JP6483571B2 - Performance estimation apparatus and performance estimation method - Google Patents

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Description

本発明は、性能推定装置及び性能推定方法に関する。   The present invention relates to a performance estimation device and a performance estimation method.

ガスタービンエンジン等では、センサによる計測が不可能な内部状態量及び性能パラメータが存在する。このようなセンサによる計測が不可能な内部状態量及び性能パラメータの値を推定する手法として、カルマンフィルタを用いた手法がある。例えば、特許文献1には、エンジンの物理モデルを含むカルマンフィルタを用いて、センサ計測値から観測不能変数推定値を演算するガスタービンエンジンの性能推定システムが記載されている。   In a gas turbine engine or the like, there are internal state quantities and performance parameters that cannot be measured by sensors. There is a technique using a Kalman filter as a technique for estimating values of internal state quantities and performance parameters that cannot be measured by such sensors. For example, Patent Document 1 describes a performance estimation system for a gas turbine engine that calculates an unobservable variable estimated value from a sensor measurement value using a Kalman filter including a physical model of the engine.

特許第5046104号公報Japanese Patent No. 5046104

特許文献1に記載の性能推定システムでは、カルマンフィルタゲインが一定とされている。このカルマンフィルタゲインは、ガスタービンエンジンのある作動点において求められるので、カルマンフィルタゲインを求めた作動点から外れた作動点では、センサによる計測が不可能な状態量の推定精度が低下し、推定ができない場合もある。   In the performance estimation system described in Patent Document 1, the Kalman filter gain is constant. Since this Kalman filter gain is obtained at a certain operating point of the gas turbine engine, at the operating point deviating from the operating point from which the Kalman filter gain is obtained, the estimation accuracy of the state quantity that cannot be measured by the sensor is lowered and cannot be estimated. In some cases.

本発明は、センサによる計測が不可能な状態量の推定精度を向上可能な性能推定装置及び性能推定方法を提供する。   The present invention provides a performance estimation device and a performance estimation method capable of improving the estimation accuracy of a state quantity that cannot be measured by a sensor.

本発明の一側面に係る性能推定装置は、推定対象の装置である対象装置を制御するための制御入力値及び対象装置に設けられたセンサによって計測されたセンサ計測値に基づいて、センサによる計測が不可能な対象装置の状態量の推定値である状態推定値を出力する装置である。この性能推定装置は、対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いて、制御入力値に基づいて、状態推定値の推定誤差を調整する前の推定値である事前推定値、及びセンサ計測値の推定値であるセンサ推定値を算出する推定部と、推定部によって算出されたセンサ推定値とセンサ計測値との誤差を算出する誤差算出部と、誤差算出部によって算出された誤差とロバストフィルタゲインとに基づいて、推定部に事前推定値を調整させるための調整値を生成する調整部と、を備える。推定部は、調整部によって生成された調整値に基づいて、事前推定値を調整して状態推定値を算出し、算出した状態推定値を出力する。   A performance estimation device according to one aspect of the present invention is based on a sensor input value based on a control input value for controlling a target device that is an estimation target device and a sensor measurement value measured by a sensor provided in the target device. This is a device that outputs a state estimated value that is an estimated value of the state quantity of the target device that cannot be used. This performance estimation device uses a nonlinear simulation model of the target device, based on a control input value, an estimated value before adjusting an estimation error of a state estimated value, and an estimated value of a sensor measurement value Based on an estimation unit that calculates a certain sensor estimation value, an error calculation unit that calculates an error between the sensor estimation value calculated by the estimation unit and the sensor measurement value, an error calculated by the error calculation unit, and a robust filter gain And an adjustment unit that generates an adjustment value for causing the estimation unit to adjust the prior estimation value. The estimation unit adjusts the prior estimation value based on the adjustment value generated by the adjustment unit, calculates the state estimation value, and outputs the calculated state estimation value.

この性能推定装置では、対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いて、事前推定値、及びセンサ推定値が算出され、センサ推定値及びセンサ計測値の誤差とロバストフィルタゲインとに基づいて生成された調整値に基づいて、事前推定値が調整され状態推定値が算出される。このように、対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いることにより、線形シミュレーションモデルを用いるよりも推定精度が向上する。また、ロバストフィルタでは、カルマンフィルタと比較して、シミュレーションモデルと推定対象の対象装置との誤差、及び、対象装置の作動点が変化すること等の外乱要素による対象装置の状態の変化によらず、状態推定値を算出することができ、性能推定の安定性を向上することが可能となる。その結果、センサによる計測が不可能な対象装置の性能の推定精度を向上することが可能となる。   In this performance estimation device, the pre-estimated value and the sensor estimated value are calculated using the nonlinear simulation model of the target device, and the adjustment value generated based on the error of the sensor estimated value and the sensor measured value and the robust filter gain Based on the above, the prior estimated value is adjusted and the state estimated value is calculated. As described above, by using the nonlinear simulation model of the target device, the estimation accuracy is improved as compared with the case of using the linear simulation model. In addition, in the robust filter, compared to the Kalman filter, the error between the simulation model and the target device to be estimated, and the change in the state of the target device due to disturbance factors such as a change in the operating point of the target device, The estimated state value can be calculated, and the stability of performance estimation can be improved. As a result, it is possible to improve the estimation accuracy of the performance of the target device that cannot be measured by the sensor.

ロバストフィルタゲインは、推定誤差を予め定められた範囲に収めるように算出された固定値であってもよい。この場合、ロバストフィルタゲインが固定値であるので、ロバストフィルタゲインの更新が不要となる。これにより、演算負荷を低減することが可能となる。   The robust filter gain may be a fixed value calculated so that the estimation error falls within a predetermined range. In this case, since the robust filter gain is a fixed value, it is not necessary to update the robust filter gain. Thereby, it is possible to reduce the calculation load.

本発明の別の側面に係る性能推定方法は、推定対象の装置である対象装置に設けられたセンサによる計測が不可能な状態量の推定値である状態推定値を出力する方法である。この性能推定方法は、対象装置を制御するための制御入力値を受信するステップと、対象装置に設けられたセンサによって計測されたセンサ計測値を受信するステップと、対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いて、制御入力値に基づいて、状態推定値の推定誤差を調整する前の推定値である事前推定値、及びセンサ計測値の推定値であるセンサ推定値を算出するステップと、センサ推定値とセンサ計測値との誤差を算出するステップと、誤差とロバストフィルタゲインとに基づいて、事前推定値を調整するための調整値を生成するステップと、調整値に基づいて、事前推定値を調整して状態推定値を算出するステップと、状態推定値を出力するステップと、を含む。   A performance estimation method according to another aspect of the present invention is a method of outputting a state estimated value that is an estimated value of a state quantity that cannot be measured by a sensor provided in a target device that is an estimation target device. This performance estimation method uses a step of receiving a control input value for controlling the target device, a step of receiving a sensor measurement value measured by a sensor provided in the target device, and a nonlinear simulation model of the target device. Calculating a pre-estimated value that is an estimated value before adjusting the estimation error of the state estimated value based on the control input value, and a sensor estimated value that is an estimated value of the sensor measurement value; Calculating an error from the sensor measurement value, generating an adjustment value for adjusting the pre-estimation value based on the error and the robust filter gain, and adjusting the pre-estimation value based on the adjustment value. Calculating the state estimated value and outputting the state estimated value.

