9FA燃气轮机控制系统分析

摘 要

9FA燃气轮机控制系统分析

9FA燃气轮机采用美国通用公司技术，是目前最先进的大型燃机，自2003年引入中国，由哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司进行组装生产。本课题针对9FA重型燃气轮机新型集成控制单元Mark Ⅵ进行硬件和软件工程分析，并开展燃气轮机建模与控制研究，以希望达到改善燃气轮机性能的目的。

本文首先对Mark VI集成控制单元的硬件进行了剖析，主要分析Mark Ⅵ控制单元的硬件框架、典型控制单元的各个板卡的功能、Mark Ⅵ控制单元三层网络拓扑结构。在此基础上进一步展开Mark Ⅵ集成控制单元处理多控制对象、多输入变量、实现多控制目标的可靠性和稳定性分析。

本文进一步详细研究了Mark VI 控制单元编程工具软件Control System Toolbox (通用软件工具包)，包括：系统参数、硬件模块库、硬件和I/O定义和功能块库等；尤其开展了9FA燃机Mark Ⅵ控制程序模块功能分析，对燃气轮机控制单元软件关键技术和控制代码进行了研究，为Mark VI 控制单元的实际应用与调试以及二次开发奠定了基础。

在硬件剖析和软件研究的基础上，本文从燃气轮机的工作原理出发，建立了燃机的数学模型，包括单独运行数学模型和并网运行数学模型；并开展控制单元仿真研究，探索了一种燃机模糊控制的新方法，以期望解决常规控制技术难以保证燃机控制指标问题。进而建立了基于MATLAB的仿真模型，并对传统PI控制和模糊控制进行了比较研究。研究表明，模糊控制不完全依赖于系统精确数学模型，具有较强的鲁棒性，有益于提高燃机的转速控制性能。

关键词：

燃气轮机，三冗余控制，建模，模糊控制，Mark VI 控制单元

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Abstract

9FA Type of Gas Turbines Control System Analysis

The 9FA type of gas turbines which represent the most advanced technology owned by American General Electric Company have been manufactured in China since 2003. The research was carried out focusing on the analysis of hardware and software which make up of the novel control system applied to the heavy gas turbine of 9FA. In the meanwhile，the attempt was made in the research to build a gas turbine math model and search a more efficient control strategy to improve on the gas turbine operation performance desired purpose.

Firstly，the paper described keynote of the research is the analysis of hardware in the Mark VI control system. the prospect of the applications and structure features of the gas turbines. On the basis of the analysis mentioned before，the report also gave analysis of the reliability and robustness because they are essential for MARK VI dealing with multi-input and multi-out object to realizing multi-objective.

Further ,the paper detailed study of the Control System Toolbox (general purpose package)，which is used when MARK VI program and code developed，including system parameters，hardware module libraries，hardware and I/O definitions and function module libraries. Especially，the analysis of the function module in MARK VI control program was paid more attention. Then，the key technologies applied to the MARK VI control system and control code was somewhat gotten，which is may taken as the foundation of practical application，commissioning and secondly development to the Mark VI control system.

Based on the analysis of hardware and the research of software, The math model was built according to the working principle of the gas turbine generator system under the connected/disconnected grid condition. On the basis of the erected math models，the gas turbine control system simulation platform was built with the popular MATLAB language. Then，the attempt at some novel control strategies was made to solve the problems which are the conventional control strategies can not meet the requirements of the control performance index. The founded fuzzy controller，one of the novels，was simulated at the MATLAB platform comparing to the conventional PID controller. The simulation indicates that the fuzzy controller hardly depends on the accurate math model of the controlled plant; it also shows more robustness

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than the PID. The fuzzy controller could improve the gas turbine speed control performance，if it were applied to the Mark VI.

Keywords：

Gas turbine; Triples redundancy system; Modeling; Fuzzy control; MARK VI control system

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目 录

第1章 绪论............................................................................................................1 1.1 引言.................................................................................................................1 1.2 燃气轮机发展概述.........................................................................................1 1.3 GE 9FA燃气轮机的结构特点和主要参数...................................................2 1.3.1 GE 9FA燃气轮机的结构特点................................................................2 1.3.2 9FA燃机的性能参数..............................................................................4 1.4 燃气轮机MARK VI 集成控制单元的发展...................................................5 1.5 本文主要工作.................................................................................................7 第2章 MARK VI控制单元硬件分析..................................................................8 2.1 MARK VI集成控制单元的硬件组成和剖析.................................................8 2.1.1 网络系统构成及功能分析......................................................................8 2.1.2 Mark VI控制单元配置分析...................................................................9 2.2 MARK VI控制单元的可靠性分析...............................................................11 2.2.1 冗余系统配置和三冗余系统运行.......................................................12 2.2.2 三冗余工作模式...................................................................................14 2.2.3 输出信号处理.......................................................................................15 2.2.4 输入信号处理.......................................................................................16 2.2.5 数字量和模拟量表决处理...................................................................19 2.2.6 响应频率和故障处理...........................................................................20 2.2.7 轮机保护...............................................................................................21 2.3 本章小结......................................................................................................22 第3章 MARK VI 控制单元软件分析..............................................................23 3.1 引言..............................................................................................................23 3.2 MARK VI 控制单元CONTROL SYSTEM TOOLBOX.......................................23 3.2.1 系统参数...............................................................................................23

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3.2.2 硬件模块库...........................................................................................24 3.2.3 硬件和I/O定义....................................................................................24 3.2.4 宏和模块库...........................................................................................25 3.2.5 功能块库...............................................................................................25 3.2.6 功能组...................................................................................................26 3.3 MARK VI控制功能及程序模块分析..........................................................26 3.4 本章小结......................................................................................................28 第4章 GE 9FA型燃气轮机的数学模型及其模糊控制仿真研究...................29 4.1 数学模型及其简化......................................................................................29 4.2 GE 9FA级重型燃气轮机的简化模型........................................................29 4.2.1 建模对象...............................................................................................29 4.2.2 GE 9FA燃气轮机数学方程.................................................................30 4.3 GE 9FA燃机的MATLAB建模和单给定闭环仿真.................................34 4.3.1 燃机模型的MATLAB/SIMULINK实现............................................34 4.3.2 模型的开环运行...................................................................................35 4.3.3 经典PI控制..........................................................................................36 4.3.4 现代模糊控制.......................................................................................39 4.4 GE 9FA燃气轮机的双给定双调节器闭环系统仿真................................43 4.4.1 双给定双调节系统的构建...................................................................44 4.4.2 双给定双调节系统的仿真...................................................................45 4.5 本章小结......................................................................................................46 结 论......................................................................................................................47 参考文献..................................................................................................................48 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果.................................................49 致 谢......................................................................................................................50 作者简介..................................................................................................................51  

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第1章 绪论

1.1 引言

随着燃气轮机效率不断提高，以燃气轮机为主要部件的动力设备被大量使用，燃气轮机的控制单元性能变得越来越关键。在一定程度上，燃气轮机动力设备的变工况性能、经济性和安全性能由控制单元性能决定。GE公司的燃气轮机控制技术以及相应的控制单元的发展经历集中反映了应用于燃气轮机的自动控制技术的发展历程。因此，分析了解GE公司生产的Speedtronic从Mark I~Mark VI系列控制单元发展的过程，探索研究燃气轮机自动控制技术的发展前景，利于我国燃气轮机控制单元的国产化进程。

21世纪火电站发展要求有较高的能源利用效率，较好的经济性并且具有良好的环保性能，燃气轮机及其联合循环以投资费用低、建设周期短、供电效率高、排放污染小的明显优势，将逐步取代传统的汽轮机电站。同其他的旋转动力机械一样，燃机的自动控制单元经历了三个标志性技术阶段：机械液压式、模拟电子式到全数字电子式。1970年后，GE公司生产的LM 1500型燃气轮机开始使用模拟式电子控制器实现逻辑顺序控制，该控制器由美国公司研制，仍然使用液压机械式控制器实现燃油控制。20世纪末，MARK VI控制单元由GE Power System 和GE Fanuc 联合在北美市场推出，该控制单元可连接现场总线和远程I/O，可实现全厂一体化控制，其所使用的Win NT操作系统更优于MARK V 所使用的DOS系统，并且燃气轮机的数字电子控制单元已经完成了标准化、系列化的发展，硬件完成了模块化，配置了菜单式的开发软件。经过十多年的发展，燃气轮机控制已有多种数字控制单元[1]。

1.2 燃气轮机发展概述

燃机发电技术很早便在我国开始应用，在工业实践和理论研究方面，都曾在世界上都有过很大贡献。但限于我国经济基础、工业技术及能源方针等诸多原因干扰，这种高难度大型装置的研发进程一直很缓慢。近些年来，电力供应形势日渐紧张和国民经济发展快速，发展燃机发电的重要性已逐渐显示出来，在东南沿海地区得到快速发展。燃气-蒸汽轮机联合循环发电主要以原油、柴油做为燃料，有效的缓解了国内紧张的电力供应形势。事实证明，燃气轮机发电具有方便起动、效率高、建设时间短、调峰性能好、占地面积小、环境污染小，以及耗水少等很多优势。

“十五”期间，我国天然气能源开发范围不断扩大，西气东输工程、引进外国液化天然气工程和沿海天然气开发全面展开，天然气燃机联合循环发电技术的研发引起了有关部门的重视。国家发展和改革委员会[2001]2194号文确定以“组织国内市场资源，引进技术，集中招标，促进国内燃机制造水平提高和产业发展”为战略目标。期间我国共进行了三次大规模招标，由美国通用电气公司、日本三菱公司和德国西门子公司生产的三种F级大型燃机机组共中标套，现已全部建成投入商业运营，实际装机容量已超过两万兆瓦。

2003年，GE公司和哈电集团建立合作关系，联合生产9FA型燃气轮机，在秦皇岛成立了哈尔滨动力设备股份有限公司秦皇岛分公司，主要从事9FA型燃气轮机的生产和燃机性能测试工作。

2004年4月26日，我国首台9FA 级燃气轮机开始总装。2004 年5月27日，我国首台9FA级燃气轮机

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总装完成，2004年6月30日，我国首台具有国际先进水平9FA级重型燃气轮机一次点火试车成功，2004年7月30日，首台9FA 级燃气轮机正式发运到浙江半山电厂投入使用。

图1-1 GE 9FA燃气轮机

图1-1为哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司组装生产的9FA型重型燃气轮机，机组功率输出/发电机容量为255.6 MW/MVA，机组效率为36.9%，压比为15.4:1。9FA型燃气轮机连同底盘的净重约299吨，连同罩壳的体积约870m3。

1.3 GE 9FA燃气轮机的结构特点和主要参数

GE 9FA燃气轮机的结构特点和主要参数如下所述：

1.3.1 GE 9FA燃气轮机的结构特点

图1-2是9FA型燃气轮机的纵剖面图。该机组为典型的单轴结构，与传统的9E型燃气轮机相比较，省去了一个中间轴承，三支承变成了双支承。动力输出由透平排气端(热端)改变为压气机进气端(冷端)。透平改变为轴向排气，有利于与余热锅炉的连接。其控制单元应用GE公司的Speedtronic MARKⅥ，有三冗余度，由3台计算机分担燃气轮机的控制职能，三冗余的计算机或传感器之一发生故障时，内部的表决逻辑将透平控制重新定向于两台能工作的计算机和传感器，因而有较高的可靠性。

