CN113669163A - 一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，包括外环控制器和内环控制器，外环控制器为一阶线性自抗扰控制器，内环控制器为二阶线性自抗扰控制器，外环一阶线性自抗扰控制器包括比例控制器Kp_out与扩张状态观测器ESO_out，外环一阶线性自抗扰控制器包括比例微分控制器Kp_in，Kd_in与扩张状态观测器ESO_in。本发明的技术方案，采用串级控制的方式实现燃气轮机转速闭环控制，且内环采用二阶线性自抗扰控制器、外环采用一阶线性自抗扰控制器，能够保证高压转子转速、动力涡轮转速的无扰控制，且能够实现控制器抗饱和的作用。

Description

一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机控制方法，具体地说是燃气轮机转速控制方法。

背景技术

燃气轮机具有功率密度高、燃料适应性强、效率高等优势，广泛应用于航空飞机、船舶动力推进、联合循环发电等领域中。随着电子电力技术、测控技术、先进控制技术、人工智能技术等新兴技术的兴起，对燃气轮机的控制将有更大的提升。如何利用新兴技术提高燃气轮机性能，解决限制燃气轮机发展问题，成为燃气轮机发展亟需解决的问题。特别是在船舶推进应用中，实现燃气轮机推进低耗能、低污染问题已迫在眉睫。

船舶燃气轮机既可用于驱动，又可用于发电等，多工作用途的特点，导致燃气轮机的控制方式存在差异。特别是在燃气轮机发电过程中，燃气轮机并网控制要求高，要求转速控制精确，波动误差小；燃气轮机推进过程中，同样需要其转速控制稳定以实现稳定推进。另一方面，由于燃气轮机工作模式众多，且存在排温、转速等限制，要求在模式切换时能够实现无扰切换。由于燃气轮机热力过程复杂，存在非线性、大时滞的特点，传统的比例积分控制很难实现燃气轮机的精准控制，亟需寻求一种能够解决燃气轮机上述问题的先进控制方法。

自抗扰控制技术(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)为近年兴起的一种先进控制技术，其通过扩展状态观测器(Extended State Observer,ESO)将***总扰动估计出来，将控制对象转换为积分串联型，再通过控制率进行补偿，实现无扰控制。燃气轮机运行过程中存在众多扰动如负载突变、燃料发生器非线性时延等特点，严重影响燃气轮机的控制。将自抗扰控制技术应用到燃气轮机上，将能够解决燃气轮机对扰动敏感、非线性、时滞等特点，特别能够实现燃气轮机无扰切换及跟踪控制，能够对燃气轮机运行性能有显著提升。

以燃气轮机发电或推进的船舶，应用自抗扰控制技术，能够解决发电并网转速控制要求高、推进时转速控制无扰动的难点。其对燃气轮机的船舶航行环境对燃气轮机扰动、燃烧室内燃动、燃料发生器扰动、压气机进气流量等扰动具有很好的适应性，相较于传统比例积分控制，控制过程更加稳定。因此，将自抗扰技术应用于船舶燃气轮机领域十分具有研究意义，亟需提出一种新的燃气轮机自抗扰技术方案，实现对燃气轮机的精确稳定控制。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决燃气轮机工作过程具有非线性、延迟导致控制难的问题，并且实现多模式运行切换无扰控制，实现燃气轮机转速的精确控制的一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，其特征是：包括外环控制器和内环控制器，外环控制器为一阶线性自抗扰控制器，内环控制器为二阶线性自抗扰控制器，外环一阶线性自抗扰控制器包括比例控制器Kp_out与扩张状态观测器ESO_out，内环二阶线性自抗扰控制器包括比例微分控制器Kp_in，Kd_in与扩张状态观测器ESO_in。

