JPH08114129A - ガスタービンの状態フィードバック制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の制御系における制御ゲインを高めて、
応答性など制御性能の向上を図るとともに、ノイズの影
響も少なくして制御精度の向上を図れるようにする。 【構成】 ガス発生機軸１の回転数の現在値と設定値の
偏差に応じた第１の回転数制御出力信号、ガスタービン
の排気温度の現在値と設定値の偏差に応じた排気温度制
御出力信号、ガスタービンの圧縮機の出口圧力の現在値
と設定値の偏差に応じた出口圧力制御出力信号、出力タ
ービン軸５の回転数の現在値と設定値の偏差に応じた第
２の回転数制御出力信号および出力タービン軸５のトル
クの現在値と設定値の偏差に応じたトルク制御出力信号
のうち、少なくとも第１の回転数制御出力信号および排
気温度制御出力信号を含む複数の制御出力信号をそれぞ
れ積分し、それら積分出力信号を非線形要素２５に通し
ていずれかを選択して、燃焼器７への燃料供給流量を制
御するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば航空機や発電
機などに適用される２軸ガスタービンなどのように、特
に高性能が要求されるガスタービンの状態フィードバッ
ク制御方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高性能が要求されるガスタービンにおい
ては、回転数や排気温度、圧縮機の出口圧力、出力ター
ビン軸のトルクなどといった複数の制御項目についての
多変数制御が行われるが、ここで複数の制御出力による
制御対象が燃焼器への燃料供給流量の制御である点で共
通していることから、従来、複数の制御出力をガスター
ビンの運転状態に応じて、低位選択器あるいは高位選択
器などの非線形演算により切り替える制御方式が採用さ
れていた。

【０００３】図６は従来のガスタービンの制御方式の一
例を示す系統図で、同図において、Ａはガスタービン、
Ｂはガス発生機側の第１の回転数制御回路、Ｃは排気温
度制御回路、Ｄは圧縮機出口圧力制御回路、Ｅは出力タ
ービン側の第２の回転数制御回路、Ｆはトルク制御回
路、Ｇは燃料制御回路、Ｈは負荷、Ｉは低位選択器など
の非線形要素である。

【０００４】上記ガスタービンＡは、ガス発生機軸１の
両端部に固定された圧縮機２および圧縮機駆動用タービ
ン３からなるガス発生機４と、上記ガス発生機軸１とは
別軸の出力タービン軸５の一端部に固定された出力ター
ビン６と、上記各タービン３，６に高圧高温ガスを供給
する燃焼器７とから構成され、上記燃料制御回路Ｇによ
り燃焼器７に供給される燃料が燃料バルブ８で調整され
るとともに、上記出力タービン軸５の他端部には発電機
のような負荷Ｈが連結されている。

【０００５】上記第１の回転数制御回路Ｂは、ガス発生
機軸１の回転数の設定値Ｎ１、つまり目標値に対応する
信号ａと、第１の回転数検出器９で検出される実際の回
転数の現在値ｎ１に対応する信号ｊを常時加算器１０で
比較して、両回転数Ｎ１，ｎ１の偏差に応じて第１の回
転数制御出力信号ｋを発生する閉ループ方式が採用され
ている。排気温度制御回路Ｃは、ガス発生機４の排気温
度の設定値Ｔ、つまり目標温度値に対応する信号ｂと、
排気温度検出器１１で検出される実際の排気温度の現在
値ｔに対応する信号ｌを常時加算器１２で比較して、両
排気温度Ｔ，ｔの偏差に応じて排気温度制御出力信号ｍ
を発生する閉ループ方式が採用されている。

【０００６】上記圧縮機出口圧力制御回路Ｄは、上記圧
縮機２の出口圧力の設定値Ｐ、つまり目標出口圧力に対
応する信号ｃと、出口圧力検出器１３で検出される実際
の出口圧力の現在値ｐに対応する信号ｏを常時加算器１
４で比較して、両出口圧力Ｐ，ｐの偏差に応じて圧縮機
出口圧力制御出力信号ｑを発生する閉ループ方式が採用
されている。また、上記第２の回転数制御回路Ｅは、上
記出力タービン軸５の回転数の設定値Ｎ２、つまり目標
値に対応する信号ｄと、第２の回転数検出器１５で検出
される実際の回転数の現在値ｎ２に対応する信号ｒとを
常時加算器１６で比較して、両回転数Ｎ２，ｎ２の偏差
に応じて第２の回転数制御出力信号ｓを発生する閉ルー
プ方式が採用されている。さらに、上記トルク制御回路
Ｆは、上記ガス発生機軸１の回転力（トルク）の設定値
Ｋ、つまり目標トルク値に対応する信号ｕと、トルク検
出器１７で検出される実際のトルクの現在値ｅに対応す
る信号ｖとを常時加算器１８で比較して、両トルクＫ，
ｅの偏差に応じてトルク制御出力信号ｗを発生する閉ル
ープ方式が採用されている。

