非线性PID控制器在微型燃气轮机中的应用

王迪 赵转 李星宇

摘 要

本文设计了一款适用于微型燃气轮机的非线性PID控制器，并将非线性PID控制器和经典PID控制器分别加入微型燃气轮机模型中进行仿真对比，仿真结果表明非线性PID控制器可使微型燃气轮机有更好的稳定性。

关键词

微型燃气轮机;非线性PID控制器;稳定性

中图分类号： TM311;TP273            文献标识码： A

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

0 引言

微型燃气轮机一般是指功率在几百千瓦以内的小型热动装置。功率为数百千瓦及以下的燃气轮机在20世纪40～60年代就已存在，但由于其发电效率低，长期以来，几十至几百千瓦的小型发电机组市场一直由内燃发电机组占领。随着高效回热器由军用转入民用，微型燃气轮机的发电效率明显提高。与常规发电机组相比，微型燃气轮机具有可靠性高、寿命长、环境污染小、燃料适应性好和便于灵活控制等优点，这些优点使得微型燃气轮机在热电联供、分散式供电和车辆混合动力方面的应用得到了迅猛发展。

该领域大多数学者把研究的重点放在微型燃气轮机的模型建立上，对微型燃气轮机的新型控制器的研究还较少，现将非线性PID控制器应用于该领域，在稳定性方面与经典PID控制器做比较。

1 微型燃气轮机模型

微型燃气轮机的工作原理为：压气机输出的高压空气进入燃烧室与燃料混合，持续燃烧，产生高温高压的燃气;输出的高温高压燃气进入燃气涡轮膨胀产生机械转矩推动涡轮转动，进而带动压气机及发电机高速旋转，实现了燃料的化学能向电能的转化。微型燃气轮机模型如图1所示。

微型燃气轮机的控制包含三方面：速度控制、温度控制和燃料控制。

2 非线性PID控制器

3.2 仿真结果对比及分析

仿真时，在25s的时候将负荷减小0.3（标幺值），在45s的时候再将负荷升回1（標幺值）。

由图4和图5的仿真结果可以看到，非线性PID控制器明显提高了微型燃气轮机的稳定性。对于燃料流量和转速，不论是在刚开始的过渡过程，还是在负载发生变动，然后恢复稳定状态的过程，都可明显看到，在非线性PID控制器作用下系统的超调量较经典PID控制器作用下的小，且过渡时间和恢复稳定状态的时间明显地缩短，尤其是转速能够被较快控制在给定转速。

4 结论

本文设计了一种适用于微型燃气轮机控制的非线性PID控制器，并将其应用在微型燃气轮机模型上。仿真结果表明，非线性PID控制器能够提高微型燃气轮机的稳定性，较经典PID有更好的控制性能。

参考文献

[1]韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报，1994，20（4）：487-490.

[2]韩京清，王伟.非线性跟踪-微分器[J].系统科学与数学，1994，14（2）：177-183.