本发明还可以包括：

1、外环一阶线性自抗扰控制器设计包括以下步骤：

燃气轮机动力涡轮转速表示为：

其中

为动力涡轮转子转速导数，n_g为燃气发生器转速，m_a为燃气轮机执行器输出燃气量，J_P为动力涡轮转动惯量，f₁为表征燃气轮机动力涡轮输出非线性的函数；

外环一阶线性自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO_out设计为：

其中，z₁＝n_p，z₂＝f，C＝[1 0]，L＝[β₁ β₂]^T，

B＝[b₀ 0^T，β₁、β₂、b₀为控制器参数整定值；

控制器Kp_out控制率设计为u₀＝K_p(n_p,r-z₁)，控制器输出为n_g,r＝(u₀-z₂)/b₀，其中n_g,r为燃气发生器参考输入转速即内环二阶线性自抗扰控制器的参考输入。

2、内环二阶线性自抗扰控制器设计包括以下步骤：

燃气轮机燃气发生器转速表示为：

其中

为燃气发生器转速二次导数，

为燃气发生器转速一次导数，n_g为燃气发生器转速，m_a为燃气轮机执行器输出燃气量，J_g为燃气发生器转动惯量，f₂为表征燃气轮机燃气发生器转速输出非线性的函数；

内环二阶线性自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO_in设计为：

其中，

b₁为控制器参数整定值；

控制器Kp_in控制率设计为

控制器输出为

其中m_c为燃气轮机执行机构参考输入燃料量即积分控制器的参考输入。

3、外环扩张状态观测器ESO_out第一输入为燃气轮机燃气发生器转速测量值，第二输入为动力涡轮转速测量值；内环扩张状态观测器ESO_in输入为燃气轮机执行机构燃料量测量值，第二输入为燃气发生器转速测量值。

4、外环控制反馈值为扩张状态观测器ESO_out输出的动力涡轮转速估计值，内环控制反馈值为扩张状态观测器ESO_in输出的燃气发生器转速估计值与其导数估计值。

本发明的优势在于：

1.本发明提供一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，其外环为一阶线性自抗扰控制器、内环为二阶线性自抗扰控制器，燃气轮机执行机构控制为积分控制器。具有明显技术效果如下：应用自抗扰控制的方法能够有效提高燃气轮机的抗扰性，保证燃气轮机工作模式切换无扰控制。

2.本控制方法采用串级控制的方案，能够对燃料发生器转速与动力涡轮转速实现解耦，同时，将内部燃料发生器扰动通过内环自抗扰控制器消除，减少了燃料发生器内扰动对动力涡轮转速的影响；影响动力涡轮转速的其他扰动通过外环自抗扰控制器进行控制。

3.采用内环为二阶自抗扰控制器方案，能够对燃料发生器转速的高阶变化进行控制，有效控制燃烧过程对转速波动的影响，避免了采用低阶控制器对高阶转速信号控制不精确的缺点。外环采用一阶自抗扰控制器，对应动力涡轮转速输出的一阶惯性特性，既减少了控制器的运算，加快运算速度，又结合其输出特性，实现有效精确控制。

4.本发明所描述外环扩张状态观测器ESO_out第一输入为燃气轮机燃气发生器转速测量值，而非外环控制器输出值，第二输入为动力涡轮转速测量值；内环扩张状态观测器ESO_in输入为燃气轮机执行机构燃料量测量值，而非内环控制器输出值，第二输入为燃气发生器转速测量值。该方案能够有效的避免两个控制器的饱和，实现燃气轮机燃料量限制及燃料发生器的转速限制，避免了采用控制器的输入导致扩张状态观测器难以精确估计的缺点。

5.本发明不仅适用于燃气轮机发电控制，也适用于燃气轮机船舶推进控制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法包括外环一阶线性自抗扰控制器1、内环二阶线性自抗扰控制器2、燃气轮机执行机构及控制器3、燃料发生器4、动力涡轮5、负载6。

外环一阶线性自抗扰控制器包括比例控制器Kp_out与扩张状态观测器ESO_out，外环一阶线性自抗扰控制器包括比例微分控制器Kp_in，Kd_in与扩张状态观测器ESO_in。