【０００７】上記のように構成された従来のガスタービ
ンの制御方式においては、運転状態に応じて、上記各制
御回路Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆからの制御出力信号ｋ，ｍ，
ｑ，ｓ，ｗが低位選択回路などの非線形要素Ｉに入力さ
れ、この非線形要素Ｉにおいて最も低位信号が選択され
て、その選択された信号が燃料制御回路Ｇに印加される
ことによって、燃料バルブ８の開度が制御され、燃焼器
７に供給される燃料流量が自動制御されるものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な構成の従来のガスタービンの制御方式では、各制御ル
ープそれぞれが単独に十分安定であるように調整されて
いる。しかしながら、各制御ループの制御出力が最も低
い値でほぼ等しい値となった場合、低位選択回路などの
非線形要素Ｉの効果によって各制御系が相互に干渉して
制御性能が大きな影響を受ける。すなわち、みかけの制
御ゲインが小さくなることで、安定化を促進したり、十
分なフィードバックゲインが得られなくなり、ロバスト
性、外乱特性が不良になって、所定通りの制御性能を発
揮しなくなる。

【０００９】また、線形性が崩れることにより、たとえ
各制御回路に積分動作があっても、オフセットが生じる
ことなど制御精度の劣化は免れ得ない。このような制御
性能の低下や制御精度の劣化は、上記低位選択器など非
線形要素への各制御出力信号の入力変数の変化が大きい
ほど顕著である。また、制御性能を乱すものとして有害
なノイズの影響により制御出力の波形が歪められて、オ
フセットが大きくなるという課題があった。

【００１０】この発明は上記課題を解消するためになさ
れたもので、複数の制御系における制御ゲインを高め
て、応答性など制御性能の向上を図るとともに、ノイズ
の影響も少なくして制御精度の向上を図ることができる
ガスタービンの状態フィードバック制御方式を提供する
ことを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によるガスタービンの状態フィードバック
制御方式は、ガス発生機軸の回転数の現在値と設定値と
の比較による両値の偏差に応じた第１の回転数制御出力
信号、ガスタービンの排気温度の現在値と設定値との比
較による両値の偏差に応じた排気温度制御出力信号、ガ
スタービンの圧縮機の出口圧力の現在値と設定値との比
較による両値の偏差に応じた出口圧力制御出力信号、上
記ガス発生機軸とは別軸の出力タービン軸の回転数の現
在値と設定値との比較による両値の偏差に応じた第２の
回転数制御出力信号および上記出力タービン軸のトルク
の現在値と設定値との比較による両値の偏差に応じたト
ルク制御出力信号のうち、少なくとも第１の回転数制御
出力信号および排気温度制御出力信号を含む複数の制御
出力信号をそれぞれ積分する積分器と、これら各積分器
からの出力信号をそれぞれ入力させて、そのうちの低位
側もしくは高位側の出力信号を選択し出力する非線形要
素と、この非線形要素からの出力信号に基づいてガスタ
ービンに高圧高温ガスを供給する燃焼器への燃料供給流
量を制御する燃料制御回路と、上記複数の制御項目の現
在値に対応する信号をフィードバックして上記非線形要
素からの出力信号に重畳させる加算器とを備えたことを
特徴とする。

【００１２】上記構成のガスタービンの状態フィードバ
ック制御方式において、上記複数の制御項目の現在値に
対応するフィードバック信号を、それぞれ比例回路もし
くは微分回路および比例回路を経て上記加算器に入力さ
れるようにすることが望ましい。

【００１３】

【作用】上記構成のガスタービンの状態フィードバック
制御方式によれば、複数の制御ループの主制御部が、演
算の時間的変化の少ない積分器による積分動作であるた
めに、その主制御部の積分ゲインを適切に選ぶことによ
り、オーバーシュートの発生を防止することが可能であ
り、それ故に、各制御項目それぞれの状態フィードバッ
クゲインを高い値に調整することが可能となり、したが
って、全体の制御ゲインを高めて、応答性などの制御性
能の向上を図ることができる。また、非線形要素への入
力は、各制御ループの積分動作出力であるために、高周
波のゲインが小さくなり、複数の制御ループの出力がほ
ぼ等しい値をとる運転状態になったとしても、非線形要
素による干渉は少なく、かつノイズの影響も受けにく
く、制御精度も向上することができる。

