（轮机工程专业论文）燃气轮机化学回热实验台双燃料控制系统研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nc o n t r o lo fd u a l f u e ls y s t e mo f c h e m i c a l l yr e c u p e r a t e dg a s t u r b i n e t e s t b e d c a n d i d a t e ：w a n g t a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i a l o n gy a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m a r i n ee n g i n ee n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r 2 0 0 9 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 卜 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：立均 日期：) d c , 年i ；月罗日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 五在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：土两 日期：一咖年多月, v h 导师( 签字) ： 裼蚴 c 芝pf d 年弓只秽日 俨0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 燃气轮机化学回热循环是一种既能提升效率又能降低排放的先进循环。 双燃料系统是化学回热燃气轮机的关键组成部分，对其控制要求主要是保证 燃烧室出口温度稳定在设定值，无论是燃烧燃油、混合气，还是进行油气切 换，都要尽量保证燃烧室出口温度稳定在设定值，而且不能超过设定值。 本文对实验台双燃料系统的主要部件进行了数学建模，分析了一定温度 和压力下柴油的裂解重整反应，计算了不同裂解率下的混合气热值，设计了 燃烧燃油和混合气的控制系统。通过控制仿真表明，使用p i d 串级控制的效 果好于使用单回路p i d 控制，在保证燃烧室出口温度不超过温度设定值的前 提下，串级p i d 控制的调整时间比单回路p i d 缩短了4 2 9 。 化学回热实验台的双燃料系统与普通的双燃料系统有所不同。系统在燃 烧混合气时，要使燃烧室出口温度保持不变，供给化学回热器的燃油流量在 一定的边界范围内缓慢波动。在实验台条件下，维持燃烧室出口设定温度 1 2 5 0 c 时，供给化学回热器的燃油量在下限0 1 4 0 k g s 和上限0 1 7 4 k g s 之间 进行缓慢波动。 燃料切换是双燃料系统控制的关键，切换时容易出现转速、功率、温度 等量的大幅波动。对于燃气轮机而言，燃烧室出口温度是一个重要的指标， 在运行工程中是不允许出现大幅波动的。为此，本文在详细分析燃料切换过 程的基础上，采用分段逼近的方法，很好的解决了这一问题。通过控制仿真 表明，采用分段逼近控制在响应时间基本没有变化的情况下，燃烧室出口温 度没有超温。 在确定了双燃料系统的燃烧控制和切换控制策略基础上，本文设计了基 于西门子p l c 的软硬件系统和基于w i n c c 的良好人机界面，便于参数设置和 控制。 关键词：燃气轮机化学回热循环；双燃料切换；燃烧控制；可编程逻辑控制器。 钿i s t a ya tt h es e tv a l u eo ft e m p e r a t u r ei st h ep r i m a r yc o n t r o lr e q u i r e m e n to fs u c h s y s t e m t h ec o m b u s t o ro u t l e tt e m p e r a t u r ei sn o ta l l o w e do v e r h e a tn om a t t e ri t i s i nt h ec o u i s eo fb u r n i n gf u e l ，m i x i n gg a s ，o rs w i t c h i n gf u e l s i nt h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em a i np a r t so fd u a l f u e ls y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ed i