本發(fā)明涉及一種燃氣輪機透平排氣溫度控制裝置及方法，是一種基于線性狀態(tài)觀測器的自抗擾方法。

背景技術：

透平是燃氣輪機最重要的部件之一，透平作為燃氣輪機的熱端部件，其葉輪和葉片是在高溫環(huán)境下持續(xù)工作的。再加上燃氣輪機的高速旋轉，會產(chǎn)生巨大的離心力。透平高速高溫的運行環(huán)境，使得對葉輪和葉片的材料強度有著極高的要求。運行溫度過高，將導致材料的強度降低，影響透平受熱部件的運行壽命，嚴重會引起透平葉片燒壞、斷裂等嚴重事故。因此，要把透平溫度控制在合理的范圍內(nèi)。

燃氣輪機透平內(nèi)部第一級噴嘴處的溫度最高，目前的技術無法直接對其測量和控制，只能通過測量燃氣輪機排氣溫度間接控制。對應透平排氣溫度有一個高限設定值，當工作溫度超過高限設定值時，通過調(diào)節(jié)燃料量，控制透平排氣溫度，從而控制透平工作溫度，使機組能在允許的最高工作溫度下有最大的出力和最高的效率。

一般的透平溫度控制采用傳統(tǒng)的比例積分控制器，而在燃機的實際運行過程中，是存在非線性、負荷變化或者干擾因素的，比例積分控制器的控制品質(zhì)也會隨之下降。會引起控制超調(diào)過大或者調(diào)節(jié)時間過長，嚴重的導致機組超溫遮斷，這對于透平部件和燃氣輪機運行的經(jīng)濟性都是不利的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)燃氣輪機透平排氣溫度控制中對非線性或干擾因素控制質(zhì)量不佳的問題。

本發(fā)明提出了一種燃氣輪機透平排氣溫度控制裝置及方法，其特征在于包括以下步驟：

1)獲取透平排氣溫度測量值，通過等間距安裝在透平排氣口的n個溫度傳感器，取這n個溫度傳感器測得溫度的平均值作為透平排氣溫度測量值，記為t測，透平排氣溫度的設定值記為t設；

2)溫度控制器的輸入端接收t設和t測，經(jīng)控制器處理后，將輸出信號送到燃料控制執(zhí)行機構，從而調(diào)整燃料量，實現(xiàn)對透平排氣溫度的控制。

可選地，所述獲取燃氣輪機透平排氣溫度的步驟包括：

獲取實際透平排氣溫度值、實際透平排氣溫度微分值和總擾動；

分別獲取實際透平排氣溫度觀測值、實際透平排氣溫度微分值的觀測值和總擾動觀測值。

可選地，透平的二階微分gp(s)的狀態(tài)空間為：

其中，u為溫度控制器輸入信號，y為實際透平排氣溫度，為實際透平排氣溫度微分值，且x1＝y(tǒng)、x3＝f，把f＝g+(b-b0)u總擾動，b是輸入增益，b0是對b的估計誤差，g是透平自身攝動和外部擾動的總影響。

可選地，所述分別獲取實際透平排氣溫度觀測值、實際透平排氣溫度微分值的觀測值和總擾動觀測值的步驟包括：

其中，z1、z2、z3為實際透平排氣溫度y、實際透平排氣溫度微分值總擾動f的估計值，β1、β2、β3為待確定線性狀態(tài)觀測器的參數(shù)，用來控制估計值的準確性，b0是對b的估計誤差。

可選地，所述線性擴張觀測器的特征多項式為：

λ0＝s³+β1s²+β2s+β3＝(s+wo)³

其中，β1、β2、β3為待確定線性狀態(tài)觀測器的參數(shù)，wo為線性擴張狀態(tài)觀測器的帶寬，λo為線性擴張狀態(tài)觀測器的特征多項式。