【００１４】さらに、上記複数の制御項目の現在値に対
応するフィードバック信号を、それぞれ比例回路もしく
は微分回路および比例回路を経て上記加算器に入力させ
るように構成する場合は、状態フィードバックによる制
御性能を一層良好にすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面にもとづい
て説明する。図１はこの発明の２軸ガスタービンの状態
フィードバック制御方式の一例を示す系統図であり、同
図において、図６で示す従来例と同一部分には同一の符
号を付して、それらの詳しい説明を省略する。

【００１６】図１において、図６と相違する点は、上記
複数の制御回路Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆからの制御出力信号
ｋ，ｍ，ｑ，ｓ，ｗをそれぞれ積分する積分器２０，２
１，２２，２３，２４を設けるとともに、これら各積分
器２０，２１，２２，２３，２４からの出力信号ｋ１，
ｍ１，ｑ１，ｓ１，ｗ１をそれぞれ入力させて、そのう
ちの最も低位もしくは高位の出力信号ｘを選択して出力
する低位選択器もしくは高位選択器などの非線形要素Ｉ
を設けた点と、上記各検出器９，１１，１３，１５，１
７により検出される複数の制御項目の現在値ｎ１，ｔ，
ｐ，ｎ２，ｅに対応する信号ｊ，ｌ，ｏ，ｒ，ｖをそれ
ぞれ比例回路２５，２６，２７，２８，２９を経て上記
非線形要素Ｉから出力される選択信号ｘに重畳させる加
算器３０，３１，３２，３３，３４を設けて状態フィー
ドバック制御系を構成させた点である。

【００１７】つぎに、上記構成の動作を説明する。通常
の運転状態において、負荷Ｈが変動して、複数の制御項
目における現在値ｎ１，ｔ，ｐ，ｎ２，ｅが減少または
増加すると、それら現在値ｎ１，ｔ，ｐ，ｎ２，ｅが各
検出器９，１１，１３，１５，１７により検出されてそ
れぞれに対応する信号ｊ，ｌ，ｏ，ｒ，ｖが加算器１
０，１２，１４，１６，１８の一方の入力段に印加され
て、それら各加算器１０，１２，１４，１６，１８の他
方の入力段に印加されている各設定値Ｎ１，Ｔ，Ｐ，Ｎ
２，Ｋに対応する信号ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｕと比較され、
各制御回路Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆからそれぞれの偏差に応
じた制御出力信号ｋ，ｍ，ｑ，ｓ，ｗが出力される。

【００１８】これら制御出力信号ｋ，ｍ，ｑ，ｓ，ｗの
それぞれは、積分器２０，２１，２２，２３，２４に入
力されて、演算の時間的変化の少ない積分動作を受ける
ことになる。このとき、各積分ゲインを適切に選定する
ことによって、オーバーシュートおよびハンチング現象
を防止することが可能であり、それゆえに、状態フィー
ドバック制御系におけるフィードバックゲインは、安定
である限り各制御項目の制御特性を良好にするように高
い値に調整することができ、したがって、制御系全体の
制御ゲインを高めることができる。また、各積分ゲイン
を調整することで、各制御ループの応答性などの調整も
容易に行なえるといったように、多変数制御としての制
御要求仕様に基づいた調整を任意に行なえる。

【００１９】次に、上記各積分器２０，２１，２２，２
３，２４からの出力信号ｋ１，ｍ１，ｑ１，ｓ１，ｗ１
は非線形要素Ｉに入力され、そのうちの最も低位もしく
は高位の信号が選択されて出力されるが、このとき、そ
の出力信号ｘとして複数の制御項目のいずれを選択した
場合も、積分動作出力であって、高周波のゲインが小さ
いため、非線形要素Ｉによる干渉がほとんどなく、ま
た、ノイズの影響も受けにくく、制御性能の向上を図る
ことができる。さらに、上記非線形要素Ｉの後段に、該
非線形要素Ｉによる選択出力信号ｘに、上記各検出器
９，１１，１３，１５，１７により検出される複数の制
御項目の現在値ｎ１，ｔ，ｐ，ｎ２，ｅに対応する信号
ｊ，ｌ，ｏ，ｒ，ｖをそれぞれ比例回路２５，２６，２
７，２８，２９を経て重畳させる加算器３０，３１，３
２，３３，３４を設けて状態フィードバック制御系を構
成させることにより、制御精度を一層高めることができ
る。

