungsfähige Echtzeit-Antriebssimulation (ARES). Wie dargestellt, können die Modelle 300, 400 einige oder alle der nachstehenden Module gemäß den Ausführungsformen der Erfindung umfassen: Modellblock 302, Modellblock 304, Modellblock-partielle Ableitung 306, Modellblock-partielle Ableitung 308, Filterblock 310 und Wärmeaufnahmeblock 312. Die Modulblöcke 302, 304, 306, 308, 310 und 312 stellen verschiedene "Laufzeit"-Typenmodule dar, für die verschiedene Parameter in jedes der Module 302, 304, 306, 308, 310 und 312 eingegeben werden und die jeweiligen entsprechenden Ausgaben der Module 302, 304, 306, 308, 310 und 312 gemäß den Ausführungsformen der Erfindung empfangen werden können. Fachleute werden erkennen, dass verschiedene Eingaben und Ausgaben als Dateneingaben, Vektoren, Matrizen, Funktionen und andere mathematische Instrumente konfiguriert werden können. In jedem Fall können die dargestellten Modelle 300, 400 Modellvorhersagen bestimmen und Modellvorhersagen mit gemessenen Leistungen in einer Echtzeitumgebung für ein Gasturbinentriebwerk wie z. B. 10 in 1 oder eine ähnliche Einrichtung dynamisch einstellen. Die Beispielmodelle 300, 400 können in dem Gasturbinentriebwerk, als 10 in 1 dargestellt, und dem als 100 in 2 dargestellten System implementiert werden.
3 und 4 stellen die Eingabe der Leistungsparameter 314 in die Modelle 300, 400 dar. Zum Beispiel können die Leistungsparameter 314, als „U Querstrich" bezeichnet, in den Modellblock 302 eingegeben und ferner in den Modellblock 304 eingegeben werden. Geeignete Leistungsparameter können gefühlte oder gemessene Leistungsparameter, umfassend Temperaturen, Drücke, eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Punkten in dem Triebwerk, eine Abgastemperatur, eine Verdichterausgangstemperatur oder andere Betriebsbedingungen oder -daten umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt. Zum Beispiel können die Leistungsparameter Betriebsdaten von mindestens einem der nachstehenden Punkte umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt: ein Triebwerk, eine Antriebskomponente, ein Antriebsystem, eine Antriebssystemkomponente, ein Antriebsteuersystem, eine Antriebssteuersystemkomponente, einen Gasbereich in der Gasturbine, die Gasbereichdynamik, einen Aktuator, einen Effektor, eine Steuereinrichtung, die das Antriebsverhalten modifiziert, einen Sensor, einen Monitor, ein Messsystem, ein Kraftstoffaufbereitungssystem, ein Kraftstofffördersystem, eine Schmieranlage, die Hydraulik, eine Triebwerk-zu-Triebwerk-Abweichung, den Verschleiß, eine mechanische Störung, eine elektrische Störung, eine chemische Störung, einen mechanischen Fehler, einen elektrischen Fehler, einen chemischen Fehler, einen mechanischen Schaden, einen elektrischen Schaden, einen chemischen Schaden, eine Systemstörung, einen Systemfehler und einen Systemschaden. Der Modellblock 302 und der Modellblock 304 können jeweils herkömmliche Modelle sein, die angepasst sind, um die Echtzeit-Leistung eines Antriebs oder einer ähnlichen Einrichtung zu simulieren. Jeder Modellblock 302, 304 kann einen oder mehrere Algorithmen umfassen oder andernfalls implementieren, die angepasst sind, um die Echtzeit-Leistung eines Antriebs oder einer ähnlichen Einrichtung zu simulieren.
