【技术实现步骤摘要】
本申请涉及燃气轮机，尤其是一种基于状态观测器的燃气轮机故障容错控制方法。
技术介绍
1、燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机在运行过程中，高速永磁发电机、高压压气机和动力涡轮同轴旋转，高压压气机将吸入的空气压缩，压缩后的高压空气经过动力涡轮排气进入燃烧室与高压燃气燃烧产生高温高压气体，高温高压气体进入动力涡轮中做功推动叶片高速旋转，进而带动高速永磁发电机转动发电。
2、为了保证燃气轮机的稳定运行，在燃气轮机的运行过程中需要根据用电需求以及通过转速传感器采集到的燃气轮机转速的变化情况来实时调整燃油流量的供给量，从而闭环控制燃气轮机转速，使得燃气轮机稳定发电。但是转速传感器长时间处于高温、油雾、振动等恶劣环境中，潜在故障往往不可避免，转速传感器一旦发生故障，控制系统就无法正确获取燃气轮机的状态，可能导致降工况、紧急停机等灾难性后果。
技术实现思路
1、本申请人针对上述提出的现有燃气轮机控制系统无法在转速传感器发生故障后正确获取燃气轮机的状态并进行控制的技术问题及技术需求，提出了一种基于状态观测器的燃气轮机故障容错控制方法，本申请的技术方案如下：
2、以燃油流量为输入量u(t)、燃气轮机实际转速为状态量x(t)、通过转速传感器测量得到的燃气轮机测量转速为输出量y(t)，基于燃气轮机的气动热力学模型构建得到燃气轮机的系统状态方程，系统状态方程包括故障相关项n(t)，且当转速传
3、基于燃气轮机的系统状态方程设计基础状态观测器用于得到状态量估计值
4、基于基础状态观测器的状态量估计误差定义扩展滑模面s2，并设计滑模趋近律为sgn()为符号函数，k2>0为调节系数。
5、结合燃气轮机的气动热力学模型，确定基于滑模趋近律的容错控制律；
6、以燃气轮机设定转速x1(t)作为状态量x(t)的取值，并按照容错控制律在燃气轮机的转速传感器出现故障时对燃油流量进行容错控制。
7、其进一步的技术方案为，基于基础状态观测器的状态量估计误差定义扩展滑模面s2，包括：
8、基于状态量估计误差e(t)和燃气轮机的系统状态方程设计用于估计扩展状态量的扩展状态观测器；设计扩展滑模面s2＝zl(t)。
9、其进一步的技术方案为，设计扩展状态观测器为：
10、
11、其中，为zl(t)的导数，a、b、c、d为通过气动热力学模型拟合得到的已知适当维数可逆矩阵，n(t)故障相关项，f(x)为已知非线性连续函数，为f(x)的估计值，t为时间量，l为观测器增益，取赫尔维兹稳定阵。
12、其进一步的技术方案为，确定基于滑模趋近律的容错控制律包括：
13、结合扩展滑模面的表达式以及滑模趋近律得到容错控制律为：
14、
15、其中，σ()函数为符号函数或预设函数。
16、其进一步的技术方案为，确定基于滑模趋近律的容错控制律还包括：
17、基于基础状态观测器根据状态量估计值得到输出量估计值以估计故障相关项n(t)得到容错控制律为：
18、
19、其进一步的技术方案为，预设函数σ(s2)的表达式为：
20、
21、其进一步的技术方案为，燃气轮机故障容错控制方法还包括：
22、检测燃气轮机的转速传感器是否出现故障。
23、当确定燃气轮机的转速传感器出现故障时，执行按照容错控制律在燃气轮机的转速传感器出现故障时对燃油流量进行容错控制的步骤。
24、当确定燃气轮机的转速传感器正常运行时，按照基础控制律在燃气轮机的转速传感器正常运行的过程中对燃油流量进行控制。
25、其进一步的技术方案为，燃气轮机故障容错控制方法还包括：
26、设计基础滑模面为其中，为的导数。
27、基于基础滑模面设计得到基础控制律。
28、其进一步的技术方案为，设计得到基础控制律为：
29、u1(t)＝-k1|s1|·sgn(s1)；
30、其中，k1为滑膜自适应调节参数，为k1的导数，β、δ均为正数。
31、其进一步的技术方案为，构建得到的燃气轮机的系统状态方程为：
32、
33、其中，为x(t)的导数，f(x)为已知非线性连续函数，a、b、c、d为通过气动热力学模型拟合得到的已知适当维数可逆矩阵，t为时间量。
34、基于燃气轮机的系统状态方程设计得到的基础滑模观测器为：
35、
36、其中，为的导数，为f(x)的估计值，l为观测器增益，取赫尔维兹稳定阵。
37、本申请的有益技术效果是：
38、本申请的基于状态观测器的燃气轮机故障容错控制方法，以燃油流量为输入量、燃气轮机实际转速为状态量、通过转速传感器测量得到的燃气轮机测量转速为输出量构建燃气轮机的系统状态方程，结合状态观测器设计滑模趋近律，确定容错控制律，以燃气轮机设定转速作为状态量的取值，并按照容错控制律在燃气轮机的转速传感器出现故障时对燃油流量进行容错控制。本申请的故障容错控制方法对外部干扰和转速传感器故障具有较强的鲁棒性，对模型精度的依赖较低且控制不易发散，在转速传感器发生故障后能够正确获取燃气轮机的状态并进行控制。
