微型燃氣輪機發電機組快速原型控制器硬件在環試驗研究

余 躍，張天宏，盛漢霖，謝 琦，林志祥

（南京航空航天大學能源與動力學院，南京210016）

0 引言

可靠、廉價、環保的動力源是當今科技發展的主流[1-2]。電能是1種清潔可靠的重要資源，直接影響到人民的生活質量和經濟發展速度[3]。微型燃氣輪機發電機組作為1種小型化的高效發電系統，將成為新型分布式發電（Distributed Generation,DG）技術的主流[4]。燃氣輪機發電機組是無電網電能供應地區的主要電能供應來源，廣泛用于艦艇用電、移動電站、海外孤島、野外工業作業等，其優點包括：供電靈活，經濟性好；發電品質較好，電壓和頻率變化較小；體積小、質量輕、便于安裝[5]。

為了減少或避免微型燃氣輪機發電機組控制器故障和加快控制器開發進度，其控制器開發必須經過4個階段，即純數字仿真、硬件在環試驗仿真、實物在回路試驗仿真和臺架試驗[6]，硬件在環試驗是驗證控制器的控制邏輯和控制算法的重要一步[7]。

燃氣輪機發電機組的控制模式主要分為無差控制、有差控制和功率控制，其中功率控制又分為功率反饋無差法、功率反饋有差法、定燃氣發生器轉速法和定燃料閥開度法[8]。目前國內外主要采取的控制方法是經典PID（Proportion Integral and Differential）控制和分段PID控制[5-9]。對于孤網發電的燃氣輪機發電機組，發電功率變化頻繁、變化幅度較大，因此，本研究采用前饋PID控制方法，發電機功率為前饋值。微型燃氣輪機的物理故障包括侵蝕、腐蝕、堵塞、內部污垢、密封磨損、葉片燒毀、噴嘴堵塞等，這些物理故障會導致燃氣輪機的性能退化，甚至引發燃氣輪機安全事故[10]。

本文針對某微型燃氣輪機發電機組，設計了1套基于cRIO（CompactRIO）的快速原型控制器（Rapid Control Prototype,RCP）。為了驗證快速原型控制器的全狀態控制功能和故障識別與處置功能，搭建了硬件在環試驗平臺。

1 快速原型控制器設計

1.1 快速原型控制器概述

快速原型控制器也叫快速控制原型，是1種具有硬件快速定制、軟件代碼快速開發或自動生成的控制器。可用于代替目標（產品）控制器實現各項控制功能，開展硬件在回路（Hardware-the-Loop,HIL）仿真、半物理仿真試驗，以驗證快速原型控制器接口、控制邏輯和算法的有效性[11-12]。快速原型控制器設計需要選擇合理的開發平臺，要求硬件配置方便、性能好、可靠性高，以及軟件設計效率高且所生成的代碼可靠性強。

圖1 快速原型控制器的原理

某微型燃氣輪機發電機組的快速原型控制器基于cRIO設計，如圖1所示，是該發電機組的“大腦”，其主要功能包括：（1）實現某微型燃氣輪機發電機組從起動、點火、加速直至額定狀態以及停車的全過程控制；（2）保證燃氣輪機發電機組安全可靠運行，在發生超轉、震動過大、熄火、燃油壓力故障、滑油壓力故障、滑油溫度故障、軸承超溫故障的情況下，能準確識別故障類型并處置故障。

1.2 快速原型控制器硬件設計

快速原型控制器包括cRIO單元和信號調理驅動單元，如圖2所示。其中cRIO單元是快速原型控制器的控制核心。

圖2 快速原型控制器的硬件結構

cRIO的內核為ZYQN，包括實時控制器RT（Real Time）、可重配置的現場可編程門陣列FPGA（Field－Programmable Gate Array）及模塊化I/O。實時控制器采用667MHz雙核ARM Cortex A9，與FPGA之間采用AXI總線實現快速通信。cRIO的快速IO（FPGA）核心內置數據傳輸機制，負責把數據傳到嵌入式處理器以進行實時分析、數據處理、數據記錄或與聯網主機通信。

