论文总字数：32781字

摘 要

燃气轮机发电技术是能源高效清洁利用的重要途径之一，可有效缓解随着我国日益严峻的能源短缺和环境污染问题。但目前燃气轮机控制系统多被德国、美国、日本等国家的公司所垄断。针对目前我国燃气轮机控制系统的不完善现状，本文对三菱M251S重型燃气轮机的控制策略进行了研究、分析和仿真，论文主要研究内容包括：

（1）依据三菱燃气轮机控制策略，深入了解燃气轮机控制系统的组成和各主要控制子系统的控制原理，完成燃气轮机控制组态搭建和部分人机画面设计；进行了燃气轮机冷态启动仿真实验，获得燃气轮机启动过程曲线，验证了各控制组态的功能。

（2）利用燃气轮机仿真对象进行了开环阶跃实验，并分析了燃气轮机对象的动态特性，辨识了燃气轮机对象的传递函数模型，同时，采用相对增益法分析了其主要参数之间的关联性。

（3）针对燃气轮机多变量耦合特征，利用前馈解耦原理设计了多变量PID解耦控制系统，并与三菱原有控制策略进行了仿真比较，结果表明多变量PID解耦控制能够改善燃气轮机的控制效果；针对燃气轮机的强时变不确定性、强非线性、工况易变的特点，提出利用模糊控制在线自适应调整PID控制器参数方法，并设计了多变量模糊PID解耦控制系统，与多变量PID解耦控制系统的仿真对比表明利用模糊控制优化PID控制具有可行性。

关键字：燃气轮机，仿真，前馈解耦，模糊控制

ABSTRACT

Gas turbine power generation technology is one of the important ways for energy efficient clean utilization, which can effectively alleviate the increasingly serious energy shortage and environmental pollution problems in China. However, gas turbine control systems are currently monopolized by companies in Germany, the United States, and Japan. In view of the imperfect status of gas turbine control system in China, this paper studies, analyzes and simulates the control strategy of Mitsubishi M251S heavy-duty gas turbine. The main research contents include:

1.According to the Mitsubishi gas turbine control strategy, detail the composition of the gas turbine control system and the control principles of each major control subsystem, complete gas turbine control configuration and partial human-machine screen design; the cold start simulation test of the gas turbine was carried out, and the whole process curve of the gas turbine startup was obtained, and the functions of each control configuration were verified.

2.The open-loop step experiment of the gas turbine simulation object is carried out, and the dynamic characteristics of the gas turbine object are analyzed. The transfer function model of the gas turbine object is identified. At the same time, the correlation between the main parameters is analyzed by the relative gain method.

3.Aiming at the multivariable coupling characteristics of gas turbine, the multivariable PID decoupling control system is designed by using the feedforward decoupling principle. The simulation results show that multivariable PID decoupling control can improve the control effect of gas turbine; Aiming at the characteristics of gas turbine's strong time-varying uncertainty, strong nonlinearity and variable working conditions, this paper proposes an adaptive online adjustment of PID controller parameters using fuzzy control, and designs a multivariable fuzzy PID decoupling control system. Simulation comparison of PID decoupling control system shows that it is feasible to use fuzzy control to optimize PID control.

KEY WORDS：gas turbine, simulation, feedforward decoupling, fuzzy control

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

英文名称缩写汇总表 1

第一章 绪论 3

1.1研究背景及意义 3

1.2重型燃气轮机控制系统商业应用现状 3

1.3重型燃气轮机控制技术研究现状 4

1.4本文的研究内容 5

第二章 三菱燃气轮机控制系统控制逻辑设计与仿真 6

2.1燃气轮机本体结构及基本工作过程介绍 6

2.2三菱M251S燃气轮机控制系统 6

2.2.1总体介绍 6

2.2.2自动负荷调节（ALR） 7

2.2.3转速控制 8

2.2.4负荷控制 8

2.2.5温度控制 9

2.2.6燃料限制控制 10

2.2.7最小选择控制 10

2.2.8进气导叶（IGV）控制 11

2.3三菱M251S燃气轮机控制组态搭建与仿真 12

2.3.1仿真平台介绍 12

2.3.2控制组态搭建 12

2.4机组冷态启动仿真实验 16

2.4.1仿真实验前期准备工作 16

2.4.2机组冷态启动仿真实验 19

2.5现场联调出现的问题及解决措施 20

2.6本章小结 21

第三章 三菱M251S燃气轮机多变量PID解耦控制 22

3.1三菱M251S燃气轮机动态数学模型辨识 22

3.1.1多变量对象的基本介绍 22

3.1.2多变量对象的开环实验 23

3.1.3多变量对象的工具箱辨识 26

3.1.4多变量对象的关联性分析 27

3.2三菱M251S燃气轮机多变量PID解耦控制 28

3.2.1多变量动态数学模型的解耦补偿 28

3.2.2三菱M251S燃气轮机多变量PID解耦控制系统设计 29

3.2.3仿真研究 31

3.3三菱M251S燃气轮机多变量模糊PID解耦控制 34

3.3.1常规PID控制方法 34

3.3.2模糊PID控制的提出 35

3.3.3模糊控制原理 35

3.3.4模糊PI控制器设计 36

3.3.5仿真研究 40

3.4本章小结 47

第四章 结论与展望 48

4.1论文所做的工作 48

4.2存在的问题及展望 48

参考文献 50

致 谢 52

英文名称缩写汇总表

目前三菱控制逻辑中各信号均为英文缩写，为了描述的方便，现将下文图例中可能出现的英文名称缩写释义汇总如下所示。

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

能源电力行业是国家发展的基石。随着中国近几十年来，经济和社会的快速发展，能源短缺和环境污染等问题也日益凸显。现实要求我们提高能源电力行业对能源清洁和高效的要求。

重型燃气轮机是目前效率最高的热-功转换类发电设备之一，现代先进的重型燃机简单循环和联合循环的热效率已分别达到了40%-41%和60%-61%^[1]。相比传统燃煤发电，燃气轮机发电具有环保、节能、启停迅速等众多优点，发展重型燃气轮机发电技术是目前实现能源高效清洁利用的重要途径之一。燃气轮机控制技术作为燃气轮机的核心技术，其性能直接影响着机组变工况时的稳定性、安全性和经济性，是燃气轮机运行性能与安全的重要保障。实现燃气轮机核心技术国产化重要一步是了解掌握现有的先进重型燃气轮机控制系统及其技术。因此，掌握并发展燃气轮机控制技术具有重要意义。

1.2重型燃气轮机控制系统商业应用现状

目前，重型燃气轮机控制技术经过多年的研发、发展和竞争，已经形成高度垄断的局面，即以GE、西门子/ 西屋、三菱等主导公司为核心，其他制造公司多为其合作伙伴，合作生产或购买其制造技术生产^[1]。

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