轻型燃气轮机控制设计与仿真验证技术研究

作     者：赵智斌 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周文杰;刘培军

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：航改燃气轮机 PID控制系统 监测信号迟滞 PID控制参数 控制系统性能 

摘      要：航改燃气轮机具有起动快、结构紧凑、使用维护方便和污染小等优点。控制系统是航改燃气轮机的“大脑,是确保其安全运行的关键功能系统。工程上使用最多的是PID控制器,其具有结构简单、鲁棒性强等优点,已经被广泛应用于工业设备的控制。但监测信号存在迟滞时,会引起的PID算法迭代计算出现偏差,造成控制系统对被控对象发出错误的指令,导致燃气轮机出现鲁棒性变差,转速调节缓慢等问题,因此有必要进行监测信号迟滞对PID控制算法和控制系统的影响研究。目前针对监测信号迟滞的研究主要集中在容错控制和故障诊断系统等方面,其中容错控制又分为基于数据的容错控制和基于模型的容错控制,就目前容错控制的应用来看,基于数据的容错控制在工程应用时实现难度较大,而现有的基于模型的容错控制在对象与观测器模型不匹配时,容错性能会下降,不能适应燃气轮机时常变负荷的特性。针对当前所研究的一种发电用航改燃气轮机,其控制系统为PID控制系统,但随着更高的控制要求,存在两个问题需要解决:首先,确定PID控制系统所能容忍的最大监测信号迟滞时长的具体范围;其次,确定对监测信号迟滞适应性较高的PID控制参数范围;目前,对于上述问题的研究相对较少。本文以一种发电用航改燃气轮机为研究对象,针对监测信号迟滞这一问题,建立了监测信号迟滞模型,对该型航改燃气轮机的控制性能进行了优化研究,上述研究成果能够为该型航改燃气轮机降低监测信号迟滞的影响提供重要的参考。主要的研究内容及结论如下:(1)为了进行最大监测信号迟滞时长范围的找寻工作,建立了监测信号迟滞模型,将其与PID控制系统和燃机模型进行融合,共同构成了数字仿真模型,实现了监测信号迟滞现象的复现,进行了压力信号迟滞、温度信号迟滞和转速信号迟滞对燃机系统性能的分析。分析结果表明,压力信号迟滞和转速信号迟滞对燃机控制性能的影响较大,温度信号对燃机控制性能基本无影响,且基于压力信号迟滞和转速信号迟滞对燃气轮机转速控制的影响研究,确定了燃气轮机转速控制可容忍的最大迟滞时长范围。(2)基于转速信号迟滞对燃机控制性能影响规律,以最大燃料量调节输出的比例增益系数KP＿WMAX和燃气发生器转速调节输出的比例增益系数KP＿GG为变量,对存在转速信号迟滞的燃机控制系统性能进行分析。分析结果表明,增大燃气发生器转速调节输出的比例增益系数和最大燃料量调节输出的比例增益系数均可以有效的提升燃气轮机转速控制性能,但提升效果随迟滞时间的增大而逐渐减弱。(3)基于压力信号迟滞对燃机控制性能影响规律,以最大燃料量调节输出的比例增益系数KP＿WMAX和燃气发生器转速调节输出的比例增益系数KP＿GG为变量,对存在监测信号迟滞的燃机控制系统性能进行分析。分析结果表明,增大燃气发生器转速调节输出的比例增益系数可以有效的提升燃气轮机转速控制性能;最大燃料量调节输出的比例增益系数存在最优参数范围,可以提高转速迟滞时的控制系统性能。