この性能推定方法では、対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いて、事前推定値、及びセンサ推定値が算出され、センサ推定値及びセンサ計測値の誤差とロバストフィルタゲインとに基づいて生成された調整値に基づいて、事前推定値が調整され状態推定値が算出される。このように、対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いることにより、線形シミュレーションモデルを用いるよりも推定精度が向上する。また、ロバストフィルタでは、カルマンフィルタと比較して、シミュレーションモデルと推定対象の対象装置との誤差、及び、対象装置の作動点が変化すること等の外乱要素による対象装置の状態の変化によらず、状態推定値を算出することができ、性能推定の安定性を向上することが可能となる。その結果、センサによる計測が不可能な対象装置の性能の推定精度を向上することが可能となる。   In this performance estimation method, the pre-estimated value and the sensor estimated value are calculated using the nonlinear simulation model of the target device, and the adjustment value generated based on the error of the sensor estimated value and the sensor measured value and the robust filter gain. Based on the above, the prior estimated value is adjusted and the state estimated value is calculated. As described above, by using the nonlinear simulation model of the target device, the estimation accuracy is improved as compared with the case of using the linear simulation model. In addition, in the robust filter, compared to the Kalman filter, the error between the simulation model and the target device to be estimated, and the change in the state of the target device due to disturbance factors such as a change in the operating point of the target device, The estimated state value can be calculated, and the stability of performance estimation can be improved. As a result, it is possible to improve the estimation accuracy of the performance of the target device that cannot be measured by the sensor.

本発明によれば、センサによる計測が不可能な状態量の推定精度を向上できる。   According to the present invention, it is possible to improve the estimation accuracy of a state quantity that cannot be measured by a sensor.

一実施形態に係る性能推定装置を含む性能推定システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the performance estimation system containing the performance estimation apparatus which concerns on one Embodiment. 図1のガスタービンエンジンの各要素を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically each element of the gas turbine engine of FIG. 図1の性能推定装置のハードウェア構成図である。It is a hardware block diagram of the performance estimation apparatus of FIG. 図1の性能推定装置が行う性能推定方法の一連の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a series of processes of the performance estimation method which the performance estimation apparatus of FIG. 1 performs. 比較例の性能推定装置を含む性能推定システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the performance estimation system containing the performance estimation apparatus of a comparative example.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.

図1は、一実施形態に係る性能推定装置を含む性能推定システムの概略構成を示す図である。図1に示される性能推定システム1は、推定対象の装置である対象装置に設けられる複数のセンサによって計測されたセンサ計測値に基づいて、対象装置の状態を推定するシステムである。以下、対象装置の一例として、ガスタービンエンジンを用いて説明する。なお、時間変化する変数のある時刻kにおける値を表す場合に、当該変数を表す符号に(k)を付して説明を行う場合があるが、特定の時刻に限られず、任意の時刻において成り立つ。また、性能推定システム1の単位時間を「1」としており、括弧内の値が大きいほど時間が経過していることを示している。また、図及び数式において、各変数を表す符号にΔが付されている場合があるが、これは後述のロバストフィルタゲインKを算出した作動点における変数の値からの変化量を意味する。以下において、値及び変化量のいずれでも説明が成り立つ場合には、値を用いて説明を行うこととする。   FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a performance estimation system including a performance estimation device according to an embodiment. A performance estimation system 1 shown in FIG. 1 is a system that estimates the state of a target device based on sensor measurement values measured by a plurality of sensors provided in the target device that is an estimation target device. Hereinafter, a gas turbine engine will be described as an example of the target device. In addition, when a value at a certain time k of a variable that changes with time is expressed, there may be a case where (k) is added to the code representing the variable, but the description is not limited to a specific time, and is established at an arbitrary time. . The unit time of the performance estimation system 1 is “1”, and the larger the value in parentheses, the longer the time has elapsed. Also, in the figures and mathematical formulas, Δ may be added to the sign representing each variable, which means the amount of change from the value of the variable at the operating point at which the later-described robust filter gain K is calculated. In the following description, when both the value and the amount of change are valid, the description will be made using the value.

性能推定システム1は、ガスタービンエンジン10と、性能推定装置20と、を備えている。ガスタービンエンジン10は、例えば、車両、船舶、及び航空機等のエンジンとして用いられる。   The performance estimation system 1 includes a gas turbine engine 10 and a performance estimation device 20. The gas turbine engine 10 is used as an engine of a vehicle, a ship, an aircraft, etc., for example.

図2は、ガスタービンエンジン10の各要素を模式的に示す図である。図2に示されるように、ガスタービンエンジン10は、ファン(FAN)11と、低圧圧縮機(LPC)12と、高圧圧縮機(HPC)13と、燃焼器(COMB)14と、高圧タービン(HPT)15と、低圧タービン(LPT)16と、ロータ17と、ロータ18と、を備えている。   FIG. 2 is a diagram schematically showing each element of the gas turbine engine 10. As shown in FIG. 2, the gas turbine engine 10 includes a fan (FAN) 11, a low pressure compressor (LPC) 12, a high pressure compressor (HPC) 13, a combustor (COMB) 14, and a high pressure turbine ( HPT) 15, low-pressure turbine (LPT) 16, rotor 17, and rotor 18.

ファン11は、ガスタービンエンジン10の外部から空気を吸い込んで、吸い込んだ空気の一部を低圧圧縮機12に供給する。低圧圧縮機12は、ファン11から供給された空気を圧縮して圧縮空気を生成し、圧縮空気を高圧圧縮機13に供給する。高圧圧縮機13は、低圧圧縮機12から供給された圧縮空気をさらに圧縮して圧力をさらに高くして高圧空気を生成し、高圧空気を燃焼器14に供給する。燃焼器14は、高圧圧縮機13から供給された高圧空気に燃料を混ぜ合わせて燃焼する。燃焼器14は、燃焼して得られた高温高圧の燃焼ガスを高圧タービン15に供給する。   The fan 11 sucks air from the outside of the gas turbine engine 10 and supplies a part of the sucked air to the low-pressure compressor 12. The low pressure compressor 12 compresses the air supplied from the fan 11 to generate compressed air, and supplies the compressed air to the high pressure compressor 13. The high pressure compressor 13 further compresses the compressed air supplied from the low pressure compressor 12 to further increase the pressure to generate high pressure air, and supplies the high pressure air to the combustor 14. The combustor 14 mixes fuel with the high-pressure air supplied from the high-pressure compressor 13 and burns it. The combustor 14 supplies a high-temperature and high-pressure combustion gas obtained by combustion to the high-pressure turbine 15.

高圧タービン15は、燃焼器14から供給された高温高圧の燃焼ガスによって回転し、ロータ18を回転させる。低圧タービン16は、高圧タービン15を通過した燃焼ガスによって回転し、ロータ17を回転させる。ロータ17は、ファン11、低圧圧縮機12及び低圧タービン16を一体的に回転可能に接続している。ロータ18は、高圧圧縮機13及び高圧タービン15を一体的に回転可能に接続している。   The high-pressure turbine 15 is rotated by the high-temperature and high-pressure combustion gas supplied from the combustor 14 and rotates the rotor 18. The low pressure turbine 16 is rotated by the combustion gas that has passed through the high pressure turbine 15 and rotates the rotor 17. The rotor 17 connects the fan 11, the low-pressure compressor 12, and the low-pressure turbine 16 so as to be integrally rotatable. The rotor 18 connects the high-pressure compressor 13 and the high-pressure turbine 15 so as to be integrally rotatable.