e s e lc r a c k i n gr e a c t i o nu n d e rc e r t a i nt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ei sa n a l y z e d b e s i d e s ，t h em i x t u r ec a l o r i f i cv a l u eu n d e rd i f f e r e n tc r a c k i n g r a t ei sc a l c u l a t e d ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e m 谢t 1 1b u r n i n gf u e la n dt h em i x t u r eg a si s a l s od e s i g n e d t h ec o n t r o ls i m u l a t i o ns h o w st h a tc a s c a d ep i dc o n t r o li sb e t t e r t h a ns i n g l e l o o pp i dc o n t r o l ，a n dt h ec a s c a d ep i dc o n t r o l sa d j u s t i n gt i m ei s 4 2 9 s h o r t e nt h a ns i n g l e - l o o pp i dc o n t r o l su n d e rc e r t a i nc o m b u s t o ro u t l e t t e m p e r a t u r e t h e c o m b u s t i o nm i x t u r ec o n t r o li sd i f f e r e n tf r o mt h eo r d i n a r yd u a l - f u e l s y s t e m i no r d e rt om a k et h ec o m b u s t o ro u t l e tt e m p e r a t u r ei n v a r i a b l e ，t h ef u e l f l o wo fc h e m i c a lr e g e n e r a t o rs h o u l df l u c t u a t ew i t h i nc e r t a i nb o r d e r si nas y s t e m w h i c hb u r n sg a s e o u sf u e l s f o re x a m p l e ，w h e nt h es e t t i n gc o m b u s t o ro u t l e t t e m p e r a t u r ei s12 5 0 c ，t h ef u e lf l o wo fc h e m i c a lr e g e n e r a t o rf l u c t u a t e sb e t w e e n o 17 4 k g sa n d0 14 0 k g s d u a l f u e le x c h a n g ei st h ek e yt oad u a lf u e ls y s t e mc o n t r o lf o rt h ef a c tt h a t t h e r eo f t e na p p e a rf l u c t u a t i o n so fs p e e d ，p o w e ra n dt e m p e r a t u r ed u r i n gt h ec o u r s e o fd u a lf u e le x c h a n g e t h ec o m b u s t o ro u t l e tt e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n ti n d e xo f g a st u r b i n e ，a n dt h es h a r pf l u c t u a t i o ni sn o ta l l o w e di nar u n n i n gp r o je c t s oo nt h e b a s i so ft h ed e t a i l e da n a l y s i so ff u e le x c h a n g e ，s u b s e c t i o na p p r o x i m a t i n gm e t h o d s 