燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究.pdf
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1、第52 卷第3期2023 年0 9 月文章编号:16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 16 9-0 9燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究肖列盛12,李伟12,谭湘敏 2,胡春艳 2,卢新根12 王锐,罗凯凯(1.中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室,北京10 0 190;2.中国科学院大学,北京10 0 190)摘要:为缓解重型燃气轮机双余度导叶执行机构的切换过程给系统造成的冲击,提出了一种基于模糊规则的余度切换控制策略。首先基于双余度导叶执行机构的工作原理,建立了电液位置伺服系统各部件的数学模型,然后以导叶作动筒位移误差和速度作为输入参数,主备伺服回路切换系数作为
2、输出参数,设计了一种二维模糊切换控制器,并针对伺服阀单向卡滞、伺服阀喷嘴堵塞2 种典型故障工况进行了联合仿真分析。结果表明,采用传统阈值切换的方式,各物理量在切换点位置波动明显,而采用模糊切换的控制策略能够有效削弱切换过程对导叶作动筒位移、速度和两腔压力造成的冲击及振荡,从而实现双余度导叶执行机构之间的平稳切换。关键词:重型燃气轮机;导叶执行机构;电液伺服阀;双余度;模糊切换中图分类号:TK472Research on Fuzzy Switch Control Strategy of GuideXIAO Liesheng*-,I Weil-,TAN Xiangmin2,HU Chunyan-2
3、,(1.Key Laboratory of Light-duty Gas Turbine,Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)Abstract:A switch control strategy based on fuzzy rules was proposed to mitigate the impact of switch
4、process ofdual-redundancy guide vane actuator on the system in heavy-duty gas turbine.Firstly,the mathematical model of eachcomponent in electro-hydraulic position servo system was established based on the working principle of dual-redundancy guide vane actuator.Secondly,a two-dimensional fuzzy swit
5、ch controller was designed with displacementerror and velocity of guide vane actuator as input and switch coefficient of main and standby servo loops as output.Furthermore,a co-simulation analysis was carried out for two typical fault conditions of the servo valve,which wereunidirectional stuck and
6、nozzle block.The results showed that each physical quantity fluctuated obviously at theswitch point while using traditional threshold switch method,while the fuzzy switch control strategy could effectivelyreduce the impact and oscillation on the displacement,velocity and two-chamber pressure of the