図1に戻って、ガスタービンエンジン10には、複数のセンサ(不図示)が設けられている。ガスタービンエンジン10は、エンジン制御器(不図示)によって制御される。ガスタービンエンジン10は、ある時刻kにおいて、エンジン制御器から出力される制御入力値u(k)を入力し、ガスタービンエンジン10に設けられているセンサによって検知されるセンサ計測値y(k)を出力する。制御入力値u(k)は、ガスタービンエンジン10を制御するための値であり、エンジン動作条件に基づいて出力される。ガスタービンエンジン10が航空機に設けられる場合、エンジン動作条件は、高度、機速及び温度日等である。制御入力値u(k)は、燃料流量及び抽気バルブの開度等を含む。センサ計測値y(k)は、r次元であり、ガスタービンエンジン10のロータ17,18の回転数、各部における温度及び圧力を含む。   Returning to FIG. 1, the gas turbine engine 10 is provided with a plurality of sensors (not shown). The gas turbine engine 10 is controlled by an engine controller (not shown). The gas turbine engine 10 inputs a control input value u (k) output from the engine controller at a certain time k, and a sensor measurement value y (k) detected by a sensor provided in the gas turbine engine 10. Is output. The control input value u (k) is a value for controlling the gas turbine engine 10 and is output based on engine operating conditions. When the gas turbine engine 10 is provided in an aircraft, the engine operating conditions are altitude, speed, and temperature date. The control input value u (k) includes the fuel flow rate, the opening degree of the extraction valve, and the like. The sensor measurement value y (k) is r-dimensional and includes the number of rotations of the rotors 17 and 18 of the gas turbine engine 10 and the temperature and pressure at each part.

性能推定装置20は、ガスタービンエンジン10の非線形モデル及び固定のロバストフィルタゲインKを用いたロバストフィルタによって、ガスタービンエンジン10の状態量x(k)を推定する。ロバストフィルタは、例えばH∞フィルタである。非線形モデルは、ガスタービンエンジン10ごとに予め定められた非線形のシミュレーションモデルであり、非線形関数f及び非線形関数gを用いて、後述の式(1)〜式(3)で表される。非線形関数fは、対象装置(ガスタービンエンジン10)ごとに予め定められており、内部状態量x(k−1)、性能パラメータ値q(k−1)及び制御入力値u(k)の関数である。非線形関数gは、対象装置ごとに予め定められており、内部状態量x(k)及び性能パラメータ値q(k)の関数である。内部状態量xは、センサ計測が不可能な状態量を含むガスタービンエンジン10内部の状態の量である。内部状態量xは、n次元のベクトルであり、各要素の回転数、各要素の内部エネルギー、各要素の空気流量、各要素のエンタルピー等を含む。性能パラメータ値qは、センサ計測が不可能なエンジン性能パラメータの値である。性能パラメータ値qは、p次元のベクトルであり、ファンの流量、ファンの効率変化、各圧縮機の流量、各圧縮機の効率変化等を含む。 The performance estimation device 20 estimates the state quantity x (k) of the gas turbine engine 10 by a robust filter using a nonlinear model of the gas turbine engine 10 and a fixed robust filter gain K. The robust filter is, for example, an H∞ filter. The non-linear model is a non-linear simulation model determined in advance for each gas turbine engine 10, and is expressed by the following formulas (1) to (3) using the non-linear function f and the non-linear function g. The nonlinear function f is predetermined for each target device (gas turbine engine 10), and includes an internal state quantity x e (k−1), a performance parameter value q (k−1), and a control input value u (k). It is a function. The nonlinear function g is predetermined for each target device, and is a function of the internal state quantity x e (k) and the performance parameter value q (k). The internal state quantity x e is an amount of the state inside the gas turbine engine 10 including a state quantity that cannot be measured by the sensor. The internal state quantity x e is a ne- dimensional vector and includes the rotational speed of each element, the internal energy of each element, the air flow rate of each element, the enthalpy of each element, and the like. The performance parameter value q is an engine performance parameter value that cannot be measured by the sensor. The performance parameter value q is a p-dimensional vector, and includes a fan flow rate, fan efficiency change, compressor flow rate, compressor efficiency change, and the like.

具体的には、性能推定装置20は、制御入力値u(k)及びセンサ計測値y(k)に基づいて、ガスタービンエンジン10の状態推定値x(k)を出力する。状態推定値x(k)は、ガスタービンエンジン10の状態量x(k)の推定値である。状態量x(k)は、ガスタービンエンジン10の状態量のうち、センサによる計測が不可能な状態量を含む状態量であり、後述するように、内部状態量x(k)と性能パラメータ値q(k)とを合わせたn(n=n+p)次元のベクトルである。状態推定値x(k)は、内部状態量x(k)の推定値と性能パラメータ値q(k)の推定値とを合わせたn(n=n+p)次元のベクトルである。 Specifically, the performance estimation device 20 outputs the estimated state value x h (k) of the gas turbine engine 10 based on the control input value u (k) and the sensor measurement value y (k). The state estimated value x h (k) is an estimated value of the state quantity x (k) of the gas turbine engine 10. The state quantity x (k) is a state quantity including a state quantity that cannot be measured by the sensor among the state quantities of the gas turbine engine 10, and as will be described later, the internal state quantity x e (k) and the performance parameter. It is an n (n = n e + p) dimensional vector combined with the value q (k). The state estimated value x h (k) is an n (n = n e + p) -dimensional vector obtained by combining the estimated value of the internal state quantity x e (k) and the estimated value of the performance parameter value q (k).

図3は、性能推定装置20のハードウェア構成図である。図3に示されるように、性能推定装置20は、物理的には、1又は複数のプロセッサ201、主記憶装置であるRAM(Random Access Memory)及びROM(Read Only Memory)等の記憶装置202、ハードディスク装置等の補助記憶装置203、キーボード等の入力装置204、ディスプレイ等の出力装置205、並びに、データ送受信デバイスである通信装置206等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成され得る。性能推定装置20の図1に示される各機能は、プロセッサ201、記憶装置202等のハードウェアに1又は複数の所定のコンピュータプログラムを読み込ませることにより、1又は複数のプロセッサ201の制御のもとで各ハードウェアを動作させるとともに、記憶装置202及び補助記憶装置203におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。   FIG. 3 is a hardware configuration diagram of the performance estimation apparatus 20. As shown in FIG. 3, the performance estimation device 20 physically includes one or a plurality of processors 201, a storage device 202 such as a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory) that are main storage devices, It may be configured as a computer including hardware such as an auxiliary storage device 203 such as a hard disk device, an input device 204 such as a keyboard, an output device 205 such as a display, and a communication device 206 that is a data transmission / reception device. Each function shown in FIG. 1 of the performance estimation device 20 is performed under the control of one or more processors 201 by causing hardware such as the processor 201 and the storage device 202 to read one or more predetermined computer programs. This is realized by operating each hardware and reading and writing data in the storage device 202 and the auxiliary storage device 203.

図1に戻って、性能推定装置20の詳細について説明する。性能推定装置20は、誤差算出部21と、調整部22と、推定部30と、を備えている。   Returning to FIG. 1, the details of the performance estimation device 20 will be described. The performance estimation device 20 includes an error calculation unit 21, an adjustment unit 22, and an estimation unit 30.

誤差算出部21は、ガスタービンエンジン10から出力されたセンサ計測値y(k)と推定部30によって算出されたセンサ推定値y(k)との誤差e(k)を算出する。この例では、誤差算出部21は、センサ計測値y(k)からセンサ推定値y(k)を減算し、その減算結果を誤差e(k)として調整部22に出力する。なお、センサ推定値y(k)は、センサ計測値y(k)の推定値である。 The error calculation unit 21 calculates an error e (k) between the sensor measurement value y (k) output from the gas turbine engine 10 and the sensor estimation value y h (k) calculated by the estimation unit 30. In this example, the error calculation unit 21 subtracts the sensor estimated value y h (k) from the sensor measurement value y (k), and outputs the subtraction result to the adjustment unit 22 as an error e (k). The sensor estimated value y h (k) is an estimated value of the sensor measured value y (k).

