作为最重要的控制功能之一,转速负荷控制贯穿于燃气轮机运行的整个过程,对保证燃气轮机安全稳定和高效地工作起非常关键的作用。本文针对一款三轴燃气轮机,以精简控制系统结构、提升控制系统性能和抗干扰性为目的,建立了部件级模型和实时模型,设计了基于模型预测控制的转速负荷控制器,并进行了全数字仿真平台和硬件在回路仿真平台的验证。首先,建立了燃气轮机部件级模型和实时模型。基于T-MATS提供的发动机部件库和仿真框架,建立了燃气轮机部件级模型,并以此模型为基础进行分段线性化,采用一种基于高低压转速的状态变量模型调度方法,建立燃气轮机分段线性化实时模型。仿真结果表明该调度方法具有较高的精度,极大提高了实时模型的准确性和实时性。其次,研究了基于模型的燃气轮机先进控制算法。根据传统的转速负荷串级PI控制方案,提出了一种串级PID-MPC控制方案,重点研究了燃气轮机转速负荷控制和基于模型预测控制的限制管理。结果表明,该方案较传统的串级PI方案具有更好的动态性能,且可实现燃气轮机多约束的管理,验证了该方案的可行性。再次,开展了燃气轮机模型和转速负荷控制器在全数字仿真平台的集成与验证。将基于模型的设计MBD方法建立的燃气轮机部件级模型、实时模型和转速负荷控制器集成在航空发动机/燃气轮机全权限控制系统设计综合平台FWORKS中,并总结了模型和控制算法封装、集成和验证的方法、流程。通过设计不同情况下的仿真测试向例,对燃气轮机模型和控制算法开展全面的验证。最后,探究分析了串级PID-MPC控制算法的实时性,指出了目前该方案在硬件平台中实现的困难性。最后,进行了燃气轮机模型在硬件在回路实时仿真平台的集成与验证。通过对硬件在回路平台集成与验证的需求分析,分别总结了在该平台中模型和控制算法的封装、集成、配置和下载的方法。最终,经过开环和闭环的测试向例仿真,验证了本文所建立的燃气轮机部件级模型及实时模型的有效性和实时性。