信號調理驅動單元的開發采取模塊化結構的設計思想，相對于整體式大電路板的結構形式，模塊化結構更加靈活，便于配置和裝配，符合快速原型的設計思想。信號調理驅動單元包括頻率量輸入信號調理模塊、熱電偶信號調理模塊、模擬量輸入信號調理模塊、模擬量輸出信號驅動模塊、開關量輸入信號調理模塊、開關量輸出驅動模塊。

1.3 快速原型控制器算法設計

cRIO硬件架構包括RT模塊、FPGA模塊和模塊化I/O，其中FPGA模塊和RT模塊采用LabVIEW開發[14]。

FPGA模塊的時鐘頻率為40 MHz，直接訪問I/O接口[11]，其主要功能是開關量、模擬量、熱電偶量、轉速采集和開關量、模擬量指令輸出，其中重點處理了轉速信號。

單純的測周法或測頻法測轉速，存在不可避免的策略誤差[15]，本文基于FPGA提出了1種測周與測頻的高精度轉速測量法。轉速信號是接口模擬器根據10齒音輪產生的PWM波，通過cRIO的NI 9401接口卡采集之后成為0/5V的TTL信號，定義10維數組，首先用測周法獲得當前TTL信號的周期，將TTL信號的當前周期作為第0個數值，上一周期值作為第1個數值，依次保存前9個周期值，然后求10個數值之和，即為燃氣輪機轉速的周期值，如圖3所示。

圖3 FPGA模塊中轉速計算

RT（Real-Time）模塊程序是快速原型控制器程序的核心，主要分為3部分：（1）與RT程序相互通信，時鐘周期為1 ms；（2）與控制系統監控軟件建立實時通信，控制系統監控軟件實時顯示燃氣輪機狀態并給定起動、停車等指令，時鐘周期為20 ms；（3）實現某微型燃氣輪機發電機組全狀態控制功能和故障保護功能，時鐘周期為20 ms。

微型燃氣輪機發電機組的全狀態控制包括：起動控制、恒轉速控制、溫度控制、加速控制和停車控制。起動控制主要指某微型燃氣輪機的起動控制，指某微型燃氣輪機的轉速從0~95%額定轉速的控制，主要分為2個階段：起動機帶動燃氣輪機起動至點火轉速；開始點火并供油加速燃氣輪機至95%額定轉。起動過程供油規律分3個階段：（1）當微型燃氣輪機的轉速為額定轉速的20%～51.4%時，按照轉速插值供油；（2）當微型燃氣輪機的轉速為額定轉速的51.4%～80%時，通過PI控制以角加速度為350 r/min/s供油；（3）當微型燃氣輪機的轉速為額定轉速的80%～95%時，通過PI控制以角加速度為216 r/min/s供油。某微型燃氣輪機發電系統的恒轉速控制是當燃氣輪機轉速達到額定轉速時，采用前饋PID控制律對燃氣輪機進行恒轉速控制，其中前饋量為用戶終端對發電機組的發電功率，如圖4所示。

針對微型燃氣輪機發電機組在實際過程中發生的上述物理故障，本研究中快速原型控制器設計了7種典型故障識別與處置功能，分別是：超轉故障、振動故障、熄火故障、燃油壓力故障、滑油壓力故障、滑油溫度故障、軸承溫度故障，如圖5所示。