压气机：18级轴流式，压比15.4∶1，空气质量流量5kg/s。头两级为跨音速级，带可调进口导叶，用于调节透平的排气温度，提高运行效率。第9级和第13级开有排气口，以配合起动过程。其转子是由单个叶轮用多根IN 738合金钢轴向拉杆连接成的刚性转子，末级叶轮上附有一向心式透平槽道，将压缩空气引入中心孔，用于透平段的冷却。转子的一阶临界转速高于同步转速20%。

燃烧室：图1-3和图1-4分别为9FA的燃烧室和喷嘴图。有18个逆流管环形燃烧室，直径350mm，每个燃烧室有6个燃料喷嘴，共108个燃料喷嘴。可烧天然气、蒸馏油和中热值气体燃料。两只高能点火器分装在两个燃烧室上点火，各燃烧室之间用联焰管联焰。可以注蒸汽或注水抑制NOx的形成，或应用干式低NOx(DLN)燃烧室。

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图1-2 9FA型燃气轮机的纵剖面图

燃烧室采用的DLN-2.0，主要由火焰筒、过滤段、导流衬套、帽罩、喷嘴、端盖、前外壳和后外壳等部件构成。其中，端盖、喷嘴、前外壳和帽罩又形成了一个可以单独拆卸的头部组件。

图1-3 9FA的DLN燃烧室

图1-4 9FA燃油喷嘴

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每个燃烧室外的头部均布置了6个预混喷嘴，其中5个喷嘴均匀分布于四周，称为外围喷嘴。但在其增加了一个喷嘴。这样，当周围的5个燃烧器的燃料/空气比维持高于其贫着火极限时，可以使燃烧器的燃料/空气比低于周围的贫着火极限，同样可以保持火焰的稳定。由于增加了燃烧器，使总燃料/空气比可以比均匀地供燃料的燃烧器减到更低的数值，从而使总预混空气量增加了6%，因而，降低了燃烧区的火焰温度，减少了热NOx的产生量。

透平：为3级轴流式，应用压气机的排气冷却。第1、2级动叶应用空气内冷，并采用真空等离子喷涂保护涂层。第3级动叶不冷却，但应用堆积涂层保护。第1级动叶无围带，第2、3级动叶应用整体的乙形围带。3级静叶都应用空气内冷，第1、2级静叶设计成2叶片块结构，应用真空等离子喷涂合金保护涂层。第3级静叶设计成三叶片块结构，应用堆积涂层保护。

1.3.2 9FA燃机的性能参数

机组功率输出/发电机容量：255.6 MW/MVA 机组效率：36.9% 压比为15.4:1

机组热耗率：6235.8 kJ/(kW.h) 燃机排气温度：605.9oC

(a) 3级轴流式透平 (b) 9FA三级动叶图

图1-5 9FA透平

燃机排气压力：3.3kPa

燃机烟气质量流量：2355800 kg/h 汽轮机高压缸排汽温度：367.8 oC 汽轮机高压缸排汽压力：2.427MPa 汽轮机高压缸排汽流量：271200kg/h

表1-1和表1-2分别列出了9FA燃机工作于单循环和联合循环状态时的各项性能参数。

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表1-1 单循环的性能

MS9001FA单循环系统

输出 热耗 热耗 压力比 流量 流量

MS9001FA单循环系统

涡轮速度 排放温度 排放温度

型号

单位 50Hz发电

(MW) 255.6 (Btu/kWh) 9250 (kJ/kWh) 9757 ——

15.4:1

(lb/sec) 1375 (kg/sec) 624 单位 50Hz发电

(rpm) 3000 (℉) 1129 (℃) 609 PG9351FA

表1-2 MS9001FA联合循环的性能

工厂净输出(MW)

S109FA 390.8 S209FA 786.9 热耗 (Btu/kWh) 6020 5980 热耗 (kJ/kWh)

工厂净 效率

GT数目型号

6350 56.7% 1xMS9001FA 6305 57.1% 2xMS 9001FA

1.4 燃气轮机MARK VI 集成控制单元的发展

燃气轮机的自动控制单元经历了三个标志性技术阶段：机械液压式、模拟电子式到全数字电子式。通用（GE）公司的Speedtronic系控制单元延续了通用（GE）公司以往的轮机紧急保护控制、自动控制和程序控制技术[2-4]。其Mark I的控制单元从1966年开始研发，它把电子技术应用到燃机的保护系统、程序系统和控制单元中。经过多年成功完善与使用，全数字化产品-Mark V控制单元于1991年成功的推出。随着时间推移，Speedtronic系列控制器发展成为集成度、可靠性高并有机结合开放性网络控制新技术的Mark VI控制单元。主要代表模拟电子式和全数字电子式两个阶段自动控制技术。为进一步了解GE公司生产的控制单元Mark VI的特点，简述如下：

Mark VI控制单元有两种配置形式，分别为单机模式和三冗余模式。其中三冗余控制模式的主要控制功能是用相对且完全相同的三个微机控制器完成。并且这三个微机控制器所输出“连续”控制命令(例如燃料流量命令) 去三线圈的电液伺服阀叠加平均。三个控制器所输出的“逻辑”控制命令通过三选二表决后执行。有效的提高了控制单元的稳定性。

GE公司先进的一体化的控制技术充分的在Mark VI控制单元中表现出来。GE公司的一体化控制单元(ICS系统--Integrated Control System) 集成了电站中的燃机控制功能、汽轮机控制功能和保护功能以及辅助系统功能等，构成一个紧密一体化系统结构。这些集成的系统和电站的其他辅助系统相互配合，从

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控制上相互兼容，所有操作控制都可以通过一个共享的人机操作界面以图形化简单的形式展现给电厂工作人员，为电厂用户进行整体的电厂操作控制提供了可能[5,6]。

典型的Mark VI ICS系统组成示意图[7,8]如下图1-6所示。Mark VI ICS系统具有以下特点：

图1-6 典型MARK VI集成控制单元

(1) ICS的人机界面技术。HMI能够通过监测辅助设备、驱动设备、编程控制和与电站控制有关的过程诊断报警。其操作界面强有力而灵活，集成了监测和实时控制叶轮机械过程的所需要的显示和全部功能。这些设备包括燃机、水轮机、蒸汽轮机、发电机励磁系统、压缩机、静态启动设备、余热锅炉和电站其它辅助设备。并且作为电站的操作员界面，HMI能针对一系列电站系统组态。

(2) ICS的历史站功能。GE公司的历史站是一个数据库归档系统，它建立在客户机服务器上，使用与人机界面操作系统相同的Windows NT硬件，提供电站数据收集、数据显示和数据存储功能。应用PI系统软件，历史站能进行数据查找、数据追忆和数据收集。电站工作人员要不间断地检查此系统的设备和过程，以确保得到正常运行时间、最大的效率和效益。增加对数据的分析和收集，从而改善现有操作以及在出现重大问题前修改已发现的错误的系统。

(3) 电站系统通过实时趋势曲线显示、报警提示管理功能，使装置的诊断与控制功能更加完善，并且电站系统的一体化改善了设备的控制与保护功能。密码功能和任务全部集成于HMI上，针对所有控制器提供共用的诊断和操作查看，从而降低工作人员培训标准。

(4) 使用简单的页面工具，操作人员非常容易掌握。直观友好的页面可以减少操作人员的操作失误。 (5)运用图形开发软件包可以很容易建立和修改页面显示内容，并具有直观的图形显示功能。应用

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的开放式的网络结构和使用通用硬件设备和软件接口，使得电厂现场维护功能显著提高。

1.5 本文主要工作

9FA燃气轮机采用美国通用公司技术，是当前最先进的大型燃气轮机。2003年引入中国，由哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司进行组装生产，是国内首款大型燃气轮机。为了吸收国外先进技术和顺利进行调试，为发电厂提供技术服务，同时进一步提高控制性能，本课题对9FA重型燃气轮机新型集成控制单元Mark Ⅵ进行软件和硬件工程实际分析，并开展燃气轮控制研究，希望可以改善燃气轮机的性能。具体内容如下：

(1) 燃气轮机Mark Ⅵ自动控制单元硬件研究。包括哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司燃机试车

站Mark VI集成控制单元硬件组成、Mark VI三级网络系统的构成和各级网络的功能与作用、Mark VI控制单元的特点，同时结合硬件的特点较详细分析Mark VI集成控制单元的可靠性和可应用性问题，并形成硬件技术手册。

(2) 燃气轮机控制单元软件控制代码和关键技术研究。详细分析控制单元软件结构及各个软件模块

功能，整理各个功能模块之间关系。Mark VI 控制单元软件部分主要包括组态软件GE TOOLBOX以及图形显示系统CIMPLICITY，Mark VI控制单元的人机界面(HMI)即所有通讯服务设备、操作员站。详细研究了Mark VI 控制单元编程工具软件通用软件工具包 (Control System Toolbox)的使用方法，并对哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司9FA燃机试车站的控制程序模块功能作了分析，最终完成一份Mark VI 控制单元的软件技术手册。

(3) 燃气轮机电站自动控制单元机理与性能优化研究。建立燃机数学模型，开展控制单元仿真研究

[9,10]

；应用现代控制理论、最优化控制理论等进行能源利用效率最优控制研究。为解决常规控制技术难

以保证燃机控制指标问题，对燃气轮机展开智能控制技术研究，探索一种燃机模糊控制的新方法。

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第2章 Mark VI控制单元硬件分析

Mark VI燃机自动控制单元机柜布置不同于常规DCS系统，Mark VI系统是充分考虑了燃气轮机机组各种控制设备的特殊性，并针对燃汽轮机机组专门设计的控制单元，针对不同的信号配置有不同的接口板卡。

2.1 Mark VI集成控制单元的硬件组成和剖析

Mark VI控制单元硬件部分：用于监控的电脑及其相关元件、各种I/O卡件及集成电路、控制柜、就地监控器、传输网络和相应设备等。

2.1.1 网络系统构成及功能分析

Mark VI控制单元是一种层级网络结构，共分为三层，即监控级控制层PDH(Plant Data Highway)、IO控制层IONET、过程控制层UDH(Unit Data Highway)。每一层都采用标准的协议和网络元件，使不同系统之间集成简化，从而增强可维护性和可靠性。如下图2-1所示为典型网络拓扑结构。

图2-1 Mark VI控制单元网络结构

监控级控制层：是系统用来与电厂离散控制单元（DCS）或第三方设备之间进行数据通讯的途径。支持其与DCS通讯的协议有TCP-IPGSM、RS232/485ModbusRTU和TCP-IPMode。其中TCP-IP GSM协议可传输就地高分辨率报警、周期数据包、事件驱动消息、SOE时间标记等。

图2-2的所示的监控级控制层提供控制服务器和人机界面之间的接口，同时也实现远程监控、振动分析和历史数据收集等功能。监控级采用公用双网结构，通过以太网关和连接电缆互为冗余的配置结构，可以有效防止由个别元件失效造成的整个网络瘫痪，进一步提高了网络通讯的稳定性和安全性。监控级通过下层物理设备与厂级数据高速公路(PDH)进行通讯，根据传输距离的不同可采用不同的结构，由光

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缆连接构成100BaseFX以太网和采用双绞线连接构成10BaseT(或100BaseTX)以太网都是有效的构成方式，PDH是采用载波监听多路访问或冲突检测(CSMA/CD)类型的星型以太网。