加1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i sa d o p t e d 觞ag o o dw a yt os o l v es u c hap r o b l e m t h ec o n t r o ls i m u l a t i o ns h o w s t h a ti ti sn o to v e r t e m p e r a t u r e 、析t hs u b s e c t i o na p p r o x i m a t i n gm e t h o d sw h i l en o b a s i c a l l yc h a n g ei nr e s p o n s et i m e o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gc o n t r o ls t r m e g yo fd u a l - f u e ls y s t e ma n de x c h a n g e ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew i t hs i e m e n sp l ca r ed e s i g n e d ，a n dh m i 晰t l lc o n v e n i e n t p a r a m e t e rs e t t i n g sa n dc o n t r o li sb u i l t k e yw o r d s ：c h e m i c a lr e c y c l eo fg a st u r b i n e ( c r g t ) ；d u a l f u e le x c h a n g e ；b u r n i n g c o n t r o l ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) “1 角 i 第1 章绪论”1 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 燃气轮机控制技术在国内外的发展及趋势2 1 2 2 双燃料控制系统燃料切换的研究8 1 3 论文主要研究内容11 第2 章双燃料系统燃烧控制建模1 2 2 1 燃气轮机化学回热实验台和双燃料系统1 2 2 2 实验台双燃料系统数学模型1 3 2 2 1 燃烧室数学模型一1 4 2 2 2 变频泵数学模型”1 6 2 2 3 计量泵数学模型“1 7 2 2 4 热电偶数学模型l8 2 2 5 化学回热器数学模型”1 9 2 3 柴油裂解重整的热值计算2 0 2 4 实验台双燃料系统控制策略2 2 2 5 控制算法2 4 2 5 1 单回路数字p i d 控制算法实现2 4 2 5 2 串级控制算法实现”2 6 2 6 燃烧燃油控制2 8 2 7 燃烧混合气控制2 9 2 8 本章小结3 0 第3 章双燃料系统切换控制建模3 1 3 1 双燃料切换的要求31 3 2 双燃料切换控制模型3 2 h 一 - 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 目录 第1 章绪论一1 1 1 研究目的和意义”1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 燃气轮机控制技术在国内外的发展及趋势2 1 2 2 双燃料控制系统燃料切换的研究8 1 3 论文主要研究内容1l 第2 章双燃料系统燃烧控制建模1 2 2 1 燃气轮机化学回热实验台和双燃料系统1 2 2 2 实验台双燃料系统数学模型1 3 2 2 1 燃烧室数学模型“1 4 2 2 2 变频泵数学模型”1 6 2 2 3 计量泵数学模型一1 7 2 2 4 热电偶数学模型“l8 2 2 5 化学回热器数学模型1 9 2 3 柴油裂解重整的热值计算2 0 2 4 实验台双燃料系统控制策略2 2 2 5 控制算法2 4 2 5 1 单回路数字p i d 控制算法实现2 4 2 5 2 串级控制算法实现2 6 2 6 燃烧燃油控制2 8 2 7 燃烧混合气控制2 9 2 8 本章小结3 0 第3 章双燃料系统切换控制建模31 3 1 双燃料切换的要求3 1 3 2 双燃料切换控制模型3 2 “ 3 2 3 3 3 4 3 4 3 5 3 5 3 4 实验台双燃料油气切换方案3 7 3 5 基于单神经元自适应p i d 的切换过程优化控制3 8 3 5 1 单神经元模型一3 8 3 5 。