DE2756681C2 - Regelsystem für eine Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

— ein mit den gemessenen Regel- und Einstellgrößen gespeister Rechner (18) vorgesehen ist, der ein den Betrieb der Gasturbinenanlage simulierendes, aus gespeicherten Formeln und Datenelementen bestehendes Rechnenmodell enthält, zur Bet^shnung jeder Regelgröße als Funktion eines oder mehrerer der jeweils anderen gemessenen Regel- und/oder Einstellgrößen,

— der Rechner (18) der Regler-Recheneinheit (26) anstelle der gemessenen die berechneten Regelgrößen zuführt, und

— der Rechner (18) jede gemessene Regelgröße mit der entsprechenden berechneten Regelgröße vergleicht und bei Überschreiten einer vorbestimmten oder berechneten zulässigen Abweichung anstelle der identifizierten unzulässigen gemessenen Regelgröße die entsprechende berechnete Regelgröße z^. Berechnung anderer Regelgrößen verwendet, sowie ein Anzeigesignal (30) für das Betriebs- -ersonal erzeugt.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenmodell ständig dem momentanen Betriebszustand der Gasturbinenanlage angepaßt wird, indem die gespeicherten, den momentanen Betriebszustand beschreibenden Datenelemente als Funktion der Differenz der gemessenen und berechneten Regelgrößen verändert werden, sofern die jeweilige Differenz innerhalb der jeweils zulässigen Abweichung liegt.

3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Veränderung jedes gespeicherten, den momentanen Betriebszustand beschreibenden Datenelements derart gewichtet ist, daß er proportional dem Einfluß der entsprechenden Regelgröße auf das Datenelement im Verhältnis zu dem Einfluß ist, den die übrigen Regelgrößen auf dieses Datenelement ausüben.

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für eine Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Regelsystem für eine Gasturbinenanlage ist aus der FR-PS 22 82 538 bekannt. Dieses Regelsystem enthält in einem Rechner eine empirisch ermittelte Matrix, die den Zusammenhang zwischen bestimmten, an der Gasturbine gemessenen Meßgrößen wiedergibt. Beim Betrieb des Regelsystems werden bestimmte momentane Meß- oder Regelgrößen der Gasturbine als Eingangsparameter für die Matrix verwendet und der Rechner stellt fest, welche anderen Meßgrößen sich daraufhin einstellen sollten. Wenn die über die Matrix erhaltenen Meßgrößen nicht mit den aktuell an der Gasturbine ermittelten Meßgrößen übereinstimmen, werden die Stellglieder zum Verändern der Einstellgrößen, wie der Brennstoffzufuhr oder der Leitschaufelposition entsprechend nachgestellt.

Gleichzeitig werden die Regelabweichungen, die beim Verstellen der Gasturbinenanlage zwischen den tatsächlichen Meßgrößen und den über die Matrix erhaltenen Meßgrößen auftreten, aufintegriert, um beispielsweise eine Begrenzung bei der Beschleunigung oder Verzögerung des Kompressors zu erreichen.
Der Ausfall eines Meßwertwandlers oder Sensors würde bei dem bekannten Regelsystem zum Ausfall der gesamten Regelung führen, weil der aufintegrierte Fehler bei der Regelabweichung ansteigen würde.

Selbst wenn bei dem Ausfall eines solchen Sensors die Gasturbinenanlage grundsätzlich noch funktionsfähig bleiben sollte, ist dennoch unter Umständen ein erheblicher Leistungsabfall zu befürchten. Auch der Leistungsabfall wiederum kann beispielsweise bei Flugzeugtriebwerken zu gefährlichen Flugsituationen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Regelsystern für eine Gasturbinenanlage zu schaffen, das beim Ausbleiben von Meßgrößen, beispielsweise infolge von gestörten Sensoren, einen Leistungsrückgang der Gasturbinenanlage verhindert und das Ausfallen eines Sensors dem Betriebspersonal anzeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Regelsystem mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.