調整部22は、誤差算出部21によって算出された誤差e(k)とロバストフィルタゲインKとに基づいて、誤差e(k)が小さくなるように、推定部30に事前推定値x (k)を調整させるための調整値を生成する。事前推定値x (k)は、状態推定値x(k)の推定誤差を調整する前の推定値である。具体的には、調整部22は、誤差算出部21から出力された誤差e(k)とロバストフィルタゲインKとを乗算し、その乗算結果Ke(k)を調整値として推定部30に出力する。ロバストフィルタゲインKは、推定誤差を予め定められた範囲に収めるように算出された固定値のゲインである。ロバストフィルタゲインKは、オフラインで算出され、調整部22に予め記憶されている。 Based on the error e (k) calculated by the error calculation unit 21 and the robust filter gain K, the adjustment unit 22 causes the estimation unit 30 to pre-estimate the value x h ( An adjustment value for adjusting k) is generated. The prior estimated value x h (k) is an estimated value before adjusting the estimation error of the state estimated value x h (k). Specifically, the adjustment unit 22 multiplies the error e (k) output from the error calculation unit 21 and the robust filter gain K, and outputs the multiplication result Ke (k) to the estimation unit 30 as an adjustment value. . The robust filter gain K is a fixed value gain calculated so that the estimation error falls within a predetermined range. The robust filter gain K is calculated off-line and stored in advance in the adjustment unit 22.

ここで、ロバストフィルタゲインKの算出方法について説明する。まず、ガスタービンエンジン10の非線形モデルが準備される。この非線形モデルは、対象装置ごとに予め定められており、ガスタービンエンジン10の非線形モデルは、以下の式(1)〜式(3)によって表される。具体的に説明すると、内部状態量x(k)は、式(1)に示されるように、非線形関数f及びシステム雑音vxe(k)の和として表される。システム雑音vxe(k)は、n次元のベクトルである。性能パラメータ値q(k)は、式(2)に示されるように、性能パラメータ値q(k−1)及び性能パラメータ変化量v(k)の和として表される。性能パラメータ変化量v(k)は、p次元のベクトルである。センサ計測値y(k)は、式(3)に示されるように、非線形関数g及び観測雑音w(k)の和として表される。観測雑音wは、r次元のベクトルである。

Figure 0006483571
Here, a method of calculating the robust filter gain K will be described. First, a nonlinear model of the gas turbine engine 10 is prepared. This nonlinear model is determined in advance for each target device, and the nonlinear model of the gas turbine engine 10 is expressed by the following equations (1) to (3). More specifically, the internal state quantity x e (k) is expressed as the sum of the nonlinear function f and the system noise v xe (k) as shown in the equation (1). System noise v xe (k) is a vector of n e dimensions. The performance parameter value q (k) is expressed as the sum of the performance parameter value q (k−1) and the performance parameter change amount v q (k) as shown in the equation (2). The performance parameter change amount v q (k) is a p-dimensional vector. The sensor measurement value y (k) is expressed as the sum of the nonlinear function g and the observation noise w (k), as shown in Equation (3). The observation noise w is an r-dimensional vector.
Figure 0006483571

続いて、ガスタービンエンジン10の非線形モデルが線形化される。この線形化は、ある作動点を基準として行われる。この作動点としては、例えば、地上静止状態における最大出力時が用いられる。この作動点において線形化された非線形モデルは、作動点における状態量xからの変化量Δx(k)、作動点におけるセンサ計測値yからの変化量Δy(k)、作動点における制御入力値uからの変化量Δu(k)、雑音v(k)、観測雑音w(k)を用いて、例えば式(4)及び式(5)によって表される。行列A,B,Cは、対象装置及び作動点の組み合わせによって、予め定められている。

Figure 0006483571
Subsequently, the nonlinear model of the gas turbine engine 10 is linearized. This linearization is performed with reference to a certain operating point. As the operating point, for example, the maximum output time in a stationary state on the ground is used. The nonlinear model linearized at the operating point includes a change amount Δx (k) from the state quantity x at the operating point, a change amount Δy (k) from the sensor measurement value y at the operating point, and a control input value u at the operating point. Is expressed by, for example, Expression (4) and Expression (5) using the change amount Δu (k), noise v (k), and observation noise w (k). The matrices A, B, and C are determined in advance by the combination of the target device and the operating point.
Figure 0006483571

なお、式(6)に示されるように、状態量xは、内部状態量xと性能パラメータ値qとを合わせたn(n=n+p)次元のベクトルである。雑音vは、システム雑音vxeと性能パラメータ変化量vとを合わせたn(n=n+p)次元のベクトルである。また、雑音vは、式(8)が成立する有限の雑音である。観測雑音wは、式(9)が成立する有限の雑音である。

Figure 0006483571

Figure 0006483571
As shown in Expression (6), the state quantity x is an n (n = n e + p) -dimensional vector obtained by combining the internal state quantity x e and the performance parameter value q. The noise v is an n (n = n e + p) -dimensional vector obtained by combining the system noise v xe and the performance parameter change amount v q . The noise v is a finite noise that satisfies the equation (8). The observation noise w is a finite noise that satisfies Equation (9).
Figure 0006483571

Figure 0006483571

式(6)及び式(7)を用いて式(1)及び式(2)を変形し、式(1)’が得られる。また、式(6)を用いて式(3)を変形し、式(3)’が得られる。

Figure 0006483571
Expressions (1) and (2) are transformed using Expressions (6) and (7) to obtain Expression (1) ′. Moreover, Formula (3) is deform | transformed using Formula (6), and Formula (3) 'is obtained.
Figure 0006483571

ロバストフィルタでは、ガスタービンエンジン10の状態量x(k)と推定部30において推定された状態推定値x(k)との推定誤差は、一定範囲内に収まる必要がある。このため、推定誤差の指標γを用いて、式(10)が成り立つ必要がある。指標γは、所望の推定精度が得られ、かつ、式(10)の解が得られる程度の値に設定される。

Figure 0006483571
In the robust filter, the estimation error between the state quantity x (k) of the gas turbine engine 10 and the state estimation value x h (k) estimated by the estimation unit 30 needs to be within a certain range. Therefore, equation (10) needs to be established using the estimation error index γ. The index γ is set to a value with which a desired estimation accuracy can be obtained and a solution of Expression (10) can be obtained.
Figure 0006483571

なお、x(0)は、状態量xの初期分布の平均値である。行列Qは雑音vに対する重み行列であり、式(11)を満たす。行列Rは観測雑音wに対する重み行列であり、式(12)を満たす。

Figure 0006483571
Note that x b (0) is an average value of the initial distribution of the state quantity x. The matrix Q is a weight matrix for the noise v and satisfies the equation (11). The matrix R is a weight matrix for the observation noise w and satisfies the equation (12).
Figure 0006483571

ここで、式(13)に示される評価関数Jを用いて、式(10)の解法を検討する。

Figure 0006483571
Here, using the evaluation function J shown in Expression (13), the solution of Expression (10) is examined.
Figure 0006483571

行列Q及び行列Rは正の値を取るから、Q>0、R>0のもとで、式(10)を満たす状態推定値の変化量Δxを求める問題は、状態推定値の変化量Δxを固定し、任意の状態量xの初期値の変化量Δx(0)、雑音v及び観測雑音wに対して、評価関数J<0が成立することと等価であり、式(14)として表される。

Figure 0006483571
Since the matrix Q and the matrix R take positive values, the problem of obtaining the change amount Δx h of the state estimated value that satisfies the equation (10) under Q> 0 and R> 0 is the change amount of the state estimated value. Δx h is fixed, which is equivalent to the fact that the evaluation function J <0 holds for the amount of change Δx (0) of the initial value of the arbitrary state quantity x, the noise v, and the observation noise w. Represented as:
Figure 0006483571

さらに、式(10)は、状態量xの初期値の変化量Δx(0)、雑音v及び観測雑音wを固定し、評価関数Jを最小化する状態推定値の変化量Δxを求めることと等価であり、式(15)として表される。

Figure 0006483571
Further, the equation (10) obtains the change amount Δx h of the estimated state value that minimizes the evaluation function J by fixing the change amount Δx (0) of the initial value of the state amount x, the noise v, and the observation noise w. And is expressed as equation (15).
Figure 0006483571