2 单神经元的学习规则3 9 3 5 3 单神经元自适应p i d 控制算法实现4 0 3 5 4 单神经元自适应p i d 控制器的参数整定4 2 3 6 本章小结4 2 第4 章双燃料系统控制仿真和结果分析4 3 4 1 燃烧燃油的控制仿真及结果分析4 3 4 1 1 燃烧燃油的控制仿真模型4 3 4 1 2 燃烧燃油的控制仿真和结果分析4 4 4 2 燃烧混合气的控制仿真及结果分析4 6 4 2 1 燃烧混合气的控制仿真模型4 6 4 2 2 燃烧混合气的控制仿真和结果分析4 7 4 3 油气切换过程仿真及结果分析4 7 4 3 1 油气切换过程控制仿真模型4 7 4 3 2 油气切换过程控制仿真和结果分析5 0 4 4 本章小结5 4 第5 章基于p l c 和w i n c c 的双燃料控制实现：5 6 5 1 双燃料系统p l c 硬件组态5 6 5 2 双燃料系统p l c 软件编程5 8 龟 5 3 2 实验台的网络通信6 5 5 4 基于w i n e c 的双燃料系统监测和控制6 5 5 5 本章小结6 7 结论6 8 参考文献7 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 7 致谢7 8 附录一7 9 附录a ：等离子点火控制关键程序一7 9 附录b ：油路启动、稳态燃烧和停机控制关键程序8 1 附录c ：油气切换控制关键程序8 5 加 q 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究目的和意义 传统提高燃气轮机效率的重要途径之一是依靠耐热材料和冷却技术来不 断提高燃气初温【t 】。过去靠改善材料和冷却技术，燃气初温有了大幅提升，燃 气轮机的效率也得到相应提高。但是人们发现完全依靠这种途径却很难再取 得大的突破。于是，人们提出了许多热力循环方面的改进措施，燃气轮机化 学回热循环就是其中的一种。 化学回热循环是利用燃料和水蒸汽( 通过烟气热量加热水) 在化学回热 器中催化裂解产生混合气，作为燃料参与燃烧，节省燃料、提高效率。采用 化学回热循环，进入燃烧室的水蒸汽会降低燃烧区的温度，从而减少n o x 生 成。有些研究者报道该循环的热效率可以达到4 8 以上，n o x 的排放量降到 1 0 p p m 以下【：】【3 】【4 】。因此，燃气轮机化学回热循环是一种先进循环，是能够既 提升效率又降低排放的循环。美国、日本、德国、瑞士、乌克兰等西方国家 很重视研究这一循环，美国还把这种循环列入“a g t ( 先进燃气轮机) ”发展 计划。 燃气轮机化学回热循环决定了其燃料系统必然是双燃料系统。从以往的 双燃料发动机来看，燃料切换控制是燃料系统控制的重点和难点。目前应用 较多的双燃料发动机多是柴油机，一般是在原有燃料系统基础上，又附加了 一套燃气系统，两套系统协调控制，实现发动机燃烧和切换过程。柴油机的 燃料控制系统又分为机械式和电控式。燃气轮机采用双燃料系统的不多，且 气态燃料多为组份固定的气体，如天燃气等。 就双燃料控制系统而言，燃气轮机和柴油机是有区别的。这种区别不仅 是控制系统结构上的不同，而且切换时对发动机的工况要求也是不一样的。 因此，柴油机的双燃料控制系统技术对燃气轮机的借鉴作用有限。而国内外 采用双燃料系统的燃气轮机比较少，双燃料控制方面的资料不多，特别是采 用化学回热循环的双燃料控制系统，不但系统控制复杂，而且没有现成的可 哈尔滨下程大学硕士学何论文 供参考的技术资料。 在我国，化学回热循环研究还处于初步阶段，开展试验研究的单位不多。 哈尔滨工程大学建立了燃气轮机化学回热实验台，开展了这方面的研究，取 得了一定成果。双燃料系统是化学回热循环燃气轮机的重要组成部分，其控 制性能的好坏直接决定了燃气轮机装置安全和效益。因此，本课题既是对燃 气轮机双燃料控制系统的必要研究，又是对化学回热循环燃气轮机技术的有 益探索。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 燃气轮机控制技术在国内外的发展及趋势 燃气轮机工作过程是很复杂的气动热力过程，它随着工况和环境状态的 变化而变化。要想如此复杂的的系统正常工作，离不开控制系统。燃气轮机 的控制由控制系统、保护系统和程序顺控系统三部分组成。控制部分负责实 现各个工况下燃气轮机的的控制任务，往往涉及参数多，内容多，因而系统 较为复杂，是燃机的主要部分，对燃机起着关键作用。保护系统实现故障监 测、报警和保护。程序顺控系统实现启动和停机，比较繁琐。燃料控制系统 的目的就是保证燃气轮机在不同的条件和工况下都能够安全、可靠、有效的 运行。 随着燃气轮机技术和控制理论的不断发展，燃气轮机的控制技术也在不 断的进步，呈现为由单变量经典控制系统到多变量现代控制系统；由机械式 液压控制系统到数字电子控制系统。 燃气轮机控制早期为液压机械式控制；2 0 世纪5 0 年代，航空发动机应 用以闭环反馈为核心的经典控制理论，设计了转速控制系统，改善了控制系 统的精度和动态特性，提高了发动机的性能，实现了由开环控制到闭环控制 的转变；2 0 世纪7 0 年代，出现模拟式电子控制；2 0 世纪9 0 年代，发展为数 字电子控制系统。