Die jeweilige Ausgabe 316 des Modellblocks 302 und die Ausgabe 318 des Modellblocks 304 kann zumindest teilweise basierend auf den Leistungsparametern 314 bestimmt werden. Zum Beispiel kann ein Teil der oder die gesamte Eingabe der Leistungsparameter 314 in den Modellblock 302 verwendet werden, um eine Leistungsausgabe 316, die mit „y Querstrich-Dach" bezeichnet ist, zu bestimmen, und ein Teil der oder die gesamte Eingabe der Leistungsparameter 314 in den Modellblock 304 kann verwendet werden, um eine Leistungsausgabe 318 zu bestimmen, die mit „y Querstrich-Dach mit Sternchen" bezeichnet ist. Die jeweiligen Leistungsausgaben 316, 318 aus jedem Modellblock 302, 304 können Vektoren sein, die vorhergesagte oder erwartete Leistungsparameter umfassen, die zumindest teilweise auf der Eingabe der Leistungsparameter 314 in jeden Modellblock 302, 304 basieren. Zusätzlich zur Leistungsausgabe 316 des Modellblocks 302 können phasenverschobene Variablen 320, als „opv" bezeichnet, für die Verwendung in nachfolgenden Modelldurchgängen ausgegeben werden. Zum Beispiel können zu einer beliebigen gegebenen Zeit eine oder mehrere Variablen, die in einer Matrix in einem Modell wie z. B. in dem Modellblock 302 verwendet werden, um einen Durchgang in der Phase verschoben sein. Solche phasenverschobenen Variablen können für die Verwendung in nachfolgenden Modelldurchgängen verwendet oder andernfalls modifiziert werden.
In den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen können andere Eingaben in den Modellblock 302 Filtereinstellungen für das Modell (als „x Querstrich-Dach mit Sternchen" bezeichnet) oder Multiplizierer 322, und den vorhergesagten Wärmeübergang 324 des Antriebs (als „Q Punkt Querstrich" bezeichnet), von denen jede nachstehend beschrieben wird, umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt. Außerdem kann eine andere Eingabe in den Modellblock 302 aus phasenverschobenen Variablen (als „opv" bezeichnet) bestehen, die vorstehend mit Bezug auf 320 beschrieben wurden.
Darüber hinaus können, wie in 3 und 4 dargestellt, andere Eingaben in den Modellblock 304 Filtereinstellungen für das Modell (als „x Querstrich-Dach mit Sternchen" bezeichnet) oder Multiplizierer 326 und den vorhergesagten Wärmeübergang 324 des Antriebs (als „Q Punkt Querstrich" bezeichnet), von denen jede nachstehend beschrieben wird, umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt. Des Weiteren kann eine andere Eingabe in den Modellblock 304 aus phasenverschobenen Variablen (als „opv" bezeichnet) bestehen, die vorstehend mit Bezug auf 320 beschrieben wurden.
Mit Rückbezug auf die Leistungsausgaben 316, 318 aus den Modellblöcken 302, 304 können diese Ausgaben 316, 318 die jeweiligen Eingaben in den Modellblock-partielle Ableitung 306 und den Modellblock-partielle Ableitung 308 darstellen. Der Modellblock-partielle Ableitung 306 und der Modellblockpartielle Ableitung 308 können jeweils herkömmliche Modelle sein, die angepasst sind, um die relative Änderungsmenge in der Modellleistung in Bezug auf Änderungen in bestimmten Eingabeleistungsparametern zu bestimmen. Jeder Modellblock 306, 308 kann einen oder mehrere Algorithmen, die angepasst sind, um die relative Änderungsmenge in der Modellleistung in Bezug auf Änderungen in bestimmten Eingabeleistungsparametern zu bestimmen, umfassen oder andernfalls implementieren. Zum Beispiel kann jeder Modellblock 306, 308 eine partielle Ableitung der Leistungsausgaben 316, 318, als „y Querstrich" bzw. „y Querstrich-Dach mit Sternchen" bezeichnet, implementieren und in jeden Modellblock 306, 308 eingeben.
In Bezug auf den Modellblock-partielle Ableitung 306 können Filtereinstellungen (als „x Querstrich-Dach" bezeichnet) oder Multiplizierer 322 in den Modellblock 306 eingegeben werden. Basierend zumindest teilweise auf der Leistungs ausgabe 316 und den Filtereinstellungen für das Modell oder der Multiplizierereingabe 322 in den Modellblock 306 kann die Ausgabe 326, als „x Querstrich-Dach mit Sternchen" bezeichnet, aus dem Modellblock-partielle Ableitung 306 bestimmt werden. Zum Beispiel kann eine partielle Ableitung eines Vektors, der die Leistungsausgabe 316 und Filtereinstellungen für das Modell oder die Multiplizierereingabe 322 in den Modellblock 306 darstellt, verwendet werden, um die Ausgabe 326 zu bestimmen, die anschließend in den Modellblock 304 eingegeben werden kann, wie vorstehend beschrieben. Darüber hinaus können die Ausgaben 330, 332, als „y_save Querstrich-Dach" bzw. „x_save Querstrich-Dach" bezeichnet, bestimmt werden, basierend zumindest teilweise auf der Leistungsausgabe 316 und den Filtereinstellungen für das Modell oder der Multiplizierereingabe 322 in den Modellblock 306. Diese zusätzlichen Ausgaben 330, 332 können Filtereinstellungen für das Modell oder Multiplizierer umfassen, die in früheren Modelldurchgängen bestimmt, verfolgt oder gespeichert wurden. Entweder kann eine oder können beide Ausgaben 330, 332 in den Modellblockpartielle Ableitung 308 eingegeben werden.
