本发明涉及一种半物理仿真试验装置及验证方法，主要涉及燃气轮机在极端工况条件下控制系统性能验证，以及全工况下控制系统性能评估的方法、设备。
背景技术：
燃气轮机控制系统作为燃气轮机核心部件，在燃气轮机运行过程中起到大脑和指挥中心作用，因此验证极端工况条件下控制系统的可靠性，以及全面评估全工况下燃气轮机控制系统的性能尤为重要。针对目前燃气轮机控制系统采用真实燃气轮机评估控制系统性能方法存在成本高，周期长、极端工况试验难等评估和验证方法的缺点，提出一种通过燃气轮机数学模型代替真实燃气轮机的方法，考核燃气轮机控制系统燃气发生器转速闭环控制、动力涡轮闭环控制、进口导叶角度控制、保护逻辑验证及极端条件下的性能进行试验与评估的装置与方法。
技术实现要素：
本发明针对目前燃气轮机控制系统采用真实燃气轮机评估控制系统性能方法存在成本高，周期长、极端工况试验难等不足，提出了一种燃气轮机控制系统半物理仿真试验装置及验证方法，该技术降低了燃气轮机控制系统的研发成本、缩短了试验周期、拓宽了控制系统性能验证试验的工况，并提高了燃气轮机控制系统的可靠性。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种燃气轮机控制系统半物理仿真试验装置，包括燃油供应单元、Ng转速模拟单元、Np转速模拟单元、仿真激励单元、燃气轮机控制系统，其特征在于，
--所述燃油供应单元，其作用为模拟燃气轮机的燃油供应，包括油箱，所述油箱内设置有用于测量油箱液位的液位计、用于测量油箱中燃油温度的温度传感器Ⅰ；
所述油箱的出口管路上设置有柱塞泵，所述柱塞泵的进口处设置有用于滤去燃油杂质的粗油滤，所述柱塞泵的出口管路上依次设置有用于测量柱塞泵出口燃油压力的压力传感器Ⅰ、用于滤去燃油杂质的高压精油滤；所述高压精油滤的出口管路分为两个支路，其中一个支路连接至燃油分配器，该支路上设置有燃油计量阀、燃油流量计、压力传感器Ⅱ、温度传感器Ⅱ和停车电磁阀，另一个支路连接至作动筒，该支路上依次设置有压力调节阀、压力传感器Ⅲ和电磁换向阀；
其中，
所述液位计、温度传感器Ⅰ与燃气轮机控制器通信连接，用于测量油箱中的燃油液位和燃油温度，并将相应的信号传递给燃气轮机控制器；
所述柱塞泵与燃气轮机控制器通信连接，燃气轮机控制器通过控制所述柱塞泵的驱动电机来调节柱塞泵出口的燃油压力；
所述压力传感器Ⅰ与燃气轮机控制器通信连接，用于测量柱塞泵的出口燃油压力，并将该信号传递给燃气轮机控制器；
所述燃油计量阀与燃气轮机控制器通信连接，燃气轮机控制器通过控制燃油计量阀的开度来控制输送至所述燃油分配器的燃油量；
所述燃油流量计与仿真激励单元通信连接，将输送至所述燃油分配器的燃油流量信号传递给仿真激励单元；
压力传感器Ⅱ、温度传感器Ⅱ与燃气轮机控制器通信连接，分别用于测量输送至所述燃油分配器的燃油压力和温度，并将相应的信号传递给燃气轮机控制器；
所述停车电磁阀与燃气轮机控制器通信相连，燃气轮机控制器通过控制所述停车电磁阀来实现停止对燃油分配器供油，进行紧急停车；
所述压力调节阀用于调节输送至所述作动筒的燃油压力；
所述压力传感器Ⅲ与燃气轮机控制器通信相连，用于测量所述压力调节阀出口的燃油压力，并将该信号传递给燃气轮机控制器；
所述电磁换向阀与燃气轮机控制器通信连接，燃气轮机控制器通过控制所述电磁换向阀来调节所述作动筒的进油方向；
所述作动筒与燃气轮机控制器通信连接，用于调节进口导叶角度，并将进口导叶角度信号传递给所述燃气轮机控制器；