圖4 微型燃氣輪機發電機組恒轉速控制原理

圖5 快速原型控制器故障處置功能

2 硬件在環試驗系統的構建

2.1 試驗系統組成和原理

硬件在環試驗平臺由4部分組成，即控制器實物、模型、接口系統和實時監控軟件[16]，如圖6所示。控制器實物是某微型燃氣輪機發電機組的快速原型控制器，包括cRIO單元和信號調理驅動單元；模型是指采用LabVIEW開發的模型上位機，通過NI VeriStand調用模型的動態鏈接庫；接口系統是基于ARM設計的接口模擬器，通過TCP/IP與模型上位機建立實時通信；實時監控軟件是基于LabVIEW設計的控制系統監控軟件，通過TCP/IP與快速原型控制器的cRIO單元建立連接。

圖6 硬件在環系統組成

2.2 燃氣輪機發電機組模型的建立

微型燃氣輪機發電機組是1種強非線性機械系統，采用MATLAB/Simulink建立其全狀態模型，包括某微型燃氣輪機模型和發電機組模型，額定狀態的參數見表1。

微型燃氣輪機主要部件包括壓氣機、燃燒室、渦輪等，其全狀態模型包括慢車以上模型、起動模型和停車模型，其中慢車以上模型采用部件級模型，如圖7所示，起動模型和停車模型采用擬合模型。部件級模型采用NASA開發的MATLAB/Simulink/TMATS工具箱，該工具箱包括環境、壓氣機、燃燒室、渦輪、噴管、功率發生裝置、轉軸等部件，每個部件包括燃氣輪機的熱力學、氣體動力學計算，其中壓氣機和渦輪部件特性曲線來自Gasturb。

表1 某微型燃氣輪機發電機組額定參數

圖7 基于T-MATS的燃氣輪機模型

通過MATLAB/Simulink/TMATS工具箱建立的燃氣輪機部件級模型穩定工作時，應滿足流量連續的共同工作方程，采用牛頓拉普森方程求解。

發電機組是燃氣輪機發電機組的核心部件之一，集旋轉與靜止、電磁變化與機械運動于一體，將機械能轉化為電能。對發電機組的數學模型做以下必要的假設：（1）電機的轉子在結構上完全對稱；（2）3個定子繞組在空間上互差120°，其結構完全相同；（3）忽略電機磁鐵部分的磁滯、磁飽和、渦流等影響；（4）電機內部表面光滑，其溝槽不影響定子和轉子繞組的電感。發電機組模型是根據發電機的電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程，再經過坐標系d-q變換建立的[17]。

電壓方程的abc 3相坐標下的矩陣方程為

式中：u、i、r、ψ 分別為各相繞組電壓、電流、電阻和磁鏈。

磁鏈方程為

式中：系數矩陣中的對角元為各繞組的自感系數；非對角元為繞組間的互感系數，互感系數是可逆的，即Mii=Mii（i,j=a,b,c,f,D,Q）。

轉矩方程為

式中：Pp為極對數；θ為轉子旋轉的角度；ω為轉速的角速度；Tm為原動機作用在軸上的力矩；Te為發電機的電磁力矩。

電機轉子繞組的運動方程為

式中：TJ為發電機慣性時間常數；δ為發電機功角；ω為發電機轉子的點角速度。

將某微型燃氣輪機的起動模型、停車模型與部件級模型相結合，構成該燃氣輪機的全狀態模型；發電機組模型與微型燃氣輪機模型連接在一起，形成某微型燃氣輪機發電機組的數學模型。燃氣輪機發電機組模型采用Simulink開發，通過NI VeriStand創建模型的輸入輸出接口，編譯成動態鏈接庫文件（model.dll），在燃氣輪機發電機組模型上位機中直接調用。

2.3 接口模擬器

硬件在環試驗中的接口模擬器的作用是模擬燃氣輪機發電機組的傳感器信號輸出給快速原型控制器，同時模擬執行機構信號傳遞給燃氣輪機發電機組模型上位機，主要的傳感器信號包括溫度、壓力、轉速、位置等信號，主要的執行結構是燃油泵、電磁閥等。

