淺議燃氣輪機的控制技術

周未艾

摘要：燃氣輪機的控制是保證燃氣輪機可靠性運行的關鍵，為此，本文對燃氣控制技術進行了研究。首先，結合現代控制理論對燃氣輪機控制過程中的一些問題進行了闡述;其次，對于燃氣輪機系統構成進行分析以及工作原理進行分析;最后，對燃氣輪機今后的發展提出了看法。本文分別討論了燃氣輪機的拉制問題，頻域設計方法，開環最優控制和自適應控制等，希望能夠起到借鑒意義。

關鍵詞：燃氣輪機;控制系統;監控檢測

引言

航空工業的發展限制了中國燃氣輪機的發展，它在一段時間內仍然處于停滯狀態。伴隨著對于國內外相關優秀技術的不斷學習，我們燃氣輪機的相關技術取得了很大進步。燃氣輪機所涉及的學科很多，如材料，測量和控制。隨著造船和航空業的快速發展，燃氣輪機技術已然得到改善。

1燃氣輪機的控制問題

作為動力單元，燃氣輪機包括了很多部件，有燃燒室相關部件、壓氣機及渦輪機等。燃氣輪機應用較為廣泛，其被常用于發電、車輛、船舶及航空等領域。燃氣輪機通過使用中間冷卻、多軸、可變幾何及回熱等方式來滿足整體負荷的匹配和相關機械性能的要求。燃氣輪機系統很復雜并且具有相對多的控制變量，燃氣輪機是一個復雜的多變量控制系統。其系統對于不同的工況條件有一定的非線性。

燃氣輪機的控制目標在不同的應用中是不同的，民用的重點是低油耗，而軍用的重點是加速，但壓縮機喘振會對軍用燃氣輪機產生過熱影響，而在其運行期間渦輪葉片也會對其產生過熱影響。此時就需要控制器，控制器就是要在各種約束條件下使其達到正常運行的規格，對于控制器的設計，通常采用現代頻域法，另外，還分別應用了開環最優控制和自適應控制。本文將對此進行討論并簡要描述與控制系統設計密切相關的建模、預測和檢測問題。

2開環最優及自適應控制

如今，開環最優控制和自適應控制都應用在燃氣輪機系統中。就以下狀態來說，可以將其描述成為開環最優控制，假設其系統有：

狀態方程：X=f（x，μ，t）;

初始條件：X|=x

末端條件：h（x）=0;

約束條件：g（x，μ，t）≥U;

性能指標：J=k（x，T）+∫L（x，μ，t）dt

開環最優控制解決了μ，因此可以在控制變量、狀態變量、結束條件等的約束下優化其性能指標。然而，這樣卻使得動態優化的解決變得困難重重。所以，在實際的現實應用中，需要根據具體情況選擇最佳算法，再適當的簡化其系統的數學模型。

在討論關于最小燃料控制在燃氣輪機運行中的問題時，過渡過程中，燃氣輪機的渦輪葉片過熱問題及壓縮機喘振問題會限制Weiner-Ashret。離散非線性微分方程是解決首選方案，它使用每個節點作為一個獨立變量來通過靜態優化來解決問題。在過渡過程控制中作為開環的最優控制，由于它充分的考慮了非線性影響，比線性化方程設計的閉環恒定反饋增益系統更好。當然，它和閉環控制的區別之處在于它僅對單個初始和結束條件有效。事實上，燃氣輪機加速過程的啟動和停止條件是隨機的。因此，為了進一步應用開環最優控制，我們認為應該以其初始條件和控制量的相似于參數的形式來引入控制規律。除此，所選擇性能指標函數應小于結束條件和初始相關性。

如上所述，燃氣輪機的數學模型在不同的工作條件和外部條件下會有不同的變化。在燃氣輪機控制系統的設計中，要使得控制系統的自適應能力滿足其自身運行的各種條件，人們大膽使用了自校正控制和模型參考控制。模型參考控制的重點是在系統的確定性等效線性控制器中直接添加自適應控制。通過調整控制器的一個或多個參數，從而使閉環系統的有效響應接近了最為理想的目標。

在線執行系統參數預測和最佳控制參數計算的能力是自校正控制的特征。由于可以在線直接完成計算，因此它是幾乎能夠很好的適應任何情況的。自校正控制在燃氣輪機系統中已有較為深入的研究，當然其與實際應用依然存在著一定的距離。

3燃氣輪機的發展趨勢

3.1燃氣輪機有更復雜的復合系統

為能夠有效提高燃氣輪機在可變工作條件下的熱效率及機械性能，在其裝置上增加渦輪機可調節噴嘴等，這樣其控制對象也就變得更加的復雜。其動力系統的應用包括：聯合煉油廠燃氣聯合循環系統、燃氣-蒸汽聯合循環系統、燃氣輪機與柴油機超高壓復合系統、燃氣機在化學催化裂化能量回收系統等等。必須要與系統有絕佳的配合，燃氣輪機的控制才能很好的滿足其自身運行的要求。

3.2多變量聯合控制系統發展

在出現計算機控制后，最優控制變成了可實現的現實，然而也還是有一些問題存在：第一個問題，要是在復雜系統狀態下設計的，其也會有非常復雜的反饋控制系統，需要更多可變組件，這樣就降低了可靠性。要解決這個問題，一是通過簡化系統模型并通過采用部分狀態反饋的形式;二則是通過提高控制器的適應性來解決。從理論上來說，自適應控制系統是能夠很好的解決掉這些問題的，只是在實際應用中仍存在一些困難。

3.3燃氣輪機建模仿真趨智能化

燃氣輪機的控制系統雖然相對復雜，但它始終也只是不同的典型熱元件的組合而已。如今，對于典型熱元件的建模早已不再有任何問題，如果要大大簡化系統建模過程，則可以使用計算機來實現組件之間的組合和連接。但是，還存在一些問題：首先，某些結構類型的連接存在一些困難;其次的問題則是，因在后續的程序處理中存在一些難題，這就對機械的高智能性產生了很大負面影響。不久的未來可以通過對使用模擬語言的討論，并模擬框圖和微分方程，用微分方程描述子組件，并使用框圖來制作典型熱組件的不同組合。

4結語

綜上所述，本文針對燃氣輪機中的控制系統進行了研究。且由于計算機技術的迅速發展以及在控制系統中得到廣泛應用，近年來在燃氣輪機系統的全面控制方面實現了很大突破，這卓有成效的降低了生產及使用成本，更有效的提高了機械的整體性能。我國為了使控制系統更加完善也將對系統的控制、檢測實現一體化。總的來說，用計算機實現燃氣輪機的控制是一個發展的方向。

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（作者單位：南京汽輪電機（集團）有限責任公司南京燃汽輪機研究所）