Mit Bezug auf den Modellblock-partielle Ableitung 308 kann zumindest teilweise basierend auf der Eingabe der Leistungsausgabe 318 in den Modellblock 308 eine Ausgabe 334, als „J" bezeichnet, bestimmt werden. Wie vorstehend beschrieben, können andere Eingaben in den Modellblock 308 die Ausgaben 326, 330 und 332 aus dem Modellblock 306, als „x Querstrich-Dach mit Sternchen", „y_save Querstrich-Dach" bzw. „x_save Querstrich-Dach" bezeichnet, umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt. Einige oder alle Eingaben 326, 330 und 332 in den Modellblock 308 können verwendet werden, um die Ausgabe 334 des Modellblocks 308 zu bestimmen. Zum Beispiel können einige oder alle Eingaben 318, 326, 330 und 332 verwendet werden, um eine Jacobi-Matrix aus Variablen, als „J" bezeichnet, oder eine Matrix aus partiellen Ableitungen zu bestimmen.
Mit Bezug auf den Filterblock 310 kann die Ausgabe 316 des Modellblocks 302 in den Filterblock 310 eingegeben werden. Des Weiteren können Leistungsparameter 336 des Antriebs, wie z. B. 10 in 1, in den Filterblock 310 eingegeben werden. Die Leistungsparameter können gefühlte oder gemessene Leistungsparameter umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt. Basierend zumindest teilweise auf der Ausgabe 316 und den Leistungsparametern 336 kann der Filterblock 310 eine oder mehrere Einstellungen für das Modell oder Multiplizierer 322 bestimmen. Einige oder alle Einstellungen für das Modell oder die Multiplizierer 322 können als Eingaben in den Modellblock 302, Modellblock 304, Modellblock-partielle Ableitung 306 und den Modellblock-partielle Ableitung 38 verwendet werden, wie vorstehend beschrieben. Der Filterblock 310 kann ein Kalmanfilter oder ähnlicher Filter sein, der angepasst ist, um eine oder mehrere Modellvorhersagen mit der gemessenen Leistung eines Gasturbinenantriebs oder einer ähnlichen Einrichtung dynamisch abzustimmen. Der Filterblock 310 kann einen oder mehrere Algorithmen umfassen oder andernfalls implementieren, die angepasst sind, um eine oder mehrere Modellvorhersagen mit der gemessenen Leistung eines Gasturbinenantriebs oder einer ähnlichen Einrichtung dynamisch abzustimmen.
In den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen kann der Filterblock 310 eine Kovarianzausgabe 338 ausgeben. Zum Beispiel kann eine Kovarianzausgabe eine Kovarianzmatrix umfassen, ist aber nicht darauf begrenzt. In den nachfolgenden Modelldurchgängen kann eine Kovarianzausgabe 338, wie z. B. eine Kovarianzmatrix, als eine Eingabe in den Filterblock 310 verwendet werden. Darüber hinaus können in den nachfol genden Modelldurchgängen einige oder alle Einstellungen für das Modell oder die Multiplizierer 322 des Filterblocks 310 als eine Eingabe in den Filterblock 310 verwendet werden.
Wie in 3 dargestellt, kann für die normale Ausführung des Modells 300 der Wärmeaufnahmeblock 312 eine Eingabe aus dem Modellblock 302 empfangen, wie z. B. die Ausgabe 316. Für die dynamische Konfiguration des in 4 dargestellten Modells 400 ist ein Wärmeaufnahmeblock 312 dargestellt, der von dem Filterblock 310 eine zusätzliche Eingabe, wie z. B. die Ausgabe 322, empfängt. Basierend teilweise auf einer oder beiden Eingaben 316, 322 kann der Wärmeaufnahmeblock 312 eine Wärmestromausgabe 324, als „Q Punkt Querstrich" bezeichnet, bestimmen. Des Weiteren kann der Wärmeaufnahmeblock 312 Metalltemperaturen 342 bestimmen, als „Tmtl" bezeichnet, die zum Gasturbinentriebwerk oder einer ähnlichen interessierenden Einrichtung gehören. In den nachfolgenden Modelldurchgängen kann die Wärmestromausgabe 324 als eine Eingabe in die Modellblöcke 302, 304 verwendet werden, wie vorstehend beschrieben.