接口模擬器主要由主控芯片、外圍電路、外接端口等組成。主控芯片為TM4C129NCPDF，其主頻為120 MHz，其外圍電路資源如下：4路PWM信號發生器、16路熱電偶信號發生器、16路電流信號發生器、16路開關量信號發生器、16路開關量輸入信號、8路模擬量輸入信號。接口模擬器與模型上位機之間通過TCP/IP連接，與控制器之間通過導線連接，如圖8所示。

圖8 接口模擬器布局

為了提高接口模擬器的穩定性，其軟件設計采用2套時序。當與模型上位機之間的TCP/IP未連接時，接口模擬器的10 ms定時器用于高速采集和輸出，20 ms定時器用于低速采集和輸出，500 ms定時器用于系統自檢；當TCP/IP連接時，系統自身時序丟棄不用，采用中斷模式，時序由上位機提供，確保采集與輸出的實時性。

測試表明，接口模擬器的精度完全能夠滿足硬件在環試驗。16路熱電偶輸出信號的最大誤差為0.29%，16路電流量輸出信號的最大誤差為0.10%，16路電流量輸入信號的最大誤差為0.37%，4路PWM信號的最大誤差為0.10%，開關量輸入信號和開關量輸出信號的誤差為0。

3 硬件在環試驗

3.1 全狀態控制試驗

某微型燃氣輪機發電機組的硬件在環試驗設備由模型上位機、接口模擬器、快速原型控制器、控制系統監控軟件組成。硬件在環系統在自動控制下，在監控軟件上給定起動指令，該系統就可以按照起動控制正常起動。

通過試驗表明：微型燃氣輪機發電機組從0時刻開始起動，經過12.4 s其轉速達到550 r/min，開始供油并點火，點火后依次經過轉速插值供油、加速度PI控制供油，其中加速度控制階段的控制率均采用KP1=0.0005、KI1=0.02。在第 39.2 s時，轉速達到 29500 r/min，開始進入恒轉速控制，PID的控制參數為KP2=0.04、KI2=0.1、KD2=0.2。燃氣輪機轉速達到額定轉速之后，第51.9 s時開始功率加載，發電功率逐步從0變化到1500 kW，耗時11.7 s。在第70.5 s時，開始降低發電機功率，從1500kW降到0。在第87.7s時，該系統開始手動停車，停止供油，燃氣輪機緩慢停下。微型燃氣輪機發電系統全狀態控制中主要參數變化如圖9所示。

圖9 全狀態硬件在環仿真轉速與燃油量變化過程

3.2 故障處置能力試驗

在硬件在環試驗中，模型上位機界面中設置了故障注入窗口（如圖10所示），快速原型控制器會自動處置，發出警告信號或停車指令。燃氣輪機發電機組模型上位機中設置了7種典型的故障注入，分別是超轉故障、熄火故障、振動故障、燃料壓力故障、滑油壓力故障、滑油溫度故障和軸承溫度故障，其中超轉故障和熄火故障采用一鍵注入形式，其余5類故障采用滾動條調節相關參數數值。

通過硬件在環試驗，快速原型控制器能夠快速準確識別不同種類的故障，同時也能快速處置故障。在模型上位機注入的非嚴重故障時，控制系統監控軟件會發出相應故障的警告提示；在模型上位機中注入致命性故障時，快速原型控制器立刻發出緊急停車指令，停止供油。

圖10 模型上位機的故障注入窗口

4 結束語

本文針對微型燃氣輪機發電機組提出了1種基于cRIO的硬件在環仿真方案，該試驗平臺包括快速原型控制器、模型上位機、接口模擬器和控制系統監控軟件。

（1）實現了某微型燃氣輪機發電機組從起動、點火、恒轉速控制以及停車的全狀態控制，快速原型控制器具備全狀態控制功能；

（2）針對注入的7種典型故障，快速原型控制器能快速識別與合理處置，快速原型控制器具備故障識別與故障處置功能；

（3）通過硬件在環試驗的快速原型控制器可以對實際的微型燃氣輪機發電機組進行控制。