I/O控制层：大多用来在各种I/O卡和微处理器以及远程柜之间进行数据交流。IONET是以

EthernetTM为基础的用于MarkⅥ控制器内三个保护模块、三个控制处理器以及扩展模块间通讯的网络，此网络也是三冗余的。IONET网络内部使用ADL (asynchronous drives language) 程序对控制器指令及数据进行表决。传输速率是10Mb/s，可根据传输距离长短需要采用光缆或RG-58同轴电缆选择传输介质。

过程控制层：基于Ethernet网络，它提供燃机控制器、汽机控制器、静态启动器、余热锅炉控制器、PLC之间高速的端与端对等通讯。该网络使用的是基于消息的协议——EGD(EthernetGlobalData)，它支持基于UDP/IP标准协议的多个节点之间信息共享(点播或广播的方式)。尽管UDH支持不同控制器之间控制参数通讯，但每个控制回路都在各自的运算器中完成。对于现场设备实施的监控，以确保机组不间断的工作。通过对运算器时间的一致使控制网络按特定频率工作，网络结构如图2-5所示。

2.1.2 Mark VI控制单元配置分析

Mark VI控制单元配置方式分为三模块冗余配置方式和单机配置方式。哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司试车站控制单元的配置方式如Mark VI控制柜实物图2-3所示，是三冗余配置方式。柜内布置了对连续变量PID控制任务的控制单元、对不连续变量进行逻辑保护模块、电源分配模块和顺序控制。控制单元通过

图2-3 Mark VI控制柜结构图

远程Mark VI I/O柜和I/O NET相连接，并通过控制器的以太网端口同数据高速通道相连接。

控制柜中硬件配置与分布可见，为三个相互的主控制单元R、S、T，三个相互的主控制单元有各自的数据传输网络和供电模块，为其提供大容量的数据交换能力。单个输出输入点维修和失效，不会影响系统的操作和运行，三冗余配置控制单元详细配置如图2-4。

Mark VI控制单元有以下几种控制单元：

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PDM为电源分配模块，作用是向端子板及Mark VI控制机柜提供电源。

VCMI为通讯卡，作用是用于I/O卡件与控制器之间进行通讯，并且提供网络接口I/O NET。并根据所提供的I/O NET端口数目的不同VCMI分为两种类型：VCMI H1和VCMI H2。VCMI卡具有VME总线接口、RS232C串行通讯口、并行通讯口、I/O NET 10Base2以太网接口，并且配置有卡件、电缆ID读取及电源系统检测等多种功能。

图2-4 三冗余控制单元配置图

控制器UCVE的作用是通过同一运算单元中I/O卡件与通讯卡进行数据交换，并进行数据处理。控制器前面由上到下排列顺序依次为：信号灯、显示器端口、外设接口、COM通讯口和网络接口。根据网络接口需求不同控制器可分为多个种类，其中UCVEH2是Mark VI标准控制器，它采用Intel处理器主频为300MHz，配置32MbDRAM和16Mb闪存，并提供一个以太网端口100BaseTX或10BaseT。

模拟量输入处理卡VAIC的作用是接收模拟量输出信号4路和模拟量输入信号20路。此外，还可通过J1A-J10A跳线开关来改变输入信号输入方式是电流或者电压。端子四一至四四表示接地，四五至四八表示两路模拟量输出，一路可以根据跳线开关J0选择0～200mA输出或4～20mA输出；而另一路固定为4～20 mA输出。

开关量输入输出控制卡VCRC的作用是处理开关量输出(DO)信号24路与开关量输入(DI)信号48路。

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TBCI为DI的端子板，接收24路DI信号，在三模块冗余方式下控制开关量输入信号并通过接口JR1、JS1、JT1分别传送到、、三个微处理器进行表决。

伺服控制卡VSVO的作用是通过控制四个电液伺服阀的状态开或关燃料阀。外部停机信号可通过控制电缆接至电路板上的JD1、JD2接口，并通过控制伺服阀状态来执行跳闸。在根据三线的LVD或R四线LVDT测量调节阀的位置，LVDT(R)信号的输出范围是0.7～3.5V。

燃机控制卡VTUR的作用是执行同期和超速停机功能。输入端子板TTUR接受4路转速信号、母线电压及发电机电压、轴电流和轴电压、以及断路器状态等信号，并接受来自VTUR同期的信号。相应的端子板为TRPG与TTUR。

热电阻输入卡VRTD的作用是处理十六路三线制热电阻输入信号。在三模块冗余方式下，三个VRTD卡同时从TRTDH1B中不同的信号通道读取信号，以确保三个VRTD卡不会同时对同一信号通道中的信号进行物理处理而产生错误。相应的热电阻输入端子板TRTD根据冗余方式的要求分为三模块冗余TRTDH1B型和单模块TRTDH1C型。

振动检测卡VVIB的作用是接收并处理十四路振动信号和位移信号。VVIB卡测量振动探头信号，供电经A/D转换处理后送至控制器，并且产生振动、轴向位移以及偏心控制逻辑。当振动探头输出信号超差时，将会产生报警提示和跳闸信号，而因直流偏置过大而引起探头输出超差时则不会产生跳闸信号。

热电偶输入卡VTCC的作用是处理二十四路E、K、J、S分度热电偶信号。相对应的热电偶输入端子板TBTC根据冗余方式要求分为三模块冗余BTCHIB型和单模块TBTCH1C型，并且可实现抑制高频噪声信号的作用。VTCC卡件正面发光二极管是用作状态指示，绿色：正常工作，橙色：报警状态，红色：故障状态。

模拟量输出处理卡VAOC的作用是输出十六路4～20mA控制信号。相对应的端子板TBAO具有抑制高频噪声功能。

燃气轮机保护卡VPRO的作用是在保护模块

中实现危急遮断的功能，配置有三路控制线圈。控制线圈正线经过TREG电路板中的选择电路和电源正线相连接，并通过使控制线圈正线失去电从而执行跳闸。TREG电路板通过接口J2向TTUR电路板输出实时信号，模块方式下通过J1向TSVO 输出伺服控制信号。每个TREG电路板接受1路紧急停机输入信号和7路停机输入信号。模拟量输入电路板TPRO接受9路温度信号、9路速度信号、发电机和母线电压信号、3路4～20mA模拟量输入信号，其中第1路模拟量输入信号可根据跳线开关JP1A、JP1B转换输入电流或输入电压方式。相对应的跳闸输出电路板为TREG，TREG电路板上的十二个继电器由VPRO控制，其中九个分三组，每组继电器均为三取二表决电路的构成方式。相应的电路板为TTUR和TPRO。

2.2 Mark VI控制单元的可靠性分析

通过对Mark VI控制单元两个主要组成部分(硬件和软件)研究，发现在Mark VI系统的设计中始终贯穿提高控制单元的安全性及可靠性的设计理念。从此角度出发，Mark VI控制单元特点总结为两个方面，即容错控制[10]和冗余配置。

冗余配置：燃机所有的调节、顺序控制及保护功能均由这3个处理器来执行。Mark VI燃机控制单元

11

是建立在微处理器中的三模块冗余控制单元，其核心控制单元、、是3个完全相同并互为冗余的。此外还设置保护模块

，

得作用是实现燃机的危险情况时的保护功能，内部也是三模块冗余结构组成，三个子模块由、、三个的微处理器组成，任意一个子模块更换或失电都不会影响整个保护模块的正常运转。

图2-2 PDH网络拓扑图

图2-5 UDH网络拓扑图

容错控制：作为容错控制的重要手段，控制单元采用表决方式对控制单元进行输出和输入数据。每个控制单元在一个执行周期40 ms内读取相应数据，并与其它两个控制单元进行数据交换，通过运算产生开关量，输入的表决值以及模拟量输入的中值用于过程控制。Mark VI控制单元同时采用软件表决和硬件表决方式，例如燃机停机控制可通过继电器，表决控制遮断电磁阀的带电状态来执行。

2.2.1 冗余系统配置和三冗余系统运行

如图2-6所示，TMR控制结构有三个重复使用R、S、T表示硬件的控制器，高速网络连接到每个

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相关联的I/O模块和控制单元，产生三个的I/O网络。每个网络扩展连接到其它控制器的通讯口。三个控制器中的任何一个都各自有一个VCMI板，这个VCMI共有三个的I/O通讯口，允许任何一个控制器从三个I/O网络的I/O模块接收数据。于此同时在I/O网络中还包括三个保护模块。

三个控制器任何一个均加载相同软件镜象，因此三份同样控制程序并行运行。外部计算机如HMI（操作员站）从指定控制器获得数据。这个指定控制器通过简单算法被确定。

的保护模块可提供安全的事故停机操作，VPRO是一个的并且完全有自己的控制器和集成电源的三冗余子系统。系统中使用了隔离的传感器输入和表决事故停机继电器输出。控制柜中设备的布局如图2-7所示。

表决系统要求把输入的数据进行表决，表决出的结果才能应用在下一次计算、传递中。数据每次的传递顺序依次为输入、表决、计算、输出。这些操作分配的时间间隔称为帧，对于一个已知的应用帧被设定为固定值，所以控制程序按照统一频率运行。

SIFT(软件容错)系统，很大比例的故障容错要通过软件来实现。这种方法的优点就是软件性能不会随时间的推移而退化。SIFT设计只要求一些传递控制器数据和三个完全一致的控制器的对策。所有数据交换、表决、输出选择由软件实现。如软件方法不能解决的问题，那么只有对构成硬件表决输出电路的修改。

每台控制器运行相同软件。在每台控制器中的控制软件和其它控制器中完全相同的软件同步，彼此呼应，这三套同时起作用的程序称为分布式执行并完全协调运行。

在MARK VI中有些不同的同步要求。其中帧同步使相关的I/O模块和全部控制器同时处理数据，在帧开始(SOF)时先确定帧同步误差，然后要求控制器调整其内部定时，使全部控制器同时达到同一帧的开始时刻。在10HZ-25HZ控制单元中可以接受的SOF时间误差范围一般为几个毫秒。因为表决器至少要等到两个控制器计算出新值产生了时间延迟，所以SOF时间误差大将影响总体响应时间。

图2-6 本地和远程I/O及保护模块的TMR结构

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图2-7 MARK VI三冗余系统典型布置图

对时间同步的要求来自于需要以精确到1毫秒的精度测量接点SOE(事件顺序)时间。

2.2.2 三冗余工作模式

在MARK VI系统中，很多不重要的I/O模块配置成单机模式。在同一个接口模块中这些单机模式的I/O板可以同TMR冗余模式的板混合使用。

MARK VI系统需要对燃机控制及保护的应用场合采用三冗余控制单元，由于冗余系统能保障燃机在I/O通道或控制器故障的情况下能继续运转，这种最高等级可靠性把因控制问题造成的停机时间减小到最小。对状态变量和I/O连续不断的表决，常可以避免故障发生。可以在线检测故障、处理故障、发布故障信息。这就是说如果燃机出现故障，依旧可以通过燃机保护系统正常运行。

三冗余系统是N个模块冗余的特例，这里N=3，它建立在对冗余模块的输入输出信号表决的基础之上。

对于输入信号，采用软件实现故障容错(SIFT)方法编写软件，实现信号表决。对于输出信号，通过集成于输出端子板上的硬件电路来实现输出表决。

输出输入表决很大程度地避开故障发生。当三个信号表决时，一个有故障信号被两个正常的信号所屏蔽掉。这是因为表决过程选择三个输入模拟量中间值。对于离散量输入，表决结果选择两个表示“同意”的输入量。实际上，TMR系统中的故障屏蔽机制隐藏故障如此巧妙，以至于把具体的故障检测功能包括到表决软件中。进行表决前，与所有的输入值相比较，检测出任何差别大的值。这个差值将产生一个系统报警信号。