目前数字式电子控制的种类很多。如美国w o o d w a r d 公司的n e t c o o n 5 0 0 0 系列燃机控制系统、g es p e e d t r o n i c 的m a r k v 、 2 一 一 i 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 m a r k v i 。国内的燃机数控系统w j 6 ，w j 5 ，w p 6 和w z 5 已应用于工业现场。 燃气轮机的自动控制技术的发展历程完全可以通过g e 公司的燃气轮机 控制技术和控制系统的发展过程来认识。因此，我们列出了g e 公司生产的 s p e e d t r o n i e 从m a r ki 到m a r k v 的产品比较，如表1 1 t 5 】。 表1 1g e 公司的m a r ki 到m a r k v 产品比较 系统类型 m a r kim a r k i im a r k i ii t sm a r k i vm a r k v 首推时间1 9 6 61 9 7 31 9 7 61 9 8 2 1 9 9 l 程序系统继电器分离固态元件1微计算机微计算机 集成电路及 自控系统 分离固态元件1 集成电路微计算机微计算机 微处理器 继电器及固集成电路及 保护系统继电器微计算机微计算机 态元件1微处理器 模拟表盘及继 模拟表盘与数字表盘：固态c r t 及二极 显示方式v g a 彩显 电器报警器元律报警器 管辅助显示 键盘、光标 输入方式 按钮和蓄电池开关膜片开关 定位设备 自动排故的 容错能力手动排除故障的排烟热电偶硬件基础 s i f t 2 排烟热电偶 注：1 用于修饰或说明在固态材料中传送和控制电子的各种电子兀件晶体管、锗二极管和磁芯等均 为固体元件，而真空管、气体放电管和机电继电器则不属于固态元件 2 s i f t ：软件实现的容错。 从表1 1 中我们可以看出，m a r k 系列产品基本上反映了同时期燃机控 制系统的特点，特别是在材料应用和技术方面更是如此。而现在，广泛应用 于燃机控制的m a r kv i 系列，是基于通用的以太网t c p i p 协议，更是代表 了当今燃机控制的潮流和趋势。 就变量而言，二十世纪七、八十年代，燃气轮机控制出现了基于现代控 制理论的多变量控制研究。目前，燃气轮机的控制技术随着控制技术的飞速 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 发展，也呈现出向智能化控制发展的趋势。我们知道传统的控制理论是建立 在严格的数学模型上，以反馈为核心，以比例、积分和微分为工具的。而智 能控制技术不需要严格的数学模型，这对燃气轮机这种存在非线性、滞后大、 时变、随机干扰多而难以建立精确数学模型的控制对象而言，无疑是有益的。 智能控制应用于燃气轮机的理论研究是很多的。我们重点分析如下几种智能 控制系统： ( 1 ) 模糊控制。模糊控制是建立在模糊数学的基础之上，不依赖控制对 象的精确数学模型，适用非线性系统。 清华大学的刘尚明等，在研究燃气轮机的转速控制时，把转速作为输入 的误差信号e ，加速度作为输入转速的误差变化e ，详细分析了模糊控制器 的知识库、模糊化、模糊推理和解模糊。并应用s i m u l i n k 软件搭建了仿真模 块，进行了仿真。从结果可以看出模糊控制器具有优越的控制性能【6 l 。 南京航空航天大学的薛吉力、丁勇，将模糊控制算法引入燃气轮机控制 中，研究设计了模糊p i d 控制器，引入了模糊控制规则表，重点分析了知识 库和用重心法解模糊。通过仿真和工程验证，媾控制性能优于传统控制方法 川口 从文献 6 、 7 】，我们不难发现模糊控制适用于难以建立精确的数学模型 的系统，而它的缺点就是模糊规则库的建立是凭经验进行的，所以在理论体 系上不够严密。 ( 2 ) 神经网络控制。神经网络是一种不依赖数学模型的自适应函数估计 器。它不关心数学模型，只要给它一个输入，便能得到一个输出。利用传统 的辩识方法，很难对非线性系统进行辩识，而对于神经网络而言却很容易。 它的辩识过程实际上是通过任意逼近和自学能力，直接学习系统输入、输出 值，不断减小误差，归纳输入输出之间的数据关系，从而选择合适的神经网 络模型无限逼近现实系统。所以说神经网络适合解决存在非线形和不确定性 的系统控制问题。 东南大学的潘蕾、杨瑜文、林中达将神经网络鲁棒控制应用到燃气轮机 4 哈尔滨下程大学硕十学位论文 排气温度的控制中，设计的神经网络鲁棒控制器，通过n n 初始权阵的离线 训练、p i 参数的自适应联想等过程，选出了合适的动量因子和学习速率，克 服了经典p i d 参数整定依赖准确数学模型的缺点。