7、guide vane actuatorduring the switching process,thus a smooth switch between the dual-redundancy guide vane actuator could beachieved.Key words:heavy-duty gas turbine;guide vane actuator;electro-hydraulic servo valve;dual-redundancy;fuzzyswitch导叶执行机构是重型燃气轮机控制系统的重要组成部分,而电液伺服阀作为导叶执行机构的热力透平THERMALTURBI
8、NE文献标志码:Adoi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.002Vane Actuator in Gas TurbineLU Xingen-2,WANG Ruil,LUO KaikailVol.52No.3Sep.2023核心部件,其稳定性和可靠性直接影响重型燃气轮机的安全运转。由于重型燃气轮机长期在高收稿日期:2 0 2 2-12-0 6基金项目:国家科技重大专项(J2019-V-0014-0109),国家科技重大专项(2 0 17-V-0010-0061)作者简介:肖列盛(1998 一),男,中国科学院大学在读硕士,主要从事发动机液压系统容错控制研究。通信作者
9、:李伟(198 5一),男,毕业于中国科学院大学,博士,正高级工程师,主要从事航空发动机附件系统研究;。修订日期:2 0 2 3-0 6-2 7169第3期温、高速、变负荷等复杂工况下运行,电液伺服阀作为一种高精密部件,极易出现喷嘴堵塞、阀芯卡滞等不可逆故障,它们会严重威胁机组的运行安全1-2 。为了保证重型燃气轮机在复杂工况下的可靠性,要求在电液伺服阀发生故障时导叶角度仍然可控,从而保证机组的稳定运行。这就对导叶执行机构的容错能力、抗干扰能力以及控制性能提出了更高要求。目前电液伺服系统多采用穴余配置,但存在余度切换波动大、时延大等问题3,其会对系统造成较大的冲击,使参数发生跳变,进一步可能导
10、致发生压气机喘振、燃烧室熄火等危害性故障,严重时将直接引发跳机。因此,对于重型燃气轮机导叶执行机构余度切换控制策略的研究具有重要意义。因模糊控制具有抗干扰能力强、跟踪速度快、精度高的优点,其在电液伺服系统领域的应用被广泛研究。Bessa等4 针对电液伺服系统的死区非线性问题,提出了一种自适应模糊补偿方案,该算法可自动识别死区非线性,进行预先补偿,消除了参数不确定性和非光滑轨迹带来的跟踪误差。Shi等5 和Shen 等6 设计了一系列基于自适应T-S模糊模型的容错控制器,以解决执行器发生故障时的容错跟踪控制问题。Li等7-8 、Rehman等9 针对双允余混合电液伺服系统故障时从阀控缸到泵控缸的
11、主动切换问题,在不同的主或备的模式下构建了不同故障级别的参考模型,并设计了一种自适应模糊控制器来限制切换造成的系统性能退化。Chen 等10 设计了一种模糊控制器,解决了双余度电液伺服系统的运动同步问题,减少了由参数不确定性、未建模非线性和干扰引起的位置跟踪误差,实验结果表明该控制器能够有效地实现双余度的位置同步。Koumboulis等i提出了一种基于逻辑的切换控制方法来消除切换过程中出现的抖动问题,保证了切换点位置处的平稳过渡。宋亦静等12 针对泵阀联控电液伺服系统2个回路切换过程中存在冲击的问题,设计了一个二维模糊切换控制器,以位移误差和速度作为输入参数,以泵阀回路切换系数作为输出参数。仿
12、真结果表明,相比于直接切换,所提方法明显减小了2 个回路切换时系统所受的冲击。Liu等3、谢苗等14、高炳微等15 针对位置压力复合控制电液伺服系统,提出了一种基于切换因子的模糊170燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究切换控制方法,仿真和实验结果均表明该方法可以有效削弱电液位置与电液压力在控制切换过程中产生的抖动和跳变。王延年等16 、容盘祥等17 针对传统阈值切换存在切换点难以选取,以及切换扰动的问题,设计了一种多模复合控制器,基于模糊规则进行切换,消除了各控制器之间的切换扰动,提高了切换时系统的性能。李海涛等18 针对电液伺服阀常见的3种功能故障和液压缸负载扰动,提出了一种基于模糊P
13、ID信号补偿的容错控制方法,当误差超过设定阈值时,通过对输入信号进行快速补偿来纠正系统的输出信号,最后通过仿真验证了4种工况下的容错控制效果。Kong等19 提出了一种基于模糊规则的电液比例系统智能混合切换的控制方法,可实现PID、神经模糊和专家系统3种控制律之间的切换控制。综合上述国内外学者的研究,发现模糊控制在亢余液压伺服系统中已有应用,但大多只考虑液压执行器发生故障的情形,对于电液伺服阀发生故障的情况考虑较少。尤其在重型燃气轮机导叶执行机构容错控制方面的研究尚不充分,液压系统虽然做了穴余处理,但往往忽略了伺服阀瞬时切换对系统造成的冲击振荡问题。为了提高重型燃气轮机在复杂工况下运行的安全性