--Ng转速模拟单元，其作用为模拟燃气轮机的Ng转速信号，包括Ng矢量电机控制装置、Ng小惯性变速电机、Ng音轮测速机构，其中，所述Ng矢量电机控制装置一端与所述燃气轮机控制器和仿真激励单元通信连接，另一端与所述Ng小惯性变速电机通信连接，所述Ng矢量电机控制装置用于接收所述仿真激励单元的控制信号，并根据控制信号控制所述Ng小惯性变速电机的转速，继而模拟燃气轮机的Ng转速；所述Ng小惯性变速电机的输出端设置所述Ng音轮测速机构，所述Ng音轮测速机构与所述燃气轮机控制器通信连接，所述Ng音轮测速机构将采集到的小惯性电机Ng转速信号传递给所述燃气轮机控制器；
--Np转速模拟单元，其作用为模拟燃气轮机的Np转速信号，包括Np矢量电机控制装置、Np小惯性变速电机、Np音轮测速机构，其中，所述Np矢量电机控制装置一端与所述燃气轮机控制器和仿真激励单元通信连接，另一端与所述Np小惯性变速电机通信连接，所述Np矢量电机控制装置用于接收所述仿真激励单元的控制信号，并根据控制信号控制所述Np小惯性变速电机的转速，继而模拟燃气轮机的Np转速；所述Np小惯性变速电机的输出端设置所述Np音轮测速机构，所述Np音轮测速机构与所述燃气轮机控制器通信连接，所述Np音轮测速机构将采集到的小惯性电机转速Np采集信号传递给所述燃气轮机控制器；
--所述仿真激励单元，其包括仿真机和加载的燃气轮机数学模型，其中，
所述燃油流量计与仿真激励单元通信连接，将输送至所述燃油分配器的燃油流量信号传递给仿真激励单元，所述仿真激励单元根据所述燃油流量计反馈的燃油流量信号来计算燃气轮机的Ng转速、Np转速或进口导叶角度，并根据计算出的燃气轮机的Ng转速或Np转速计算燃气轮机的燃料量；
所述燃气轮机控制器与仿真激励单元通信连接，所述仿真激励单元通过比较其自身计算出的Ng转速或Np转速与所述燃气轮机控制器所采集到的模拟Ng转速信号或模拟Np转速信号，并进一步地通过比较其自身计算出的燃气轮机的燃料量与所述燃气轮机控制器所采集到的燃料量，来考核所述燃气轮机控制器的性能。
优选地，所述燃油供应单元中，所述油箱还设置有与其连接的燃油冷却系统，用于冷却油箱内的燃油。
优选地，所述燃油供应单元中，所述柱塞泵的进口处还设置有手动开关阀，在维修柱塞泵等部件时，可以关闭手动开关阀。
优选地，所述燃油供应单元中，所述柱塞泵与高压精油滤之间的管路上还设置有压力表，用于测量并显示柱塞泵出口燃油压力。
优选地，所述燃油供应单元中，所述高压精油滤的出口处设置有防止燃油逆流的单向阀。
优选地，所述燃油供应单元中，所述柱塞泵与高压精油滤之间的管路上还设置有溢流阀，所述溢流阀的出口与油箱连接，用于燃油流回油箱。
优选地，所述燃油供应单元中，所述燃油计量阀为LQ燃油计量阀。
优选地，所述半物理仿真试验装置还包括上位机，所述上位机与所述燃气轮机控制器通信连接，所述上位机被配置为获得所述燃气轮机控制器接收的信号和处理的结果，并将控制程序下载到所述燃气轮机控制器。
优选地，所述半物理仿真试验装置还包括状态监控显示装置，其被配置为与所述燃气轮机控制器及所述仿真激励单元连接，用于监视该装置的运行参数。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于Ng转速闭环控制逻辑半物理仿真试验验证方法，所述方法利用本发明所提供的上述燃气轮机控制系统半物理仿真试验装置进行燃气轮机控制系统，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
SS1.启动仿真激励单元，加载燃气轮机数学模型；
SS2.首先，基于所加载的燃气轮机数学模型，根据所述燃油流量计反馈的燃油流量信号计算燃气轮机的Ng转速；
其次，所述Ng转速模拟单元中的Ng矢量电机控制装置根据接收到的所述仿真激励单元的控制信号控制所述Ng小惯性变速电机的转速，继而以所述Ng小惯性变速电机的转速模拟燃气轮机的Ng转速；
