燃气轮机控制方法及系统与流程

本发明涉及燃气轮机控制领域，具体涉及一种燃气轮机控制方法及系统。

背景技术：

应用于电厂的重型燃气轮机其控制手段主要包括燃料量和空气流量，主要为燃料量的控制，由于在燃机运行的不同阶段控制目标不同，主流的燃气轮机控制系统一般都采用最小值选择的方式选择不同的控制方案来实现不同的控制目标，除启动及停机外其他的控制方式都为闭环PID控制，如图1所示为现有的PID控制的结构框图，由图1易知下述的关系式：

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{G_c{G}_p}{1+G_c{G}_p},$

$\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{G_p}{1+G_c{G}_p},$

$\frac{Y\left(s\right)}{N\left(s\right)}=-\frac{G_c{G}_p}{1+G_c{G}_p},$

其中为控制器，K_p为控制器的比例作用系数，T_i为控制器的积分时间常数，T_d为控制器的为微分时间常数，N(s)为噪声，D(s)为干扰，Y(s)为输出，R(s)为参考输入，G_p为被控制对象(根据PI控制器输出的燃料量来控制燃气轮机的运行状态，比如转子速度，或者透平的排气温度，或者压气机压比等)。为了防止噪声、扰动等的作用使得操作量产生尖脉冲，各个控制方式都去掉了微分控制即D控制，即实际的控制方式包括转速PI控制、温度PI 控制、压比PI控制等等。

这种控制方式使得扰动与输出的闭环传递函数、噪声与输出的闭环传递函数、参考输入与输出的闭环传递函数都只与前向通道中的控制器的传递函数相关，是一种一自由度的控制方法，所以当参考输入变化或者出现扰动或者噪声时，输出都会根据前向通道的控制器相应变化，这是不利于调节的。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于二自由度PID控制器的燃气轮机控制方法及系统，能够分开调节输出对参考输入及输出对噪声及干扰的控制器参数，使得输出对参考输入具有更好的跟踪性，输出对扰动及噪声的影响具有更好的稳定性。

为此目的，本发明提出一种燃气轮机控制方法，包括：

获取燃气轮机的状态参数基准和实际的状态参数；

将所述状态参数基准作为参考输入和所述实际的状态参数作为测量值，传输至预先建立的二自由度PID控制器，得到燃气轮机的燃料量；

根据所述燃气轮机的燃料量控制所述燃气轮机的工作状态。

另一方面，本实施例公开一种燃气轮机控制系统，包括：

状态参数采集传感器、减法器、二自由度PID控制器和执行器；其中，

所述状态参数采集传感器，用于采集燃气轮机实际的状态参数；

所述减法器，用于将预先存储的燃气轮机的状态参数基准与所述燃气轮机实际的状态参数进行减法运算；

所述二自由度PID控制器，用于对所述减法运算的结果进行计算，得到燃气轮机的燃料量；

所述执行器，用于根据所述燃气轮机的燃料量执行相应的操作，对所述燃气轮机的燃料量进行控制，以控制所述燃气轮机的工作状 态。

本发明实施例所述的燃气轮机控制方法及系统，由于采用两自由度的控制方案，使得参考输入与输出的闭环传递函数与噪声与输出的闭环传递函数、扰动与输出的闭环传递函数不相关，即参考输入对输出的影响与扰动及噪声对输出的影响不相关，能够分开调节控制器参数，使得输出对参考输入具有更好的跟踪性，输出对扰动及噪声的影响具有更好的稳定性。

附图说明

图1为现有的PID控制器结构框图；

图2为本发明燃气轮机控制方法一实施例的流程示意图；

图3为本发明燃气轮机控制方法另一实施例中PID控制器结构框图；

图4为本发明燃气轮机控制方法又一实施例中PID控制器结构框图；

图5为本发明燃气轮机控制系统一实施例的方框结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本实施例公开一种燃气轮机控制方法，包括：

S1、获取燃气轮机的状态参数基准和实际的状态参数；

S2、将状态参数基准作为参考输入和实际的状态参数作为测量值，传输至预先建立的二自由度PID控制器，得到燃气轮机的燃料量；

S3、根据燃气轮机的燃料量控制燃气轮机的工作状态。

本发明实施例的燃气轮机控制方法，由于采用两自由度的控制方案，使得参考输入与输出的闭环传递函数与噪声与输出的闭环传递函数、扰动与输出的闭环传递函数不相关，即参考输入对输出的影响与扰动及噪声对输出的影响不相关，能够分开调节控制器参数，使得输出对参考输入具有更好的跟踪性，输出对扰动及噪声的影响具有更好的稳定性。

可选地，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，二自由度PID控制器由前向通道的PID控制器和反馈通道的PD控制器组成。

可选地，参看图3，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，PD控制器的输入为实际的状态参数与噪声之和，PID控制器的输入为燃气轮机的状态参数基准与PD控制器的输入之差，前向通道的PID控制器的输出与反馈通道的PD控制器的输出进行减法运算的结果为燃气轮机的燃料量。

本发明实施例中设计的PID-PD控制器，将PID控制器的一部分移到反馈通道中，将其余部分仍留在前向通道中，不把全部导数控制作用或者比例控制作用移到反馈通道，即前向通道中有一个PID控制器，反馈通道中有一个PD控制器，如图3所示，设前向通道的PID控制器的传递函数为G_c1，反馈通道的PD控制器的传递函数为G_c2，则由图3易得下述的关系式：

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{G_{c1}{G}_p}{1+G_{c1}{G}_p}+\frac{G_{c2}{G}_p}{1+G_{c1}{G}_p},$