经过仿真可以看出神经网 络鲁棒控制器的控制性能明显优于传统p i d 控制【1 1 。 文献【9 】，主要针对燃机控制系统进行了分析研究，解决了p i d 控制参数 整定不理想的问题，设计了基于神经网络的p i d 控制器，深入分析了微型燃 气轮机的神经网络的结构及其算法，发挥了神经网络在非线性系统中的优势， 实现具有最佳组合的p i d 控制，保证了控制性能指标的良好。 从文献 8 】、【9 ，可以发现神经网络控制的不足是控制过程存在训练和学 习的问题，理论上很难严密论证。因此，此法在燃气轮机的控制上，仿真研 究的多，实践应用少。 ( 3 ) 鲁棒控制。鲁棒控制是具有这样一种特性的控制，当某类不确定条 件作用于一反馈控制系统，该系统的稳定性和动态特性能够保持不变的特性。 实际控制中，这种不确定往往是有界的。它很好的解决了现代控制理论系统 设计中需要精确模型而又难以实现的问题。鲁棒控制在航空发动机控制方面 广受重视，已证明对发动机性能和鲁棒性很有效。 文献【1 0 】，c a r i c a 和m o r a r i ，在1 9 8 2 年从模型算法控制和动态矩阵控制 出发，提出算法简单、参数整定好的内模控锘i j ( i m c ) 。文献针对纯滞后电阻炉 温度控制系统，介绍了内模控制方法，重点分析了具有内模结构的p i d 控制 器，设计了内模p i d 鲁棒控制器。通过仿真和结果分析，其控制性能明显优 于传统p i d 控制。 h 控制是鲁棒控制的一种，是鲁棒控制的杰出代表。1 9 8 1 年，加拿大学 者z a m e s 在对目标函数进行优化设计时，引入了h 。范数，标志着如控制理 论的诞生。经过几十年的发展，h 控制理论已经形成一种成熟的理论体系。 h 控制器的设计关键是进行模型转换。 文献 11 ，叙述了鲁棒控制理论的发展及存在的问题，特别是如控制理 论的发展过程和成果，并对其新的发展动向进行了介绍。 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 文献 1 2 】，分析了h 控制的混合灵敏度问题，并针对选择权函数需要进 行反复迭代和大量的演算的问题，介绍了一种能够避免权函数的选择的控制 算法，即以闭环系统传递函数为核心的闭环增益成形控制算法。 文献 1 3 ，专门针对也控制在船舶领域的应用进行分析研究，结果表明 h 。控制在船用控制方面有较好的效果。 从文献u o 1 3 】，我们看到，h 控制能很好的处理系统的非结构性不确 定性，但对于结构不确定性处理能力不足。 ( 4 ) 单神经元自适应p i d 。 东华大学的文科星等人，将单神经元自适应p i d 应用在温度控制中，针 对温度过程的非线性、参数时变性和大滞后的特性，设计了动态性能好，鲁 棒性强的单神经元自适应p i d 控制器，采用a u t o m a t i o nb a s i c 语言在 a u t o m a t i o n s t u d i o 软件平台上编写了程序模块，应用在b & r 公司的p c c 上，实 现了对温度的控制，通过实验验证，说明该控制器对温度控制效果良好m 】。 华中科技大学的陈静、王永骥，把单神经元自适应p i d 应用到温控系统， 在通过实验建立温控系统动态模型的基础上，如图l 所示，分析了神经元模型， 详细介绍了输入输出量，论述了单神经元自适应p i d 控制原理，介绍了设定 和调整参数的规则，提出了逐级递减的b a n g _ _ b a n g 控制设计思想，并把它和 单神经元有效结合设计了控制器，通过仿真实验表明，控制性能良好，基本 上无超调，无振荡，且无稳态误差 1 5 】。 x l ( k ) x 2 ( 1 【) x 3 ( k ) 图1 神经网络模型 文献【1 6 】，解决的是炉温控制问题，针对温控系统的大惯性和纯滞后特 点，采用单神经元自适应p i d 控制器，较好的解决了超调大，响应慢的问题， 6 一 l_。 一阿 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 结果证明，采用单神经元自适应p i d 控制是没有超调的。 文献 1 7 】，应用单神经元自适应p i d 控制器到变频器控制电机调速系统， 仿真结果表明，不论在加速段、等速段、还是减速段，单神经元自适应p i d 控制都具有较好的跟踪效果，其控制性能明显好于常规p i d 控制器。 中国船舶重工集团第7 0 1 研究所的易以锋等人在研究单神经元自适应 p i d 时，如图2 所示，分析了常规p i d 控制算法和单神经元自适应p i d 控制算法， 并通过s i m u l i n k 实现对复杂对象的控制仿真比较，结果表明单神经元自适应 p i d 控制器的性能明显优于常规p i d 控制器，并成功应用于湘钢焦化厂集气管 压力控制中，控制效果良好【l i 】。 