考虑传感器故障来控制燃气涡轮的制作方法

本发明涉及一种用于控制燃气涡轮的系统以及一种用于控制燃气涡轮的方法，其中特别地考虑了传感器故障。

背景技术：

ep1096122a1公开了用于复杂技术对象的控制系统，这些复杂技术对象在范围宽泛的模式和负载下运行，这些模式和负载可以被用于燃气涡轮发动机的控制系统、发电站的涡轮等。根据该方法，传感器与基于发动机模型而建立的状态观察器连接，一个观察器与所有传感器连接，而其余观察器中的每个观察器与除了一个传感器以外的所有传感器连接，所有观察器的平方残差的加权和得以确定，第一观察器的平方残差的加权和的值与来自其余观察器中的每个观察器的平方残差的加权和的值进行比较，所接收的多个差异信号值的最大值与阈值进行比较，并且针对该传感器建立故障信号；指示哪些未在该值超过阈值的观察器中被使用，针对每个状态观察器，确定由于对象模型的预先确定的参数的误差而引起的可能残差位置的区域，并且定义其残差超出预先确定的区域的极限的状态观察器。

ep1312781a2公开了一种与直升机相关联的燃气涡轮发动机的范围内(in-range)发动机传感器故障的检测方法，包括以下步骤：计算多个发动机传感器的发动机轴马力；计算来自多个发动机传感器的第一平均马力；针对每个发动机传感器，计算与第一平均马力的马力偏差；针对每个发动机传感器，计算相对于所有其他发动机传感器的马力偏差比；禁用与第一平均马力的偏差最大的发动机传感器；计算第二平均马力；针对每个发动机传感器，计算与第二平均马力的马力偏差；针对每个发动机传感器，重新计算相对于所有其他发动机传感器的马力偏差比；比较马力偏差比与预先定义的极限；以及如果发动机传感器的马力偏差比超过预先定义的极限，则宣布传感器故障。

ep1591951a2公开了一种用于基于从冗余传感器接收的信号来估计参数的方法，其中从至少对应的第一冗余传感器和第二冗余传感器接收至少第一感测信号和第二感测信号。第一感测信号和第二感测信号指示参数，其中第一感测信号与第一精度相关联，其中第二感测信号与第二精度关联。接收指示参数的至少一个参考信号，其中参考信号与参考精度相关联，基于至少第一感测信号、第二感测信号并且基于第一精度、第二精度以及参考精度中的至少一个精度来确定权重，并且根据权重，参数的估计被生成为至少第一感测信号的值、第二感测信号的值和参考信号的值的加权平均值。

ep1630635a2公开了一种用于使用传感器置信度检测发电厂设备中的故障的方法和装置、以及一种标识由那些传感器所测量的发电设备的正常操作范围的改进方法，其中为传感器分配与残差成比例的置信度，该残差与该传感器相关联。如果传感器具有高残差，则分配给该传感器的小的置信度，如果传感器具有低残差，则分配给该传感器的高的置信度，并且提供该传感器与其他传感器的适当的权重。

ep2239441a2公开了一种用于车辆推进系统的发动机控制系统，包括多个发动机模型模块，其独立执行并且被编程为从位于发动机上的多个传感器接收发动机运行条件值，多个发动机模型模块中的每一个被编程为确定发动机中位置的过程参数的估计，在该位置处，存在以下各项中的至少一项：用于过程参数的传感器不可用，用于过程参数的传感器不在该位置处，该位置处的传感器已经发生故障，以及该位置处的传感器被确定为不精确；估计源选择器，被配置为确定模型混合因子；以及模型混合模块，被配置为使用从多个发动机模型模块中的至少两个确定的估计和模型混合因子来确定估计的虚拟传感器值。

us6999906公开了一种重新配置方法，被设计成在计算机系统中实现，用于补偿传感器系统的故障，该传感器系统包括至少一个传感器，用于测量应用系统的系统状态；以及至少一个系统模型，用于描述应用系统，该传感器和该系统模型一起形成至少一个第一观察器，用于估计系统状态，以便为分配的数据处理设备提供系统状态。第一观察器的多个故障状态根据如下偏差而被确定，这些偏差是由于传感器或多个传感器所测量的多个状态与系统模型所估计的状态之间的比较而发生的。

us8775124公开了一种用于生成一组分析冗余关系的方法，该分析冗余关系表示系统，多个传感器与该系统相关联以用于观察变量，这些变量指示操作条件并且适于支持故障的检测和辨别。根据在系统的可观察变量和不可观察变量之间建立的一组中间关系，来建立完整的一组系统分析冗余关系，其中每个中间关系通过组合两个预先定义的关系来生成。

us2007/118270a1公开了一种用于通过观察嵌入式模型中的被跟踪部件的质量并且识别与传感器误差相对应的质量改变的异常图案、来标识燃气涡轮发动机中的范围内(in-range)传感器故障的方法和系统，其中发动机的嵌入式模型用于估计所感测的参数，并且传感器故障通过标识部件质量参数中的异常图案来检测。

传统上，在燃气涡轮监测系统中可以改善硬件传感器冗余，以提高燃气涡轮的控制系统的可靠性。与现有技术中的各种分析冗余策略相比较，硬件冗余的结果可能成本高昂、较为繁重、不太实用并且不太可靠。