In der Praxis können einige oder alle vorstehenden Prozesse und Anweisungen verwendet und bei Bedarf wiederholt werden, um während der Modellausführung automatisch und dynamisch einen Filter wie z. B. einen Kalmanfilter zu konfigurieren, um zu jeder beliebigen Zeit den Zustand des Wärmestrommodells zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Filter konfiguriert werden, um den Ausgangszustand des Wärmestrommodells „einzustellen", um der gemessenen Leistung des Gasturbinenantriebs oder einer anderen interessierenden Einrichtung zu entsprechen.
In einem Aspekt der Erfindung können ein oder mehrere Relaxationsfaktoren wie z. B. Einstellungen für das Modell oder die Multiplizierer 322 verwendet werden, um die Wärmestromeinstellung in ungefähr 50 Abtastungen oder Modelldurchläufen bei ungefähr 25 Hertz Abtastrate oder innerhalb von ungefähr 2 Sekunden zu erreichen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird der Ausgangszustand des Wärmestrommodells initialisiert, indem die zum Gasturbinentriebwerk gehörenden Metalltemperaturen so eingestellt werden, dass sie mit dem berechneten Wärmestrom übereinstimmen.
In einem noch anderen Aspekt der Erfindung können einige oder alle vorstehenden Prozesse und Anweisungen verwendet werden, um während der Modellausführung automatisch und dynamisch einen Filter, wie z. B. einen Kalmanfilter, zu konfigurieren, um zu jeder beliebigen Zeit den Zustand einer anderen Reihe dynamischer Leistungsparameter zu bestimmen.
5 und 6 stellen eine Reihe von Beispielwärmeübergangsgleichungen für ein Beispielsystem und ein dazugehöriges Modell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Wie in 5 dargestellt, können herkömmliche Variablen und Gleichungen des Wärmeübergangs und der Wärmekonvektion für eine Masse in einem Tauchfluid in einem Modell, wie z. B. einem ARES Wärmeaufnahmemodell, verwendet werden, ähnlich einem Modell, das von dem Wärmeaufnahmeblock 312 in 3 implementiert wird. Zum Beispiel können einige oder alle nachstehenden Variablen für ein Beispielsystem und ein dazugehöriges Modell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden.

(1) h_∞ = Filmkühlkoeffizient
(2) A_W = benetzte Fläche
(3) M = Wärmemasse des Rotors
(4) C_P = spezifische Wärme des Rotors
(5) T_M = Metalltemperatur
(6) T_∞ = Fluidtemperatur
(7) T₀ = Ausgangsmetalltemperatur
(8) t = Zeit

Als weiteres Beispiel können einige oder alle nachstehenden Gleichungen für ein Beispielsystem und ein dazugehöriges Modell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. dQ/dt = h∞AW(TM – T∞) (1) dQ/dt = –MCP d/dt(TM – T∞) (2) d/dT(TM – T∞) = –(h∞AW/MCP)(TM – T∞) (3) (TM – T∞)/(T0 – T∞) = e–(t/τ) (4) τ = MCP/h∞AW (5)
Andere Ausführungsformen der Erfindung können jede der vorstehenden Variablen oder Gleichungen implementieren und können auch andere Variablen und Gleichungen für andere Modelltypen umfassen, die nicht auf Wärmeübergangs-, Konvektions- oder Wärmeaufnahmemodelle begrenzt sind.
Bei der Initialisierung eines Wärmeaufnahmemodells gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die nachstehenden Variablen und Gleichungen implementiert werden.

(1) τ_ref = Zeitkonstante für jeden thermischen Knoten (zum Beispiel 3 Knoten)
(2) hA_ref = Konvektionskühlkoeffizient × benetzte Fläche bei Referenzbedingungen
(3) tf_ref = Fluid (Gasbereich) Temperatur bei Referenzbedingungen
(4) wf_ref = Massenstrom bei Referenzbedingungen
(5) T₀ = Ausgangsmetalltemperatur
(6) Tf = gemessene Fluidtemperatur
(7) hA/hA_ref = (w/w_ref)^0.80 (tf/tf_ref)^0.84
(8) τ/τ_ref = hA_ref/hA
(9) T₀ = T_f + Q dot/h_A

Als Beispiel können die Variablen (1)–(4) Referenzeingabevariablen sein. Durch die Verwendung der Gleichungen (7) und (8) können die Variablen hA und τ auf spezielle Referenzzustände festgelegt werden. In der Gleichung (9) kann die Ausgangsmetalltemperatur T₀ durch Einstellen von Q dot aufgelöst oder andernfalls initialisiert werden, während die Eingabe konstant gehalten wird.