图2 单神经元自适应p i d 控制器结构图 文献【1 9 】，建立了神经元数学模型，论述了常规p i d 控制算法与单神经元 自适应p i d 控制算法，论证了单神经元自适应p i d 控制算法的稳定性，给出了 一种控制灵敏度的快速近似求取方法，优化了单神经元自适应p i d 控制算法， 设计了控制器，实现了p i d 参数的在线自学习，通过仿真表明，控制性能良 好。 文献 2 0 ，分析比较了常规p i d 与单神经元自适应p i d 的控制优劣，论述 了单神经元自适应p i d 控制算法实现，进行了控制器的设计，并在s m a r t p r o 系统中，实现了单神经元算法及仿真。最后，把设计的控制器成功应用于制 药厂发酵罐温度控制系统，理论分析及工程实践表明，单神经元自适应控制 7 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 器可明显改善对大纯滞后、大惯性系统的控制品质。 文献 1 4 2 0 1 分析表明，单神经元自适应p i d 对于解决非线性、参数时变 性和大滞后系统的控制效果较好，适合于温度控制系统，特别是它在控制温 度过程中无震荡、超调量小，甚至无超调，符合本课题的要求，对于本课题 的研究具有很大的启发和借鉴作用。 1 2 2 双燃料控制系统燃料切换的研究 双燃料切换控制在柴油机的应用和研究比较多，而在燃气轮机方面则显 得比较少，特别是在国内，相关的文献和理论研究不多。 浙江大学的刘震涛、费少梅，在研究天然气柴油双燃料发动机油气切换 过程控制时，重点解决了双燃料发动机在由纯柴油向双燃料切换的过程转速 出现大幅波动的问题，实现了切换的平稳过度。文中指出，燃料切换要实现 平稳过渡，就要保证切换前后燃料燃烧释放的热量不变。同时可以看出，燃 料切换过程被控制量容易受到影响，采用了神经元自适应p i d 控制，模型的 参数可以在线自调整，并且通过二次型调整神经元的权值。因而采用自适应 p i d 的效果要优于常规p i d 控制【2 l 】。 重庆大学的肖贻鹏、姚加飞等人，在研究双燃料发动机油气切换的优化 控制时，建立了基于变分法的油气切换过程优化控制模型，将实施优化过程 转换为解决拉格朗日极值问题，而且该问题必须同时满足欧拉方程和勒让德 条件。最后，通过燃料供给的仿真和结果分析，说明模型的正确性和有效性 f 2 2 1 0 文献 2 1 】 2 2 】研究的是转速控制和功率控制，其结果也仅限于仿真和实 验，实际情况则有待进一步探讨。 清华大学的童毅等人，在研究电控柴油天燃气双燃料发动机油气切换过 程时，采用的是油气双电控系统，通过单片机收集加速踏板的位置转速等信 号，依靠软件算法计算出执行器的运动增量，从而协调天燃气和柴油的流量， 达到控制的目的。文献分析了油气切换转速出现波动的原因，提出了柴油量 哈尔滨下程大学硕士学位论文 一阶滤波和天燃气线性增长的方法，通过软件设定滤波系数和增长斜率来控 制切换实现。在此基础上，对切换过程进行了优化，调整了控制策略。具体 是柴油机延迟滤波减油，天燃气先阶跃一小段时间，再分段线性增长矧。 文献 2 4 】，所述双燃料系统是在保持原有供油系统的基础上，增加了一套 供气装置。作者分析了机械式燃料控制系统和电子式燃料控制系统，燃料系 统运行控制和切换控制采取油泵齿条和天燃气调节阀联动，从而很好的控制 了两种燃料的比例和供给。 文献 2 5 】，建立了油气切换控制模型，并在此基础上进行了优化控制。把 解决切换过程中可能产生的指标大幅波动问题，转换为拉格朗日满足勒让德 条件的极值求取问题。通过仿真可知该优化控制，很好的解决了转速波动的 问题。 文献 2 6 】，介绍了气液燃料伺服系统的组成和原理，建立了伺服系统动力 学模型，分析了燃料切换的工作流程和燃料流量控制算法。该双燃料系统的 燃烧和切换控制主要是通过燃料指令分配器来实现，把所需的燃料总量按一 定的变化速度和比例分配气、液伺服系统，并实现燃料切换。提出了双燃料 切换和燃烧的工况点监视算法，采用d l e 和o p c 协议，开发了基于p l c 和 s i m u l i m k 的仿真系统，进行了双燃料系统控制仿真。 文献 2 7 】，提出了双阶段燃烧控制策略，即负荷低时，全部燃烧柴油，负 荷较高时，主要用天燃气为燃料。这样无论低工况还是高工况排放污染物都 有大幅降低。同时，根据切换前后热量相等的原则建立了静态切换计算模型。 在定转速和定燃料的情况下，得到了切换前后燃料及空气的质量流量变化曲 线，实现了静态平稳切换。 南京燃气轮机研究所的刘瑞同，在文献 2 8 】中，对燃气轮机双燃料系统 的切换与混烧应注意的技术问题进行了提示。