Der Rechner verwendet ein gespeichertes Programm, das die geregelte Gasturbinenanlage nachbildet und das kontinuierlich durch die Signale auf den neuesten Zustand gebracht wird, die von den Sensoren für die Regelgrößen und von den Sensoren für die Einsteilgrößen erhalten werden. Der Rechner verwendet diese Eingangssignale, das Modell der Gasturbinenanlage und die gespeicherten Datenelemente, weiche Schützwerte des internen Zustandes der Gasturbinenanlage darstellen, dazu, Ausgangssignale für die Übermittlung an die Regler-Recheneinheit zu erzeugen. Diese, durch Simulation erhaltenen Signale, stellen Schützwerte für die tatsächlichen Werte der von den Sensoren für die Regelgröße in den Rechner eingegebenen Werte dar und werden kontinuierlich mit Hilfe der Signale der Sensoren für die Regelgrößen und die Einstellgrößen auf den neuesten Zustand gebracht. Der Rechner vergleicht kontinuierlich jedes von dem Regelgrößen-Sensor gelieferte Eingangssignal mit dem entsprechenden, an die Regler-Recheneinheit ausgegebenen Signal und beim Feststellen einer einen gespeicherten oder berechneten Toleranzwert übersteigenden Differenz wird der zugeordnete Regelgrößen-Sensor daran gehindert, das Modell der Gasturbinenanlage in einen neuen Zustand zu überführen. Jedoch beeinflußt der Verlust eines Regelgrößensensor-Eingangssignales die Leistung der Gasturbinenanlage nicht wesentlich, aa der Rechner weiterhin die dem unterdrückten Sensorsignal zugeordneten Ausgangssignale liefert. Das Ausgangssignal des Rechners stellt den besten Schätzwert für das unterdrückte Eingangssignal dar, der unter der Verwendung des gespeicherten Modells der Gasturbinenanlage berechnet wurde, das durch die übrigen, nicht unterdrückten Regelgrößen-Eingangssignale und die Steuerparameter-Eingangssignale neuen Gegebenheiten angepaßt wird. Über einen Schnittstellenschaltkreis kann dem Betriebs-

personal der Gasturbinenanlage ein Signal übermittelt werden, das das Ausfallen eines bestimmten Regelgrößen-Sensorsignales anzeigt Somit erlaubt das erfindungsgemäße Regelsystem einen kontinuierlichen Betrieb der Gasturbinenanlage ohne Leistungsrückgang, selbst dann, wenn ein oder mehrere Regelgrößen-Signale nicht ordnungsgemäß empfangen werden.

Da das Modell den gegenseitigen Einfluß zwischen den verschiedenen Regelgrößen benutzt, um ein Parametersignal zu berechnen, werden Fehler oder kleine Ungenauigkeiten bei der Messung der Parameter gering gehalten, so daß solange keine Sensoren gesperrt sind wie die Werte der von dem Rechner gelieferten Regelgrößen-Eingangssignale genauer sind als diejenigen Eingangssignale, die unmittelbar von den einzelnen Regelgrößen-Sensoren geliefert werden.

Das Regelsystem kann bei einem bereits einen Digital-Recbner enthaltenden Regelkreis integriert werden, ohne daß dazu getrennte Rechnergruppen erforderlich wären. Das Regelsystem kann ebenfalls in einen bereits bestehenden analogen oder anderen elektrischen Regelkreis zwischen die Regelgrößen-Senso^ren eines Triebwerkes und die Regler-Recheneinheit eingefügt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm des Regelsystems gemäß der Erfindung, und

F i g. 2 ein Flußdiagramm eines Regelprogrammes für das Regelsystem gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Regelkreis für eine Gasturbinenanlage 10 dargestellt Die Gasturbinenanlage 10 besteht aus einem Turbo-Luftstrahltriebwerk, einem Propeller-Turbinen-Luftstrahltriebwerk, einem Gasturbinentriebwerk oder einem Mantelstromtriebwerk mit hohem oder niedrigem Nebenstromverhältnis in einer bekannten Bauform. Derartige Triebwerke verfügen im allgemeinen über eine gewisse Anzahl von Sensoren 12, die die Werte der Regelgrößen messen, mit denen die verschiedenen Triebwerks-Stellgrößen, wie Treibstoffdurchsatz und Geometrie des Triebwerks, gesteuert werden, um einen erwünschten Leistungswert zu erhalten. Eine Anzahl von Sensoren 13 ist ebenfalls vorgesehen, um die Werte der Einstellgrößen zu messen.