14、和可靠性,本文将采用基于模糊规则的切换控制策略,针对这一问题进行研究,旨在缓解导叶执行机构主备伺服阀切换带来的冲击及振荡,实现平稳切换。1系统描述和数学建模1.1系统工作原理某重型燃气轮机双余度导叶执行机构工作原理如图1所示,该系统由2 个电液伺服阀、2 个切换活门、液压作动筒、连杆、压气机导叶、直线位移传感器(Linear Variable Displacement Transducer,LVDT)和线速度传感器(Linear Velocity Trans-ducer,LVT)组成,其中电液伺服阀采用双余度配置,一个伺服阀作为主控,另一个作为备份同时工作,属于典型的电液位置伺服控制系统。其中
15、,切换活门是一个两位三通高频响比例阀,其开口大小由占空比决定,LVT用来监测作动筒的速度,并将其作为模糊切换输入变量,不参与闭环控制。燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究回油恒压油源主控伺服阀切换活门Z切换活门2QPP.IIQ.A.A导叶作动器图1双余度导叶执行机构工作原理图(虚线框内为研究对象)系统正常运行时,主备伺服阀同时通电工作,同时切换活门失电。经主控伺服阀控制输出的液压油直接进入导叶作动筒的无杆腔和有杆腔,从而控制其活塞杆移动。而经备份伺服阀控制输出的液压油则在切换活门人口处回油等待,当主控伺服阀出现故障时,通过控制切换活门和2 个伺服阀的开度,逐渐过渡到备份伺服阀,使其进行代替
16、工作。电液伺服系统采用恒压油源供油。导叶作动筒活塞杆的伸出端与压气机导叶通过连杆铰接在一起,导叶的角度随着作动筒活塞杆的位移而变化,从而调节燃气轮机的进气量和气流方向,以适应燃气轮机的变工况特性和状态切换,扩大压气机喘振裕度,保证燃气轮机稳定工作。本文的研究对象是图1中的重型燃气轮机导叶执行机构中的双余度电液伺服阀,拟针对主控电液伺服阀发生故障时切换至备份阀门运行而带来的系统冲击问题,进行余度切换控制的研究,以期实现主备之间的平稳切换。燃气轮机压气机导叶角度通过液压执行机构来调节,执行机构是一个位置闭环控制系统,其控制原理如图2 所示。该系统由位移传感器、位置控制器、伺服放大器、双余度电液伺服
17、阀、导叶作动筒组成,位移传感器测量的液压缸活塞位移通过数据采集板卡完成反馈,再由位置控制器根据上位机指令信号与反馈信号的偏差计算出伺服阀电流控制信号,由伺服放大器将电流信号放大,然后输入电液伺服阀来调节阀口开度,进而控制液压作动筒活塞杆的伸出,以实现对导叶角度的控制,实现位置的闭环控制。yoe位置U伺服电液伺服阀Q.导叶导叶控制器放大器(双余度)LVDT位移传感器图2 电液位置闭环控制原理框图热力透平1.2数学建模P备份伺服阀位置传感器hh速度传感器作动简1.2.1阀控非对称缸模型重型燃气轮机导叶执行机构是典型的电液位置控制系统,而电液位置控制系统是典型的阀控非对称缸系统。阀控非对称缸的液压原
18、理图如图连杆3所示,其动态特性可用3个基本方程来描述:伺服阀流量方程、液压缸流量连续性方程、液压缸和负载力平衡方程。APP2P.图3阀控非对称缸液压原理图伺服阀A口流量方程如下:Cawysusgn(p,-Pi)%lp.-pi l,y02Qi=P2Cawysvsgn(pi-Po)PPi-Po/,ysv 0伺服阀B口流量方程如下:Cawysvsgn(p2-Po)2IP2-Po l,sv 0Q2=PCawysvsgn(ps-P2)P式中:Ca为流量系数;w为阀口面积梯度;ys为伺服阀阀芯位移;p为液压油密度;sgn()为符号函数;P。为系统工作压力;Pi为液压缸无杆腔油压;P2为液压缸有杆腔油压;P
19、o为系统回油压力。系统供油压力恒定,则伺服阀出口压力恒定,根据流量和压力的关系式,流量和压降成正比,无杆腔的流量变化方程如下:Qi=A,yh+CiPL+CePI+有杆腔流量变化方程如下:Q2=A2yh+CiPL-CeP2+式中:A1、A 2 为无杆腔和有杆腔液压油作用面积;yh为活塞杆位移;C,为液压缸内泄漏系数;PL=171AVPoV10PV20(1)(2)(3)(4)第3期Pi-P2,为负载压力;C。为外泄漏系数;Vio、V2 o为无杆腔和有杆腔初始容积;。为体积弹性模量。液压缸与负载力平衡方程如下:F=ApL=myh+Byh+Kyh+F式中:m为活塞及负载折算到活塞上的总质量;B为活塞及