除了故障屏蔽外，还有很多其它实现故障隔离和防止故障扩大的特点。采用直流隔离分布式结构大

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幅度提高硬件隔离度。应用双口存储器存储器读写操作，防止了相邻存储器意外破坏数据，隔离电源防止了因故障模块过电流造成的多米诺效应。

2.2.3 输出信号处理

系统输出数据指的是经过计算后必须发送到外部硬件接口电路、然后到各种操作员的那部分数据。从TMR输出的数据在输出硬件中进行表决，但在单机系统中可以输出单个控制器数据。

TMR系统输出数据由三个表决控制器单独计算，每个控制器向相关的I/O硬件发送数据，例如，R控制器向R I/O发送数据。然后三个的输出通过表决方式合成一个输出，不同的数据类型得到表决数据表决方式不同。

三个控制器的信号输出可分为三组：

(1)在单个I/O通道存在并且作为单个非冗余输出信号。

(2)在三个控制器中存在，但由输出硬件合成为一个输出的信号。 (3)在三个控制器中存在，并且分别输出到表决机构中的信号。

对于普通继电器输出，这三个信号发送到一个表决继电器驱动器。驱动器控制每个信号唯一的继电器，对于重要的保护信号，三个信号驱动三个的继电器，这三个继电器触点以典型的6触点表决配置方式连接在一起。如图2-8所示两种输出板。

图2-8 保护继电器输出回路

对于图2-9所示的伺服控制信号输出，三个的电流信号驱动一个三线圈伺服，执行器输出，在伺服执行器中通过磁通合成把三个信号叠加。如果某个伺服驱动器发生故障，那么解除继电器接点打开。

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图2-9 三个模拟量电流合成一个输出的TMR回路

图2-10表示通过2/3电流共享电路合成的4∽20mA信号，此电路通过三个信号表决后得到一个信号。这种特殊电路保证全部输出电流是三个电流的表决后的电流。如检测到4∽20mA输出故障，解除继电器接点打开。

图2-10 表决输出4-20mA TMR电路

2.2.4 输入信号处理

全部输入数据均可被三个控制器读取，输入数据的处理方式可分为几种。如图2-11所示，对于一些只在一个I/O模块中存在的输入数据，三个控制器把这些数据作为公共的输入数据进行使用，而不必进行信号表决。对于在三个I/O通道中都存在的信号，要进行表决产生唯一的输入值。三个输入数据可来自三个的传感器或在端子板通过硬件扇出由单个传感器产生。

如图2-11所示，单个输入可以不经过任何表决输入到三个控制器，这种方式适用于不重要的I/O输入数据，如监视4-20mA输入，热电偶输入，RTD输入和接点输入。

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图2-11 单个信号输入到三个控制器(无表决)

图2-12 有扇入和软件表决的传感器

如图2-12中所示，对于信号完整性要求中等的应用场合，一个传感器可连接到三个I/O板上。这种方式适用于中等/高等级可靠性要求的数据。典型输入信号包括4-20mA输入，热电偶输入， RTD输入和接点输入。

三个的传感器可不经过表决去产生一个传感器值，而是直接输入到控制器。如果应用中需要表决，控制器中可选择三个中的中间值。如图2-13所示，这种配置方式只适用于特殊应用场合。

图2-14显示三个传感器，每个传感器进行SIFT表决和扇入。这种方式提供高了接点输入、电流和温度传感器输入的可靠性。

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图2-13 相同输入不表决的三个传感器

图2-14 高可靠性分别扇入并表决的三个传感器

在高可靠性应用场合速度输入作为专用输入进行SIFT表决。此配置方式如图2-15所示。超速和速度控制等输入信号不进行扇出，所以输入通道之间是完全隔离，消除造成故障扩散的硬件交叉偶合。接点输入，热电偶和4-20mA输入也可以按此方式配置。

图2-15 具有专门输入信号软件表决的高可靠性三个传感器

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状态交换：TMR系统中对所有的计算值表决既没有必要，又不实用。实际需要的是对计算帧之间的控制器数据库状态表决，如计数器，定时器，积分器等的计算值依赖于以前的计算帧。双稳态继电器、交叉连接的、密封的瞬时动作的反馈信号和继电器电路等具有记忆保持特性。所以每一计算帧只对数据库的一小部分数据表决。

2.2.5 数字量和模拟量表决处理

(1) 模拟量中间值表决 ：I/O接口板把模拟量信号转换成为浮点格式数据。在三个控制器R、S、T中，每个控制器内都会进行表决操作。每个模块都从其它两个通道接收一份数据。对于每个表决的数据点，模块包括自身的数据在内共有三个数据参与表决。中间量表决模块选取三个数值中的中间量作为输出。得到一个最有希望接近正确值的数值。如图2-16所示。

差别检测器检测信号偏差值并且根据预设定的偏差极限值对输入信号进行判断，从而可以识别出输入通道故障或输入传感器。

图2-16 正常和异常输入时的中间值表决举例

(2) 差别检测器：差别检测器连续不断地检查预表决数据组，如果检测器检测到在一个数据组中的三个数值不一致，它将产生一个报警提示。把表决得到值和预表决值进行比较产生差值。此差值和用户预先设定的极限值相比较。根据需要选择极限值，使得检测器既避免误报警又可指示某个预表决值超出正常值范围。需要控制器把预表决数据和表决后得到数据相比较。比如R控制器只把R表决数据和表决后得到数据相比较。

(3) 三选二逻辑表决器：如同前面所描述的模拟量表决器，每个控制器有三份数据。逻辑值以每个值占一字节的数据格式存储在控制器数据库中。表决按照简单的逻辑过程进行，即输入三个值取两个相同的值。

逻辑数据具有强制辅助功能，它允许操作员强制逻辑状态是“真”/“假”，并保持此逻辑状态直到解除强制为止。为减小带宽要求，逻辑数据被压缩在输入表状态交换表中。输入周期依次包括接收、表决、解压缩和传到控制器数据库。对于强制数据必须保持原样传送到数据库。

(4) 对等I/O：除I/O模块产生的数据以外，还有来自公共数据网连接的其它柜中控制器的一类数据。MARK VI控制器公共数据网指的是UDH。Mark VI作为一个集成控制单元，公共网为多个燃机控制器和励磁机、发电机和HRSG或锅炉控制之间提供数据通道。

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控制器数据库中被选中的数据被映射到对等输出数据页，这些数据在UDH被周期广播，目的在于为外部控制盘提供状态更新数据。而TMR系统，由UDH通讯器使用内部表决数据库中数据完成此项任务。

UDH中的其它控制盘正在广播它们的状态数据页时，TMR控制盘可能接收一些对等输入数据页。被指定的主通讯器/控制器可承担接收这些页数据的任务，并把数据复制到三成员表决组中的其它两个控制器中。操作过程类似于从单个I/O模块输入相同输入数据。但在这种情况下，由指定的控制器在I/O网络广播数据。

(5) 命令起作用：向TMR控制发出的所有命令需要特殊处理，从而导致三个表决控制器同时执行相同命令。因为命令来源是连接到UDH的标准计算机并从单个网络发送消息，在每个控制器中表决控制命令意义不大。如命令是从操作员位置的几个冗余计算机中的一台计算机发出，情况表决变得更复杂。

在MARK VI中，一般由被指定的控制器接收全部命令，三成员表决组通过在同一时间帧向三个控制器发布命令以达到响应同步。

2.2.6 响应频率和故障处理

单机系统中MARK VI控制单元能够以每秒钟100次的频率运行被选定的控制程序(帧频率10mS)，TMR冗余系统中的频率最高为每秒钟25次(帧频率40mS)。时序图如图2-17所示。在此例子中，从接口模块采集数据并进行表决花费3mS，运行控制程序花费4mS，把数据发送回接口模块花费3mS 。

故障处理的总原则是向远离故障的两个方向采取措施，即改正故障和默认的故障处理方式。按照控制等级由低到高的顺序：端子螺丝、端子板、底板、网络、主CPU，当故障出现时，运行中的主CPU和I/O板的处理器要采取相应的措施。当检测到故障，正常位按照级别被复位，如果是某一个信号出现错误，在控制单元级设定它的正常位为“假”，如果某一块板出现错误，那么与这块板有关的所有输入输出信号的正常位设定为“假”，同样在I/O机架也采用类似的措施。另外，给所有输入输出数据预先定义故

图2-17 有远程I/O的TMR系统时序图

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障值，所以应用程序不需要过度参照故障正常位即可处理故障。如果相应的信号是三冗余配置，则该信号的正常位也需表决。

单机系统控制单元丢失：如单机系统中的控制单元丢失，输出板超时后进入预先设定的输出状态。控制器板丢失的信息通过IONet向下传播，目的是使输出板决定输出状态。

三冗余系统控制单元丢失：如三冗余系统控制单元丢失，发生故障通道中的三冗余和单机输出板超时后转到默认的故障输出状态，其他两块板正常运行。

三冗余系统IOVCMI丢失：如三冗余系统的VCMI接口模块丢失，输出超时后转到默认状态。输入设定到默认状态，目的是使输出状态肯能正确，如UDH。输入输出正常位被复位，VCMI的0槽故障被认为相当于控制单元本身故障。

单机系统IOVCMI丢失：如单机系统的VCMI接口模块丢失。输入输出的处理过程同三冗余系统。 单机系统IO板丢失：如单机系统的IO板丢失，IO板的输出硬件把输出设定到低功率给定的典型应用设定值，输入板的值设定到在主VCMI预先规定的默认值。

三冗余系统IO板丢失：如三冗余系统的IO板丢失，输入输出的处理同上所述，三冗余硬件输出表决和软件故障冗错继续运行。

单机系统的IONet丢失：如单机系统的IONet丢失。IO机架上的输出板超时，输出状态转到预设的默认状态，主VCMI板输入转到默认状态，所以UDH能输出被正确设定。

三冗余系统IONet丢失：输出状态变化同单机系统的控制单元丢失。输入状态变化同三冗余系统的IOVCMI丢失。

2.2.7 轮机保护

轮机超速保护可分为三级：控制保护、紧急保护和主保护。控制保护通过使用燃料或蒸汽阀门的闭环速度控制实现。主超速保护由控制器提供。TTUR端子板和VTUR I/O板把收到的轴速度信号发送至控制器上，在控制器中取中间值。如控制器确定满足跳闸条件，控制器通过VTUR I/O向TRPG端子板发出跳闸信号。三个VTUR输出以2/3表决方式由三-继电器表决回路(每个跳闸电磁阀一个)输出，跳闸电磁阀线圈失电。紧急保护和主保护在图2-18所展示。

图2-18中，展示了的三冗余VPRO保护系统提供紧急超速保护。三个磁检测器发出的轴速度信号传送到保护系统专用端子板TPRO，轴速度信号被VPRO分别接收，每个VPRO决定跳闸时刻。信号被传送到TREG端子板。TRPG和TREG的工作方式相似，也就是，在继电器回路对三个跳闸信号进行表决然后断开跳闸电磁阀电源。因此系统不包含软件表决，使VPRO模块完全。VPRO和控制单元的其它部分的唯一联系是IONet，通过IONet发送状态信息。