式(15)を満たすために評価関数Jが極値をもつためには、dJ=0となることが必要であることから、推定誤差の共分散P及び単位行列Iを用いて、以下のリカッチ方程式(16)が導出される。

Figure 0006483571
In order for the evaluation function J to have an extreme value in order to satisfy the equation (15), it is necessary that dJ = 0. Therefore, using the covariance P of the estimation error and the unit matrix I, the following riccati Equation (16) is derived.
Figure 0006483571

式(16)に基づいて、推定誤差の共分散Pを求めるために、具体的には以下の方程式(17)〜(19)が用いられる。

Figure 0006483571
Specifically, the following equations (17) to (19) are used to obtain the estimation error covariance P based on the equation (16).
Figure 0006483571

方程式(17)〜(19)を解くことによって、式(20)に示されるように、ロバストフィルタゲインKが求められる。

Figure 0006483571
By solving equations (17) to (19), a robust filter gain K is obtained as shown in equation (20).
Figure 0006483571

推定部30は、ガスタービンエンジン10の非線形モデルを用いて、制御入力値u(k)に基づいて、事前推定値x (k)及びセンサ推定値y(k)を算出する。推定部30は、調整部22によって生成された調整値に基づいて、事前推定値x (k)を調整して状態推定値x(k)を算出し、算出した状態推定値x(k)を出力する。推定部30は、算出したセンサ推定値y(k)を誤差算出部21に出力し、算出した状態推定値x(k)を外部に出力する。推定部30は、時間更新部31と、推定値更新部32と、推定値更新部33と、遅延部34と、を備えている。 The estimation unit 30 calculates the prior estimated value x h (k) and the sensor estimated value y h (k) based on the control input value u (k) using the nonlinear model of the gas turbine engine 10. Based on the adjustment value generated by the adjustment unit 22, the estimation unit 30 adjusts the prior estimation value x h (k) to calculate the state estimation value x h (k), and calculates the calculated state estimation value x h. (K) is output. The estimating unit 30 outputs the calculated sensor estimated value y h (k) to the error calculating unit 21 and outputs the calculated state estimated value x h (k) to the outside. The estimating unit 30 includes a time updating unit 31, an estimated value updating unit 32, an estimated value updating unit 33, and a delay unit 34.

時間更新部31は、制御入力値u(k)と、遅延部34から出力された状態推定値x(k−1)と、に基づいて、事前推定値x (k)を算出する。具体的には、時間更新部31は、式(1)で用いられた非線形関数fを用い、式(21)によって事前推定値x (k)を算出する。時間更新部31は、算出した事前推定値x (k)を推定値更新部32及び推定値更新部33に出力する。

Figure 0006483571
The time updating unit 31 calculates the prior estimated value x h (k) based on the control input value u (k) and the state estimated value x h (k−1) output from the delay unit 34. . Specifically, the time updating unit 31 calculates the prior estimated value x h (k) by using the nonlinear function f used in Expression (1) and Expression (21). The time updating unit 31 outputs the calculated prior estimated value x h (k) to the estimated value updating unit 32 and the estimated value updating unit 33.
Figure 0006483571

推定値更新部32は、時間更新部31から出力された事前推定値x (k)に基づいて、センサ推定値y(k)を算出する。具体的には、推定値更新部32は、式(3)で用いられた非線形関数gを用い、式(22)によってセンサ推定値y(k)を算出する。推定値更新部32は、算出したセンサ推定値y(k)を誤差算出部21に出力する。

Figure 0006483571
The estimated value updating unit 32 calculates the sensor estimated value y h (k) based on the prior estimated value x h (k) output from the time updating unit 31. Specifically, the estimated value updating unit 32 calculates the sensor estimated value y h (k) by using the nonlinear function g used in Expression (3), using Expression (22). The estimated value updating unit 32 outputs the calculated sensor estimated value y h (k) to the error calculating unit 21.
Figure 0006483571

推定値更新部33は、時間更新部31から出力された事前推定値x (k)と、調整部22から出力された調整値とに基づいて、状態推定値x(k)を算出する。具体的には、推定値更新部33は加算器であり、式(23)に示されるように、事前推定値x (k)と調整値とを加算し、その加算結果を状態推定値x(k)として算出する。推定値更新部33は、算出した状態推定値x(k)を遅延部34及び外部に出力する。

Figure 0006483571
The estimated value updating unit 33 calculates the state estimated value x h (k) based on the prior estimated value x h (k) output from the time updating unit 31 and the adjusted value output from the adjusting unit 22. To do. Specifically, the estimated value update unit 33 is an adder, and as shown in Expression (23), the prior estimated value x h (k) and the adjustment value are added, and the addition result is the state estimated value. Calculate as x h (k). The estimated value update unit 33 outputs the calculated state estimated value x h (k) to the delay unit 34 and the outside.
Figure 0006483571

遅延部34は、推定値更新部33から出力された状態推定値x(k)を単位時間だけ遅延させ、次の時刻における推定に対し、状態推定値x(k−1)として時間更新部31に出力する。 The delay unit 34 delays the state estimated value x h (k) output from the estimated value updating unit 33 by unit time, and updates the time estimated as the state estimated value x h (k−1) with respect to the estimation at the next time. To the unit 31.

次に、図4を参照して、性能推定装置20が行う性能推定方法の一連の処理を説明する。図4は、性能推定装置20が行う性能推定方法の一連の処理を示すフローチャートである。図4に示される処理は、単位時間ごとに繰り返し行われる。ここでは、ある時刻kにおける処理を説明する。   Next, a series of processes of the performance estimation method performed by the performance estimation device 20 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a series of processes of the performance estimation method performed by the performance estimation apparatus 20. The process shown in FIG. 4 is repeatedly performed every unit time. Here, processing at a certain time k will be described.

まず、エンジン制御器が、エンジン動作条件に基づいて、制御入力値u(k)をガスタービンエンジン10及び性能推定装置20に出力する。そして、性能推定装置20の時間更新部31は、制御入力値u(k)を受信する(ステップS01)。また、ガスタービンエンジン10は、エンジン制御器から出力された制御入力値u(k)を入力し、ガスタービンエンジン10に設けられているセンサによって計測されたセンサ計測値y(k)を出力する。そして、性能推定装置20の誤差算出部21は、センサ計測値y(k)を受信する(ステップS02)。   First, the engine controller outputs a control input value u (k) to the gas turbine engine 10 and the performance estimation device 20 based on the engine operating conditions. Then, the time update unit 31 of the performance estimation device 20 receives the control input value u (k) (step S01). Further, the gas turbine engine 10 receives the control input value u (k) output from the engine controller, and outputs a sensor measurement value y (k) measured by a sensor provided in the gas turbine engine 10. . Then, the error calculation unit 21 of the performance estimation device 20 receives the sensor measurement value y (k) (step S02).

続いて、時間更新部31は、ガスタービンエンジン10の非線形モデルを用いて、制御入力値u(k)に基づいて、事前推定値x (k)を算出する(ステップS03)。具体的には、時間更新部31は、制御入力値u(k)と、遅延部34から出力された状態推定値x(k−1)と、を用いて、式(21)によって事前推定値x (k)を算出する。そして、時間更新部31は、算出した事前推定値x (k)を推定値更新部32及び推定値更新部33に出力する。 Subsequently, the time updating unit 31 calculates a prior estimated value x h (k) based on the control input value u (k) using a nonlinear model of the gas turbine engine 10 (step S03). Specifically, the time update unit 31 uses the control input value u (k) and the state estimated value x h (k−1) output from the delay unit 34 to perform the pre-estimation according to the equation (21). The value x h (k) is calculated. Then, the time update unit 31 outputs the calculated prior estimated value x h (k) to the estimated value update unit 32 and the estimated value update unit 33.