在一个或多个传感器故障的情况下，传统的方法和系统并非在所有的情况下都正确地解决燃气涡轮的控制问题。

因此，可能存在对于一种用于控制燃气涡轮的系统以及一种用于控制燃气涡轮的方法的需求，其中特别地，即使在一个或多个传感器故障的情况下，也可以改进对燃气涡轮的控制。

技术实现要素：

该需求可以通过根据独立权利要求的方案得到满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求得以描述。

本发明的实施例涉及解决工业燃气涡轮中传感器故障问题的方法和系统。从而，可以借助于分析传感器冗余(软传感器)来补偿传感器故障。特别地，在本发明的实施例中，可以解决双重(一个硬件和一个软传感器)冗余和三重(两个硬件和一个软传感器)冗余。例如，本发明的实施例可以应用于工业双轴燃气涡轮中的压缩机输送压力测量(一个压力换能器)和排气温度测量(两个热电偶)。根据本发明的实施例的系统可以由以下各项组成：传感器故障检测、隔离和调整子系统以及双线路控制系统中对应调节器的重新配置。

根据本发明的实施例，提供了一种用于控制燃气涡轮的系统，包括：控制系统，用于向燃气涡轮提供控制信号；调谐系统，用于提供调谐信号；建模系统，用于生成虚拟测量信号，该虚拟测量信号基于控制信号和调谐信号；传感器诊断系统，用于诊断传感器测量结果并且将控制系统重新配置信号输出到控制系统以及将调谐器系统重新配置信号输出到调谐系统，该调谐信号至少基于调谐器系统重新配置信号，该控制信号基于至少一个传感器测量信号、虚拟测量信号和控制系统重新配置信号。

控制信号可以控制燃气涡轮的运行，特别是控制关于燃料供应、压缩空气供应、旋转轴速度、旋转轴功率等的运行。控制系统可以接收若干输入信号，诸如一个或多个运行参数的需求值、控制系统重新配置信号、传感器测量结果以及虚拟测量信号。例如，控制系统可以包括一个或多个pid控制器或pi控制器等，这些控制器适于基于参考值和一个或多个运行参数或需求参数的实际值之间的差来导出控制信号。

一个或多个调谐信号可以允许调谐或重新调节建模系统(的参数)。建模系统可以使用物理定律和数学方程、数值方法等对燃气涡轮的运行进行建模。建模系统可以模拟燃气涡轮的运行，因此也可以推导出测量运行参数的传感器的值，所推导出的信号也被称为虚拟测量信号。传感器测量结果可以被供应给传感器诊断系统。诊断系统还可以从建模系统接收虚拟测量信号。传感器测量信号与虚拟测量信号的偏差可以指示一个传感器故障或几个传感器故障。传感器故障可能较为严重或不太严重。

控制系统从传感器诊断接收控制系统重新配置，并且调谐系统也从传感器诊断接收调谐器重新配置信号。由此，由传感器诊断系统检测到的并且可选地量化的传感器误差或者潜在检测到的传感器故障会影响控制系统和调谐系统两者。因此，在一个或多个传感器具有故障的情况下，可以改进对这些传感器故障或误差的检测和补偿。

特别地，本发明的实施例提供了一种用于在工业燃气涡轮发动机上使用的自包含的传感器诊断、隔离和调整系统。所提出的系统和方法可以包含控制系统重新配置逻辑，并且可以足够通用以应用于不同的发动机配置。

特别地，燃气涡轮可以由控制系统控制，该控制系统可以基于来自可用发动机仪表的传感器测量结果来生成控制信号(也被称为控制变量)。在正常运行模式期间，当不存在传感器故障时，调整调谐可以考虑完整的一组的估计的健康参数，其可以使用所有可用传感器测量结果由估计器导出。然后，调谐系统可以利用所估计和预测的健康参数来将实时模型(也被称为建模系统)与燃气涡轮匹配(或重新调节)。所预测的健康参数可以由动态非线性燃气涡轮实时模型生成。对于给定的控制信号(控制变量)和模型调谐信号，实时模型可以生成虚拟测量结果，其还可以被控制系统和传感器诊断系统使用。

在传感器故障运行模式下，其中一个或多个传感器发生了故障，传感器诊断系统可以检测并隔离这些故障传感器的测量结果。传感器诊断系统可以解析两类传感器故障，即，硬(大范围内)传感器故障和软(小范围内或漂移)传感器故障。一旦检测到并隔离了传感器故障，即可以发起特定故障的调整。传感器故障的调整可以通过调谐系统和控制系统的重新配置，即，使用一个或多个控制系统重新配置信号和一个或多个调谐器系统重新配置信号来执行。当发生传感器故障时，估计器所生成的估计的健康参数可能受到影响，因此必须调节调谐系统所执行的调谐过程以应对该缺陷。根据本发明的实施例，该调节经由调谐器重新配置逻辑引入到调谐过程中。通过该控制系统重新配置逻辑，传感器故障的补偿也得以考虑。取决于传感器故障分类，可以选择控制系统中对应的双线路配置。