In einem Aspekt einer Ausführungsform kann die Initialisierung der Ausgangsmetalltemperatur innerhalb von ungefähr 50 Abtastungen oder Modelldurchgängen mit ungefähr 25 Hertz Abtastrate oder innerhalb von ungefähr 2 Sekunden optimiert werden.
7–9 stellen Reaktionsgeschwindigkeiten für Systeme und Modelle dar, welche die Wärmeübergangsinitialisierung (Q dot) mit drei unterschiedlichen Gasturbinenantriebskomponenten, einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine gemäß den Ausführungsformen der Erfindung durchführen. In allen drei Figuren sind drei unterschiedliche Implementierungen eines Systems und Modells gemäß den Ausführungsformen der Erfindungen dargestellt, um die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten zwischen den Systemimplementierungen zu zeigen. Die Diagramme 700, 800, 900 zeigen jeweils die Zeit im Vergleich zu den Metalltemperaturen für jede der drei Gasturbinenantriebskomponenten. Im Wesentlichen stellen die Diagramme 700, 800, 900 den thermischen Zustand der drei Gasturbinenantriebskomponenten dar, die gemeinsam im Wesentlichen den thermischen Zustand des Gasturbinenantriebs beschreiben können.
7 stellt eine Initialisierungsphase für Beispielfiltereinstellungen für einen Verdichter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Das dargestellte Diagramm 700 stellt ein System 702 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0005, ein System 704 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0010 und ein System 706 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0015 dar. Wie dargestellt, weist das System 702 mit dem relativ kleinen Psigma-Wert eine relativ langsame Reaktionsgeschwindigkeit auf. Im Gegensatz dazu weist das System 706 mit einem relativ hohen Psigma-Wert eine relativ schnelle Reaktionsgeschwindigkeit auf und ist relativ instabil. Verglichen mit den Systemen 702 und 706 weist das System 704 mit einem mittleren Psigma-Wert eine Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den Systemen 702, 706 auf. In diesem Beispiel ist ein Psigma-Wert von ungefähr 0,0010 für ein System und Modell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geeignet und wird mit den speziellen Geräten in diesem Beispiel implementiert. Auf diese Weise kann ein Bediener oder Anwender die optimalen Einstellungen für einen Filter bestimmen, um zu gewährleisten, dass die spezielle Filterrelaxation für den speziellen interessierenden dynamischen Zustand weder zu wenig noch überkritisch gedämpft ist.
8 stellt eine Initialisierungsphase für Beispielfiltereinstellungen für eine Brennkammer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Das dargestellte Diagramm 800 stellt ein System 802 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0005, ein System 804 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0010 und ein System 806 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0015 dar. Wie dargestellt, weist das System 802 mit dem relativ kleinen Psigma-Wert eine relativ langsame Reaktionsgeschwindigkeit auf. Im Gegensatz dazu weist das System 806 mit einem relativ hohen Psigma-Wert eine relativ schnelle Reaktionsgeschwindigkeit auf und ist relativ instabil. Verglichen mit den Systemen 802 und 806 weist das System 804 mit einem mittleren Psigma-Wert eine Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den Systemen 802, 806 auf. In diesem Beispiel ist ein Psigma-Wert von ungefähr 0,0010 für ein System und Modell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geeignet und wird mit den speziellen Geräten in diesem Beispiel implementiert. Auf diese Weise kann ein Bediener oder Anwender die optimalen Einstellungen für einen Filter bestimmen, um zu gewährleisten, dass die spezielle Filterrelaxation für den speziellen interessierenden dynamischen Zustand weder zu wenig noch überkritisch gedämpft ist.