続いて、推定値更新部32は、ガスタービンエンジン10の非線形モデルを用いて、センサ推定値を算出する(ステップS04)。具体的には、推定値更新部32は、時間更新部31から出力された事前推定値x (k)を用いて、式(22)によってセンサ推定値y(k)を算出する。そして、推定値更新部32は、算出したセンサ推定値y(k)を誤差算出部21に出力する。 Subsequently, the estimated value update unit 32 calculates a sensor estimated value using a nonlinear model of the gas turbine engine 10 (step S04). Specifically, the estimated value updating unit 32 calculates the sensor estimated value y h (k) using the prior estimated value x h (k) output from the time updating unit 31 according to Expression (22). Then, the estimated value updating unit 32 outputs the calculated sensor estimated value y h (k) to the error calculating unit 21.

続いて、誤差算出部21は、センサ計測値y(k)とセンサ推定値y(k)との誤差e(k)を算出する(ステップS05)。具体的には、誤差算出部21は、センサ計測値y(k)からセンサ推定値y(k)を減算し、その減算結果を誤差e(k)として調整部22に出力する。 Subsequently, the error calculation unit 21 calculates an error e (k) between the sensor measurement value y (k) and the sensor estimated value y h (k) (step S05). Specifically, the error calculation unit 21 subtracts the sensor estimation value y h (k) from the sensor measurement value y (k), and outputs the subtraction result to the adjustment unit 22 as an error e (k).

続いて、調整部22は、誤差算出部21によって算出された誤差e(k)とロバストフィルタゲインKとに基づいて、事前推定値x (k)を調整するための調整値を生成する(ステップS06)。具体的には、調整部22は、誤差e(k)とロバストフィルタゲインKとを乗算し、その乗算結果Ke(k)を調整値として推定部30に出力する。 Subsequently, the adjustment unit 22 generates an adjustment value for adjusting the pre-estimated value x h (k) based on the error e (k) calculated by the error calculation unit 21 and the robust filter gain K. (Step S06). Specifically, the adjustment unit 22 multiplies the error e (k) and the robust filter gain K, and outputs the multiplication result Ke (k) to the estimation unit 30 as an adjustment value.

続いて、推定値更新部33は、調整値に基づいて、事前推定値x (k)を調整して状態推定値x(k)を算出する(ステップS07)。具体的には、推定値更新部33は、式(23)に示されるように、事前推定値x (k)と調整値とを加算し、その加算結果を状態推定値x(k)として算出する。そして、推定値更新部33は、算出した状態推定値x(k)を外部及び遅延部34に出力する(ステップS08)。以上のようにして、時刻kにおける性能推定方法の一連の処理が終了する。 Subsequently, the estimated value updating unit 33 adjusts the prior estimated value x h (k) based on the adjustment value to calculate the state estimated value x h (k) (step S07). Specifically, as shown in Expression (23), the estimated value update unit 33 adds the prior estimated value x h (k) and the adjustment value, and uses the addition result as the state estimated value x h (k ). Then, the estimated value updating unit 33 outputs the calculated state estimated value x h (k) to the outside and the delay unit 34 (step S08). As described above, a series of processes of the performance estimation method at time k ends.

このように、性能推定装置20は、ガスタービンエンジン10の非線形モデル及び固定のロバストフィルタゲインKを用いたロバストフィルタによって、実機(ガスタービンエンジン10)の状態量x(k)(内部状態量x(k)及び性能パラメータ値q(k))を推定する。そして、性能推定装置20は、センサ計測値y(k)と、推定部30から出力されるセンサ推定値y(k)との誤差e(k)が小さくなるように、誤差e(k)にロバストフィルタゲインKを乗算し、事前推定値x (k)の調整を繰り返し行うことで、ガスタービンエンジン10の状態量x(k)を推定、つまり、状態推定値x(k)を算出する。 As described above, the performance estimation device 20 performs the state quantity x (k) (internal state quantity x) of the actual machine (gas turbine engine 10) by the robust filter using the nonlinear model of the gas turbine engine 10 and the fixed robust filter gain K. e (k) and performance parameter value q (k)) are estimated. The performance estimation apparatus 20 then determines the error e (k) so that the error e (k) between the sensor measurement value y (k) and the sensor estimation value y h (k) output from the estimation unit 30 is small. Is multiplied by a robust filter gain K and adjustment of the prior estimated value x h (k) is repeated to estimate the state quantity x (k) of the gas turbine engine 10, that is, the state estimated value x h (k). Is calculated.

次に、比較例の性能推定装置120を含む性能推定システム100と比較しながら性能推定装置20の作用効果を説明する。図5は、比較例の性能推定装置120を含む性能推定システム100の概略構成を示す図である。図5に示されるように、性能推定システム100は、性能推定システム1と比較して、性能推定装置20に代えて、性能推定装置120を備える点で相違している。   Next, the effects of the performance estimation device 20 will be described while comparing with the performance estimation system 100 including the performance estimation device 120 of the comparative example. FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of a performance estimation system 100 including a performance estimation apparatus 120 of a comparative example. As shown in FIG. 5, the performance estimation system 100 is different from the performance estimation system 1 in that a performance estimation device 120 is provided instead of the performance estimation device 20.

性能推定装置120は、性能推定装置20と比較して、ロバストフィルタゲインK(k)が固定でない点、ガスタービンエンジン10の非線形モデルではなく線形モデルを用いる点で主に相違している。つまり、性能推定装置120は、ガスタービンエンジン10の線形モデル及びロバストフィルタゲインK(k)を用いて、ガスタービンエンジン10の状態推定値x(k)を推定する装置であり、誤差算出部121と、調整部122と、推定部130と、を備えている。 The performance estimation device 120 is mainly different from the performance estimation device 20 in that the robust filter gain K (k) is not fixed and a linear model is used instead of the nonlinear model of the gas turbine engine 10. That is, the performance estimation device 120 is a device that estimates the state estimated value x h (k) of the gas turbine engine 10 using the linear model of the gas turbine engine 10 and the robust filter gain K (k), and an error calculation unit. 121, an adjustment unit 122, and an estimation unit 130.

線形モデルは、行列A,B,Cを用いて、後述の式(24)及び式(25)で表される。行列A,B,Cは、対象装置(ガスタービンエンジン10)ごとに、各作動点に対して予め定められている。この行列A,B,Cは、式(4)及び式(5)の行列A,B,Cと同じである。   The linear model is expressed by the following expressions (24) and (25) using the matrices A, B, and C. The matrices A, B, and C are predetermined for each operating point for each target device (gas turbine engine 10). The matrices A, B, and C are the same as the matrices A, B, and C in the equations (4) and (5).

性能推定装置120が行う性能推定方法の一連の処理を説明する。まず、エンジン制御器が、エンジン動作条件に基づいて、制御入力値u(k)をガスタービンエンジン10及び性能推定装置120に出力する。そして、性能推定装置120の時間更新部131は、制御入力値u(k)を受信する。また、ガスタービンエンジン10は、エンジン制御器から出力された制御入力値u(k)を入力し、ガスタービンエンジン10に設けられているセンサによって計測されたセンサ計測値y(k)を出力する。そして、性能推定装置120の誤差算出部121は、センサ計測値y(k)を受信する。   A series of processes of the performance estimation method performed by the performance estimation device 120 will be described. First, the engine controller outputs a control input value u (k) to the gas turbine engine 10 and the performance estimation device 120 based on the engine operating conditions. Then, the time update unit 131 of the performance estimation device 120 receives the control input value u (k). Further, the gas turbine engine 10 receives the control input value u (k) output from the engine controller, and outputs a sensor measurement value y (k) measured by a sensor provided in the gas turbine engine 10. . Then, the error calculation unit 121 of the performance estimation device 120 receives the sensor measurement value y (k).