再次，所述Ng转速模拟单元中的Ng音轮测速机构将采集到的小惯性电机Ng转速信号传递给所述燃气轮机控制器，所述燃气轮机控制器将所采集到的模拟Ng转速信号传递给仿真激励单元；
最后，所述仿真激励单元比较步骤SS2计算出的Ng转速与所述燃气轮机控制器所采集到的模拟Ng转速，若二者相等，则考核通过，跳到SS3，否则考核不通过；
SS3.基于所加载的燃气轮机数学模型，根据Ng转速计算燃料量，若燃料量计算值等于燃气轮机控制器所采集到的燃料量，则所述燃气轮机控制系统验证通过，否则系统考核不通过。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于Np转速闭环控制逻辑半物理仿真试验验证方法，所述方法利用本发明所提供的上述燃气轮机控制系统半物理仿真试验装置进行燃气轮机控制系统，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
SS1.启动仿真激励单元，加载燃气轮机数学模型；
SS2.首先，基于所加载的燃气轮机数学模型，根据所述燃油流量计14反馈的燃油流量信号计算燃气轮机的Np转速；
其次，所述Np转速模拟单元中的Np矢量电机控制装置根据接收到的所述仿真激励单元的控制信号控制所述Np小惯性变速电机的转速，继而以所述Np小惯性变速电机的转速模拟燃气轮机的Np转速；
再次，所述Np转速模拟单元中的Np音轮测速机构将采集到的小惯性电机Np转速信号传递给所述燃气轮机控制器，所述燃气轮机控制器将所采集到的模拟Np转速信号传递给仿真激励单元；
最后，所述仿真激励单元比较步骤SS2计算出的Np转速与所述燃气轮机控制器所采集到的模拟Np转速，若二者相等，则考核通过，跳到SS3，否则考核不通过；
SS3.基于所加载的燃气轮机数学模型，根据Np转速计算燃料量，若燃料量计算值等于燃气轮机控制器所采集到的燃料量，则所述燃气轮机控制系统验证通过，否则系统考核不通过。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于进口导叶角度闭环控制逻辑半物理仿真试验验证方法，所述方法利用本发明所提供的上述燃气轮机控制系统半物理仿真试验装置进行燃气轮机控制系统，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
SS1.启动仿真激励单元，加载燃气轮机数学模型；
SS2.基于所加载的燃气轮机数学模型，根据所述燃油流量计反馈的燃油流量信号计算燃气轮机的进口导叶角度；
SS3.所述燃油供应单元中的电磁换向阀根据所接收到的燃气轮机控制器的控制信号控制作动筒的位置，继而通过作动筒的位置信息换算出燃气轮机的进口导叶角度；
SS4.比较步骤SS2计算出的进口导叶角度和步骤SS3采集到的进口导叶角度，若二者相等，则所述燃气轮机考核验证通过，否则系统考核未通过。
本发明相对于现有技术的显著优点是：针对目前燃气轮机控制系统采用真实燃气轮机评估控制系统性能方法存在成本高，周期长、极端工况试验难等不足，该技术降低了成本、缩短了试验周期、拓宽了控制系统性能验证试验的工况，并提高了燃气轮机控制系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的燃气轮机控制系统半物理仿真试验装置；
图2为基于Ng转速闭环控制验证方法逻辑图；
图3为基于Np转速闭环控制验证方法逻辑图；
图4为基于进口导叶角度闭环控制验证方法逻辑图；
图5为基于控制系统辅助逻辑验证流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
