[发明专利]一种超高速涡轮负载自适应稳速控制系统及方法

说明书

本发明提出一种超高速涡轮负载自适应稳速控制系统，包括：转速采集及信号转换装置、控制器、高速开关阀；在涡轮进气入口设置高速开关阀，通过转速采集及信号转换装置采集涡轮实时转速作为控制反馈变量，提供给控制器，控制器将所述涡轮实时转速与预设目标转速进行比较，根据比较结果输出对高速开关阀的控制指令，实现对进气流量的控制。本发明在涡轮进气入口设置高速开关阀，搭建“转速测采－控制器－开关阀”闭环控制回路，在气源功率足够、控制时延和开关阀响应时延参数满足要求的情况下，可实现对进气流量的等效PWM(脉宽调制)的控制，从而使涡轮输出功率自动适应负载需求。

技术领域

本发明涉及一种超高速涡轮负载自适应稳速控制系统即方法，尤其涉及一种在载在较大范围内高动态、随机变化情况下的超高速涡轮负载自适应稳速控制系统及方法。

背景技术

超高速涡轮能源是以某种气体工质或燃料燃烧产生的燃气介质作为一次能源，以超高速涡轮作为能量转换核心元件，最终输出机械能(涡轮+机械传动)、液压能(涡轮+泵)或电能(涡轮+发电机)的系统或装置，由于涡轮及轴系工作于超高转速(转速超过30,000r/min或轴承DN值超过8×10⁵mm.r/min)，其功率密度很高(装置比功率达超过2kW/kg)，输出功率一般在100kW以里。

超高速涡轮能源一般应用于对装置重量、体积有较严苛要求的场合，如野外应急救援用能源，便携式能源，航空航天器辅助能源等。大部分应用场合下，能源负载工况稳定，因此超高速涡轮可以为恒功率输出，涡轮转速始终保持稳定；而在一些特定场合，负载在较大范围内波动，涡轮稳速控制难度很大。比如，在机电作动系统中，作动器通常需要在短时间内以最大加速度进行加速或减速，而在其它时间内又处于空闲状态。这就导致涡轮负载在最大值和最小值之间呈现阶跃变化。如不对超高速涡轮的运行情况进行有效控制，涡轮转速将随负载变化而大范围振荡，一方面影响涡轮工作效率，降低对一次能源能量的利用率，更重要的是带来涡轮超速破坏的危险。因此，负载高动态变化情况下必须对超高速涡轮实施快速、准确的负载自适应控制，使其始终保持转速相对恒定。

大部分涡轮能源的稳速控制是通过按与负载大小成正比，或与涡轮速度成反比，对驱动涡轮的介质气流量进行比例调节而实现。这类系统工作时，如果涡轮负载升高或转速降低，则进气流量增大；如果涡轮负载降低或转速升高，则进气流量减小。已有许多控制策略或算法用于实现这种控制方法。

现有技术需要用到比例阀(可在一定流量范围内连续调节流量)。然而，相对于两位开关阀(阀的状态是全开或全关)，比例阀结构复杂、成本较高且可靠性相对较低。另外，采用比例阀的控制系统也更为复杂，尤其是对于双组元燃烧系统，需要同时测量两种介质的流量，一方面是因为稳速控制需要，另一方面是为了保证两种介质合适的混合比。而且，采用比例调节阀控制方式下涡轮功率的可调范围通常极为有限。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超高速涡轮负载自适应稳速控制系统，通过构建一套合适的闭环控制系统，对超高速涡轮实施进气流量控制，目标是使超高速涡轮具备对负载变化的自适应能力，表现为负载变化时涡轮转速保持相对稳定。

本发明的技术解决方案是：

一种超高速涡轮负载自适应稳速控制系统，包括：转速采集及信号转换装置(1)、控制器(2)、高速开关阀(3)；

在涡轮进气入口设置高速开关阀(3)，通过转速采集及信号转换装置(1)采集涡轮实时转速作为控制反馈变量，提供给控制器(2)，控制器(2)将所述涡轮实时转速与预设目标转速进行比较，根据比较结果输出对高速开关阀(3)的控制指令，实现对进气流量的控制，从而使涡轮输出功率自动适应负载需求。

进一步的，转速采集及信号转换装置(1)、控制器(2)、高速开关阀(3)构成闭环控制回路。