続いて、時間更新部131は、ガスタービンエンジン10の線形モデルを用いて、制御入力値u(k)に基づいて、事前推定値x (k)を算出する。具体的には、時間更新部131は、演算部131aと、演算部131bと、加算器131cと、を備えている。まず、演算部131aは、行列Aと遅延部134から出力された状態推定値x(k−1)との乗算を行い、乗算結果を加算器131cに出力する。また、演算部131bは、行列Bと制御入力値u(k)との乗算を行い、乗算結果を加算器131cに出力する。そして、加算器131cは、演算部131aの乗算結果と演算部131bの乗算結果とを加算し、加算結果を事前推定値x (k)として算出する。つまり、時間更新部131は、式(24)に示される演算を行って、事前推定値x (k)を算出している。そして、時間更新部131は、算出した事前推定値x (k)を推定値更新部132及び推定値更新部133に出力する。

Figure 0006483571
Subsequently, the time updating unit 131 calculates a prior estimated value x h (k) based on the control input value u (k) using the linear model of the gas turbine engine 10. Specifically, the time update unit 131 includes a calculation unit 131a, a calculation unit 131b, and an adder 131c. First, the operation unit 131a multiplies the matrix A and the state estimation value x h (k−1) output from the delay unit 134, and outputs the multiplication result to the adder 131c. In addition, the calculation unit 131b performs multiplication of the matrix B and the control input value u (k), and outputs the multiplication result to the adder 131c. Then, the adder 131c adds the multiplication result of the calculation unit 131a and the multiplication result of the calculation unit 131b, and calculates the addition result as a prior estimated value x h (k). That is, the time update unit 131 calculates the prior estimated value x h (k) by performing the calculation shown in Expression (24). Then, the time updating unit 131 outputs the calculated prior estimated value x h (k) to the estimated value updating unit 132 and the estimated value updating unit 133.
Figure 0006483571

続いて、推定値更新部132は、ガスタービンエンジン10の線形モデルを用いて、センサ推定値を算出する。具体的には、推定値更新部132は、式(25)に示されるように、行列Cと時間更新部131から出力された事前推定値x (k)との乗算を行い、乗算結果をセンサ推定値y(k)として算出する。そして、推定値更新部132は、算出したセンサ推定値y(k)を誤差算出部121に出力する。

Figure 0006483571
Subsequently, the estimated value update unit 132 calculates a sensor estimated value using a linear model of the gas turbine engine 10. Specifically, the estimated value update unit 132 performs multiplication of the matrix C and the prior estimated value x h (k) output from the time update unit 131 as shown in Expression (25), and the multiplication result Is calculated as a sensor estimated value y h (k). Then, the estimated value updating unit 132 outputs the calculated sensor estimated value y h (k) to the error calculating unit 121.
Figure 0006483571

続いて、誤差算出部121は、誤差算出部21と同様に、センサ計測値y(k)とセンサ推定値y(k)との誤差e(k)を算出する。具体的には、誤差算出部121は、センサ計測値y(k)からセンサ推定値y(k)を減算し、その減算結果を誤差e(k)として調整部122に出力する。 Subsequently, similarly to the error calculation unit 21, the error calculation unit 121 calculates an error e (k) between the sensor measurement value y (k) and the sensor estimated value y h (k). Specifically, the error calculation unit 121 subtracts the sensor estimation value y h (k) from the sensor measurement value y (k), and outputs the subtraction result to the adjustment unit 122 as an error e (k).

続いて、調整部122は、誤差算出部121によって算出された誤差e(k)とロバストフィルタゲインK(k)とに基づいて、事前推定値x (k)を調整するための調整値を生成する。具体的には、調整部122は、まず、式(26)に示されるように、単位行列I、行列C、観測雑音wに対する重み行列R、推定誤差の指標γ、及び推定誤差の共分散P(k−1)を用いて行列Ψ(k)を算出する。そして、調整部122は、式(27)に示されるように、行列A、推定誤差の共分散P(k−1)、算出した行列Ψ(k)、及び雑音vに対する重み行列Qを用いて推定誤差の共分散P(k)を算出する。さらに、調整部122は、式(28)に示されるように、算出した推定誤差の共分散P(k)、行列C、及び重み行列Rを用いてロバストフィルタゲインK(k)を算出する。そして、調整部122は、誤差算出部121から出力された誤差e(k)とロバストフィルタゲインK(k)とを乗算し、その乗算結果K(k)e(k)を調整値として推定部130に出力する。

Figure 0006483571

Figure 0006483571

Figure 0006483571
Subsequently, the adjusting unit 122 adjusts the prior estimated value x h (k) based on the error e (k) calculated by the error calculating unit 121 and the robust filter gain K (k). Is generated. Specifically, as shown in Expression (26), the adjustment unit 122 first has a unit matrix I, a matrix C, a weighting matrix R for the observation noise w, an estimation error index γ, and an estimation error covariance P. The matrix Ψ (k) is calculated using (k−1). Then, as shown in Expression (27), the adjustment unit 122 uses the matrix A, the covariance P (k−1) of the estimation error, the calculated matrix Ψ (k), and the weight matrix Q for the noise v. The covariance P (k) of the estimation error is calculated. Further, the adjustment unit 122 calculates the robust filter gain K (k) using the calculated estimation error covariance P (k), the matrix C, and the weighting matrix R, as shown in Expression (28). Then, the adjustment unit 122 multiplies the error e (k) output from the error calculation unit 121 and the robust filter gain K (k), and uses the multiplication result K (k) e (k) as an adjustment value for the estimation unit. To 130.
Figure 0006483571

Figure 0006483571

Figure 0006483571

続いて、推定値更新部133は、推定値更新部33と同様に、時間更新部131から出力された事前推定値x (k)と、調整部122から出力された調整値とに基づいて、状態推定値x(k)を算出する。具体的には、推定値更新部133は加算器であり、式(29)に示されるように、事前推定値x (k)と調整値とを加算し、その加算結果を状態推定値x(k)として算出する。そして、推定値更新部133は、算出した状態推定値x(k)を遅延部134及び外部に出力する。以上のようにして、性能推定装置120が行う時刻kにおける性能推定方法の一連の処理が終了する。

Figure 0006483571
Subsequently, similarly to the estimated value updating unit 33, the estimated value updating unit 133 is based on the prior estimated value x h (k) output from the time updating unit 131 and the adjustment value output from the adjusting unit 122. Then, the estimated state value x h (k) is calculated. Specifically, the estimated value update unit 133 is an adder, adds the pre-estimated value x h (k) and the adjustment value as shown in Expression (29), and uses the addition result as the state estimated value. Calculate as x h (k). Then, the estimated value update unit 133 outputs the calculated state estimated value x h (k) to the delay unit 134 and the outside. As described above, a series of processes of the performance estimation method at time k performed by the performance estimation device 120 is completed.
Figure 0006483571

このように、性能推定装置120は、ガスタービンエンジン10の線形モデルを用いているので、非線形なガスタービンエンジン10では推定精度が低下する。また、性能推定装置120では、作動点に応じた線形モデルを準備する必要があり、さらにロバストフィルタゲインK(k)を単位時間ごとに毎回更新する必要があるので、演算負荷が高い。   Thus, since the performance estimation apparatus 120 uses the linear model of the gas turbine engine 10, the estimation accuracy of the nonlinear gas turbine engine 10 decreases. Further, in the performance estimation device 120, it is necessary to prepare a linear model corresponding to the operating point, and it is necessary to update the robust filter gain K (k) every unit time, so that the calculation load is high.