【００２０】なお、上記実施例では、制御項目として、
ガス発生機軸の回転数、ガスタービンの排気温度、ガス
タービンの圧縮機の出口圧力、出力タービン軸の回転数
および出力タービン軸のトルクの５項目に設定したもの
について説明したが、この発明では、少なくともガス発
生機軸の回転数とガスタービンの排気温度の２項目以上
に設定したものに適用することによって、上記と同様な
効果を奏するものである。

【００２１】また、上記実施例では、上記各検出器９，
１１，１３，１５，１７により検出される複数の制御項
目の現在値ｎ１，ｔ，ｐ，ｎ２，ｅに対応する信号ｊ，
ｌ，ｏ，ｒ，ｖをそれぞれ比例回路２５，２６，２７，
２８，２９のみを経て加算器３０，３１，３２，３３，
３４で重畳させるようにしたが、微分回路および比例回
路を経て重畳させるようにしてもよい。

【００２２】さらに、上記実施例では、２軸ガスタービ
ンの状態フィードバック制御方式について説明したが、
１軸ガスタービンの状態フィードバック制御方式に適用
してもよいこと勿論である。

【００２３】最後に、この発明の制御方式を他の制御方
式であるＰＩ（Proportional plusIntegral）位置型制
御方式およびＰＩ速度型制御方式との比較で述べる。こ
の発明による制御方式は、前述した図１における各制御
ループに積分動作をもたせ、積分演算出力のみが非線形
要素Ｉを通過する。これに対し、ＰＩ位置型制御方式
は、図６における非線形要素Ｉからの出力信号ｘが比例
回路および積分回路に印加されたのち、両出力が加算さ
れる方式であり、各制御ループにおいて比例ゲインと積
分ゲインの比を共通にする。また、ＰＩ速度型制御方式
は、図６における各制御回路Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆからの
制御出力信号ｋ，ｍ，ｑ，ｓ，ｗが微分回路（図示せ
ず）を介して非線形要素Ｉに供給され、この非線形要素
Ｉからの出力信号が積分回路（図示せず）に印加される
ものであり、上記微分回路からの微分成分により、燃料
バルブ８の開閉の応答性を高める。

【００２４】図２は、回転数制御と排気温度制御との非
線形要素Ｉによる干渉を上記ＰＩ速度型方式との比較に
おいて示す特性図である。通常の運転状態において、負
荷Ｈが変動し、複数の制御項目のうち、たとえば実際の
排気温度の現在値ｔ，実際の回転数の現在値ｎ２並びに
燃料バルブ８の開度ｖは、各対応する信号にノイズを有
する場合であっても、この発明によれば、ＰＩ位置型方
式とほぼ同様に高周波のゲインが小さいため、図２の実
線で示す各特性ｔ，ｎ２，ｖのように、同図の仮想線で
示すＰＩ速度型方式の各対応する特性ｔ，ｎ２，ｖと比
較して、非線形要素Ｉによる干渉がほとんどなく、ま
た、ノイズの影響も受けにくく、制御性能の向上を図っ
て、その各応答特性を向上させることができる。

【００２５】図３および図４は、回転数設定値をステッ
プ的に変化させた加速制御性能を上記ＰＩ位置型方式に
ついて示す特性図である。図３において、実際の回転数
の現在値ｎ２に対する加速度成分、つまり、現在値ｎ２
に対応する信号の微分成分dn２は、上記回転数の現在値
ｎ２が加速制御により最大加速度が許容値内に制御され
て目標値となる設定値まで加速されるようにステップ的
に変化する。このように、加速制御のゲインを高める
と、加速度成分である微分成分dn２がその立上り頂部で
乱れるため、燃料バルブ８の開度ｖにおいて不安定現象
がみられ、オーバーシュートが発生する。これを防止す
るため、制御ゲインを1/10に低下させると、図４で示す
ように加速度成分である微分成分dn２のオフセットＹが
大きくなり、加速制御性能が低下する。これに対して、
この発明によれば、図５で示すように、上記加速度成分
である微分成分dn２がその立上り頂部で乱れることな
く、かつオフセットの発生もないから、オーバーシュー
トの発生や加速性能の低下を防止することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、複数
の制御ループの主制御部が、演算の時間的変化の少ない
積分器による積分動作であるために、その主制御部の積
分ゲインを適切に選ぶことにより、オーバーシュートの
発生を防止することができ、それ故に、各制御項目それ
ぞれの状態フィードバックゲインを高い値に調整するこ
とができる。したがって、全体の制御ゲインを高めて、
応答性などの制御性能の向上を図ることができる。しか
も、非線形要素への入力は、各制御ループの積分動作出
力であるために、高周波のゲインが小さくなり、複数の
制御ループの出力がほぼ等しい値をとる運転状態になっ
たとしても、非線形要素による干渉は少なく、かつノイ
ズの影響も受けにくく、制御精度の向上を図ることがで
きる。