根据本发明的实施例，可以实现基于所应用的传感器诊断逻辑的对控制系统和调整调谐器的同时重新配置。

根据本发明的实施例，基于传感器故障的概率，逐步重新配置双线路逻辑和调整调谐器可以提供调整范围内(硬)传感器故障和超范围(软)传感器故障的能力。

根据本发明的实施例，提供了一种用于重新配置控制系统逻辑的方法。

根据本发明的实施例，提供了一种用于调整发动机模型估计器/调谐器的方法。

根据本发明的实施例，该系统还包括估计器，用于基于测量信号来估计健康参数，所估计的健康参数被提供至调谐系统，该调谐信号还基于所估计的健康参数。可以使用来自发动机仪表的可用测量结果来估计健康参数，并且它们可以反映“完整的”一组部件性能参数。

由此，可以确定定义燃气涡轮的运行或运行的演变的所有必要参数。此外，调谐过程由此能够得以改进。

根据本发明的实施例，建模系统还被配置为生成预测的健康参数，其被提供至调谐系统，该调谐信号还基于预测的健康参数。

当调谐系统接收预测的健康参数以及所估计的健康参数时，可以进行进一步的一致性校验，并且因此调谐信号可以被适应性改变。

根据本发明的实施例，虚拟测量信号也被提供至传感器诊断系统，控制系统重新配置信号和调谐器系统重新配置信号还基于虚拟测量信号。

传感器诊断系统可以比较虚拟测量信号和传感器测量信号，以便检测或标识一个或多个传感器故障。从而，可以导出控制系统重新配置信号以及调谐器系统重新配置信号，以便更好地重新配置控制系统和/或调谐系统。

根据本发明的实施例，控制系统还包括第一调节器，用于生成第一控制信号；第二调节器，用于生成第二控制信号；控制输出切换系统，选择性地输出第一控制信号或第二控制信号，该控制输出切换系统的状态基于控制系统重新配置信号。

第一调节器以及第二调节器可以包括控制器或者是控制器，诸如pi控制器或pid控制器。当基本上没有检测到传感器故障时，可以选择第一调节器用于输出其第一控制信号。在这种情况下，检测到传感器故障，可以选择由第二调节器生成的第二控制信号用于输出。可以取决于控制系统重新配置信号来触发控制输出切换系统的切换。

控制系统还可以包括传感器输出切换系统，以选择性地将至少一个传感器测量信号或一个或多个虚拟测量信号提供至第二调节器，传感器输出切换系统的状态基于控制系统重新配置信号。

根据本发明的实施例，传感器诊断系统适于确定传感器残差，该传感器残差是至少一个传感器测量信号与对应的虚拟测量信号之间的差。

残差可以被确定为传感器测量信号和虚拟传感器测量信号之间的差，尤其是可以被确定为该差除以传感器测量不确定度的相应标准差。残差可以指示传感器故障是否存在。

根据本发明的实施例，控制系统重新配置信号定义用于基于传感器残差和至少一个阈值来切换控制输出切换系统的条件。例如，阈值可以基于传感器测量信号和虚拟测量信号之间的差以及标准差来导出。

根据本发明的实施例，控制系统重新配置信号定义用于基于传感器残差和至少一个阈值来切换传感器输出切换系统的条件。

控制输出切换系统和传感器输出切换系统的切换状态可以在依据关于一个或多个残差的条件的表中表示。例如，如果残差不大于阈值，则可以输出第一传感器信号，并且第一调节器可以向燃气涡轮提供第一控制信号。如果残差在两个阈值(最小阈值和最大阈值)之间，则传感器输出切换系统可以向第二调节器提供至少一个传感器测量信号，并且由第二调节器生成的第二控制信号可以被提供至燃气涡轮。如果残差大于最大阈值，则传感器输出切换系统可以向第二调节器提供虚拟测量信号，并且第二调节器可以向燃气涡轮提供其第二控制信号。

在其他实施例中，可以测量和考虑两个传感器测量信号或甚至更多个传感器测量信号，并且可以扩展传感器输出切换系统以向第二调节器选择性地提供两个或更多个传感器测量信号或虚拟测量信号中的一个。在此，虚拟测量信号可以表示如由建模系统模拟的模拟传感器测量信号。

根据本发明的实施例，向调谐系统提供的调谐器系统重新配置信号被用于基于残差来调节涡轮状态转换矩阵和卡尔曼滤波器增益矩阵，经调节的涡轮状态转换矩阵和卡尔曼滤波器增益矩阵定义燃气涡轮的运行状态的演变。

涡轮状态转换矩阵和滤波器增益矩阵可以允许确定或计算燃气涡轮的状态变量的演变。经由涡轮状态转换矩阵和滤波器增益矩阵的调节对残差的依赖性，经调节的涡轮状态转换矩阵和滤波器增益矩阵可以取决于一个或多个检测到的或隔离的传感器故障。从而，对燃气涡轮的运行的建模可以通过向建模系统提供调谐信号来改进。

根据本发明的实施例，经调节的涡轮状态转换矩阵和卡尔曼增益矩阵被定义为补偿矩阵与初始涡轮状态转换矩阵和卡尔曼增益矩阵的乘积，补偿矩阵是对角的并且具有取决于对应的残差的幅度而不同于1的元素。

补偿矩阵可以是除了对角(列索引等于行索引)之外所有元素等于0的二次矩阵。补偿矩阵的对角线上的元素可以是残差的简单函数，尤其是考虑到最大阈值和最小阈值的残差的简单函数。从而，使得能够以简单方式来校正状态转换矩阵和滤波器增益矩阵或调节状态转换矩阵和滤波器增益矩阵。