一方、性能推定装置20では、ガスタービンエンジン10の非線形モデルを用いて、事前推定値x (k)、及びセンサ推定値y(k)が算出され、センサ推定値y(k)及びセンサ計測値y(k)の誤差e(k)とロバストフィルタゲインKとに基づいて生成された調整値に基づいて、事前推定値x (k)が調整され状態推定値x(k)が算出される。このように、性能推定装置20では、ガスタービンエンジン10の非線形モデルが用いられることにより、線形モデルが用いられるよりも推定精度が向上する。また、ロバストフィルタゲインKは、推定誤差を予め定められた範囲に収めるように算出された固定値である。このため、ロバストフィルタゲインKの更新が不要となる。これにより、演算負荷を低減することが可能となる。 On the other hand, the performance estimation device 20 calculates the prior estimated value x h (k) and the sensor estimated value y h (k) using the nonlinear model of the gas turbine engine 10, and the sensor estimated value y h (k). Based on the adjustment value generated based on the error e (k) of the sensor measurement value y (k) and the robust filter gain K, the pre-estimated value x h (k) is adjusted to obtain the state estimated value x h ( k) is calculated. Thus, in the performance estimation device 20, the estimation accuracy is improved by using the nonlinear model of the gas turbine engine 10 as compared with the case where the linear model is used. Further, the robust filter gain K is a fixed value calculated so that the estimation error falls within a predetermined range. For this reason, it is not necessary to update the robust filter gain K. Thereby, it is possible to reduce the calculation load.

また、ロバストフィルタでは、カルマンフィルタと比較して、シミュレーションモデルとガスタービンエンジン10との誤差、及び、ガスタービンエンジン10の作動点が変化すること等の外乱要素によるガスタービンエンジン10の状態の変化によらず、状態推定値x(k)を算出することができ、性能推定の安定性を向上することが可能となる。つまり、フィルタ設計点以外の作動点での性能推定の安定性が向上する。 Further, in the robust filter, as compared with the Kalman filter, errors in the simulation model and the gas turbine engine 10 and changes in the state of the gas turbine engine 10 due to disturbance factors such as changes in the operating point of the gas turbine engine 10 are caused. Regardless, the estimated state value x h (k) can be calculated, and the stability of performance estimation can be improved. That is, the stability of performance estimation at operating points other than the filter design point is improved.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では、対象装置の一例としてガスタービンエンジンを用いているがこれに限られない。対象装置は、制御入力値u(k)に対して非線形な動作を行う装置であって、制御入力値u(k)を入力とし、センサ計測値y(k)及び状態量x(k)を出力とする非線形シミュレーションモデルで表現し得る装置であればよい。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in the above embodiment, a gas turbine engine is used as an example of the target device, but the present invention is not limited thereto. The target device is a device that performs a non-linear operation with respect to the control input value u (k). The target input is the control input value u (k), and the sensor measurement value y (k) and the state quantity x (k) Any device that can be expressed by a non-linear simulation model as an output may be used.

また、上記実施形態では、調整部22は、固定値のロバストフィルタゲインKを用いているが、調整部22は、単位時間ごとにロバストフィルタゲインK(k)を算出してもよい。この場合、調整部22は、各時刻において、式(4)及び式(5)に示されるように、その作動点で非線形モデルを線形化し、式(16)に基づいて(具体的には式(17)〜式(19)を用いて)、推定誤差の共分散Pを算出する。そして、調整部22は、式(20)を用いてロバストフィルタゲインK(k)を算出する。   In the above embodiment, the adjustment unit 22 uses a fixed-value robust filter gain K. However, the adjustment unit 22 may calculate a robust filter gain K (k) for each unit time. In this case, the adjusting unit 22 linearizes the nonlinear model at the operating point at each time point as shown in the equations (4) and (5), and based on the equation (16) (specifically, the equation The covariance P of the estimation error is calculated using (17) to (19). Then, the adjustment unit 22 calculates a robust filter gain K (k) using Expression (20).

10 ガスタービンエンジン
20 性能推定装置
21 誤差算出部
22 調整部
30 推定部
e 誤差
K ロバストフィルタゲイン
u 制御入力値
x 状態量
状態推定値
事前推定値
y センサ計測値
センサ推定値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas turbine engine 20 Performance estimation apparatus 21 Error calculation part 22 Adjustment part 30 Estimation part e Error K Robust filter gain u Control input value x State quantity x h State estimated value x h - Prior estimated value y Sensor measured value y h Sensor estimation value

Claims (3)

推定対象の装置である対象装置を制御するための制御入力値及び前記対象装置に設けられたセンサによって計測されたセンサ計測値に基づいて、センサによる計測が不可能な前記対象装置の状態量の推定値である状態推定値を出力する性能推定装置であって、
前記対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いて、前記制御入力値に基づいて、前記状態推定値の推定誤差を調整する前の推定値である事前推定値、及び前記センサ計測値の推定値であるセンサ推定値を算出する推定部と、
前記推定部によって算出された前記センサ推定値と前記センサ計測値との誤差を算出する誤差算出部と、
前記誤差算出部によって算出された前記誤差とロバストフィルタゲインとに基づいて、前記推定部に前記事前推定値を調整させるための調整値を生成する調整部と、
を備え、
前記推定部は、前記調整部によって生成された前記調整値に基づいて、前記事前推定値を調整して前記状態推定値を算出し、算出した前記状態推定値を出力する、性能推定装置。
Based on the control input value for controlling the target device that is the device to be estimated and the sensor measurement value measured by the sensor provided in the target device, the state quantity of the target device that cannot be measured by the sensor A performance estimation device that outputs a state estimation value that is an estimation value,
Based on the control input value using a non-linear simulation model of the target device, a pre-estimated value that is an estimated value before adjusting an estimation error of the state estimated value, and a sensor that is an estimated value of the sensor measurement value An estimation unit for calculating an estimated value;
An error calculating unit that calculates an error between the sensor estimated value calculated by the estimating unit and the sensor measured value;
An adjustment unit that generates an adjustment value for causing the estimation unit to adjust the prior estimation value based on the error calculated by the error calculation unit and a robust filter gain;
With
The estimation unit adjusts the prior estimation value based on the adjustment value generated by the adjustment unit, calculates the state estimation value, and outputs the calculated state estimation value.
前記ロバストフィルタゲインは、推定誤差を予め定められた範囲に収めるように算出された固定値である、請求項1に記載の性能推定装置。   The performance estimation apparatus according to claim 1, wherein the robust filter gain is a fixed value calculated so that an estimation error falls within a predetermined range. 推定対象の装置である対象装置に設けられたセンサによる計測が不可能な状態量の推定値である状態推定値を出力する性能推定方法であって、
前記対象装置を制御するための制御入力値を受信するステップと、
前記対象装置に設けられたセンサによって計測されたセンサ計測値を受信するステップと、
前記対象装置の非線形シミュレーションモデルを用いて、前記制御入力値に基づいて、前記状態推定値の推定誤差を調整する前の推定値である事前推定値、及び前記センサ計測値の推定値であるセンサ推定値を算出するステップと、
前記センサ推定値と前記センサ計測値との誤差を算出するステップと、
前記誤差とロバストフィルタゲインとに基づいて、前記事前推定値を調整するための調整値を生成するステップと、
前記調整値に基づいて、前記事前推定値を調整して前記状態推定値を算出するステップと、
前記状態推定値を出力するステップと、
を含む性能推定方法。
A performance estimation method for outputting a state estimated value that is an estimated value of a state quantity that cannot be measured by a sensor provided in a target device that is an estimation target device,
Receiving a control input value for controlling the target device;
Receiving a sensor measurement value measured by a sensor provided in the target device;
Based on the control input value using a non-linear simulation model of the target device, a pre-estimated value that is an estimated value before adjusting an estimation error of the state estimated value, and a sensor that is an estimated value of the sensor measurement value Calculating an estimate;
Calculating an error between the sensor estimated value and the sensor measurement value;
Generating an adjustment value for adjusting the prior estimated value based on the error and a robust filter gain;
Calculating the state estimated value by adjusting the prior estimated value based on the adjusted value;
Outputting the estimated state value;
A performance estimation method including:
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