【００２７】特に、上記複数の制御項目の現在値に対応
するフィードバック信号を、それぞれ比例回路もしくは
微分回路および比例回路を経て上記加算器に入力させる
ように構成すれば、状態フィードバックによる制御性能
を一層良好にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるガスタービンの状態フィードバ
ック制御方式の一例を示す概略的な系統図である。

【図２】この発明によるガスタービンの回転数制御と排
気温度制御との非線形要素による干渉を従来のＰＩ速度
型方式との比較において示す特性図である。

【図３】ガスタービンの回転数設定値をステップ的に変
化させた加速制御性能を従来のＰＩ位置型方式について
示す特性図である。

【図４】ガスタービンの回転数設定値をステップ的に変
化させた加速制御性能を従来のＰＩ位置型方式について
示す他の特性図である。

【図５】この発明によるガスタービンの回転数設定値を
ステップ的に変化させた加速制御性能を示す特性図であ
る。

【図６】従来のガスタービンの制御方式の一例を示す概
略的な系統図である。

【符号の説明】

１ ガス発生機軸 ２ 圧縮機 ５ 出力タービン軸 ７ 燃焼器 ９ 第１の回転数検出器 １１ 排気温度検出器 １３ 圧縮機出口圧力検出器 １５ 第２の回転数検出器 １７ トルク検出器 １０，１２，１４，１６，１８，３０，３１，３２，３
３，３４ 加算器 ２０，２１，２２，２３，２４ 積分器 ２５，２６，２７，２８，２９ 比例回路 Ａ ２軸ガスタービン Ｂ 第１の回転数制御回路 Ｃ 排気温度制御回路 Ｄ 圧縮機出口圧力制御回路 Ｅ 第２の回転数制御回路 Ｆ トルク制御回路 Ｉ 非線形要素（低位選択器もしくは高位選択器） Ｇ 燃料制御回路 Ｎ１ 第１の回転数設定値 Ｎ２ 第２の回転数設定値 Ｔ 排気温度の設定値 Ｐ 圧縮機出口圧力の設定値 Ｋ トルクの設定値 ｎ１ ガス発生機軸の回転数現在値 ｎ２ 出力タービン軸の回転数現在値 ｔ 排気温度の現在値 ｐ 圧縮機出口圧力の現在値 ｅ トルクの現在値 ｋ，ｍ，ｑ，ｓ，ｗ 制御出力信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス発生機軸の回転数の現在値と設定値
   との比較による両値の偏差に応じた第１の回転数制御出
   力信号、ガスタービンの排気温度の現在値と設定値との
   比較による両値の偏差に応じた排気温度制御出力信号、
   ガスタービンの圧縮機の出口圧力の現在値と設定値との
   比較による両値の偏差に応じた出口圧力制御出力信号、
   上記ガス発生機軸とは別軸の出力タービン軸の回転数の
   現在値と設定値との比較による両値の偏差に応じた第２
   の回転数制御出力信号および上記出力タービン軸のトル
   クの現在値と設定値との比較による両値の偏差に応じた
   トルク制御出力信号のうち、少なくとも第１の回転数制
   御出力信号および排気温度制御出力信号を含む複数の制
   御出力信号をそれぞれ積分する積分器と、これら各積分
   器からの出力信号をそれぞれ入力させて、そのうちの低
   位側もしくは高位側の出力信号を選択し出力する非線形
   要素と、この非線形要素からの出力信号に基づいてガス
   タービンに高圧高温ガスを供給する燃焼器への燃料供給
   流量を制御する燃料制御回路と、上記複数の制御項目の
   現在値に対応する信号をフィードバックして上記非線形
   要素からの出力信号に重畳させる加算器とを備えたこと
   を特徴とするガスタービンの状態フィードバック制御方
   式。
2. 【請求項２】 上記複数の制御項目の現在値に対応する
   フィードバック信号は、それぞれ比例回路もしくは微分
   回路および比例回路を経て上記加算器に入力されるよう
   になされている請求項１のガスタービンの状態フィード
   バック制御方式。