对于单机系统保护模块通过伺服端子板TSVO提供附加保护。TREG上J1插头和TSVO的JD1插头用导线相互连接。如插头得电，继电器K1断开伺服输出电流并施加偏移电流强制控制阀门关闭。

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图2-18 主保护和紧急超速保护

2.3 本章小结

本章主要分析Mark Ⅵ控制单元的硬件框架、组成典型控制单元的各个板卡的功能以及Mark Ⅵ控制单元三层网络拓扑结构。在此基础上进一步展开Mark Ⅵ集成控制单元处理多输入变量、多控制对象、实现多控制目标的稳定性和可靠性分析。如对数字量输入输出三选二表决、控制单元三冗余配置、模拟量取中间值表决、三冗余模块的数据的时间同步、几乎不受控制单元故障影响的的轮机保护模块、故障处理程序等均体现了Mark Ⅵ控制单元运行具有高稳定性和高可靠性的特点。保障处于易燃易爆工作环境的燃气轮机高可靠性工作意义十分重要。

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第3章 Mark VI 控制单元软件分析

3.1 引言

对Mark VI控制单元软件部分作的主要工作是研究Mark VI控制单元编程工具软件Control System Toolbox；开展了9FA燃汽轮机Mark VI控制单元功能分析，对燃机控制单元软件控制代码和关键技术进行研究。

3.2 Mark VI 控制单元Control System Toolbox

进入Toolbox界面，打开已有设备或新建立的设备，则Toolbox界面如图3-1所示(例如以打开已有设备文件)。该界面可显示标题栏、状态栏、工具栏以及大纲视图、摘要视图、书签、注释等内容，界面下部状态栏标明了优先级、编辑状态、处理器连接、空闲时间等文件的系统信息。

图3-1 Toolbox打开已有设备文件主界面

Mark VI控制单元项目名称为G1.m6b，项目主要由6大项组成，下面对每一大项的主要用途和主要结构进行简要说明。

3.2.1 系统参数

System Data(系统参数)界面如下图3-1所示，其中各部分说明如下：

Type Definitions是定义系统的信号资源名称，当一个信号进入系统时，它必须与一个资源名有关。信号资源名称确定后，被一并放入到数据库中。

External Signal Definitions是此项确定本控制站使用其他站信号资源变量定义。

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External Scale Definitions是定义系统中所有变量使用的单位。 Network Signal Definitions是网络上的设备状态好坏的信号定义。

Alarm Classes是确定报警信号的分类或分组，同一类或同一组报警信号优先级和颜色是一样的。 Measurement System是确定模拟量的制式单位。一般为公制和U.S制（英制），缺省为U.S。

图3-2 系统参数界面

3.2.2 硬件模块库

Hardware Module Libraries（硬件模块库）涵盖Mark VI控制单元所应用的卡件类型，此大项下边的带＋号的各项代表的是一种卡件类型。每种卡件下拉菜单中又有三小项，分别为：确定信号类型，Type

Definition，处理方法等；输入、输出，SwConfigGrps，是否进行三冗余表决等；Hwconfig，卡件型号、信号数量、连接的接线端子板类型等。硬件模块库界面如下图3-3所示。

图3-3 硬件模块库界面

3.2.3 硬件和I/O定义

Hardware and I/O Definitions(硬件和I/O定义)是现场维护人员重点掌握的内容之一，界面如图3-4所示。

图3-4 硬件和I/O定义界面

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Main Board：Mark VI控制器的CPU安装的主板类型，一般Mark VI控制器只有一种类型：非易失性随机存储器主板。

Mark VI I/O：Mark VI控制单元实际使用的所有卡件种类、卡件数量、站结构、接线端子数量、I/O变量数量、信号范围设置等。维护人员应熟练掌握此大项，对Mark VI的硬件进行快速的故障检查是非常有帮助的。如图3-5所示。

EGD1：EGD Network：EGD（Ethernet Global Data）即以太网络全体数据，EGD是一个控制网络，也是Mark VI控制器的一个协议，它提供一种在以太网络上设备与之间共享动态数据的方式。

图3-5 Mark VI I/O定义界面

3.2.4 宏和模块库

在Mark VI的项目程序结构中出现的Block、Module、Macro和Function名词，他们共同组成了

Mark VI的控制程序图。他们之间的关系是：控制程序是由多种Block(功能块)组成的，功能块是控制程序中的最基本的功能单元；Macro是由多个Block组成，并实现一种特定功能的，这种特定功能在程序中要多次使用。多个Macro和多个Block组成一个特定任务，一个任务或多个任务加在一起完成一定的控制称为Module(模块)，多个Module组成一个Function。Macro and Module Libraries（宏和模块库）界面如3-7所示。

图3-7 宏和模块库界面

3.2.5 功能块库

Block Libraries（功能块库）含有在编程过程中使用的功能块，它分为两部分：TURBLIB和SBLIB。

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TURBLIB含有透平控制专用的功能块如：点火控制、启动控制、IGV控制等，约160个功能块；而SBLIB含有通用的功能块如：电气控制功能块、逻辑功能块、PID控制功能块等，为106个。功能块库界面如图3-6所示。

图3-6 功能块库界面

3.2.6 功能组

Functions (功能组)包括本控制站控制所有控制设备的中间变量和输入、输出和应用程序。

图3-8 功能组界面

而有关它的具体说明已编限于篇幅原因，无法在这里对9FA燃机MARK VI控制程序做详细介绍，，在这里只举例说明模块功能分析方法。 制有《Mark VI 控制单元软件技术手册》

3.3 Mark VI控制功能及程序模块分析

9FA燃机控制程序共采用38个Module实现燃机的控制功能，本课题从Module开始入手，逐级向下分析控制程序。本文选取Start Module作分析实例。

(1)图3-9为电机起动控制程序，通过主保护信号、空余速度信号、正常关闭信号进行布尔运算，运算输出完成序列信号，该信号再与l4m1_fault信号运算得到起动电机变换器驱动系统错误信号。

起动电机变换器驱动系统错误 完成时序 图3-9 电机起动控制

(2) 图3-10为启动方式选择程序，通过轮机暖机、启动电机主允许完成并增加燃料、空余速度信号进行布尔运算，运算后输出的信号分别再进行运算，输出L83CR系列信号，这些信号再作为_SELECT块中输入信号的逻辑判断量，经选择输出起动电机参考设定值，最后经过XVLVO01，输出为起动方式的选择。

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图3-10 起动方式选择

(3)图3-11是主控信号接口功能，输出曲柄电机输出转矩指令。

起动电机变换器驱动系统错误 主控信号接口 曲柄电机make torque命令 图3-11 曲柄电机输出转矩

(4)将轮机高压加速信号经过一阶环节后，与启动时最小加速信号比较，其中较大者与非全速加速监视器信号运算，得出非全速且不加速信号，经过延时后输出燃机未能以非全速加速报警，如下图所示

3-12。

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过滤后TNHA 非全速加速监视器使能60s延时 燃机未能以非全速加速报警

图3-12 启动报警

START模块还具有使能启动电机，启动电机润滑泵超前或滞后逻辑，电机冷却风扇过载，冷却风扇故障，中轴电机系统故障，中轴系统故障，燃汽轮机系统停止状态，润滑油水平报警，断路器开，过程停止，断路器关等信号。

以上选取了控制程序中的Start Module作为分析实例，其他Module模块功能分析请参照《Mark VI 控制单元软件技术手册》。

3.4 本章小结

本章研究了Mark VI 控制单元编程工具软件Control System Toolbox(通用软件工具包)，包括：系统参数、硬件和I/O定义、硬件模块库和功能块库等；开展了9FA燃机Mark Ⅵ控制程序模块功能分析，对燃机控制单元软件控制代码和关键技术进行了研究，为Mark VI控制单元的实际应用与调试以及二次开发奠定了良好的基础。

28

第4章 GE 9FA型燃气轮机的数学模型及其模糊控制仿真研究

4.1 数学模型及其简化

研究燃机及实现控制的最重要步骤是建立燃机合适的数学模型。但是，数学模型太过繁复，使对象动态特性的分析、先进的控制规律的执行在工程上有很多困难，例如自适应控制、状态反馈等。从另一方面来说，工业燃机在过渡过程中发生的物理现象也十分复杂，用数学方程准确、详细地加以描述是很困难的。随着人们对对象在过渡过程中所发生的物理过程逐步深入的理解，例如下列发生在燃机装置过渡过程中的现象：

燃气透平中动叶片和静叶片的膨胀不一致引起径向间隙变化，因此影响透平效率。 叶片边界层的变化会引起压气机特性曲线畸变。 高温部件表面的不稳定换热。

因此，一般在研究中尽可能地把这些物理过程通过数学描述考虑到对象的数学模型中，这样模型阶次越来越高，并且引入很多非线性的相互关系，使问题大大复杂化。此外，各种被详细考虑的因素的动态响应相差很大，导致描述整体对象的动态方程是病态的。正确认识和处理的思路应该是从简单到复杂，然后在深入分析的基础上又回到简单。所以正确合适的模型简化非常重要。

4.2 GE 9FA级重型燃气轮机的简化模型

抓住主要矛盾，得出工业燃机简单的但有一定精度的数学模型是一个必须解决的课题。本节对燃机进行了简明式建模，所得模型源于繁杂的数学方程又有所侧重进行简化，既反映了机组真实的动态特性，又便于实现燃汽轮机的控制仿真研究。

4.2.1 建模对象

绘出了所研究对象及其调节系统的构成框图。如下图4-1中：

T1* T2* 

——压气机进口总温 ——压气机出口总温 ——燃烧室出口总温 ——透平进口总温 ——透平出口总温

*

p1——压气机进口总压力 *p2——压气器出口总压

TB* T3* T4* 

*p3——燃烧室出口总压

*p4——透平出口总压

29

外界空气经过净化后进入压气机，经压气机增压增温与燃料混合进入燃汽轮机的燃烧室，燃烧后的高温气体驱动透平（Turbine）做功，带动发电机发电，同时通过检测转速反馈来控制燃料供给。

4.2.2 GE 9FA燃气轮机数学方程

按照燃机的组成分以下几部分列出相应数学方程，这些方程是得到燃机数学模型的重要基础。 4.2.2.1 单独运行燃机数学模型

(1)数学方程 转子方程推导过程如下：

根据动量矩定律，转子角加速度dω/dt和其转动惯量J的乘积等于作用于转子上的外力矩之和：

J

式中：

dω1

=(MT−Mc−ML)dtω (4-1)

MT——燃气轮机拖动转矩 ML——燃气轮机负载转矩 Mc——燃气轮机摩擦转矩

若以稳态工况为小偏差出发点，写成相对增量的形式，则有：

J

dω1

=(ΔMT−ΔMc−ΔML)dtω

Δωd()ω0ΔMcΔMTΔML1

(MT0)Jω0=−Mc0−ML0

ω0dtMT0Mc0ML0

或

式中：

dχn111

=χMT−χMC−χML

dtTnMTTnMTnMLΔnΔω=

n0ω0

(4-2)

χn=

30

χMT=χMC=χML=

1TnMT

1TnMC

1TnML

ΔMTMT0ΔMTMT0ΔMLML0

MTC

===

ω02J

MC0

ω02J

ML0

ω02J

式(4-2)中TnMT，TnML

， TnMC具有时间的量纲，它们的下角标由两部分组成，第一个字母指

明本方程中的主变量，如式(4-2)中的转速n，第二个字母指明是哪个变量对此主变量的作用，如MT，

ML，Mc…．把式(4-2)进行拉普拉斯变换，则得

111Xn−XMT+XMC=−XML (4-3)