如图3 所示，指出燃料切换必 须在主燃料供应的温度和压力满足要求后，方可人工选择进行；指出切换过 程由清吹及燃料填充阶段和实际切换阶段两部分组成。同时提示了气液双燃 料混烧应遵循的一般原则。图示中液体燃料不小于1 0 ，是因为大多数液体 9 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 燃料控制采用的是定量旁通方式，为了防止燃料在泵内循环损坏油泵所做的 限制。而本课题采用的是变频泵控制，不存在此类问题，所以液体燃料比例 可以为0 气体燃料 液体燃料 图3 天然气和轻油的混烧 北方交通大学的宁智、翟洪祥、刘建华，在研究天燃气柴油发动机燃料 控制系统时，指出柴油机的油气切换可在发动机任何工况下进行，且操作简 单，可靠性高，一旦天燃气供气中断，则系统自动转到柴油运转方式，且发 动机的运行不间断。同时，为了节油和改善排放，可在启动前通过调节引燃 油量改变燃油替代率2 9 】。 文献 3 0 指出，双燃料发动机用途不同，对油气转换的要求也不一样，当 用于发电时，转换应在并网后进行，宜采用机电一体化控制。用在汽车上， 要能频繁切换，且调速性能要一致，最好是在操作杆上改装控制装置。目前 来看，没有通用的油气转换装置。 文献【2 3 】 3 0 分析表明，柴油机燃料切换不受工况限制，燃气轮机则不同， 燃料切换有一定的要求。柴油机燃料系统控制现在比较先进的多采用电控系 统，而且切换过程注意油气供给比例，讲求联动。燃气轮机的控制不同与柴 油机，但是柴油机的一些切换控制策略可以借鉴，如文献 2 3 】提出的，柴油 延迟减油，天燃气先阶跃一小段时间，再分段线性增长的切换措施。 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 3 论文主要研究内容 ( 1 ) 确定实验台双燃料系统控制策略；建立双燃料控制系统数学模型； 分析比较不同的控制算法。 ( 2 ) 设计单独燃烧柴油、混合气的控制方案。 ( 3 ) 设计燃料切换控制方案。建立切换过程模型，分析柴油裂解率、管 道延迟和热惯性等因素对切换的影响，设计适当的软件控制算法，保证切换 过程燃烧室出口温度不超过设定值。 ( 4 ) 建立燃烧燃油、混合气和燃料切换的控制仿真模型，进行控制仿 真，对结果进行分析，掌握实验台燃烧和切换过程的供油规律。 ( 5 ) 基于西门子s 3 0 0 p l c 和w i n c c 的实验台双燃料系统控制监测实 现，保证良好的人机界面控制和实验台安全可靠运行。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章双燃料系统燃烧控制建模 2 1 燃气轮机化学回热实验台和双燃料系统 燃气轮机化学回热实验台主要由水系统、空气和燃气系统、空压机系统、 双燃料系统四大部分组成。与一般循环相比而言，燃气轮机化学回热循环主 要是利用烟气热量，先是用温度较高的烟气给柴油裂解提供热量，再用温度 有所降低的烟气加热水，产生柴油裂解所需的水蒸汽。柴油裂解后的产物包 括h 2 、c o 和c 0 2 和气态中间产物 3 1 l 例。这些裂解后的气态燃料不但可以很 方便的与空气进行预混燃烧，而且其中的氢气还能起到强化燃烧的作用，提 高燃机低工况下的燃烧效率 3 5 1 - 3 7 1 。 化学回热实验台工作原理如图2 1 所示，从空气压缩机出来的压缩空气 ( 温度1 2 0 、压力1 1 m p a ) 经过空气预热器后，进入燃烧室参与燃烧。燃 烧室出口烟气大概在1 2 5 0 ，经过喷水冷却器、空气预热器，再进入化学回 热器。经过化学回热器后的烟气通入饱和器，加热常态下的水，随后排入大 气。达到饱和温度的水在闪蒸室中蒸发，水蒸汽喷入化学回热器和柴油进行 裂解重整反应，产生的混合气通入燃烧室进行燃烧。由于没有动力涡轮，为 了模拟涡轮的排气工况，采用了喷水冷却器。 图2 1 化学回热实验台工作过程示意图 双燃料系统是实验台的重要组成部分，主要由燃烧室、化学回热器、变 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 频泵、计量泵、油滤及其它部件组成，如图2 2 所示。为了描述方便，定义 燃油通过变频泵直接进入燃烧室的支路为油路；定义燃油经变频泵进入化学 回热器产生混合气，再进入燃烧室的支路为气路；相应的控制支路，称为油 路控制和气路控制。 系统主要有三路通道：( 1 ) 直接给燃烧室供油通道，用于燃气轮机的启 动、稳态燃烧和其它系统的实验研究。( 2 ) 给化学回热器供油通道，给化学 回热器供油，产生燃烧所需的混合气，进行燃气轮机双燃料切换研究、裂解 气稳态燃烧等研究。( 3 ) 给等离子点火器供油通道，主要用于燃气轮机启动 点火和进行等离子点火器实验研究，测试等离子点火器的性能和可靠