本發(fā)明實施例可以將內(nèi)部擾動、外部擾動視為總擾動，通過線性擴張狀態(tài)觀測器對擾動的狀態(tài)觀測估計，并通過擾動補償作用消除擾動對透平排氣溫度的影響。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種燃氣輪機透平排氣溫度控制系統(tǒng)結構示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術中提供的一種pi控制結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的一種燃氣輪機透平排氣溫度控制器結構示意圖。

具體實施方式

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發(fā)明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

實施例一

本發(fā)明實施例提供了一種燃氣輪機透平排氣溫度控制裝置及方法，如圖2所示，包括：

1)獲取透平排氣溫度測量值，通過等間距安裝在透平排氣口的n個溫度傳感器，取這n個溫度傳感器測得溫度的平均值作為透平排氣溫度測量值，記為t測，透平排氣溫度的設定值記為t設；

2)溫度控制器的輸入端接收t設和t測，經(jīng)控制器處理后，將輸出信號送到燃料控制執(zhí)行機構，從而調(diào)整燃料量，實現(xiàn)對透平排氣溫度的控制。

本發(fā)明實施例以透平排氣溫度的設定值為參考輸入，實際透平排氣溫度測量值為反饋信號。當實際透平排氣溫度測量值超出透平排氣溫度的設定值時，通過溫度控制器的輸出信號控制執(zhí)行機構(燃料調(diào)節(jié)閥)，使得燃料量降低，從而實際透平排氣溫度測量值小于或者等于透平排氣溫度的設定值，以避免發(fā)生透平超溫遮斷等。本發(fā)明實施例可以將內(nèi)部擾動、外部擾動視為總擾動，通過線性狀態(tài)觀測器對擾動的狀態(tài)觀測估計，并通過擾動補償作用消除擾動對透平和燃料控制閥的影響。本發(fā)明可以保證溫度控制器有較快的響應速度的同時，使透平排氣溫度具有較好的穩(wěn)定性。

實施例二

為進一步體現(xiàn)本發(fā)明提供的一種燃氣輪機透平排氣溫度控制裝置及方法的優(yōu)越性，本發(fā)明又提供了一種燃氣輪機透平排氣溫度控制器，如圖3所示，包括：線性擴張觀測器單元100、擾動補償單元200和反饋單元300，其中，線性擴張觀測器單元100的第一信號輸入端101連接測量機構500的信號輸出端，第二信號輸入端102連接該透平排氣溫度控制器的信號輸出端，第一信號輸出端103與第二信號輸出端104分別連接反饋單元200的第一信號輸入端201與第二信號輸入端202，第三信號輸出端103連接擾動補償單元300的第一信號輸入端301；反饋單元200的信號輸出端203連接擾動補償單元300的第二信號輸入端302；擾動補償單元300的信號輸出端303連接透平400的信號輸入端；

線性擴張觀測器單元100用于分別獲取實際透平排氣溫度y的觀測值z1、實際透平排氣溫度微分值的觀測值z2和總擾動f的觀測值z3；

反饋單元200用于根據(jù)實際透平排氣溫度觀測值z1、實際透平排氣溫度微分值的觀測值z2和透平排氣溫度設定值r獲取反饋單元的輸出信號u0，以降低穩(wěn)態(tài)誤差；

所述擾動補償單元用于根據(jù)反饋單元的輸出信號u0與總擾動觀測值z3獲取透平排氣溫度控制器的輸出信號u。

由于擾動會影響系統(tǒng)輸出，所以輸出信號即實際透平排氣溫度中也會反映出擾動的作用。線性擴張狀態(tài)觀測器單元100(linearstateobserver，leso)可以估計擾動的作用。如圖3所示，r、y分別為透平排氣溫度控制器的輸入信號、實際透平排氣溫度；gp(s)為被控對象(執(zhí)行機構和透平)，kp、kd為反饋單元參數(shù)，d為透平和執(zhí)行機構的外部干擾，b0為透平排氣溫度控制器中對系統(tǒng)輸入增益b的估計。