TnM5TnM5TnM5

T

C

L

根据实际运行测试情况，对上式用泰勒级数展开，舍去高阶微量并取相对量，经过整理后得

(30s+5.38)Xn=1.XT3*+3.11XP2*−XML

式中s为拉普拉斯变换算子。

ΔXT3*Δp2*ΔMLΔnΔω==χn=χ=χχ*=**

T30* p2p20* MLML0 n0ω0 T3

X是χ值的拉普拉斯变换。

高温气道不稳定热交换方程推导过程如下：

在过渡过程中的不稳定热交换现象是十分复杂的，它和气道结构、放热系数、汽缸、转子、叶片的冷却方式以及其它一系列因素有关。GE 9FA级燃机，因为广泛采用受热部件的冷却，在稳定工况时金属表面温度就与流过的燃气不同，在负荷变动时它们的温度变化也没有很可靠的数据。要把所有因素全部加以考虑是没有可能，也没有必要。从抓住过程的主要矛盾方面出发，采取必要的简化工作。

气道本身是一个具有分布参数的环节部分，在透平（Turbine）的通流部分中，燃气膨胀做功过程与热交换过程也是同时进行的。为了简化计算，把气道作为一个温度沿程线性分布的环节来考虑，把通流部分中由于蓄、放热量所引起的金属表面温度变化折算到透平（Turbine）入口燃气温度T3的变化上来。这样气道热交换的影响可以通过燃烧室出口处温度TB的改变和透平进口处燃气温度T3的变化关系来表征。

可得气道热交换方程如下：

*

*

*

XT3*XTB*

=

T2s+1

(4-4)

T1s+1

31

XT3*(1.71s+1)=XTB*(0.99s+1)

式中：

XTB*

——燃烧室出口燃气温度TB变化的拉普拉斯变换值

*

XT3*——透平入口燃气温度T3*变化的拉普拉斯变换值

A+1A A−1

T2=Tx

A

Tx ——气道热交换时间常数(s) T1=Tx

A为由气道结构与燃气流量决定的常数，无量纲 压气机与透平之间的容积方程推导过程如下：

考虑到这个容积相对工质的流量比较小，故忽略在过渡过程蓄、放气体影响，用一个代数方程来描述：

ΔGC=ΔGT GC∝(n,p2*) GT∝(n,p2*,T3)

式中：

GC——压气机燃气流量 GT——透平燃气流量

XP2*=1.925Xn+0.4922XT3* (4-4)

经简化及拉普拉斯变换后得：

燃烧室方程推导过程如下： 燃烧室的热平衡方程可描述为：

TB=

式中：

*

qmBcpaT2*+qmf(QuηB+if)

cpg(qmB+qmf)

qmf——燃料消耗量(kg/s)

qmB——燃烧室进口空气流量(kg/s) cpa——空气定压比热容(J/(kg·K)) cpg——燃气定压比热容(J/(kg·K)) Qu——为燃料低发热量(J/kg) if——燃料物理比焓(J/kg)

从此出发，取小偏差后即可得描述燃烧室的代数方程，其中，燃烧室本身容积的蓄、放能量作用比较小。经整理后得：

XTB*=0.155Xp2*−0.81Xn+0.444XB

32

式中，XB为燃机燃料量B的相对变化

ΔB

的拉普拉斯变换。 B0

*

*

上面是描述燃机动态特性的四个方程，式中含有六个变量，即Xn，Xp2，XT3，XTB，XB是输入变量，XML是干扰变量。由于燃机组成部件特性的非线性，上述方程中的系数值会随工况不同而变化，但对恒速运行的机组来说，这些系数值的变化幅度不大。

*

(2)模型框图 依照以上数学方程可以构建，燃机单独运行时的模型框图，图中不同线型虚线框所圈的部分和上面相关部分的方程相对应，如下4-2所示。其中“in 1”-燃气轮机的燃料基准，“out 1”-燃气轮机的运行转速。

0.811XB*0.444XTB*0.99s+11.71s+1XT3*0.491.1030s+538Xn*251Out1In13.110.155XP2*1.925

图4-2 单机运行燃气轮机传递函数方块图

4.2.2.2 并网机组数学模型

(1)数学方程 并网机组的转子方程

J

式中：

dω1

=(MT−Mc−ML) (4-5) dtωMT——燃气轮机拖动转矩 Mc——燃气轮机摩擦转矩 ML——燃气轮机负载转矩

其中，负载力矩ML应表达为功角θ0的函数，而功角θ0是发电机电势与电网电压两个旋转向量之间的夹角。

ΔML=

因此，

∂ML

Δθ0 ∂θ0

tΔωt∂ML∂ML

dt=KML0∫χndt Δθ0=ω0∫0ω0∂θ0∂θ0

式中：

K=

假定负载力矩与功角θ0成正比，并提取θ0max为45。，则：

∂MLω0∂θ0ML0

K=

∂ML

θ0max

=

ω0

ML0

=680

[1/s]

33

经拉普拉斯变换后有：

(30s+5.38+

680

)Xn=1.XT3*+3.11Xp2*s

当燃机发电机组并网运行时除功角有少量变化外，宏观上看转速是恒定的，故在容积方程和燃烧室方程中，可以忽略转速变化的影响，即在上述方程式中略去Xn，得

Xp2*=0.4922XT2*

*

*

XTB=0.155Xp2+0.444XB

图中不(2)模型框图 结合燃机单独运行及上述数学方程可以构建燃气轮机并网运行时的模型框图，其中“in 1”是燃气轮机的同颜色线型虚线框所圈定的部分与上面相关部分的方程对应，如下图4-3所示。燃料基准，“out 1”是燃气轮机的运行转速。

1In10.4440.99s+1XB*XTB0.155*1.71s+1XT3*0.4921.s230s +5.38s+680680s13.11Xn*Out1XP2*

图 4-3 并网运行时燃气轮机的传递函数方块图

4.3 GE 9FA燃机的MATLAB建模和单给定闭环仿真

本节主要进行了燃机的MATLAB建模和单给定闭环仿真，其中对于模糊控制器的构成进行了重点阐述。本节的模糊控制器和建模结果既可以应用于单给定闭环仿真系统也可以用于多给定(例如第4节的双给定仿真)闭环仿真系统。

对于建模工作，分别针对燃机发电并网运行和运行两种情况构造了SIMULINK/MATLAB下的燃机相应情况的系统模型图。

针对所建立的单独运行模型，首先应用常规PI控制进行闭环仿真，仿真时分为阶跃给定和数值变化两种情况。在这个基础上又应用模糊控制进行同样的仿真研究。

针对所建立的并网运行模型，根据燃机并网的有差特性，首先我们应用常规P控制进行闭环仿真，仿真时分为阶跃给定和数值变化两种情况。在此基础上又应用模糊控制进行了同样的仿真研究。

无论是燃机的单机还是并网运行，与传统PI控制及P控制相对照，可知所设计的模糊控制器均能达到预期的目标，并且是可行而有效的。从而也可以说明本次关于燃机的智能控制尝试也是切实而有意义的。

4.3.1 燃机模型的MATLAB/SIMULINK实现

MATLAB是CACSD(Computer Aided Control System Design)优秀软件的代表，它的功能主要是可靠的图形处理和数值计算等，同时提供和其他程序设计语言的接口。SIMULINK是MATLAB中的控制单元模型图形输入和仿真工具，在SIMULINK系统下，控制模块的开发者可以直接利用鼠标在模型窗口中建立起所需的控制单元模型，并可应用其所提供的仿真功能对系统进行模拟。

在MATLAB/SIMULINK环境下实现的燃气轮机模型和上节所建立的传递函数一一对应，分单独运

34

行和并网运行两种情况列举如下。

图4-4中“In 1”表示燃气轮机模型的输入给定，“Out 1”表示燃气轮机模型的输出响应。

0.810.99s+11In10.490.1550.4441.71s+11.1030s+538251Out13.111.925

(a) 单机运行模型

1In10.1550.4440.99s+11.71s+11.s230s +5.38s+680680s1Out10.4923.11

(b)并网运行模型

图4-4 燃气轮机模型的MATLAB/SIMULINK实现

4.3.2 模型的开环运行

燃机一般都被设计为通过改变燃料量来达到改变燃机工况的目的。对于几何不可变的单轴燃机来说，只有一个变量，使燃机的工况确定下来，只需要确定一个参数即可。在建立了SIMULINK/MATLAB环境下的仿真模型后，以转速输出为目标，为输入提供燃料两种给定方式：阶跃恒值和阶跃变值。测取了燃机开环运行时的输出响应。该测试工作可以为即将给出的经典PI和现代模糊两种闭环控制效果提供衡量和对比的依据。 4.3.2.1 单独运行转速开环

图4-5(a)、图4-5(b)分别是燃料阶跃恒值和阶跃变值给定燃机单独运行时的输入与输出对照图，由以下两图可见虽然燃机的转速可以按照输入的变化趋势改变，但因为系统是开环的，所以输入和输出之间是有差性质。

(a) 阶跃恒值 (b) 阶跃变值

图4-5 单独运行转速开环给定与响应

4.3.2.2 并网发电转速开环

对于并网模型，转速的高低决定了并网电压的高低。与单独运行情况一致，在开环状态下，系统的

35

典型特征也是有差跟随性质。图4-6(a)、图4-6(b)所示分别是燃料阶跃恒值和变值给定燃机并网发电运行时的输入与输出对照图，两图中响应具有高频振荡特性与已有文献资料所分析的并网运行时的高速衰减特征一致。

(a) 阶跃恒值 (b) 阶跃变值

图4-6 并网发电转速开环给定与响应

4.3.3 经典PI控制

4.3.3.1 燃机主控制单元

燃机主控制单元根据排气温度、负荷指令等控制要求来调节燃料量。主控制单元包括转速控制、启动控制、温度控制、停机控制、加速度控制、手动控制等子系统，各个子系统的输出通过低选环节选出最小值作为燃料控制基准FSR(Fuel Stroke Reference)。以上子系统中启动、加速度、停机等控制仅在燃机并网前、解列后或甩负荷时起作用。由单轴燃机的运行范围可知，燃机的运行范围是受限的，两个最重要的就是速度和温度，即如果转子转速或燃烧室出口温度超过它的额定值，燃机的安全就要受到极大威胁。有时为防止过大的热应力，对燃机的加速度也要有所。

为兼顾以上对燃机运行的，燃机的控制单元大多都采用温度控制单元、转速控制单元、加速度控制单元3个部分如下图4-7所示的方式。3个控制单元都输出燃料基准，经过最小值选择器输出最小的燃料基准。在正常运行情况下，转速控制单元燃料的输出值是最小的，即转速控制单元起调节工况的作用，如下图4-8所示。只有在特殊的情况下，温度控制单元和加速度控制单元投入使用，以确保机组的安全。输出燃料基准作为燃料供给模块的基准命令，控制燃料系统动作来改变燃料供给量，从而达到调节燃机工况的目的。

图4-7 燃气轮机主控制单元示意图

图4-8 燃气轮机转速控制单元示意图

36

4.3.3.2 单独运行PI控制

目前经典PID调节器特别是PI调节器在工业过程控制中仍占有很大的比例。

其主要优点是：根据被控对象的不同，适当调整PID参数，在系统模型为非时变的情况下可以获得比较满意的控制效果，而且鲁棒性很强。

其主要缺点是：当一个调好参数的PID控制器用到模型参数时变系统时，系统性能会变差，甚至于不稳定。另外，在对PID参数进行整定的过程中，PID参数的整定值是具有一定区域的优化值，而并不是全局的最优值，因此该控制方法不能从根本上解决稳态精度和动态品质的矛盾。

