控制一个过程的最少一个变量的控制系统及其应用

摘要

在用于控制一个过程中最少一个变量(TITm)的控制系统上,这最少一个变量(TITm)是由所测得的多个过程参数(TATm,pcm)计算出的,在此所测得的过程参数(TATm,pcm)各自经所属测量段(18,19)测量,它们的传递函数(G2(s),G1(s))有不同的时间特性。对这样一个控制系统,特别是对于各瞬态过程,可以这样来实现改善,为了避免不稳定性,设置若干校正单元(21),它们均衡各单个测量段(18,19)不同的时间特性。

说明书

本发明涉及控制技术领域。发明关系到控制一个过程的最少一个变量的控制系统，这最少一个变量是由所测得的多个过程参数计算出的，在此这些测得的过程参数各自是经其传递函数具有不同时间特性的所属测量段上测量的。

在控制和监控燃气涡轮机(GTs)时需要诸如压力、温度和质量流等许多热力学变量的信息。然而在此有一些重要的过程变量不能以足够的精度和合理的成本来直接测量。因而这些过程变量必须根据辅助测量和将辅助测量与所需过程变量联结的已知关系(基于物理定律和试验数据)来决定。

这类间接决定过程变量的一个典型例子是燃气涡轮机的涡轮机进气口温度(Turbine Inlet Temperatur TIT)。涡轮机进气口的条件不允许在该处经济地进行温度测量。这里局部温度过高，造成使用寿命很短，故障率高。因此避免直接测量TIT。代替的方法是，涡轮机进气口温度由两个相对容易测量的(较低的)涡轮机出气口温度(TAT)和压缩机出口压力(p_c)计算得到。一个对燃气涡轮机的TIT与所属测量段的典型控制回路示于图1中。燃气涡轮机10包括一个压缩机12，一个燃烧器13和一个随后的涡轮机14。接在压缩机前面的是可调导向叶片11。温度控制器15按照预先给定的额定值(TIT_c)控制涡轮机进气口温度TIT。温度控制器15是这样来影响燃气涡轮机10过程的，温度控制器15通过一个第一个控制导线16调节进气导向叶片11，并以此控制燃烧用空气，并通过一个第二个控制导线17调定通向燃烧器13的燃料物质流。经一个第一个测量段18(传递函数G₁(s))测量涡轮机出气口温度TAT，并经一个第二个测量段19(传递函数G₂(s))测量压缩机出口压力p_c，所测得的值p_c和TAT_m接着传到计算单元20。计算单元20借助于P_c，TAT和TIT之间的公式化关系，从此计算涡轮机进气口温度(间接)测量值TIT_m，并将其送回到温度控制器15以便与额定值TIT_c比较。

对于在计算单元20中应用的公式化的关系式，可作下述通用的表达：当y代表不能直接测量的过程变量，而X=x₁，x₂…数组为可测量出的过程变量(辅助变量)，由这些过程变量可以计算出y来时，则在最简单的情况下这些变量之间有一个如下形式的代数表达式：

y=f(x)           (1．1)

对于涡轮机进气口温度TIT，这一代数表达式有所谓的TIT-式的形式其基本形式是：

TIT=f(TAT，p_c)   (1．2)

实际上本公式包含对环境条件和一些其它变量的外加依赖关系，而这在目前的讨论中作为常数处理且因此不明显给出。

公式(1．1)的计算基于各测量值X_m=x_1m，x_2m，…并得出一个y_m值，这个值的大小为：

y_m=f(x_1m，x_2m，…)(1．3)

并被称为y的伪测量，因为其不能直接测量出，而是由辅助测量值x_m计算出的。

这里以涡轮机进气口温度TIT的伪测量TIT_m作为例子，按TIT-式(1．2)，其由下式表达：

TIT_m=f(TAT_m，p_cm)  (1．4)