被控對象gp(s)的微分表示形式：

其中，u為被控對象輸入信號，y為實際透平排氣溫度，為實際透平排氣溫度微分值，ω為透平和執(zhí)行機構的不可測擾動，b為輸入增益，g為透平和執(zhí)行機構的自身攝動和外部擾動的總影響。

或者，被控對象gp(s)的微分表示形式也可以為：

其中，f＝g+(b-b0)u為透平和執(zhí)行機構的總擾動，此時將b0對輸入增益b的估計誤差也視為擾動的一部分。

令x1＝y(tǒng)、其中定義f為系統(tǒng)的一個擴張狀態(tài)。令x3＝f。假設f是可微的，并定義則式(2)可以用狀態(tài)空間表示為：

實際透平排氣溫度y、實際透平排氣溫度微分值和被控對象總擾動f的估計值可以根據(jù)線性擴張狀態(tài)觀測器100得到：

其中，z1、z2、z3為y、f的估計值，β1、β2、β3為待確定線性擴張狀態(tài)觀測器的參數(shù)，用來控制估計值的準確性。

由于一般控制器的控制性能與其帶寬有直接關系，可知線性擴張狀態(tài)觀測器的估計值的準確性與其帶寬也有很大的相關性。為簡化計算，本發(fā)明令wo為線性狀態(tài)觀測器的帶寬，將式(4)表示為wo的形式，即：

λo＝s³+β1s²+β2s+β3＝(s+wo)³(5)

由式(5)可知，帶寬wo為線性擴張觀測器單元中唯一需要整定的參數(shù)，從而使計算變得更加簡單。一般情況下，帶寬wo越大則線性擴張觀測器單元估計的準確性超高，但同時該線性擴張觀測器單元對噪聲也越加敏感，從而不利于線性擴張觀測器單元對高頻段的控制。為此，本發(fā)明實施例中，對帶寬wo的選擇兼顧控制性能與抗噪性能，選取一個折中值。在帶寬wo確定以后，待確定線性擴張狀態(tài)觀測器的參數(shù)β1、β2、β3就可以根據(jù)上式(5)進行確定。

由圖3可知，擾動補償單元的擾動補償環(huán)節(jié)為：

若線性擴張狀態(tài)觀測器能夠實現(xiàn)z3＝f時，將式(6)代入式(2)中，可以得到從而被控對象可以轉換成雙積分器串聯(lián)結構，使透平排氣溫度控制器的控制更加方便。

由圖3可知，反饋單元的表達式為：

u0＝kp(r-z1)-kdz2(7)

其中，u0為反饋單元輸出信號，kd、kp為反饋單元參數(shù)，r為透平排氣溫度設定值，z1、z2為y、的估計值。

將式(7)帶入擾動補償后的雙積分器串聯(lián)對象可得控制系統(tǒng)的閉環(huán)方程：

結合帶寬與控制性能的關系，令wc為控制器帶寬，令閉環(huán)方程(8)的特征多項式表示為wc的形式。

λo＝s²+kds+kp＝(s+wc)²(9)

這樣帶寬wc就成為控制器中唯一需要整定的參數(shù)，從而可以簡化控制器參數(shù)的計算。一般情況下，帶寬wc值越大系統(tǒng)的響應速度也越快，不過會對穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。所以，帶寬wc值的選取兼顧系統(tǒng)響應速度和穩(wěn)定性，折中選擇帶寬wc值，從而可以根據(jù)式(9)與wc的關系來確定參數(shù)kd、kp。

由此可見，透平排氣溫度控制器將內(nèi)部擾動、外部擾動(包括噪聲)視為總擾動，根據(jù)線性擴張狀態(tài)觀測器觀測估計擾動的狀態(tài)，利用擾動補償作用消除擾動對實際透平排氣溫度的影響，從而可以提高透平排氣溫度控制過程的穩(wěn)定性與魯棒性。

雖然結合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內(nèi)。