39、本申请在设计容错控制律时，考虑到燃气轮机实际运行时具有大惯性、强时滞的特点，控制器输出通常难以直接落到滑模面上，而是在滑模面上频繁切换，容易引起系统的抖振。因此设计了预设函数来替代符号函数，从而减小符号函数引起的系统抖振，有效提高了系统稳定性。
40、本申请还对燃气轮机的转速传感器进行故障检测，当确定转速传感器出现故障时，按照容错控制律在燃气轮机的转速传感器出现故障时对燃油流量进行容错控制；当确定转速传感器正常运行时，按照基础控制律在燃气轮机的转速传感器正常运行的过程中对燃油流量进行控制。两种控制律配合使用，可以使得对燃气轮机的控制更加协调，转速传感器在正常运行和出现故障之间转变时，能够快速切换控制方式，保证了较高的响应速度。
41、本申请设计的基于状态观测器的燃气轮机故障容错控制方法与传统pid控制相比，传统pid控制对模型精度的依赖强且转速传感器故障时控制易发散，而本申请则能够快速跟踪实际转速输出，具有响应速度快、控制精度高的控制效果，在转速传感器出现故障时具有更强的鲁棒性和更小的超调量。
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1.一种基于状态观测器的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述燃气轮机故障容错控制方法包括：
2.根据权利要求1所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述基于所述基础状态观测器的状态量估计误差定义扩展滑模面s2，包括：
3.根据权利要求2所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，设计扩展状态观测器为：
4.根据权利要求3所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述确定基于所述滑模趋近律的容错控制律包括：
5.根据权利要求4所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述确定基于所述滑模趋近律的容错控制律还包括：
6.根据权利要求4或5所述的燃气轮机容错控制方法，其特征在于，预设函数σ(s2)的表达式为：
7.根据权利要求1所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述燃气轮机故障容错控制方法还包括：
8.根据权利要求7所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述燃气轮机故障容错控制方法还包括：
9.根据权利要求8所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，设计得到
10.根据权利要求1所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，构建得到的所述燃气轮机的系统状态方程为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于状态观测器的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述燃气轮机故障容错控制方法包括：
2.根据权利要求1所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述基于所述基础状态观测器的状态量估计误差定义扩展滑模面s2，包括：
3.根据权利要求2所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，设计扩展状态观测器为：
4.根据权利要求3所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述确定基于所述滑模趋近律的容错控制律包括：
5.根据权利要求4所述的燃气轮机故障容错控制方法，其特征在于，所述确定基于所述滑模趋近律的容错...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱嵘嘉，严罡，常玉玺，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零三研究所无锡分部，
类型：发明
国别省市：
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