式中TAT_m和p_cm分别表示TAT和p_c的相应测量。

伪测量y_m的精确度是由测量误差

e_y=y_m-y            (1．5)决定的。这一测量误差依赖于测量值x_m的精确度。为了得到y_m的可接受的精确度，对于关系式(1．3)通常要在燃气涡轮机10的各个不同的静态工作点上进行标定。不幸的是，即使一个完善的静态标定无法防止，在将伪测量y_m用于(如图1所示的)动态控制回路时，在各瞬态过程时产生低劣的控制质量。正是在这种涡轮机进气口温度TIT的控制或监控情况下由此会危害涡轮机，因为一个热过载会出现。

这一问题的主要原因可以从各测量段(图1中的18，19)的不同动态特性中找出。这些动态特性是与辅助变量(图1中的TAT，p_c)相关联的。在TIT-式(1．2)情况下，通常用于测量涡轮机出口温度TAT的热偶动态特性是远小于用于测量压缩机出口压力之压力传感器的动态特性。其结果导致测量值TAT_m和p_cm不同步，按公式(1．4)的伪测量TIT的瞬态值会偏离按公式(1．2)的实际关系相当远，即使静态精度是高的情况也如此(对此见作为例子的图2中所作描述，由此可知，作为不同步测量TAT_m和p_cm的后果。据此计算出的伪测量TIT_m与实际值TIT有显著的相位差(用圆圈括起的))。

很明显这里在涡轮机例子上讨论的伪测量问题，也会出现在其它的测量、过程和过程控制中，并可能导致负面效应。

本发明的任务在于建立一个控制系统，该控制系统中所采用测量段的各种不同的动态特性或时间特性对控制的稳定性和精度不论是在静态过程还是在瞬态过程，实际上不产生负面效应。

对本文开始所提到的那类控制系统此任务是通过设置用于避免不稳定性的校正手段来解决的。该校正手段平衡各单个测量段的不同时间特性。本发明的核心也在于，对各个单个测量段的不同的时间特性进行这样的校正，使校正后的测量段具有相同的时间特性。

按照本发明，这一控制系统第一个优先选择的结构形式的特征在于，校正手段包含一个或多个校正单元，这些校正单元安置在测量段后面来校正各单个测量段的时间特性。由此这样有目的地对每个单个测量段的时间特性来校正，使得用于计算控制参数的所有测量值实际上能同步齐备。

这一校正最好这样来实施，每一个校正单元表明一个传递函数，其与所属测量段的传递函数一起形成一个总传递函数，这个总传递函数对所有要测量的过程参数来说，至少是近似相同的。

根据本发明，一个这样的控制系统还要用于控制燃气涡轮机的涡轮机进气口温度。燃气涡轮机包括一个压缩机、一个燃烧器和一个后续的涡轮机。校正是特别简单的，如果按照一个优先择取的实施结构，由一个经第一个测量段测得的涡轮机出气口温度和一个经第二个测量段测得的压缩机出口处的压力来计算涡轮机进气口温度，如果这里校正手段包括一个校正单元，这个校正单元是安装在第二个测量段后的，如果第一个测量段具有一个第一个传递函数，第二个测量段具有一个第二个传递函数，校正单元具有一个第三个传递函数，此第三个传递函数作为第一个和第二个传递函数的商给出。

从有关的从属权利要求中得出其它的实施结构。

以下借助实施例与结合附图来详细阐述本发明。

所示的：

图1为控制一个燃气涡轮机的涡轮机进气口温度的无校正控制系统示意构造图。

图2为在一个按图1所示无校正控制系统中，计算涡轮机进气口温度TIT_m时可能产生的相位差。

图3为可与图2做比较的，在经本发明控制系统修正后计算的涡轮机进气口温度TIT_m。

图4为按本发明优先择取的实施结构的，一个具有低通特性校正单元的传递特性(衰减和相位移作为频率的函数)。

图5为具有高通特性校正单元的传递特性(衰减和相位移作为频率的函数)，正如它原则上在本发明范围内也可用于测量段的同步化。

图6为按本发明优先择取的实施结构的、基于图1的具有一个校正的控制方框图。

本发明的核心是采用一种方法(在这里所述的燃气涡轮机10的具体情况下)，该方法在用TIT-式(1．4)计算伪测量，以得到伪测量值TITm高的动态精确度之前，使测量TAT_m和p_cm同步化所阐述的解决原理却是原则上可应用于所有由公式(1．1)形式得来的伪测量值。