根据本发明的实施例，至少一个传感器测量信号包括压缩机排放压力测量信号，其中旋转轴功率被控制为低于极限和/或根据预先确定的进度对压缩机排放压力进行限制。其他应用也是可能的。

应当理解，针对一种用于控制燃气涡轮的系统而单独地或组合地公开、解释或提供的特征还可以单独地或以任何组合应用于根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的方法，反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于控制燃气涡轮的方法，包括：通过控制系统，向燃气涡轮提供控制信号；通过调谐系统，提供调谐信号；通过建模系统，生成虚拟测量信号，该虚拟测量信号基于控制信号和调谐信号；通过用于诊断传感器测量结果的传感器诊断系统，将控制系统重新配置信号输出到控制系统并且将调谐器系统重新配置信号输出到调谐系统，该调谐信号至少基于调谐器系统重新配置信号，该控制信号基于至少一个传感器测量信号、虚拟测量信号和控制系统重新配置信号。

该方法可以以硬件和/或软件实现。特别地，该方法可以包括：在处理器中执行计算机程序，该处理器包括逻辑单元/算术单元。

必须指出，已经参考不同的主题对本发明的实施例进行了描述。特别地，已经参考方法类型权利要求对一些实施例进行了描述，而已经参考装置类型权利要求对其他实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中推知，除非另有通告，不仅能够对属于一种类型主题的特征进行任意组合，而且能够在与不同主题有关的特征之间，特别地，在方法类型权利要求的特征与装置类型权利要求的特征之间进行任何组合，并且认为以上组合是与本申请一起公开的。

根据下文将描述的实施例的示例，本发明的上述方面和其他方面变得显而易见，并且参考实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例对本发明进行更详细地描述，但是本发明不限于这些示例。

附图说明

现在，参考附图对本发明的实施例进行描述。本发明不限于所图示或描述的实施例。

图1示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的系统；

图2示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的系统的一部分；

图3示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的系统的一部分；

图4示意性地图示了根据本发明的实施例的调谐系统，该调谐系统可以被包括在用于控制燃气涡轮的系统中；

图5示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的系统的一部分；以及

图6示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的系统的一部分。

具体实施方式

附图中的图示采用示意性形式。应当指出，在不同的附图中，相似或相同的元件提供相同的附图标记或者提供仅第一位与对应的附图标记不同的附图标记。

图1示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的系统100。该系统100包括控制系统101，用于向燃气涡轮105提供控制信号103。该系统100还包括调谐系统107，用于向实时模型或建模系统111提供调谐信号109。该系统100还包括建模系统111，用于生成虚拟测量信号113，其中虚拟测量信号113基于控制信号103和调谐信号109。该系统100还包括传感器诊断系统115，用于诊断燃气涡轮105的传感器测量结果117以及用于将控制系统重新配置信号119输出到控制系统101，并且用于将调谐器系统重新配置信号121输出到调谐系统107。从而，调谐信号109至少基于调谐器系统重新配置信号121。控制信号103基于至少一个传感器测量信号117、虚拟测量信号113和控制系统重新配置信号119。

图1中所图示的说明性实施例还包括估计器123，用于基于测量信号117来估计健康参数125，其中所估计的健康参数125被提供至调谐系统107，并且调谐信号109还基于所估计的健康参数125。

在图1所图示的系统100的示例中，建模系统111还被配置为生成预测的健康参数127，其被提供至调谐系统107，并且调谐信号还基于预测的健康参数127。此外，虚拟测量信号113也被提供至传感器诊断系统115，并且控制系统重新配置信号和调谐器系统重新配置信号119、121还基于虚拟测量信号113。

在传感器故障的情况下，传感器诊断系统115检测并隔离故障传感器测量结果117。例如，传感器诊断系统115可以适于区分或解析两类传感器故障，特别地，硬传感器故障和软传感器故障，硬传感器故障范围大，而软传感器故障范围小或为漂移故障。一旦检测到并隔离了一个或多个传感器故障，则使用调谐器系统重新配置信号121和控制系统重新配置信号119分别来重新配置调谐系统107以及控制系统101。

建模系统可以是非线性动态燃气涡轮模型或具有自动调谐能力的建模系统，以用于生成虚拟测量结果113。调谐系统107可调节以补偿传感器故障和故障严重性的不同组合。根据该实施例，在至少一个传感器测量故障的情况下，(同时)对控制系统以及调谐系统进行重新配置。此外，基于传感器故障的概率，可以支持逐步的系统重新配置。

本发明的实施例可以稳健且灵活地补偿传感器故障，提供高精度的虚拟测量结果，以及增加控制系统的稳定性和可靠性。

特别地，例如，可以通过使用如在建模系统101中实现的实时发动机模型来实现分析传感器冗余。特别地，建模可以包括具有自动调谐能力的非线性动态燃气涡轮模型，其可以有助于虚拟测量结果的高精度。自动调谐实时模型可以使发动机模型与燃气涡轮匹配，以解决发动机到发动机的变化和发动机退化，并且以这种方式从虚拟测量结果中移除失真。调节调整调谐器(也被称为调谐系统107)的能力可以有助于设备系统的灵活性。虚拟测量结果113的生成基于可用传感器的测量结果，因此调节调整调谐器取决于传感器故障的位置、数目和严重性。例如，如图1所图示的，该系统可以调整传感器故障和故障类别的不同组合。控制系统和调整调谐器的同时重新配置可以提供健壮的传感器故障补偿。控制系统和调谐器的重新配置可以由传感器诊断系统115指示，并且可以基于这些传感器故障的概率。