20、负载的黏性阻尼系数;K为负载弹簧刚度;FL为作用在活塞上的外负载力。1.2.2电液伺服阀模型电液伺服阀是导叶执行机构的核心部件,具有动态响应速度快、控制精度高、结构精密等特点,其工作原理是通过控制输人电流大小来调节阀口开度,从而控制负载流量,驱动液压作动筒运动。本文选用的是双喷嘴挡板力反馈两级电液伺服阀,第1级为喷嘴挡板阀前置放大级,第2 级为滑阀功率放大级。为了简化系统动态特性,将电液伺服阀的传递函数用二阶振荡环节描述,其传递函数为:Gi(s)=g()i(s)式中:K。为伺服阀流量增益;为伺服阀阻尼比;W,为伺服阀固有频率。位置控制器采用PID控制,其表达式为:de(t)u(t)=K,e(t
21、)+K.Je(t)t+Kadt式中:u(t)为控制信号;e(t)为位置反馈误差;Kp、K、K 为控制器参数。1.2.3切换活门模型切换活门用于控制2 路伺服阀出口至液压缸的油量分配,其为两位三通高频响比例阀,具有响应速度快、结构简单等优点。其控制信号为脉冲宽频调制(PulseWideModulation,PWM)信号,根据占空比大小来控制活门的开度。以占空比为输人信号、流量为输出信号,切换活门的传递函数为:KG2(s)=Q()=Te-(T1+T2)sT()T.s+1e式中:T为占空比;T1、T、T,分别为切换活门的调制周期、启动延迟时间和阀芯运动时间常数;Kgh为流量增益。1.2.4导叶连杆模
22、型根据图1中的连杆几何关系,由LVDT测得的连杆水平位移与活塞杆水平位移成正比关系,172燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究可通过LVDT测得的值计算得到活塞杆的实际位移:hyh=y(1(5)作动筒的伸缩速度由LVT测得,其随电液伺服阀开度变化的数学模型为:Pi:A,-P2:A,-FLUh=kv式中:yi为活塞杆水平位移;y为LVDT测得的连杆水平位移;hl、h 为连杆臂的长度;Uh为作动筒的伸缩速度;k,为作动筒的速度摩擦因数。2控制器设计2.1模糊切换控制原理在重型燃气轮机双余度导叶执行机构的切换控制策略中,传统阈值切换容易对系统造成较大的扰动。为实现平顺无扰的切换,使导叶快速、稳K
23、定地响应,将其调节至指定角度,本文在主备伺服(6).2S2+(9)(10)25阀同步工作的基础上,采用基于模糊规则的切换s+1控制策略来实现燃气轮机导叶执行机构双余度伺服阀从主控到备份的平稳切换,其控制原理如图4所示。x/v(7)ePID控制器位置,a指令elv模糊切换控制器1-aePID控制器图4模糊切换控制原理图图4中,主控通道和备份通道分别采用PID实现位置闭环控制。当主控伺服阀发生故障,如喷嘴堵塞、阀芯卡滞时,根据文献2 0 的分析可知通过导叶作动筒的位移偏差e和作动速率U可提取故障特征,其表现为位移偏差增大,响应迟(8)滞,无法跟踪指令信号。因此可将这2 个量作为模糊切换的指标,在L
24、VDT的基础上增加一个LVT线性速度传感器来测量作动筒的作动速度。以e、作为模糊切换控制器的输人参数,经过模糊推理后输出模糊切换因子,将其用于调控2个PID控制器的输出UpID1、U p ID 2,得到主、备伺服阀的驱动信号u=UpIDIuz=(1-)UpID2,切u主控伺服阀1-a切换导叶活门动筒备份伺服阀燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究换活门的控制信号u=1,其中的论域为(0,1。其工作原理为:当作动筒位移偏差小且速度小、位移偏差大且速度大时,切换因子取值在1附近,则u2、u s 在0 附近,系统由主伺服回路控制。当作动筒位移偏差大且速度小、位移偏差小且速度大时,认为主控伺服阀发生
25、故障,故障程度越大,取值越小,则u越小,uz、u s 越大。此时根据图1使切换活门左移,主控通道逐步关闭,逐渐接通备份伺服阀油路,进行压力和流量补偿,从而使液压缸活塞响应,移动到指定位置。当取值为0 时u,为0,将切换活门移至最左端,主控通道完全关闭,系统完全由备份伺服回路控制。在切换过程中,由于切换因子的作用,输送给导叶作动筒的压力和油量是由主控伺服阀逐步向备份伺服阀过渡的,这使得系统不至于出现从0 到1的突变,从而使系统免于冲击与振荡。2.2模糊规则本文设计的模糊切换控制器如图5所示,其为二输入单输出的二维模糊控制器,其输入参数为作动筒的位移偏差e和作动速率,输出参数为切换因子,采用mam
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