为了说明按本发明解决这类问题的方法，假定在TIT式中函数f是线性的，即

TIT=aTAT+bp_c+c    (2．1)

式中a，b，c为常数，可以确信，进一步导出的结论和获得的结果是适用于任何关于TIT-式和按(1．1)的伪测量值的可线性化的代数形式。

属于方程(2．1)的伪测值是

TIT_m=aTAT_m+bp_cm+c    (2．2)

测量值TAT_m和p_cm或所属测量段(图1中的18，19)的动态性能可以通过两个线性传递函数G₁(s)和G₂(s)充分精确的逼近。因此有：

TAT_m=G₁(s)TAT        (2．3)

和

p_cm=G₂(s)p_c         (2．4)

式中s为拉普拉斯算子。对于控制涡轮机10的具体情况，传递函数G₁(s)和G₂(s)可通过1阶滤波函数近似。 $>>>G>1>>>(>s>)>>=>>1>>s>>T>1>>+>1>>>>>(>2>.>5>)>>>s>$

和 $>>>G>2>>>(>s>)>>=>>1>>s>>T>2>>+>1>>>>(>2>.>6>)>>>s>$

式中T₁和T₂是每个测量段19或18的主导时间常数。对于后续分析，G₂(s)将作为G₁(s)和一个比例系数R(s)的乘积给出。

G₂(s)=R(s)G₁(s)              (2．7)

其中 $>>R>>(>s>)>>=>>>>G>2>>>(>s>)>>>>>G>1>>>(>s>)>>>>>(>2>.>8>)>>>s>$

传递函数R(s)描述了压力测量值和温度测量值或所属各测量段的动态特性。将方程(2．3)～(2．8)代入到(2．2)中则得：

TIT_m=G₁(s)(aTAT+bR(s)_pc+c)    (2．9)

由方程(2．8)和(2．9)可以得出下面的结论：

(1)当TAT和pc测量段的时间常数T₁和T₂是一致时，两个测量是同步的。在这种情况下，TIT的伪测值为

TIT_m=G₁(s)(aTAT+bp_c+c)=G₁(s)TIT    (2．10)

也就是说，该结果是与一个具有动态特性G₁(s)的直接TIT测量等值的。这正是所希望的特性，因为在这种情况下TIT-式不仅静态地而且还动态地正确反映测量，(对此参见图3，由此可知，对于在两个测量段中的相同的时间常数时，在实际值TIT和伪测量值TIT_m之间存在一个纯1阶的滞后)。虽然这一结果严格地说仅适于线性TIT-式，但依然可以应用到围绕某一确定的工作点的非线性(可线性化的)伪测量值。

(2)当时间常数T₁和T₂不同时，测量TAT和p_c是不同步的。这种情况下R(s)≠1，并且TIT_m的动态响应会(像图2所显示的那样)在快速瞬变状态下与所期望的特性完全不同。因而在TIT-控制回路中会遇到不稳定性，人们不得不降低燃气涡轮机控制的带宽，以避免这种快速瞬变状态。而这却又削弱了涡轮机快速负荷变换能力或频率控制模式的工作功能。

(3)由于以测量段为基础的物理和技术过程不同，时间常数T₁和T₂在差不多所有情况下均不一致。因而测量的同步化必须通过一个合适的信号处理来实现，以使燃气涡轮机的控制(以及其它的控制系统)在瞬态过程仍能令人满意地工作。

现在本发明的方法负责安排，为了同步测量TAT_m和p_cm，尽可能地平衡所属测量段的各时间常数。为此假设适用：

T₁＞T₂    (3．1)

对这些测量的典型值是T₁=8s和T₂=2s．基于本发明的想法现在则是，令对燃气涡轮机控制极其重要的频率范围使

R(s)=1    (3．2)