$\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{G_p}{1+G_{c1}{G}_p},$

$\frac{Y\left(s\right)}{N\left(s\right)}=-\frac{G_{c1}{G}_p}{1+G_{c1}{G}_p},$由上式可得：

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=G_{c2}\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}+\frac{G_P-\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}}{G_P},$

$\frac{Y\left(s\right)}{N\left(s\right)}=\frac{\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}-G_P}{G_P},$

其中，G_c2＝(1+T_d2s)K_p2，G_c1为前向通道PID控制器传递函数，K_p1为前向通道PID控制器的比例作用系数，T_i1为前向通道PID控制器的积分时间常数，T_d1前向通道PID控制器的为微分时间常数，G_c2为反馈通道PD控制器传递函数，K_p2为反馈通道PD控制器的比例作用系数，T_d2为反馈通道PD控制器的微分时间常数，Y(s)为输出的拉普拉斯变换，R(s)为参考输入的拉普拉斯变换，G_p为被控对象传递函数，D(s)为扰动的拉普拉斯变换，N(s)为噪声的拉普拉斯变换。

如果给定则固定，不固定，因为还与G_c2有关，即参考输入与输出的闭环传递函数与噪声与输出的闭环传递函数、干扰与输出的闭环传递函数共有两个自由度。

本发明实施例中，前向通道中不采用主流燃气轮机控制系统的PI控制，而是采用PID控制；而且，除在前向通道中有一个闭环PID控制器外，反馈通道有一个PD控制器，以实现两自由度控制，从而能够分开调节控制器参数，可以使得输出对参考输入具有更好的跟踪性，输出对扰动及噪声的影响具有更好的稳定性。

可选地，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，二自由度PID控制器由前向通道的PID控制器和前向通道的PD控制器组 成。

可选地，参看图4，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，前向通道的PID控制器的输入为燃气轮机的状态参数基准，与实际的状态参数与噪声之和进行减法运算的结果，前向通道的PD控制器的输入为燃气轮机的状态参数基准，前向通道的PID控制器的输出与前向通道的PD控制器的输出之和为燃气轮机的燃料量。

本发明实施例中，如图4所示，设前向通道的PID控制器的传递函数为G_c1，前向通道的PD控制器的传递函数为G_c2，则由图4易得下述的关系式：

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{G_{c1}{G}_p}{1+G_{c1}{G}_p}+\frac{G_{c2}{G}_p}{1+G_{c1}{G}_p},$

$\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{G_p}{1+G_{c1}{G}_p},$

$\frac{Y\left(s\right)}{N\left(s\right)}=-\frac{G_{c1}{G}_p}{1+G_{c1}{G}_p},$由上式可得：

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=G_{c1}\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}+G_{c2}\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)},$

$\frac{Y\left(s\right)}{N\left(s\right)}=-G_{c1}\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)},$

其中，Y(s)为输出的拉普拉斯变换，R(s)为参考输入输入的拉普拉斯变换，G_p为被控对象传递函数，D(s)为扰动的拉普拉斯变换，N(s)为噪声的拉普拉斯变换。

如果给定则固定，不固定，因为还与G_c2有关，即参考输入与输出的闭环传递函数与噪声与输出的闭环传递函数、干扰与输出的闭环传递函数共有两个自由度。

可选地，在本发明燃气轮机控制方法的另一实施例中，燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实 际转速；或者

燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者

燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。

如图5所示，本实施例公开一种燃气轮机控制系统，包括：

状态参数采集传感器1、减法器2、二自由度PID控制器3和执行器4；其中，

状态参数采集传感器1，用于采集燃气轮机实际的状态参数；

减法器2，用于将预先存储的燃气轮机的状态参数基准与燃气轮机实际的状态参数进行减法运算；

二自由度PID控制器3，用于对减法运算的结果进行计算，得到燃气轮机的燃料量；

执行器4，用于根据燃气轮机的燃料量执行相应的操作，对燃气轮机的燃料量进行控制，以控制燃气轮机的工作状态。

本发明实施例的燃气轮机控制系统，由于采用两自由度的控制方案，使得参考输入与输出的闭环传递函数与噪声与输出的闭环传递函数、扰动与输出的闭环传递函数不相关，即参考输入对输出的影响与扰动及噪声对输出的影响不相关，能够分开调节控制器参数，使得输出对参考输入具有更好的跟踪性，输出对扰动及噪声的影响具有更好的稳定性。

可选地，在本发明燃气轮机控制系统的另一实施例中，二自由度PID控制器由前向通道的PID控制器和反馈通道的PD控制器组成。

可选地，在本发明燃气轮机控制系统的另一实施例中，二自由度PID控制器由前向通道的PID控制器和前向通道的PD控制器组成。

可选地，在本发明燃气轮机控制系统的另一实施例中，燃气轮机的状态参数基准为转子的转速基准，实际的状态参数为转子的实际转速；或者

燃气轮机的状态参数基准为透平的排气温度基准，实际的状态参数为透平的实际排气温度；或者

燃气轮机的状态参数基准为压气机的压比基准，实际的状态参数为压气机的实际压比。

与现有的技术比较，本发明的优点是:

1、由于采用两自由度的控制方案，使得参考输入与输出的闭环传递函数与噪声与输出的闭环传递函数、干扰与输出的闭环传递函数三者有两个自由度，可以分别调节前向通道PID及反馈通道PD的控制器参数，使得输出对参考输入的跟踪效果满足要求，且减小噪声及干扰对输出的影响；

2、主流重型燃气轮机控制系统中的闭环控制都采用PI控制，没有D作用，目的是避免噪声干扰等原因使得操作量产生尖脉冲，采用两自由度的控制方案，噪声及干扰的对输出的影响可以单独进行控制，这就允许在前向通道中加入微分作用使用PID控制，具有超前调节的优点。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。