4-9(a)、4-9(b)两图中给出了应用典型PI调节器时的仿真构成图，(a)图为阶跃恒速给定，(b)图为阶跃变速给定。两图结构基本一致，从左往右依次为：输入环节、反馈环节、控制器、被控对象及输出环节。

基本控制过程为：给定和反馈信号形成转速误差信号，当进入转速PI调节器进行控制，调节器输出产生燃料基准进一步的控制燃机，燃机的转速经检测后又作为反馈信号参与控制。4-10(a)、4-10(b)两图是与其相对应的输入输出响应图，因此无论是在恒速给定还是在变速给定的情况下，因为有合理的调节器存在，所以输出能够保持与输入一致的变化趋势，并且具有良好的跟踪功能。

Mux0.81Step scope0.99s+13Step12KiKp1sIntegratorSaturation0.4440.1551.71s+11.1030s+538251Out10.493.111.925Dead Zone27.5Step scope1

(a) 阶跃恒速给定

Mux0.81Step scope0.99s+13Step112KiSignalGeneratorKp1sIntegratorSaturation0.4440.1551.71s+11.1030s+538251Out10.493.111.925Dead Zone27.5Step scope1

(b) 阶跃变速给定

图4-9 单独运行转速PI闭环仿真模型

37

(a) 阶跃恒速给定 (b) 阶跃变速给定

图4-10 单独运行转速PI闭环仿真结果

4.3.3.3 并网运行P控制

燃机的转速控制单元分为两种方式即有静差和无静差。在实际的并网运行中，转速有差控制单元是调节燃机输出功率最基本的方式。而以上这两种方式分别是为适应不同的负荷特性而设计的。通过调整转速给定值，来调整转速基准和实际转速之间偏差，进而改变输出燃料给定值，最终达到调整负荷的目的。有差调节系统采用P调节器，即调节器的输出与调节器的输入成正比，而调节器的输入值为速度基准和实际转速之间的偏差。

由于在实际的设备中，不可避免会存在一些时间常数，因此调节器实际上是一个比例惯性环节，因此仿真中P调节器也依此而设计的。

4-11(a)、4-11(b)两图给出了应用典型P调节器时的燃机发电并网仿真构成图，(a)图为阶跃恒速给定，(b)图为阶跃变速给定。两图基本结构类同并和前述方案一致。

控制中，转速的给定用来体现并网系统中负荷变化对转速的要求，还可反映电网运行中电压的波动，转速的改变配合发电机的励磁调整可使得发电机组适时改变输出的端电压和不同性质的功率。4-12(a)、

4-12(b)两图是与不同转速基准相对应的输入输出响应图，可见两图均展现了比例控制的有差特性，说明了此调节器对并网运行控制的有效性。

MuxStep1 scope10s+50.1s+1StepSaturation0.1550.4923.11Scope10.90.99s+11.71s+1s230s +5.38s+680680s0.4441.1Out1

(a) 阶跃恒速给定

38

MuxStep1 scope10s+50.1s+1Step1Saturation0.1550.4923.11Scope10.90.99s+11.71s+1s230s +5.38s+680680s0.4441.1Out1SignalGenerator

(b) 阶跃变速给定

图4-11 并网发电转速P闭环仿真模型

(a)阶跃恒速 (b)阶跃变速

图4-12 并网发电转速P闭环仿真结果

4.3.4 现代模糊控制

控制理论基本可分为以严格的数学模型为基础的经典控制理论和少依赖或不依赖于系统模型的控制理论（即所谓的智能控制）两类。它又可分为专家系统控制、神经元网络控制和模糊控制等。

1965年美国的控制论专家L. A. Zadeh教授创立了模糊集合论，从而为描述研究和处理模糊性现象提供了一种新工具。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新的控制手段，它是模糊技术和模糊系统理论与自动控制技术相结合的产物。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，标志着人工智能发展到了一个新阶段。这种方法不仅能实现控制，还能模拟人的思维方式，对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效控制。作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，自模糊控制学诞生以来，逐步成为人们思考问题的重要方，也产生了许多探索性甚至是突破性的应用与研究成果。目前，模糊控制已在电站控制的应用研究中展现出强大的生命力，并获得了一定的研究成果。燃机和模糊控制的结合无论在理论还是在应用上都势必会激发更多的控制理论研究人员和相关领域的工程技术人员更大的兴趣，并促进其展开进一步的深入研究和探讨。 4.3.4.1 燃气轮机模糊控制单元与设计

(1)模糊控制单元：基于模糊逻辑的智能控制方法为燃机控制增添新的途径，图4-13为模糊逻辑理论应用于燃机控制的系统框图。nref为燃气轮机转速控制的给定值，Ke和Ked分别为偏差e、偏差变化率ed的量化增益，Ku为控制器输出比例增益，与e、ed、u对应的模糊变量是E、ED、U。模糊控制

39

的核心是模糊控制器，从图4-13中可见它由三部分组成，分别是模糊化部分、模糊推理部分和解模糊部分。

下面阐述利用SIMULINK/MATLAB环境下模糊逻辑工具箱设计应用于燃机控制的模糊控制器的过程：

模糊控制器选择二维输入的结构，单维输出结构模式：以误差e和误差的变化率ed作为输入，以得出模糊后变化量U为输出控制变量。

精确量的模糊化。模糊控制器运用一定语言控制规则进行工作，因此以自然语言形式给出输入输出变量的。根据精度需要本模糊控制器中ed与e的语言模糊集为：NB，NM，NZ，NS，PZ，PM，PS，

PB。设计中语言变量的隶属函数选择为三角形(如下图4-14所示)，图形和参数可从工具箱中直接定义。先确定输入输出变量的模糊子集、隶属函数、论域，再确定规模化论域内元素对模糊语言变量的隶属度，并根据此建立语言变量ED、U、E赋值表。

nrefKeddteEUKededEDKuunnbac

图4-13 燃气轮机模糊控制单元框图

图4-14 隶属函数示意图

建立控制规则集R：规则集R是在大量操作者的经验与历史数据基础上，工作人员的一条控制策略相对应一条模糊条件语句，例如下面：

IF E=PB，THEN U=PB；

IF E=PS and CE=PB，THEN U=PB；……

IF-THEN语句的IF部分代表本文中的产生控制的依据，THEN部则表示控制行为。 针对燃机的全部模糊逻辑如表4-1所示。

40

表4-1 模糊逻辑构成表 D P NB NM NS de/dt NB NB NB NB NB NM PZ PZ PZ NMNBNBNBNMNMPZPZPZNSNMNMNMNMPZPZPSPSNZNMNMNSNZPSPSPSPSPZNSNSNSNSPZPSPMPMPSNSNSNZNZPMPMPMPMPMNZNZNZPMPMPBPBPBPB NZ NZ NZ PM PB PB PB PB e NZ PZ PS PM PB 输出信息的模糊判决，完成由模糊量到精确量之间的转化。计算得到的模糊控制输出量U乘以输出比例因子KU即得出精确控制量u，即实际加到被控制过程上的控制变化量。由模糊控制原理可知，模糊控制器输出的是一个模糊集合，它反映控制语言的不同取值的一种组合，充分利用输出模糊集合中所包含的信息，从工具箱中定义标准解模糊方法，例如最大隶属度法、重心法等。

(2)模糊控制器及其控制规则图示：应用上述思想设计所得的燃机模糊控制器如下4-15所示，其中“ref in1”为给定量，“back in2”为反馈量，“out 1”为控制器输出，“in”与“out”中间部分为模糊控制器。

1ref In12back In22KP2s0.02s+1Tran KDFuzzy Logic Controller with RuleviewerKU1.9251Out1

图4-15 燃机模糊控制器

相关模糊控制规则图形的展示如下图4-16所示，(a)图为二维规则展示，图中的数字列为模糊控制规则集序列，图形列依次分别为误差，误差率和控制输出量和控制规则的对应关系。(b)图为三维模糊规则展示，前面底边对应误差，左侧底边对应误差率，立方体棱对应控制输出量，立方体所圈定的彩色区

域代表控制规则序列。图形表示的控制规则带来了更为直观的理解和判断，会有益于规则的修改和完善。

图4-16 模糊控制规则图形表示

41

4.3.4.2 单独运行模糊控制

4-17(a)、4-17(b)两图中给出了应用模糊调节器时的燃机单独运行仿真构成图，(a)图为阶跃恒速给定，(b)图为阶跃变速给定。两图基本结构类同并和以上叙述方案一致。

4-18(a)、4-18b) 两图中是与其相对应的输入输出响应图，可见无论是在恒速给定还是在变速给定的情况下，系统在模糊控制的闭环运行时，均可有效实现系统对给定的跟随，取得和传统经典控制相似的效果。

与传统控制相区别的是，引入模糊控制后，该控制器对于系统被控对象的数学模型的准确度依赖大为降低，因此有效增强了控制的鲁棒性，这对于多变量且强非线性的燃机而言是非常有益的。

至此我们可以发现同常规控制方法比较，模糊控制有很明显的优越性。模糊控制实际上是运用计算机去执行工作人员的控制方法，从而可以避开繁复的数学模型。

对于时变的、非线性大后滞及带有随机干扰的系统，因为数学模型很难建立，因此常规控制方法也就失去作用，针对这样的系统，设计一个模糊控制器，却没有多大困难。下面关于并网运行仿真也进一步说明了此问题。

Mux0.81Step scope20.99s+12Step1KP12s0.02s+1Tran KD1KU21/27.527.5Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer1KU10.1550.491.9250.4441.71s+11.1030s+538251Out23.111.925Step scope3

(a) 阶跃恒速给定

Mux0.81Step scope20.99s+12Step2KP12s0.02s+1Tran KD1SignalGeneratorKU21/27.527.5Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer1KU10.1550.491.9250.4441.71s+11.1030s+538251Out23.111.925Step scope3

(b) 阶跃变速给定

图4-17 单独运行转速模糊控制闭环仿真模型

(a) 阶跃恒速给定 (b) 阶跃变速给定

图4-18 单独运行转速模糊控制仿真结果

42

4.3.4.3 并网运行模糊控制

4-19(a)、4-19(b)两图给出了应用模糊调节器时的燃机并网运行仿真构成图，(a)图为阶跃恒速给定，(b)图为阶跃变速给定。两图基本结构类同并和上述方案一致。

4-20(a)、4-20(b) 两图是与其相对应的输入输出响应图。从图中可以看出，模糊控制器不依赖被控对象的模型，鲁棒性强。与经典P控制比较，模糊控制与常规控制的结果相似，随着转速基准的升与降，燃机的转速也随之升降，这实际上也对应了发电机供电电压和输出功率的变化，这与实际过程相吻合。模糊控制比常规控制动态响应快，无振荡超调，跟随性好。但从图4-20(a)可见在阶跃恒速给定时，模糊控制仍然在不断调整工作，这是模糊控制最终到达稳定阶段的时间比常规控制长的表现，这也反映了模糊控制自身精度不高的缺点。但对于燃机并网系统而言，电网的频率、电压及负荷情况总是随机波动的，这就意味着并网工作中燃机会大部分时间工作在“变速”调整状态。由此模糊控制器的优势可以得到良好的发挥。