外环一阶线性自抗扰控制器设计包括以下步骤：

将燃气轮机动力涡轮转速表示为：

其中

为动力涡轮转子转速导数，n_g为燃气发生器转速，m_a为燃气轮机执行器输出燃气量，J_P为动力涡轮转动惯量，f₁为表征燃气轮机动力涡轮输出非线性的函数。

外环一阶线性自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO_out设计为：

其中，z₁＝n_p，z₂＝f，C＝[1 0]，L＝[β₁ β₂]^T，

B＝[b₀0]^T。β₁，β₂，b₀，为控制器参数整定值。

控制器Kp_out控制率设计为u₀＝K_p(n_p,r-z₁)，控制器输出为n_g,r＝(u₀-z₂)/b₀。其中n_g,r为燃气发生器参考输入转速即内环二阶线性自抗扰控制器的参考输入。

内环二阶线性自抗扰控制器设计包括以下步骤：

将燃气轮机燃气发生器转速表示为：

其中

为燃气发生器转速二次导数，

为燃气发生器转速一次导数，n_g为燃气发生器转速，m_a为燃气轮机执行器输出燃气量，J_g为燃气发生器转动惯量，f₂为表征燃气轮机燃气发生器转速输出非线性的函数。

外环一阶线性自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO_in设计为：

其中，

b₁，为控制器参数整定值。

控制器Kp_in控制率设计为

控制器输出为

其中m_c为燃气轮机执行机构参考输入燃料量即积分控制器的参考输入。

外环控制器为一阶自抗扰控制器，匹配动力涡轮转速一阶惯性环节。内环控制器为二阶自抗扰控制器，匹配燃气发生器转速上升率限制的要求，同时考虑燃烧过程影响转速高阶输出，对转速高阶信号实现精确控制。

外环扩张状态观测器ESO_out第一输入为燃气轮机燃气发生器转速测量值，而非外环控制器输出值，第二输入为动力涡轮转速测量值；内环扩张状态观测器ESO_in输入为燃气轮机执行机构燃料量测量值，而非内环控制器输出值，第二输入为燃气发生器转速测量值。

外环控制反馈值为扩张状态观测器ESO_out输出的动力涡轮转速估计值，内环控制反馈值为扩张状态观测器ESO_in输出的燃气发生器转速估计值与其导数估计值。

燃气轮机燃料喷射执行机构为积分控制。

本发明的设计方法主要包括以下步骤：

首先，设计内环二阶线性自抗扰控制器，由于自抗扰控制可以实现无模型控制，只需要设计控制率与扩张状态观测器即可，所以针对内环自抗扰控制器其扩张状态观测器设计为

其中，

b₁，为控制器参数整定值。其扩张状态观测器的输入为执行器实际燃料量、动力涡轮转速及转速导数，其输出为动力涡轮速及转速导数的估计值。

扩张状态观测器的参数整定规律采用带宽整定方法，将扩张观测器表达式重新整理为

将矩阵的特征方程写为

将扩张状态观测器带宽配置在

则

可以得出

二阶线性自抗扰控制率设计为

控制器输出为

将控制器等效为二阶无零点的传递函数为

因此，控制器带宽

设计为：

ξ＝0.707。

综上所述，经过极点配置及带宽整定，内环线性二阶自抗扰控制器需要设计的参数为控制器带宽

扩张状态观测器带宽

***参数b₁。内环控制方案为，通过燃料计量器测量燃气轮机执行机构输出的燃料量，作为扩张状态观测器的第一输入；通过转速传感器测量燃气发生器转速及计算转速一次导数，将燃气发生器转速及转速的一次导数作为扩张状态观测器的第二及第三输入；扩张状态观测器输出燃气发生器转速及转速的一次导数的估计值作为反馈值，与外环一阶线性自抗扰控制器的输出值一同得到设计的控制率，输出燃气轮机执行机构的燃料喷射参考量，燃气轮机执行机构通过积分控制位置闭环进行控制。最后针对燃气轮机燃料发生器转速内环进行参数整定，直到满足其控制性能要求。