其办法是对现有的TAT_m和／或p_cm测量值相应地进行后续处理。

对于这样一种情况从式(2．7)引出，测量p_c的测量段19必须这样改变，以使得其时间常数取值T₁。这可采用简单方法如此来实现，使各值P_CM受一个带超前、滞后滤波器的滤波过程支配，其传递传递函数以及滤波函数为 $>>>G>3>>=>>>>G>1>>>(>S>)>>>>>G>2>>>(>S>)>>>>=>>>s>>T>2>>+>1>>>s>>T>1>>+>1>>>>(>3>.>3>)>>>s>$

由此，校正了的压力测量值为 $>>>P>>cm>3>>>=>>G>3>>>P>cm>>>(>3>.>4>)>>>s>$

以此方法动态校正的满足公式(2．10)的TIT-式为

TIT_m=aTAT_m+bP_cm3+c    (3．5)

补偿滤波器G₃(s)是一个低通滤波器(见图4中的滤波特性)，并且因此抑制了可能由前导元(1+sT2)产生的测量噪声通过校正，使p_c-测量段的动态特性直接与TAT-测量段的动态特性均衡。

然而，理论上也可以这样想，反过来改善(加速)TAT-测量的动态特性，并由此来与p_c-测量的动态特性均衡。代替p_cm的是，可按照下述规则来校正或补偿TAT_m。

TAT_m4=G₄(s)TAT_m      (3．6)

式中 $>>>G>4>>>(>s>)>>=>>>>G>2>>>(>s>)>>>>>G>1>>>(>s>)>>>>=>>>s>>T>1>>+>1>>>s>>T>2>>+>1>>>>s>$

这样校正了的TIT-式为：

TIT_m=aTAT_m4+bp_cm+c=G₂(s)TIT    (3．7)

这样处理的优点在于，在这种情况下，TIT伪测量的动态特性是较大的，因为T₁＞T₂。但另一方面，补偿滤波器G₄(s)是一个高通滤波器，(见图5中的滤波特性)，并且因此对于高频测量噪声是敏感的。这一缺点一般来说是与按式(3．7)的TIT-式的应用相对立的。

图6中再次示出与图1可比的燃气涡轮机的，以及按公式(3．4)(p_cm-校正)的校正情况的校正或补偿控制回路。在压力p_c的测量段19之后连接一个具有传递函数G₃(s)的校正单元21，该校正单元按公式(3．4)校正p_cm值并由此导致时间常数T₁和T₂均衡的，和由此导致两个测量段的同步。

从上述解释的燃气涡轮机控制的具体实例出发，本发明的以其一般形式的校正过程可表达如下。

根据关系式 $>>y>=>>\sum >i>>>a>i>>>x>i>>>(>4>.>1>)>>>s>$

和伪测量的所属静态方程 $>>>y>m>>=>>\sum >i>>>a>i>>>x>ml>>>(>4>.>2>)>>>s>$

以及各单个测量段的动态特性： $>>>x>ml>>=>>G>i>>>(>s>)>>>x>i>>>(>4>.>3>)>>>s>$

并且y_m的期望合成动态特性G_y(s)，也就是

y_m=G_y(s)y    (4．4)

这一动态值可由对伪测量采用下述方程来实现 $>>>y>m>>=>>\sum >i>>>a>i>>>G>ml>>>(>s>)>>>x>ml>>>(>4>.>5>)>>>s>$

式中 $>>>G>ml>>>(>s>)>>=>>>>G>y>>>(>s>)>>>>>G>i>>>(>s>)>>>>>(>4>.>6>)>>>s>$

仅有当传递函数G_y(s)是稳定的，且传递函数G_i(s)有一个最小的相位移时，校正单元G_mi在此才是稳定的。这在实际上并没有什么困难，因为差不多所有的测量段设计有这样的特性。

符号表

10  燃气涡轮机(GT)

11  进气导向叶片(可调节的)

12  压缩机

13  燃烧器

14  涡轮机

15  温度调节器

16，17控制导线

18  测量段(涡轮机出气口温度TAT)

19  测量段(压缩机出口处压力)

20  计算单元

21  校正单元