一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法

本发明涉及仿真建模，更具体地说是一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法。

背景技术：

1、燃气轮机被誉为“二十一世纪工业皇冠上的明珠”，具有启动快，功率密度高，低频噪声分量小等优点，现已成为大中型船舶主要动力系统的动力单元。在实际运行过程由于外部环境的改变，燃气轮机内部极易产生积垢、腐蚀、磨损等现象，造成燃气轮机性能的退化，因此近些年来，燃气轮机的状态监测技术得到了广泛关注。状态监测技术是燃气轮机运维保障从传统人工定检的方式向基于设备状态的视情维修模式转变的关键，通过对燃气轮机气路参数的监测，例如排气温度、压力等参数，可以及时了解到燃气轮机所处的状态以便制定合理的检修维护计划，此举可以节约大量的人力物力。

2、进行状态监测的首要任务是建立一个可靠的模型，目前针对燃气轮机的建模方法主要包括两类，一类是非线性的机理模型，这种模型的优点在于仿真精度高，缺点在燃气轮机运行机理复杂，模型难以获取且模型内部存在许多非线性环节，求解速度较慢。另一类是线性模型，优点在于将非线性过程简化为线性过程，通过线性方程建立燃气轮机模型，求解速度得到极大提升，缺点在于一组方程只适用于一个稳态工作点。

3、因此综上所述，针对燃气轮机状态监测方法，亟需一种能够覆盖全工况且满足实时监测的气路模型建立方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，可以为燃气轮机状态监测技术中模型的建立提供了一条新的途径。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：

3、一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，该方法包括以下步骤：

4、s1：选择燃气轮机状态空间模型的输入参数和输出参数并归一化，建立燃气轮机状态空间模型的新息形式；

5、s2：将状态空间模型写成预测器形式，并建立递推式；

6、s3：定义markov参数矩阵；

7、s4：利用递推最小二乘法更新markov参数矩阵；

8、s5：基于子空间跟踪方法求解更新扩展可观测矩阵；

9、s6：扩展可观测矩阵中提取模型系数矩阵，获取燃气轮机气路模型；

10、s7：通过仿真实例验证所提出方法的有效性；

11、所述s1中，燃气轮机状态空间模型的新息形式如下：

12、

13、其中，uk，分别为模型的输入量，输出量和状态变量，输出量为燃气轮机截面监测参数，输入量为燃气轮机燃油流量，ek为均值白噪声，a,b,c,d为系统矩阵，k为kalman滤波增益，且yk为实际燃气轮机监测值；

14、所述燃气轮机状态空间模型的新息形式做如下假设：

15、假设1：燃气轮机状态空间模型为最小实现；

16、假设2：a-kc特征值均在单位圆内；

17、假设3：输入信号uk满足持续激励；

18、所述s2中，预测器形式如下：

19、

20、其中，

21、所述s3中，定义markov系数矩阵如下：

22、

23、其中，p为过去时域长度，f为未来时域长度；

24、采用如下的递推最小二乘法更新markov参数矩阵：

25、

26、

27、

28、其中，β为遗忘因子，取值范围在[0.95,1]之间；

29、所述s6中，系数矩阵获取方式如下：

30、

31、其中，m为输出量的维度；

32、由markov参数矩阵m的最后一列可得；

33、

34、因此；

35、

36、

37、

38、其中，j为输入量的维度；

39、利用的移不变的性质可得：

40、

41、

42、本发明的有益效果为：

43、基于子空间辨识的方法，直接通过输入量和输出量获取燃气轮机的状态空间模型，并考虑了燃气轮机在闭环控制中产生的新息对输入量的影响，采用子空间跟踪的方法避免了子空间辨识方法中的svd分解，节约了大量的计算资源，利用新采集到的数据在线更新模型，使模型输出与实际燃气轮机监测值保持一致，该发明适用于线性时变过程，解决了非线性机理模型求解速度慢以及线性模型只适用于某一个稳态工作点的问题，为燃气轮机状态监测技术中模型的建立提供了一条新的途径。

技术特征：

1.一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述s1中，选择燃气轮机状态空间模型的输入参数和输出参数并归一化。

3.根据权利要求1所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述s1中，燃气轮机状态空间模型的新息形式如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述燃气轮机状态空间模型的新息形式做如下假设：

5.根据权利要求1所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述s2中，预测器形式如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述s3中，定义markov系数矩阵如下：

7.根据权利要求1所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述s4中，利用递推最小二乘法更新markov参数矩阵。

8.根据权利要求7所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：采用如下的递推最小二乘法更新markov参数矩阵：

9.根据权利要求1所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述s5中，基于子空间跟踪方法求解更新扩展可观测矩阵。

10.根据权利要求1所述的一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，其特征在于：所述s6中，系数矩阵获取方式如下：

技术总结
本发明涉及仿真建模技术领域，更具体的说是一种基于子空间跟踪的燃气轮机气路建模方法，该方法包括以下步骤：S1：建立燃气轮机状态空间模型的新息形式；S2：将状态空间模型写成预测器形式，并建立递推式；S3：定义Markov参数矩阵；S4：利用递推最小二乘法更新Markov参数矩阵；S5：基于子空间跟踪方法求解更新扩展可观测矩阵；S6：扩展可观测矩阵中提取模型系数矩阵，获取燃气轮机气路模型；S7：通过仿真实例验证所提出方法的有效性；通过船用三轴燃气轮机仿真数据进行验证，结果表明，在给定阶跃信号时，本发明的模型输出值与船用三轴燃气轮机机理模型的输出值保持一致，适用于线性时变过程，可以为燃气轮机状态监测提供基础。

技术研发人员：栾俊奇,曹云鹏,李淑英
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1