Современные системы управления техническими объектами базируются на математической модели объекта, его цифровом двойнике - Model-Based Control (MBC), Model Predictive Control (MPC). Также развитие современных систем диагностики невозможно без формирования математической модели диагностируемого объекта, его цифрового двойника.
Основой для построения цифрового двойника, в частности, могут является различные модели, основанные на идее фильтра Калмана.
Текущее состояние газовой турбины определяется вектором состояния, компонентами которого являются давления, температуры, концентрации топлива в различных точках газового потока, обороты валов и другие параметры. Как показывает практика в состав цифрового двойники во многих случаях рационально включать и агрегат, приводимый в движение газо-турбинной установкой - центробежный нагнетатель, электрический генератор и другие. На рисунке приведен пример вектора состояния системы, состоящей из газовой турбины и центробежного нагнетателя.
Число компонент вектора состояния, которое необходимо определять на каждом шаге решения, может быть существенно больше числа измеряемых параметров. При этом число и состав измеряемых параметров могут меняться от агрегата к агрегату - даже на одной станции газо-турбинные установки могут быть оснащены разными наборами датчиков.
Цифровой двойник может использоваться для нахождения или уточнения неизвестных констант, таких как коэффициент расхода мерной шайбы системы подачи топлива, текущей теплотворной способности топлива и др. Разрабатывались цифровые двойники оценивающие текущую мгновенную концентрацию топлива в различных точка потока в переходных режимах работы турбины.
Цифровой двойник может использоваться в системах управления и в диагностических методиках для оценки наиболее достоверных значений параметров, измеряемых датчиками, имеющими погрешность измерения. Цифровой двойник также может использоваться для оценки значений параметров, не измеряемых датчиками.
На рисунке показаны результаты тестирования цифрового двойника газотурбинного двигателя. В одном из тестов в алгоритм цифрового двойника не подавался сигнал от датчика давления за осевым компрессором, в другом тесте не подавался сигнал от датчика температуры за турбиной низкого давления. Восстановленные цифровым двойником значения параметров были практически близки к результатам измерений. Также цифровой двойник рассчитал ряд параметров, которые не измерялись на тестируемом двигателе, но представляли интерес при диагностировании технического состояния двигателя: температуры за осевым компрессором и за камерой сгорания, давления за камерой сгорания.
Описанные тесты и успешное использование цифровых двойников в системах управления и диагностики показывают целесообразность развития и совершенствования подходов к созданию цифровых двойников технических объектов, в том числе газо-турбинных установок.