9 stellt eine Initialisierungsphase für Beispielfiltereinstellungen für eine Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Das dargestellte Diagramm 900 stellt ein System 902 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0005, ein System 904 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0010 und ein System 906 mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0015 dar. Wie dargestellt, weist das System 902 mit dem relativ kleinen Psigma-Wert eine relativ langsame Reaktionsgeschwindigkeit auf. Im Gegensatz dazu weist das System 906 mit einem relativ hohen Psigma-Wert eine relativ schnelle Reaktionsgeschwindigkeit auf und ist relativ instabil. Verglichen mit den Systemen 902 und 906 weist das System 904 mit einem mittleren Psigma-Wert eine Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den Systemen 902, 906 auf. In diesem Beispiel ist ein Psigma-Wert von ungefähr 0,0010 für ein System und Modell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geeignet und wird mit den speziellen Geräten in diesem Beispiel implementiert. Auf diese Weise kann ein Bediener oder Anwender die optimalen Einstellungen für einen Filter bestimmen, um zu gewährleisten, dass die spezielle Filterrelaxation für den speziellen interessierenden dynamischen Zustand weder zu wenig noch überkritisch gedämpft ist.
10–13 stellen Beispielfeldvergleiche eines Gasturbinenmodells, das eine Ausführungsform der Erfindung implementiert, und eines Gasturbinenmodells, das keine Ausführungsform der Erfindung implementiert, dar. Die Diagramme 1000, 1100, 1200, 1300 stellen die Zeit im Vergleich zu den Multiplizierern des Filterblocks 322 (3) für verschiedene Gasturbinenantriebskomponenten dar. Ein Wert von ungefähr 1,00 auf der linken Achse stellt die optimale Modellvorhersage für die spezielle Komponente dar. In jeder dieser Figuren stellen die Kurven 1002, 1102, 1302, die vertikal relativ nah an dem Wert der linken Achse von ungefähr 1,00 liegen, den Betrieb eines Gasturbinenmodells dar, welches ein Wärmeaufnahmemodell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert. Im Gegensatz dazu stellen die Kurven 1004, 1104, 1204, 1304, die vertikal relativ weit von dem Wert der linken Achse von ungefähr 1,00 entfernt sind, den Betrieb eines Gasturbinenmodells dar, das kein Wärmeaufnahmemodell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung implementiert. Wie durch einen Vergleich dieser Kurven dargestellt, wird die relative Effektivität des Beispielmodells gemäß einer Ausführungsform der Erfindung deutlich.
14–15 stellen Beispielfeldvergleiche eines Gasturbinenmodells dar, das eine Ausführungsform der Erfindung implementiert. Die Diagramme 1400, 1500 stellen die Zeit im Vergleich zu den Metall- und Fluidtemperaturen dar. In diesen beiden Figuren stellen die Kurven 1402, 1502 die Zeit im Vergleich zu der Fluidtemperatur dar und die Kurven 1404, 1504 stellen die Zeit im Vergleich zur Metalltemperatur dar. Wie durch den Vergleich dieser Kurven dargestellt, berücksichtigt die Initialisierung der Metalltemperaturen, die von einer Ausführungsform der Erfindung bewirkt wird, eine wesentliche Temperaturdifferenz, die andernfalls zu fehlerhaften Wärmestromberechnungen 324 (3) des anpassungsfähigen Echtzeit-Antriebssimulationsmodells führen würde.
Viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der hierin dargestellten Erfindungen werden Fachleuten einfallen, deren Fachgebiet diese Erfindung betrifft und die den Nutzen aus der in der vorangestellten Beschreibung und den dazu gehörenden Figuren dargestellten Kenntnissen ziehen. Daher wird von den Fachleuten anerkannt werden, dass die Erfindung in vielen Formen ausgeführt werden kann und nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zu begrenzen ist. Daher sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten spezifischen Ausführungsformen begrenzt ist, sondern beabsichtigt wird, dass Modifikationen und andere Ausführungsformen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Obwohl hierin spezifische Begriffe verwendet werden, werden sie lediglich in einem allgemeinen und erklärenden Sinn und nicht zum Zweck der Begrenzung verwendet.