如图1所示，本发明的燃气轮机控制系统半物理仿真试验装置，包括仿真激励单元、燃气轮机控制系统、燃油供应单元、Ng转速模拟单元、Np转速模拟单元，具体包括油箱1、液位计2、温度计3、燃油冷却系统4、粗油滤5、手动开关阀6、柱塞泵7、压力传感器8、压力表9、溢流阀10、高压精油滤11、单向阀12、LQ6燃油计量阀13、燃油流量计14、压力传感器15、温度传感器16、停车电磁阀17、压力调节阀18、压力传感器19、电磁换向阀20、作动筒21、燃气轮机控制器22、上位机23、状态监控显示装置24、Ng小惯性变速电机25、Ng音轮测速机构26、小惯性电机转速Ng采集信号27、Ng矢量电机控制装置28、燃气轮机实时模型计算机29、Np小惯性变速电机30、Np音轮测速机构31、Np矢量电机控制装置32、小惯性电机转速Np采集信号33等部件。燃气轮机实时模型计算机29为仿真激励单元。
燃油供应单元中，液位计2装于油箱1内，并与燃气轮机控制系统22通信连接，用于测量油箱1液位，并将液位信号传递给燃气轮机控制器22；温度计3装于油箱1内，并与燃气轮机控制器22通信连接，用于测量油箱1油温，并将温度信号传递给燃气轮机控制器22；燃油冷却系统4与油箱1连接，用于冷却燃油；粗油滤5连接在油箱1与手动开关阀6之间，用于滤去燃油中的杂质；手动开关阀6连接在粗油滤5与柱塞泵7之间，在维修该装置时，关闭手动开关阀6；柱塞泵7连接在手动开关阀6与高压精油滤11之间，并与燃气轮机控制器22通信连接，燃气轮机控制器22通过控制电机转速来调节柱塞泵7出口燃油压力；压力传感器8装于柱塞泵7与高压精油滤11之间，用于测量柱塞泵7出口燃油压力；压力表9装于柱塞泵7与高压精油滤11之间，用于测量并显示柱塞泵7出口燃油压力；溢流阀10装于在柱塞泵7与高压精油滤11之间，并与油箱1连接，用于燃油流回油箱1；高压精油滤11连接在柱塞泵7与单向阀12之间，用于滤去燃油中的杂质；单向阀12连接在高压精油滤11与LQ6燃油计量阀13之间，用于使燃油单向通过；LQ6燃油计量阀13连接在单向阀12与压力调节阀18之间，并与油箱1和燃气轮机控制器22相连，燃气轮机控制器22通过控制LQ6燃油计量阀13开度来控制燃油量；燃油流量计14连接在LQ6燃油计量阀13与停车电磁阀17之间，并与燃气轮机控制器22通信相连，用于测量燃油流量，并将流量信号传递给燃气轮机控制器22；压力传感器15、温度传感器16连接在燃油流量计14与停车电磁阀17之间，并与燃气轮机控制器22通信相连，用于测量燃油压力和温度，并将燃油压力信号和温度信号传递给燃气轮机控制器22；停车电磁阀17连接在燃油流量计14与燃油分配器之间，并与燃气轮机控制器22通信相连，用于紧急停车，停止供油。
燃气轮机控制器22与液位计2、温度计3、柱塞泵7、压力传感器8、LQ6燃油计量阀13、压力传感器15、温度传感器16、停车电磁阀17、上位机23、状态监控显示装置24、小惯性电机转速Ng采集信号27、燃气轮机实时模型计算机29等部件通信连接，用于接收各种压力、温度、液位和流量信号，并控制上述阀和泵，同时将接收的信号和处理的结果传递给上位机23；上位机23与燃气轮机控制器22通信连接，用于获得燃气轮机控制器22接收的信号和处理的结果，并将控制指令发送到燃气轮机控制器22。
Ng转速模拟单元中，燃气轮机实时模型计算机29连接在燃油流量计14与Ng矢量电机控制装置28之间，用于运行燃气轮机实时模型，从而根据燃油量来计算Ng转速。Ng矢量电机控制装置28连接在Ng小惯性变速电机25与燃气轮机实时模型计算机29之间，用于模拟Ng转速信号；Ng小惯性变速电机25连接在Ng音轮测速机构26和Ng矢量电机控制装置28之间；Ng音轮测速机构26连接在Ng小惯性变速电机25与小惯性电机转速Ng采集信号27之间，用于采集Ng转速信号；小惯性电机转速Ng采集信号27与燃气轮机控制器22通信相连，将采集到的Ng转速信号传递给燃气轮机控制器22；状态监控显示装置24与燃气轮机控制器22与燃气轮机实时模型计算机29连接，用于监视该装置的运行参数。