Die Ausgangssignale der Sensoren 12, 13 werden in Signalverarbeitungs-Verstärker und Analog-Digital-Umsetzer 16 eingespeist, die die Signale bis auf einen normierten, analogen Gleichspannungsbereich verstärken und danach diese Analog-Signale in ein digitales Format umsetzen. Die digitalen Steuersignale werden dann in einem Digital-Rechner 18 über eine Eingabe/ Ausgabe-Einheit 20 eingegeben. Der Digital-Rechner 18 ist von üblicher Bauart und verfügt über eine Eingabe/Ausgabe-Einheit 20 zum Anschluß externer Geräte, eine arithmetische Einheit 22 zur Durchführung von arithmetischen Operationen und einen programmierbaren Speicher zum Speichern von Programmen. Informationen und Daten. Erfindungsgernäß enthält der Programmspeicher ein Triebwerksmodell, das die Funktion der Gasturbinenanlage simuliert. Derartige Modelle für Gasturbinenanlagen sind bekannt und bestehen im allgemeinen aus einem Satz mathematischer Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen den Triebwerks-Regelgrößen, beispielsweise den Drücken und Temperaturen der verschiedenen Triebwerks-Bauteile, als eine Funktion der Werte der Einstellgrößen, beispielsweise des Treibstoffdurchsatzes des Triebwerks sowie dessen Geometrie (z. B. Einlauf- und Auslaßfläche) und des internen Zustands des Triebwerks beschreiben. Somit liefert das Modell für einen gegebenen Satz von Bedingungen für die Einstellgrößen Werte für die Regelgrößen des Triebwerks und umgekehrt

Der Programmspeicher 24 enthält ebenfalls ein Arbeitsprogramm zur Steuerung der Datenverarbeitung. In Fig.2 ist ein Ablaufdiagramm für das Arbeitsprogramm dargestellt Nach der Initialisierung, während der die Ausgangswerte sowohl für die Regelgrößen als

ίο auch für die Einstellgrößen in den Rechner eingegeben werden, empfängt das Arbeitsprogramm kontinuierlich die Signalwerte der Sensoren 12, 13, die in das Triebwerksmodell eingeführt werden. Das Triebwerksmodell verwendet die Einstellgrößen zusammen mit den gespeicherten, eine Näherung des internen Zustandes des Triebwerks darstellenden Daten, um die zugeordneten Werte der Regelgrößen zu berechnen. Diese berechneten Regelgrößen werden dann in eine Regler-Recheneinheit 16 eingegeben, die sie zusammen mit den von den Sense! en 13 herrührenden Werten der Einstellgrößen verarbeitet, um Signale zur Betätigung von Stellgliedern 14 zu berechnen. Die berechneten Regelgrößen werden auch mit den von den Sensoren 12 der Triebwerke erhaltenen Regelgrößen verglichen, wobei deren Differenz berechnet wird. Wenn diese Differenz eine entweder gespeicherte oder als Funktion der anderen abgetasteten Regelgrößen oder Einstellgrößen des Triebwerks berechnete, zulässige Abweichung überschreitet greift das Steuerprgramm ein (wie unten beschrieben werden wird), um zu verhindern, daß die außerhalb der zulässigen Abweichung liegenden Eingangsgrößen das Modell weiterhin in einen neuen Zustand bringen. Das Steuerprogramm gibt auch ein Signal an die Bedienungsperson des Triebwerks ab, um anzuzeigen, daß ein außerhalb der zulässigen Abweichung liegendes Sensor-Signal empfangen wurde und der Sensor daran gehindert wurde, das Triebwerksmödell auf einen neuen Stand zu bringen.

