[发明专利]一种燃气轮机的抗扰动控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种燃气轮机的抗扰动控制器设计方法，属于工业自动控制技术领域，旨在解决燃气轮机在燃料切换过程中出现的转速、负荷的大幅度波动的问题，并且在由原来的PID控制器切换至ADRC的过程，可能引起系统的控制量出现突变，甚至导致控制系统回路不稳定的问题。通过对原有控制器的输出进行微分，然后通过切换控制律将ADRC接入到闭环控制回路，再通过共同积分器来对接入闭环控制回路的控制器的微分项进行积分，利用积分不能突变的特性来保证控制器输出平滑，在不改变燃气轮机原有控制特性的基础上，能够适当解决燃气轮机燃料切换引起的燃气流量波动问题，弥补了现有单一控制器的不足。

技术领域

本发明涉及工业自动控制技术领域，具体为一种燃气轮机的抗扰动控制器设计方法。

背景技术

燃气轮机和重型燃气轮机作为电力供应的重要补充，已经广泛应用于我们的日常生活中。它是一种用途广泛的复杂工业用旋转机械，能高效发电、供热、制冷，现代燃气轮机的效率可达55-60％。在分布式能源系统中起着不可或缺的作用，因此燃气轮机的控制变得越来越重要。当燃气轮机用于驱动发电机时，闭环系统容易受到各种扰动，例如负载变化和设定点变化，往往会使得燃机变得不稳定，出现波动、振荡现象，从而可能导致严重的电厂事故。当燃机被用来驱动船舶时，水流的变化会引起负荷波动，此时如果控制不当，会导致船舶抛锚等问题。在燃气轮机系统中还存在许多控制难题，例如强解耦、非线性和燃料波动，因此有必要研究燃机控制系统，尤其是增强其抗扰动性能。

现代燃气轮机的燃烧方式包括普通燃烧、预混燃烧和二次燃烧，分别对应供气系统的主燃料通道、值班燃料通道和二次燃料通道。在燃气轮机工况变化和适应不同排放标准的过程中，必须人为操纵三个分支的阀门来改变质量流量。由于阀门的控制精度、范围等可能不同，导致阀门的动作时间不一致，这可能会导致主管道的压力变化和质量流量的变化，从而导致燃气轮机转速变化时的流量波动，尤其是孤岛模式工作时引起电网频率变化。

针对这一问题，传统的控制器如PI控制器、PID控制器等都采用了基于误差消除误差的方法来减小这种干扰的影响。此外，这可以通过增强控制器的鲁棒性来解决，如H∞控制和自适应神经跟踪控制。以上这些方法都是被动干扰抑制，无法主动估计和补偿干扰，甚至无法最大化控制性能。本发明针对燃气轮机系统，设计了基于PID的ADRC控制，提高了控制精度，加快了负荷响应，改善了控制性能。本发明利用ADRC主动抑制燃油比切换带来的干扰，为了不影响系统的稳定性，在稳态阶段将控制器从原来的PID控制器切换到ADRC。然而，控制器切换将导致控制量扰动，即被控对象输入信号在切换过程中会有很大的波动，因而本发明提出一种扰扰动的设计方法来解决这个问题。

发明内容

本发明为了解决燃气轮机在燃料切换过程出现的转速、负荷波动问题，本发明公开了一种燃气轮机的抗扰动控制器设计方法，在稳态阶段引入了主动观测补偿扰动的ADRC控制器，同时又使用了一种无扰动切换方法来抑制控制器切换引起的组合控制器输出跳变，以此来改善燃气轮机的控制品质，采用的技术方案是，包括以下步骤：

步骤一，建立燃气轮机配套的燃料系统模型，包括液压驱动的流量阀、快关阀、减压阀和管道组成的主燃料通道、值班燃料通道和二次燃料通道模型；

步骤二，建立包括燃气轮机数学模型的数值仿真程序；

步骤三，设计控制器，使得燃气轮机的输出能快速、稳定地达到期望信号，所涉及的控制器包括PID和ADRC；

步骤四，将步骤三中的PID和ADRC控制器进行组合，再引入无扰动切换方法来抑制由原始PID控制器切换到ADRC控制器的扰动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤一中燃料系统中的主燃料通道、值班燃料通道和二次燃料通道分别对应通道A、B和C，另外由液压驱动的压力控制阀主要用于母管压力控制。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤二中燃气轮机数学模型可表示为：

其中f为系统状态的非线性函数；为系统输出的非线性函数；y为被控对象的输出量；u为控制器输出的控制量。