MuxStep1 scope2Step1KP2s0.02s+1Tran KDScope10.9Fuzzy Logic Controller with RuleviewerKU0.1550.4923.110.99s+11.71s+1s230s +5.38s+680680s1.9250.4441.1Out1

(a) 阶跃恒速给定

MuxStep1 scope2Step1KP2s0.02s+1Tran KDSignalGenerator0.9Scope1Fuzzy Logic Controller with RuleviewerKU0.1550.4923.110.99s+11.71s+1s230s +5.38s+680680s1.9250.4441.1Out1

(b) 阶跃变速给定

图4-19 并网运行转速模糊控制闭环仿真模型

4.4 GE 9FA燃气轮机的双给定双调节器闭环系统仿真

燃机有两个主要的控制方面。一个是燃机透平排气温度的控制，另一个是对透平转速的控制，透平排气温度的恒定可以有效防止透平叶片高温伤害，还可以保证当燃气轮机用于联合循环时余热锅炉的运行效率，而透平转速的恒定直接关系到其带载能力所以对这两方面的控制直接影响燃气轮机的运行质量和效率。

43

(a) 阶跃恒速给定 (b) 阶跃变速给定 图4-20 并网运行转速模糊控制仿真结果

对燃机而言有两个可调量：压气机进口导叶开度(IGV)和燃料流量。图4-7绘出了以燃料基准(FSR)为主导基于最小值低选器的燃机主要控制单元的示意图。

其中转速控制单元为燃机正常运行时的主导系统，起到关键决定作用。温度控制单元和加速度控制单元本质上都是系统，正常运行时处于开环状态，当参与控制时则按照所设计的控制律执行相关连操作。

加速度控制单元了燃机的升速过程，作用是当燃机启动或甩负荷后，帮助转速控制单元将过渡过程的动态超速抑制在允许范围内。温控系统通过燃机燃料流量保证不会超温度燃烧，从而保证燃机的正常运行和使用寿命。

为此本文在第3节已进行的单一转速给定控制的基础上，开展了基于最小值低选器的双给定双调节燃机控制单元仿真的研究。本次仿真的主要目的有两个，其一，将模糊现代智能控制引入到基于最小值低选器的多调节器系统中，从已有文献来看，目前燃机的模糊控制应用大多为单给定的运行，本文采用是的模糊控制与经典控制相并行的双给定双调节器结构进一步推广了模糊控制在燃机控制中的应用范畴。其二，验证和测试最小值低选器的作用。仿真模型中低选器合理正确的工作将会为进一步开展广泛的燃机的研究工作提供有力的支持。

4.4.1 双给定双调节系统的构建

采用模糊控制速度调节和PI控制温度调节系统如下图4-21所示，图中所采用的PI调节器及模糊控制器与前面章节的相关内容具有相同结构和规则。因为采用了最小值选择器所以两套调节器能够有彼此的给定和控制器形式，本系统中采用转速模糊调节器和温度PI调节器。

MuxScope120.81Scope102In2KP1s0.02s+1Tran KD1Scope11Scope91 In1Kp22KU41/200.025s+1Ki21.51sIntegrator2Saturation2Scope10.75Fuzzy Logic Controller12.2-K-minKU2MinMax2Scope130.99s+10.4441.71s+10.490.1551.1030s+538Scope143.111.925251Out125 图4-21 燃机双给定双调节器仿真模型

44

4.4.2 双给定双调节系统的仿真

4.4.2.1 基本思路

(1)仿真思路：针对构建双给定双调节器仿真系统，进行了两种思路的仿真： 第一类通过调整相同恒值阶跃形式的给定来验证最小系统正确工作与否；

第二类通过分别施加不同恒值与变值的给定来进一步考察现代控制与经典控制结合应用的有效性与可行性。

(2)仿真给定说明：按照以上思路下图4-22三图分别给出了第一类仿真情况的给定示意，从左往右分别对应(a)模糊与经典控制同时恒值给定，对应转速温度同时给定，(b)经典给定滞后，对应温度滞后，

(c)模糊给定滞后，对应转速给定滞后。4-23两图中分别给出了第二类仿真情况的给定示意，从左往右分别对应(a) 经典给定变化，对应变温度情况，(b)模糊给定变化，对应变转速情况。

(a) 同时给定 (b) 经典给定滞后 (c) 模糊给定滞后

图4-22 第一类仿真的给定示意

Step4SignalGeneratorStep1

图4-23 第二类仿真给定示意

4.4.2.2 仿真结果

(a) 经典给定变化 (b) 模糊给定变化

按照上述思路应用所建立的仿真系统，在SIMULINK/MATLAB环境下进行仿真研究，所得结果分别示于下图4-24和下图4-25。图4-24的三个小图对应第一类仿真结果，结果的排列顺序和上图4-22相同。图4-25的两个小图对应第二类仿真结果，结果的排列顺序和上图4-23相同。

对于上图4-22和下图4-24同为阶跃恒值但发生时刻不同的情况，(a)同时给定，(b)先给定转速，(c)先给定温度，仿真中设定速度和温度给定到位后才可以启动燃机，可见无论给定的先后顺序如何，最小值选择器均能严格选择具有最小值的调节器输出作为燃料基准，最典型的表现就是不同时施加给定时无给定的调节器输出为最小值，否则燃气轮机不启动工作。本项工作主要可以验证最小值选通器是合理和有效。

对于上图4-23和下图4-25同为给定恒变值结合情况，一种是阶跃恒值给定，一种是阶跃变值给定，

(a)转速恒值温度变值，(b)转速变值温度恒值。依然可见燃料基准的选择遵循调节器最小值的输出。此外，

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本项工作还展示了基于最小值选通控制时现代模糊控制与经典PI控制双给定双调节系统可以互相配合正常工作，这就为现代控制及现代控制与经典控制的深入应用进行了有益的尝试。

(a) 同时给定 (b) 经典给定滞后 (c) 模糊给定滞后

图4-24 第一类给定的仿真结果

(a) 经典给定变化 (b) 模糊给定变化

图4-25 第二类给定的仿真结果

4.5 本章小结

燃机是一种复杂的热动力装置，建立一个有一定精度且又实用的燃机动力学模型是对其开展其它各种仿真和研究的基础。本章从燃机的工作原理出发，建立燃机的数学模型，包括并网运行数学模型和单独运行数学模型；开展控制单元仿真研究，探索了一种燃汽轮机模糊控制新方法，以期望解决常规控制技术难以保证燃机控制指标问题。建立了基于MATLAB的仿真模型，开展了模糊控制和传统PI控制的对比研究。研究表明，模糊控制不是完全依赖系统精确数学模型，具有较强的鲁棒性，有益于提高燃机的转速控制性能。

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结 论

燃机及其联合循环以投资费用低、供电效率高、建设周期短、排放污染小的明显优势，将逐步取代传统的汽轮机电站，并且会对我国21世纪国民经济发展和环境保护有重大影响。在一定程度上，燃机的控制单元性能决定着相应的动力装置的经济性、变工况性能和安全性能。本课题针对9FA重型燃机控制单元进行硬件和软件工程实际分析，开展了燃机建模与控制研究，得出下列结论：

(1)对Mark VI集成控制单元的硬件进行了分析，主要分析Mark VI控制单元的硬件框架、组成典型控制单元的各个板卡功能、Mark VI控制单元三层网络拓扑结构。Mark VI集成控制单元可实现处理多控制对象、多输入变量、实现多控制目标的温度性和可靠性分析。

(2)研究了Mark VI 控制单元编程工具软件Control System Toolbox(通用软件工具包)，包括：系统参数、硬件、硬件模块库和I/O定义和功能块库等；对9FA燃机Mark VI控制程序模块功能分析，对燃机控制单元软件控制代码和关键技术进行了研究，可用于Mark VI 控制单元的实际应用与调试及二次开发。

(3)燃机有两个主要的控制参数。一个是对透平排气温度的控制，另一个是燃机透平转速控制，透平转速的恒定直接关系到发电质量，而排气温度的恒定对保证下层设备余热锅炉的效率非常重要。因此，从燃机的工作原理出发，建立燃机的数学模型，探索一种燃机模糊控制的新方法，以期望解决常规控制技术难以保证燃机控制指标问题。建立了基于MATLAB仿真模型，开展了模糊控制和传统PI控制的对比研究。研究证明，模糊控制不是完全依赖系统精确数学模型，具有较强的鲁棒性，有利于提高燃机的转速控制性能。

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参考文献

[1] 魏静. 燃气轮机控制技术研究. [东南大学硕士学位论文].2008:1-4

[2] 张丽红. MarkⅥe控制单元在电厂燃气轮机中的应用.价值工程,2010,(21):224

[3] 刘尚明, 韦思亮, 倪维斗. 从Mark I到Mark VI至后Mark VI——兼谈燃气轮机的控制技术发展.燃气轮机技术,2001,14(1):22-26.

[4] 刘孝鑫.燃气轮机控制单元——SPEEDTRONIC Mark Ⅵ.电气时代,2009,(8):104-105

[5] 杨惠新. 燃气轮机控制单元MARK VI介绍.华东电力,2004,32(8),59-62. [6] 薛银春, 孙健国. 燃气轮机控制技术综述. 航空动力学报,2005,20(6):65-69 [7] SPEEDTRONIC Mark Ⅵ Turbine Control,Volume I. GEH21. [8] SPEEDTRONIC Mark Ⅵ Turbine Control,Volume Ⅱ.GEH21.

[9] 魏静, 陈艳军, 张建国. 联合循环电站燃气轮机控制单元的建模研究. 燃气轮机技

术,2011,24(1):45-50

[10] 李立军.容错技术在燃气轮机控制单元MARK V中的应用. 燃气轮机技术,2003,2(56):113-115

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攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

1 《燃气轮机MARK VI控制系统的分析与使用》获2006年哈尔滨动力设备股份有限公司秦皇岛分公司科研项目评审一等奖

2 《燃气轮机数据采集及分析报告》获2006年哈尔滨动力设备股份有限公司秦皇岛分公司科研项目评审二等奖

3 2006年参加与燕山大学共同合作的科研项目，负责MARKVI控制系统软件部分 4 2007年参加与清华大学博士共同合作的科研项目，负责HMI部分

5《燃气轮机控制系统软件关键技术和二次开发》获2008年哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司科研成果评审一等奖

6 《燃汽轮机试车调试技术研究》获2008年秦皇岛市科学技术进步奖二等奖

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致 谢

本论文是在孙舒杨老师的悉心指导下得以完成的。从论文的立题、理论研究、到论文撰写整个过程，处处都浸透着老师的心血。老师渊博的知识、严谨的治学态度、求实的工作作风、勇于探索的精神以及对科学孜孜不倦的追求、使我受益非浅，永远值得我学习。在此向孙舒杨老师表示衷心的感谢!

同时也很感谢我的同事们，正是有了他们的帮助，才使得我的课题研究和论文撰写能够顺利进行，非常感谢他们的热心帮助和大力支持。

最后，对评审本论文的各位教授、老师表示衷心的感谢!

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作者简介

姓名：郎朗 性别：女 民族：汉

出生年月： 1979年1月 籍贯： 辽宁省沈阳市

学历简介：

2000年至2004年就读于燕山大学计算机科学与技术专业

2005至今在哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司主要从事9FA重型燃汽轮机的装配和试车技术工作，经培训得到GE公司的认可并发给操作许可证，共完成24台9FA型燃汽轮机总装、燃机性能测试工作。

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