Das Triebwerksmodell wird dadurch auf den neuesten Zustand gebracht, daß die gespeicherten, eine Schätzung des inneren Zustandes des Triebwerks darstellenden Daten als eine Funktion der Differenz zwischen den berechneten Eingangswerten der Regelgrößen und den entsprechenden, von den Sensoren 13 des Triebwerks eingegebenen Regelgrößen verändert werden. Somit wird für jede berechnete Regelgrößen-Differenz eine entsprechende Veränderung an jedem gespeicherten Datenelement vorgenommen, das eine Schätzung des internen Zustandes des Triebwerks darstellt, der durch diese Regelgröße beeinflußt wird. Wenn die Regelgröße unterdrückt wurde, werden keine entsprechenden Veränderungen an den durch diese Regelgröße beeinflußten Datenelementen vorgenommen. Zur Erzielung einer größeren Genauigkeit wird die Größe der Veränderung jedes eine Schätzung des internen Zustandes des Triebwerks, darstellenden, gespeicherten Datenelementes gewichtet, so daß sie proportional dem Steuerungsanteii ist, den die abgetastete Regelgröße auf dieses Datenelement in bezug auf den Steuerungsanteii hat, den die übrigen Regelgrößen auf dieses Datenelement ausüben.

Die berechneten Werte für die Regelgrößsn der Sensoren werden von dem Digital-Rechner 18 an die Regler-Recheneinheit 26 ausgegeben. Die Regler-Recheneinheit 26 ist von bekannter Bauart und kann digital oder analog aufgebaut sein. Im Fall einer analogen Recheneinheit 26 muß ein Digital-Analog-Umsetzer (nichtdargestellt) zwischen dem Digital-Rechner 18 und

der Regler-Recheneinheit 26 vorgesehen sein. Die für Gasturbinenanlagen bekannte Regler-Recheneinheit 26 verarbeitet die von den Sensoren des Triebwerks empfangenen Regelgrößen und die Einstellgrößen sowie das bekannte, charakteristische Triebwerksverhalten, das üblicherweise in Gestalt eines analogen Algorithmus oder digitaler Daten gespeichert ist. um Ausgangssignale für die Betätigung von elektromechanischen oder elektrohydraulischen Stellgliedern 14 zu berechnen, damit ein gewünschter Leistungswert des Triebwerks aufvechterhalten wird. Geeignete Verstärker und Digital-Analog-Umsetzer 28 sind zwischen der Regler-Recheneinheit 26 und den Stellgliedern 14 vorgesehen, um die von der Regler-Recheneinheit 26 eingegebenen Signale auf den normierten, für die Betätigung der Stellglieder 14 erforderlichen Spannungsbereich umzusetzen und/ oder aufzubereiten.

Die Signalverarbeitungs-Verstärker und Analog-Digital-Umsetzer 16, der Digital-Rechner 18, die Regler-Recheneinheit 26 sowie die Signalverarbeitungsverstärker und Digital-Analog-Umsetzer 28 sind bekannte, handelsübliche Baugruppen, deren Aufbau keinen Teil der Erfindung bilden.

Auf diese Weise erlaubt der Regelkreis gemäß der Erfindung einen kontinuierlichen Betrieb der Triebwerks-Steuerung ohne Herabsetzung der Leistungsfähigkeit, selbst dann, wenn ein oder mehrere Regelgrößen-Sensorsignale ausfallen.

Ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen, ist der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Regelkreis jo einer Reihe von Abwandlungen fähig. Falls dieses Regelsystem mit einer digitalen Steuerung aufgebaut ist. kann die oben beschriebene Logik programmiert sein und ohne die Notwendigkeit getrennter Rechner-Bausteine in das System integriert werden. Dieses System kann auch nach einem Sensorausfall in einem Regelsystem verwendet werden, bei dem die Regler-Recheneinheit über einen direkten Sensor-Eingang verfugt, in diesem Fall wird das ausgefallene Sensorsignal durch das Triebwerksmodell geliefert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Regelsystem für eine Gasturbinenanlage, mit Sensoren zur Messung von Regelgrößen der Gasturbinenanlage, und zur Übermittlung der Regelgrößen an eine Regler-Recheneinheit, deren Ausgangssignale an Stellglieder zur Steuerung der Einstellgrößen der Gasturbinenanlage geleitet werden, wobei die gemessenen Regelgrößen mit entsprechenden berechneten Regelgrößen verglichen werden, die als Funktion eines oder mehrerer der jeweils anderen gemessenen Regelgrößen berechenbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß