非線性PID控制器在微型燃氣輪機中的應用

王迪 趙轉 李星宇

摘 要

本文設計了一款適用于微型燃氣輪機的非線性PID控制器，并將非線性PID控制器和經典PID控制器分別加入微型燃氣輪機模型中進行仿真對比，仿真結果表明非線性PID控制器可使微型燃氣輪機有更好的穩定性。

關鍵詞

微型燃氣輪機;非線性PID控制器;穩定性

中圖分類號： TM311;TP273 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 17

0 引言

微型燃氣輪機一般是指功率在幾百千瓦以內的小型熱動裝置。功率為數百千瓦及以下的燃氣輪機在20世紀40～60年代就已存在，但由于其發電效率低，長期以來，幾十至幾百千瓦的小型發電機組市場一直由內燃發電機組占領。隨著高效回熱器由軍用轉入民用，微型燃氣輪機的發電效率明顯提高。與常規發電機組相比，微型燃氣輪機具有可靠性高、壽命長、環境污染小、燃料適應性好和便于靈活控制等優點，這些優點使得微型燃氣輪機在熱電聯供、分散式供電和車輛混合動力方面的應用得到了迅猛發展。

該領域大多數學者把研究的重點放在微型燃氣輪機的模型建立上，對微型燃氣輪機的新型控制器的研究還較少，現將非線性PID控制器應用于該領域，在穩定性方面與經典PID控制器做比較。

1 微型燃氣輪機模型

微型燃氣輪機的工作原理為：壓氣機輸出的高壓空氣進入燃燒室與燃料混合，持續燃燒，產生高溫高壓的燃氣;輸出的高溫高壓燃氣進入燃氣渦輪膨脹產生機械轉矩推動渦輪轉動，進而帶動壓氣機及發電機高速旋轉，實現了燃料的化學能向電能的轉化。微型燃氣輪機模型如圖1所示。

微型燃氣輪機的控制包含三方面：速度控制、溫度控制和燃料控制。

2 非線性PID控制器

3.2 仿真結果對比及分析

仿真時，在25s的時候將負荷減小0.3（標幺值），在45s的時候再將負荷升回1（標幺值）。

由圖4和圖5的仿真結果可以看到，非線性PID控制器明顯提高了微型燃氣輪機的穩定性。對于燃料流量和轉速，不論是在剛開始的過渡過程，還是在負載發生變動，然后恢復穩定狀態的過程，都可明顯看到，在非線性PID控制器作用下系統的超調量較經典PID控制器作用下的小，且過渡時間和恢復穩定狀態的時間明顯地縮短，尤其是轉速能夠被較快控制在給定轉速。

4 結論

本文設計了一種適用于微型燃氣輪機控制的非線性PID控制器，并將其應用在微型燃氣輪機模型上。仿真結果表明，非線性PID控制器能夠提高微型燃氣輪機的穩定性，較經典PID有更好的控制性能。

參考文獻

[1]韓京清.非線性PID控制器[J].自動化學報，1994，20（4）：487-490.

[2]韓京清，王偉.非線性跟蹤-微分器[J].系統科學與數學，1994，14（2）：177-183.