设备系统的逐步重新配置可以有助于提高控制系统的稳定性。通过在双线路配置中选择调节器和测量结果的适当组合，可以调整控制系统中的传感器故障的组合。

实施例使用分析传感器冗余来改善涡轮发动机控制系统的可靠性。通常来说，可以区别两种类型的传感器冗余，即，硬件冗余和分析冗余。虽然硬件冗余使用多个传感器来测量相同的发动机变量，分析冗余使用发动机的参考模型来提供测量的发动机变量的冗余估计。在该应用中，分析冗余被认为是所提出的传感器故障检测和调整方法的基础。为了检测传感器故障，对于冗余传感器，通常考虑允许的最大测量差。通常通过引入虚拟发动机传感器来解析基于模型的测量故障补偿，这些虚拟发动机传感器经由精确的发动机建模而获得。

在该应用中，实时动态燃气涡轮发动机模型用于生成冗余虚拟测量结果。发动机模型精度直接决定了基于模型的传感器故障诊断方法的有效性，因此具有自动调谐能力的模型被部署为燃气涡轮发动机的参考模型。传感器故障检测逻辑检查冗余信道之间的残差，并且当在这些信道中检测到异常签名时，确定根本原因。当虚拟测量结果和传感器测量结果之间的差异超过规定容差水平时，传感器故障诊断可以确定双线路控制配置中的切换逻辑的状态。所部署的逻辑也可以用于重新配置自动调谐过程。当发生传感器故障时，估计过程可能受到影响，因此必须调节调谐过程以应对该缺陷。在燃气涡轮瞬态机动期间可能已经模拟了单个传感器故障和多个传感器故障，以评估所提出的基于模型的检测和调整方法的能力。在数值模拟期间，可以注入硬传感器故障(大范围内)和软传感器故障(小范围内或漂移)。可以证明，根据本发明的实施例的方法可以成功地支持以下任务：检测传感器失灵，针对参考发动机模型适应性改变自动调谐过程，以及重新配置控制系统以调整被隔离的测量故障。

本发明的实施例解决了一组传感器中的冗余。结合传感器冗余的方法是软件冗余或分析冗余。该方法需要传感器模型来确定在控制系统中没有冗余硬件传感器的情况下，何时发生了传感器故障。然后，发动机模型可以向控制算法提供故障的传感器输出的正确值的估计。

当结合到控制系统中时，使用多个传统冗余传感器可能具有一些缺点。与进行各种分析冗余策略相比较，硬件冗余导致成本更高昂、更笨重、不太实用而且不太可靠的系统。因此，过去曾做过许多努力来研究分析冗余策略。传感器故障诊断方法一般分为三类：基于模型的，基于知识的，以及基于信号处理的。最近，基于先进的统计决策理论和最佳滤波的先进方法已经展示了在软故障诊断和隔离方面的优势。这种软故障诊断能力是以计算复杂性增加为代价获得的。这种附加的复杂性由两部分组成：滤波和决策逻辑，以及更精确的以及因此更详细的模型。这些方法还可以展示在精确检测能力和检测时间之间的权衡。

在该应用中，基于模型的方法已经被认为是故障诊断的基础。该方法需要预先建立的发动机模型来获取分析信道，因此通过使用发动机部件特点和热力学方程来生成模型。基于模型的方法可以避免基于知识的维护的难题和测量数据的高鲁棒性要求，并且可以被用于诊断新传感器故障，而无需历史经验或先验知识。

根据本发明的实施例，所实现的传感器故障检测逻辑可以比较冗余信道，并且当在这些信道中检测到异常签名时，确定根本原因。可以通过检测逻辑(诸如传感器诊断系统115)检查两个典型残差，即,交叉校验残差和分析残差。在三重冗余的情况下，重复信道可以是来自燃气涡轮的传感器测量结果，可以是来自发动机模型的输出(例如，虚拟测量结果113)，并且交叉校验残差可以定义如下：

其中σj指示第j个传感器测量不确定度的标准差。可以将针对每个组可用传感器的该双信道残差与对应的阈值进行比较。如果该残差不超过规定阈值，则可以认为两个信道上的冗余测量结果均是可接受的。在残差高于阈值的情况下：

则至少有一个信道可能被评估为有故障。当双信道发生故障时，可以用模型输出代替传感器测量结果。交叉校验残差只能确定双信道传感器的至少一个信道是否有故障，但不能确定哪个信道有故障。为了解决这个缺点，通常可以引入分析残差作为附加传感器故障指示器。分析残差可以定义如下：

在由硬件传感器和分析传感器组成的双工冗余的情况下，只能确定分析残差并且用于传感器诊断。可以将针对测量信道而计算的分析残差与两个阈值和进行比较。如果分析残差超过第一阈值则这可以指示存在软故障，并且如果残差超过第二阈值则可以诊断出硬传感器故障。

传感器故障分类的阈值选择可能直接影响故障诊断结果。因此，可能需要合理选择阈值以实现传感器故障诊断的期望精度。通常，阈值可以基于传感器测量噪声的统计特点以及模型误差。传感器所测量的发动机输出可以被表达如下：

参数和δyj可以分别表示发动机模型输出和建模误差。参数vj是零均值正态分布的白噪声其破坏测量结果。

分析残差的阈值不仅可以通过测量噪声来确定，而且还可以通过建模误差来确定，因此分析残差可以用以下关系来表达：

考虑到随机变量其服从标准正态分布，最小阈值和最大阈值可以计算如下：

对于2σ规则，其中p＝0.954，

对于3σ规则，其中p＝0.997，

对于双信道配置，假设参数和是零均值正态分布的白噪声，其破坏双信道上的测量结果并且彼此独立，双信道随机残差的概率密度函数给出如下：

对于双信道随机残差rj＝δvj＝σj～n(0，2)，概率密度函数给出如下：

并且为了确保误诊率尽可能低，对于概率99.7％，交叉校验残差阈值设置如下：

对于3σ规则，其中p＝0.997，

如下文所描述的图2和图3所图示的，通常可以将双线路冗余引入根据本发明的实施例的燃气涡轮控制系统中。

在单个故障的情况下，仪表冗余可以显着提高测量链的可靠性。在双线路配置中，两个线路可以同时测量发动机参数，并且比较当前数据。该方法可以使得能够经由比较从两个线路收集的发动机参数来进行传感器健康监测，其中一个线路是控制模式，而另一线路处于备用模式。一旦确认仪器故障，就可以发起线路切换。

故障确认和线路切换的总持续时间不得超过系统的临界时间极限。故障确认概率可以随着参数在允许带之外的时间而增加。同时，成功切换概率或故障调整随着该时间而减少，因此必须慎重进行线路切换逻辑。

图2和图3示出了在线发动机建模在使用双线路控制系统和线路到线路切换逻辑的条件监测中的用途。图3描绘了三重冗余，其中在两个线路中有双传感器故障的情况下，燃气涡轮控制可以使用虚拟传感器来执行。图2示出了双重冗余情况，其可以通过一个硬件传感器和一个软件传感器来实现。

在图1、图2、图3、图4、图5和图6中标记具有相同或相似结构和/或功能的元件、信号或数量的附图标记标有仅在第一位不同的附图标记。

图2示意性地图示了根据本发明的实施例的用于控制燃气涡轮的系统200的一部分。从而，该系统200包括建模系统211，其输出虚拟测量结果213。该系统200图示了示例，其中一个传感器216测量燃气涡轮205的运行参数。测量信号217被提供至切换元件218(sw2)，虚拟测量结果213也被供应给该切换元件218。

切换元件sw2还可以被认为是控制系统201的一部分，控制系统201将控制信号203输出到燃气涡轮205。从而，控制系统201包括第一调节器r1和第二调节器r2，其中第一调节器生成第一控制器信号202，而第二调节器r2生成第二控制信号204，第一控制器信号202和第二控制信号204被提供至切换元件206(sw1)。可以关于其切换状态来控制切换元件206，以向燃气涡轮205选择性地提供第一控制信号202或第二控制信号204。测量信号217被提供至减法元件220，参考值222也被供应给该减法元件220。由选择元件218所选择的测量信号224被提供至另一减法元件226，该参考值222也被供应给该另一减法元件226。所选择的测量值224与参考值222之间的差被供应给第二调节器r2。控制系统201接收多个控制系统重新配置信号219，并且基于它们来切换切换元件206(sw1)的状态。此外，控制系统重新配置信号219还可以管控切换元件218(sw2)的状态。建模系统211从调谐系统，诸如图1所图示的调谐系统107接收调谐信号209。这些调谐信号209还取决于调谐器系统重新配置信号，其由传感器诊断系统，诸如如图1所图示的传感器诊断系统115输出。

在一个软件测量结果和一个硬件测量结果的情况下，传感器的在线诊断目的是尽可能早地检测到并隔离故障。图2表示在线系统的结构，其由实时发动机模型和线路切换逻辑组成。它利用发动机模型211作为燃气涡轮应用的分析第二信道。当虚拟测量结果和传感器测量结果之间的差异超过规定的容差水平时，传感器故障诊断逻辑(诸如图1中所示的传感器诊断系统115)可以根据表1确定双线路配置中的切换逻辑的状态。

表1：

在双冗余配置中，如果指示软传感器故障，则线路逻辑可以选择控制设置保守的线路。在检测到硬传感器故障的情况下，用于控制系统的故障传感器信号可以由虚拟测量结果来代替。

在一个软件测量结果和两个硬件测量结果的情况下，如图3所图示的，实时模型可以提供分析第三信道，其与双线路测量结果进行比较。

在此，该配置类似于如图2所图示的配置，除了另外的传感器308与传感器316一起冗余地测量燃气涡轮305的一个或多个运行参数。向三态切换元件330提供传感器测量结果317和328，由建模系统311生成的虚拟测量结果313也被提供至该三态切换元件330。切换元件330的状态还可以受到控制系统重新配置信号319的影响，该控制系统重新配置信号319被提供至控制系统301，切换元件330可以是该控制系统301的一部分。

考虑到测量噪声和建模误差，可以设计传感器双信道阈值和分析阈值并将它们用于所提出的逻辑中。当三重信道之间的差违反了某些容差水平时，逻辑确定线路切换配置，如同例如下表2给出的一样。

表2：

所设计的逻辑指示当特定测量结果的双信道残差超过阈值并且该测量结果的分析残差超过一个或两个信道中的阈值时，可以隔离传感器故障。如果仅在一个信道中发生违反了分析残差的阈值，则导致该违反的信道可能被标识为故障信道，并且故障可以被分类为软故障或硬故障。如果在两个信道中均发生了阈值违反，则依据所检测到的故障的分类，线路切换逻辑可以确定主动控制回路的配置。当该测量结果的两个信道均被诊断为硬故障时，用于控制系统的故障传感器信号可以由虚拟测量结果来代替。

基于模型的方法需要预先建立的发动机模型来获取分析测量信道。根据本发明的实施例，燃气涡轮发动机的详细动力学模型可以通过一组非线性微分方程在数学上描述如下：

其中分布式气动热力学、机械和电气过程被概括为状态坐标向量x。对于n个状态变量，必须写下上述方程的n个组。控制u、运行条件v以及健康参数h是可以通过测量或操纵而区别的量。

可以对发动机中的各种量进行测量。根据一般代数表达式，这些感测参数可能与状态、输入和参数有关：

y＝gy(x，h，u，v)

其中一般而言，矢量y由可测量参数和不可测量参数组成。上述方程可以足够通用，以提供定义与控制设计和状态估计相关的故障检测问题的起点。

在针对通用基线开发精确模型之后，可以扩展发动机模型以包括表示劣化发动机的数据。这些影响可能包括各种效率改变、面积改变、压力下降、以及由于泄放效应而引起的流量改变和干扰。通常，两个量(容量和效率)可以用于对部件运行的改变进行建模，这些改变导致能量转换效率或部件流量特性降低。

部署的模型所考虑的健康参数可以是：压缩机和压缩机涡轮的效率和容量以及燃烧器和动力涡轮的效率：

可以使用来自发动机仪表的可用测量结果来估计所选择的一组健康参数，并且可以选择它们以反映“完整的”一组部件性能参数。

当然，这些参数不能反映精确表示气路中发生的微观过程的必要复杂性，但是从性能监测的角度来看，这一要求可能没有必要。所选择的健康参数可以推断系统的一个或多个部件的性能改变，并且它们可以用于检测典型的燃气涡轮退化\故障模式(压缩机结垢、涡轮腐蚀、涡轮尖端摩擦等)。

发动机模型的精度可以直接确定用于传感器故障诊断的基于模型的方法的有效性。用于故障诊断和调整的发动机模型必须足够精确，并且实时运行。由于通用的燃气涡轮模型不会考虑到单独发动机特点和环境条件，所以这些要求使得该通用的燃气涡轮模型无效。

由于通用的燃气涡轮模型可以表示“标称”发动机，所以它必然适用于实际发动机的性能，因为它随时间而偏离标称基线。为了解决该问题，可以执行发动机模型的调谐，使得模型与使用基于模型的跟踪方法而正在被监测的实际发动机匹配。

在该应用中，可以通过两个步骤的过程实现性能跟踪。可以通过性能估计工具来估计燃气涡轮健康参数，然后可以经由模型调谐器将它们引入到动态实时模型中。

可以将基于来自发动机仪表的测量结果的估计的健康参数z与健康变量的平滑估计进行比较，其中所得到的矢量然后可以用于生成模型调谐器ξ以及状态变量x的校正：

其中，函数k表示调谐器增益，而矢量由调谐参数估计组成。

因此，使用模型调谐器扩展的燃气涡轮动态模型可以采用以下形式：

其中矢量和分别表示状态变量和预测的健康参数的估计。在图4中给出针对实现的基于卡尔曼的调谐器的计算方案。

图4示意性地图示了根据本发明的实施例的调谐系统407，其可以例如用作如图1所图示的调谐系统107。量zk表示估计的健康参数并且被供应给减法元件432。预测的健康参数hk-1被提供至函数框434，该函数框434应用函数ψ，并且输出被提供至求和元件436，量w也被提供至该求和元件436，其指示调谐过程噪声，该噪声是白色噪声，并且具有正态概率分布。

求和元件436的输出被供应给函数元件438，该函数元件438应用函数h，并且输出被提供至另一求和元件440，量v也被提供至该另一求和元件440，其指示测量噪声。求和元件440的输出被提供至减法元件432。该减法元件432的输出被提供至函数框442，该函数框442应用函数k并且输出被提供至另一求和元件444。求和元件436的输出还被提供至元件446，其输出被提供至函数元件448，该函数元件448应用函数φ并且输出被提供至求和元件436。