Np转速模拟单元中，燃气轮机实时模型计算机29连接在燃油流量计14与Np矢量电机控制装置32之间，用于运行燃气轮机实时模型，从而根据燃油量来计算Np转速。Np矢量电机控制装置32连接在Np小惯性变速电机30与燃气轮机实时模型计算机29之间，用于模拟Np转速信号；Np小惯性变速电机30连接在Np音轮测速机构31和Np矢量电机控制装置32之间；Np音轮测速机构31连接在Np小惯性变速电机30与小惯性电机转速Np采集信号33之间，用于采集Ng转速信号；小惯性电机转速Np采集信号33与燃气轮机控制器22相连，将采集到的Np转速信号传递给燃气轮机控制器22；状态监控显示装置24与燃气轮机控制器22与燃气轮机实时模型计算机29连接，用于监视该装置的运行参数。
实施例一
基于Ng转速闭环控制逻辑半物理仿真试验验证方法如图2所示。其具体步骤如下：
SS1.启动仿真系统，加载燃气轮机数学模型；
SS2.通过燃气轮机数学模型，根据燃油量计算Ng转速，Ng矢量电机控制装置28控制电机模拟Ng转速。Ng音轮测速机构26采集Ng转速信号，并与计算的Ng转速比较。若Ng转速计算值等于采集值，则考核通过，跳到SS3，否则考核不通过；
SS3.通过燃气轮机数学模型，根据Ng转速计算燃料量，若燃料量计算值等于采集值，则控制系统验证通过，否则系统考核不通过。
实施例二
基于Np转速闭环控制逻辑半物理仿真试验验证方法如图3所示。其具体步骤如下：
SS1.启动仿真系统，加载燃气轮机数学模型29；
SS2.通过燃气轮机数学模型29，根据燃油量计算Np转速，Np矢量电机控制装置32控制电机模拟Np转速。Np音轮测速机构31采集Np转速信号，并与计算的Np转速比较。若Np转速计算值等于采集值，则考核通过，跳到SS3，否则考核不通过；
SS3.通过燃气轮机数学模型29，根据Np转速计算燃料量，若燃料量计算值等于采集值，则控制系统验证通过，否则系统考核不通过。
实施例三
基于进口导叶角度闭环控制逻辑半物理仿真试验验证方法如图4所示。其具体步骤如下：
SS1.启动仿真系统，加载燃气轮机数学模型29；
SS2.根据燃气轮机数学模型29计算进口导叶角度，电磁换向阀20通过作动筒21调节进口导叶角度，采集作动筒21位置，换算得到进口导叶角度，若进口导叶角度计算值等于采集值，则考核验证通过，否则系统考核未通过。
实施例四
燃气轮机控制系统辅助控制逻辑半物理仿真试验验证方法如图5所示。其具体步骤如下：
SS1.启动仿真系统；
SS2.起动连锁控制逻辑检查。若考核通过，合格，则跳到SS3；否则，考核未通过，调整起动连锁控制逻辑，重复SS2；
SS3.启油封控制逻辑检查。若考核通过，合格，则跳到SS4；否则，考核未通过，调整启油封控制逻辑，重复SS3；
SS4.冷运转控制逻辑检查。若考核通过，合格，则跳到SS5；否则，考核未通过，调整冷运转控制逻辑，重复SS4；
SS5.假开车控制逻辑检查。若考核通过，合格，则跳到SS6；否则，考核未通过，调整假开车控制逻辑，重复SS5；
SS6.正常启动控制逻辑检查。若考核通过，合格，则跳到SS7；否则，考核未通过，调整正常启动控制逻辑，重复SS6；
SS7.正常停车控制逻辑检查。若考核通过，合格，则跳到SS8；否则，考核未通过，调整正常停车控制逻辑，重复SS7；
SS8.紧急停车控制逻辑检查。若考核通过，合格，则跳到SS9；否则，考核未通过，调整紧急停车控制逻辑，重复SS8；
SS9.以上考核均通过，整个仿真系统合格。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。