Die Ausführungsformen der Erfindung können Systeme und Verfahren zum Initialisieren dynamischer Modellzustände unter Verwendung eines Kalmanfilters oder eines ähnlichen Filters bereitstellen. In einer Ausführungsform wird ein anpassungsfähiges modellbasiertes Steuersystem 100 zum Steuern eines Gasturbinenantriebs 110 bereitgestellt. Das System 100 kann mindestens einen Sensor 14 umfassen, der angepasst ist, um Informationen dynamischer Art Y über einen gegenwärtigen Zustand des Antriebs 110 zu erhalten. Darüber hinaus kann das System 100 ein Antriebsmodell 130 umfassen, das angepasst ist, um Informationen von dem Sensor 14 zu empfangen, und ferner angepasst ist, um den gegenwärtigen Zustand des Antriebs 110 wiederzuspiegeln. Des Weiteren kann das System 100 einen Modellfilter 120 umfassen, der angepasst ist, um das Modell 130 mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art Y zu initialisieren, wobei mindestens ein Wert in das Antriebsmodell 130 eingegeben wird, der zumindest teilweise auf den Informationen dynamischer Art Y basiert. Außerdem kann das Modell 130 ferner angepasst sein, um zumindest teilweise auf mindestens einem Wert basierend eine Ausgabe des Antriebsmodells 130 zu bestimmen. Ferner kann das System 100 eine Steuereinrichtung 140 umfassen, die angepasst ist, um zumindest teilweise auf der Ausgabe des Antriebsmodells 130 basierend einen Antriebssteuervorgang zu bestimmen, und ferner angepasst ist, um einen Steuerbefehl U auszugeben, um den Antriebsteuervorgang zu implementieren.

10: Gasturbinentriebwerk
12: Stationenbezeichnungen
14: Sensoren
16: Aktuatoren
100: Steuersystem
110: Gasturbinentriebwerk
120: Zustandsschätzer
130: Modell
140: Steuermodul
150: Optimierer
160: Modell
300: Modell
302: Modellblock
304: Modellblock
306: Modellblock-partielle Ableitung
308: Modellblock-partielle Ableitung
310: Filterblock
312: Wärmeaufnahmeblock
314: Leistungsparameter
316: Leistungsausgabe des Modellblocks 302
318: Leistungsausgabe des Modellblocks 304
320: phasenverschobene Variablen
322: Multiplizierer
324: vorhergesagter Wärmeübergang des Antriebs
326: Multiplizierer
330: Ausgabe des Modellblocks-partielle Ableitung 306
332: Ausgabe des Modellblocks-partielle Ableitung 306
334: Ausgabe des Modellblocks-partielle Ableitung 308
336: Leistungsparameter des Antriebs
338: Kovarianzausgabe
342: Metalltemperaturen
700: Reihe von Vergleichsdiagrammen
702: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0005
704: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0010
706: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0015
800: Reihe von Vergleichsdiagrammen
802: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0005
804: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0010
806: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0015
900: Reihe von Vergleichsdiagrammen
902: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0005
904: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0010
906: Diagramm für ein System mit einem Psigma-Wert von ungefähr 0,0015
1000: Reihe von Vergleichsdiagrammen
1002: Diagrammdes Betriebs eines Gasturbinenmodells, das ein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1004: Diagramm des Betriebs des Gasturbinenmodells, das kein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1100: Reihe von Vergleichsdiagrammen
1102: Diagramm des Betriebs eines Gasturbinenmodells, das ein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1104: Diagramm des Betriebs des Gasturbinenmodells, das kein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1200: Reihe von Vergleichsdiagrammen
1202: Diagramm des Betriebs eines Gasturbinenmodells, das ein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1204: Diagramm des Betriebs des Gasturbinenmodells, das kein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1300: Reihe von Vergleichsdiagrammen
1302: Diagramm des Betriebs eines Gasturbinenmodells, das ein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1304: Diagramm des Betriebs des Gasturbinenmodells, das kein Wärmeaufnahmemodell implementiert
1400: Reihe von Vergleichsdiagrammen
1402: Diagramm der Zeit im Vergleich zur Fluidtemperatur
1404: Diagramm der Zeit im Vergleich zur Metalltemperatur
1500: Reihe von Vergleichsdiagrammen
1502: Diagramm der Zeit im Vergleich zur Fluidtemperatur
1504: Diagramm der Zeit im Vergleich zur Metalltemperatur
Y: gefühlte oder gemessene Werte
U: Befehlseingaben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6823253 [0051]