其次，设计外环一阶线性自抗扰控制器，其扩张状态观测器的表达式为：

其中，z₁＝n_p，z₂＝f，C＝[1 0]，L＝[β₁ β₂]^T，

B＝[b₀ 0]^T。β₁，β₂，b₀，为控制器参数整定值。扩张状态观测器的输入为燃料发生器实际测量转速、动力涡轮实际测量转速。

其参数整定规律同样采用带宽整定方法，将扩张观测器表达式重新整理为

将矩阵的特征方程写为

将扩张状态观测器带宽配置在ω₀，则

可以得出β₁＝2ω₀，β₂＝ω₀ ²。

一阶线性自抗扰控制率设计为u₀＝K_p(n_p,r-z₁)，控制器输出为n_g,r＝(u₀-z₂)/b₀。因此控制器带宽设计为ω_c，K_p＝ω_c。

综上所述，经过极点配置及带宽整定，外环线性一阶自抗扰控制器需要设计的参数为控制器带宽ω_c，扩张状态观测器带宽ω₀，***参数b₀。外环控制方案为，测量燃料发生器转速、动力涡轮转速作为外环扩张状态观测器第一与第二输入量，扩张状态观测器输出动力涡轮转速估计值，通过与给定参考动力涡轮转速输入形成控制率，控制器输出值代表为燃料发生器转速，即***内环控制器参考值。

需要注意的是内环控制器带宽参数一般取值要比外环控制器带宽参数大，以保证内环***更快稳定。

Claims (5)

1.一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，其特征是：包括外环控制器和内环控制器，外环控制器为一阶线性自抗扰控制器，内环控制器为二阶线性自抗扰控制器，外环一阶线性自抗扰控制器包括比例控制器Kp_out与扩张状态观测器ESO_out，内环二阶线性自抗扰控制器包括比例微分控制器Kp_in，Kd_in与扩张状态观测器ESO_in。

2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，其特征是：外环一阶线性自抗扰控制器设计包括以下步骤：

燃气轮机动力涡轮转速表示为：

其中

为动力涡轮转子转速导数，n_g为燃气发生器转速，m_a为燃气轮机执行器输出燃气量，J_P为动力涡轮转动惯量，f₁为表征燃气轮机动力涡轮输出非线性的函数；

外环一阶线性自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO_out设计为：

其中，z₁＝n_p，z₂＝f，C＝[1 0]，L＝[β₁ β₂]^T，

B＝[b₀ 0]^T，β₁、β₂、b₀为控制器参数整定值；

控制器Kp_out控制率设计为u₀＝K_p(n_p,r-z₁)，控制器输出为n_g,r＝(u₀-z₂)/b₀，其中n_g,r为燃气发生器参考输入转速即内环二阶线性自抗扰控制器的参考输入。

3.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，其特征是：内环二阶线性自抗扰控制器设计包括以下步骤：

燃气轮机燃气发生器转速表示为：

其中

为燃气发生器转速二次导数，

为燃气发生器转速一次导数，n_g为燃气发生器转速，m_a为燃气轮机执行器输出燃气量，J_g为燃气发生器转动惯量，f₂为表征燃气轮机燃气发生器转速输出非线性的函数；

内环二阶线性自抗扰控制器中扩张状态观测器ESO_in设计为：

其中，

b₁为控制器参数整定值；

控制器Kp_in控制率设计为

控制器输出为

其中m_c为燃气轮机执行机构参考输入燃料量即积分控制器的参考输入。

4.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，其特征是：外环扩张状态观测器ESO_out第一输入为燃气轮机燃气发生器转速测量值，第二输入为动力涡轮转速测量值；内环扩张状态观测器ESO_in输入为燃气轮机执行机构燃料量测量值，第二输入为燃气发生器转速测量值。

5.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的串级燃气轮机转速控制方法，其特征是：外环控制反馈值为扩张状态观测器ESO_out输出的动力涡轮转速估计值，内环控制反馈值为扩张状态观测器ESO_in输出的燃气发生器转速估计值与其导数估计值。

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