所实现的观察器结构中调谐过程的连续时不变模型：

可以用以下形式的线性模型表示：

其中状态转换模型和输入转换模型可以分别用对角矩阵φ和ψ描述。调谐器状态可以用经调谐的健康矢量表示：

状态转换矩阵φ：

与调谐器状态有关。第二转换矩阵ψ：

与预测的健康参数有关，其中转换矩阵满足以下条件：

ψ＝i-φ，并且0≤φ≤i。

实现的调谐器中的测量模型可以用以下方程表示：

z(t)＝hξ(t)+υ

其中h是测量灵敏度矩阵，并且v是测量噪声。

在本申请中用矩阵h表示的观测模型可以用单位矩阵表示：

h＝i

假设估计的健康参数是调谐模型状态，即，直接是调谐器。

当发生传感器故障时，估计过程也可能受到影响，因此必须调节调谐过程以应对该缺陷。可以经由转换矩阵φ和卡尔曼增益矩阵k将该调节引入到调谐过程中：

必须调节的转换矩阵中的元素的数目可以取决于受影响的传感器组。

例如，下文给出了在本申请中考虑的两种故障情况的转换矩阵作为示例。

在压缩机输送压力测量故障的情况下，只有动力涡轮效率的估计可能不会受到影响，因此转换矩阵结构和卡尔曼增益矩阵结构可以采用以下形式：

另一方面，在排气热电偶故障的情况下，只有动力涡轮效率估计可能受到影响，并且转换矩阵结构和卡尔曼增益矩阵结构可以如下：

以广义形式校正用于补偿传感器故障的状态转换矩阵和卡尔曼增益矩阵可以用以下公式表达：

并且

校正过程可以基于补偿矩阵：

其中每个补偿矩阵元素可以表示特定传感器的影响。补偿矩阵中的校正因子可以定义如下：

对于

对于

对于

校正因子可以基于在传感器故障诊断过程中使用的阈值。在未检测到传感器故障的情况下估计过程可能不受影响，并且可以完全保留模型的调谐。当传感器故障概率增加时，可以进行调谐参数的校正，直到传感器诊断残差参数落入允许带内为止除此之外，对于在允许带之外的参数，估计过程可能会受到影响，并且只能调谐不受影响的健康参数。

所提出的方法已经在软件在环(software-in-the-loop)环境中进行了评价，以表明该方法是硬件传感器冗余的实用备选方案。所开发的算法检测、隔离并且调整工业燃气涡轮控制系统中的传感器故障。该方法包含控制系统重新配置逻辑，并且足够通用以应用于不同的发动机配置。

该方法可以由传感器故障检测、隔离逻辑和调整过程组成。使用数值模拟对两类传感器故障，即，硬故障和软故障进行了评价。硬故障可能是超出范围的或大的偏置误差，其在感测值中瞬间出现。软故障可能是小的偏置误差或漂移误差，其随时间而相对缓慢地累积。

硬故障检测和隔离逻辑可以对所选择的传感器残差执行直接阈值校验。可以根据传感器和过程噪声值以及传感器范围考虑来确定阈值。如果残差值大于阈值，则可以紧接着进行硬故障检测和隔离。在几乎可以立即检测到硬故障的情况下，仅在某些有限的时间量后才能可靠地检测到软故障。该检测时间可以是阈值水平的函数，其决定了检测可靠性、模型精度和逻辑复杂度。

已经对两种运行模式，正常模式和故障模式进行了模拟。在正常模式期间，当不存在传感器故障时，调整调谐器可以考虑完全的一组估计的健康参数，这些估计的健康参数使用所有可用测量结果而被导出。在故障模式运行中，在一个或多个传感器已经发生故障的情况下，取决于传感器故障的类型，调整调谐器可以选择适当的测量子集。

一旦发生故障，可能会发生三重过程。首先，可以检测到故障。一旦已知故障已经发生，就可以隔离特定故障传感器。最后，当隔离已经发生时，可以通过重新配置双线路控制逻辑和调整调谐器来补偿故障。针对硬故障和软故障两者，均可以进行这种三重过程。

图5和图6图示了根据本发明的另外的实施例的用于控制燃气涡轮的系统500和600的另外的部分。在此，系统500包括控制系统501，控制系统501包括第一调节器r1和第二调节器r2。第一调节器r1和第二调节器r2两者均使用一维表来导出相应的第一控制信号502和第二控制信号504。控制系统501使用控制系统重新配置信号519来重新配置。

类似地，图6中所图示的系统600的控制系统601包括第一调节器r1和第二调节器r2。这些调节器中的每个调节器包括pi控制器650和另外的超前/滞后元件652(lead/legelement)。

图5的控制回路为当前压缩机排放压力提供针对发动机的大体过量加燃料极限。查找表读取当前iso校正(iso_corrected)cdp并且输出最大强制燃料流量。

在图5中提出了在cdp极限控制回路中实现针对压缩机输送压力换能器的故障调整。

在存在压力换能器故障的情况下，与冗余线路集成的调节器r2可能是有效的。因为冗余线路中的控制可以基于由实时模型合成的虚拟测量结果，所以调节器r2可以使用保守的限制器设置。

轴功率限制可能受压缩机输送压力测量结果和排气温度测量结果的影响。图6描绘了这些测量故障的双线路补偿结构。通过使用具有保守设置的分析传感器和调节器r2，可以实现cdp测量故障的调整。

排气热电偶测量故障也可能影响轴功率限制器。在双线路控制配置中，可以通过三重传感器冗余、两个热电偶和一个虚拟传感器来设计排气热电偶故障的调整。

附图标记列表

100用于控制燃气涡轮的系统

101控制系统

103控制信号

105燃气涡轮

107调谐系统

109调谐信号

111建模系统

113虚拟测量信号

115传感器诊断系统

117传感器测量信号

119控制系统重新配置信号

121调谐器系统重新配置信号

123估计器

125估计的健康参数

127预测的健康参数

r1第一调节器

r2第二调节器

202第一控制信号

204第二控制信号

206切换系统

216传感器

218切换系统

224被选择的测量信号

220、226求差元件

308第二传感器

328第二传感器信号

434、438、442、448、446函数框

436、440、432求和或求差元件

650pi控制器

652超前/滞后元件(lead/legelement)