- US 6823675 B2 [0051]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Gasturbinenantriebs (110), wobei das Verfahren umfasst: Erhalten von Informationen dynamischer Art (Y), die zu einem gegenwärtigen Zustand eines Antriebs (110) gehören; Initialisieren eines Antriebsmodells (130) mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art (Y), wobei mindestens ein zumindest teilweise auf den Informationen dynamischer Art (Y) basierender Wert in das Antriebsmodell (130) eingegeben wird; basierend zumindest teilweise auf dem mindestens einen Wert, der den gegenwärtigen Zustand des Antriebs (110) des Modells (130) bestimmt; basierend zumindest teilweise auf dem Zustand des Antriebs (110), der einen Antriebssteuervorgang bestimmt; und Ausgeben eines Steuerbefehls (U), um den Antriebssteuervorgang zu implementieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Informationen dynamischer Art (Y) mindestens eine der nachstehenden Information umfassen: eine Temperatur, einen Druck, eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Punkten in dem Triebwerk, eine Auspufftemperatur oder eine Verdichterausgangstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhalten von Informationen dynamischer Art (Y), die zu einem gegenwärtigen Zustand eines Antriebs (110) gehören, das Erhalten von Informationen über mindestens einen der nachstehenden Punkte umfasst: das Triebwerk, eine Antriebskomponente, ein Antriebsystem, eine Antriebssystemkomponente, ein Antriebsteuersystem, eine Antriebssteuersystemkomponente, einen Gasbereich in dem Triebwerk, die Gasbereichdynamik, einen Aktuator, einen Effektor, eine Steuereinrichtung, die das Antriebsverhalten modifiziert, einen Sensor, einen Monitor, ein Messsystem, ein Kraftstoffaufbereitungssystem, ein Kraftstofffördersystem, eine Schmieranlage, die Hydraulik, eine Triebwerk-zu-Triebwerk-Abweichung, den Verschleiß, eine mechanische Störung, eine elektrische Störung, eine chemische Störung, einen mechanischen Fehler, einen elektrischen Fehler, einen chemischen Fehler, einen mechanischen Schaden, einen elektrischen Schaden, einen chemischen Schaden, eine Systemstörung, einen Systemfehler und einen Systemschaden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Antriebsmodell (130) ein anpassungsfähiges Echtzeit-Antriebssimulationsmodell umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Initialisieren eines Antriebsmodells (130) mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art (Y) das Eingeben von mindestens einem gemessenen Leistungswert in das Antriebsmodell (130) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Initialisieren eines Antriebsmodells (130) mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischesr Art (Y) das Implementieren eines Kalmanfilters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Wiederholen von mindestens einem Teil der vorherigen Schritte, wobei zusätzliche Informationen dynamischer Art (Y) in das Antriebsmodell (130) eingegeben werden, um die Antriebssteuerung zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren automatisch von einem Computer ausgeführt wird.
Anpassungsfähiges modellbasiertes Steuersystem (100) zum Steuern eines Gasturbinenantriebs, wobei das System (100) umfasst: mindestens einen Sensor (14), der angepasst ist, um Informationen dynamischer Art (Y) über einen gegenwärtigen Zustand des Antriebs (110) zu erhalten; ein Antriebsmodell (130), das angepasst ist, um Informationen von dem Sensor (14) zu empfangen, und ferner angepasst ist, um den gegenwärtigen Zustand des Antriebs (110) wiederzuspiegeln; einen Modellfilter (120), der angepasst ist, um das Modell (130) mit mindestens einem Teil der Informationen dynamischer Art (Y) zu initialisieren, wobei mindestens ein Wert, der zumindest teilweise auf den Informationen dynamischer Art (Y) basiert, in das Antriebsmodell (130) eingegeben wird; das Modell (130) ferner angepasst ist, um basierend zumindest teilweise auf mindestens einem Wert eine Ausgabe des Antriebsmodells (130) zu bestimmen; und eine Steuereinrichtung, die angepasst ist, um zumindest teilweise auf der Ausgabe des Antriebsmodells basierend einen Antriebssteuervorgang zu bestimmen, und ferner angepasst ist, um einen Steuerbefehl (U) auszugeben, um den Antriebsteuervorgang zu implementieren.
Anpassungsfähiges modellbasiertes Steuersystem (100), das angepasst ist, um ein Gasturbinentriebwerk (110) zu steuern, wobei das Steuersystem (100) umfasst: mindestens ein Modell (130), das angepasst ist, um die Leistung eines Gasturbinenantriebs (110) darzustellen; mindestens einen Schätzer (120), der angepasst ist, um einen gegenwärtigen Zustand des Antriebs (110) zu bestimmen, und ferner angepasst ist, um das Modell (130) mit den Informationen dynamischer Art (Y) zu initialisieren; und mindestens eine modellbasierte Steuerung (140), die angepasst ist, um eine Ausgabe des Schätzers (120) zu verwenden und mindestens einen Steuerbefehl (U) an das Gasturbinentriebwerk (110) zu liefern.