水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識與控制策略研究.pdf

1、精確的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不僅是水輪發(fā)電機(jī)組仿真和水力過渡過程的基礎(chǔ)，而且對于電力系統(tǒng)的動態(tài)計算、穩(wěn)定性評估和控制器優(yōu)化都具有極其重要的意義。目前我國水輪機(jī)組正向大型化和復(fù)雜化的方向發(fā)展，已建或擬建的水電站具有單機(jī)容量大、引水系統(tǒng)復(fù)雜、水流慣性巨和水力電力耦合密切等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)給水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模與控制帶來了極大的困難，使電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨著嚴(yán)峻的考驗。在此背景下，本文在深入研究水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，分別搭建出水

2、輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型和非線性數(shù)學(xué)模型，凝練出水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識、控制規(guī)律設(shè)計及PID控制器參數(shù)優(yōu)化所面臨的科學(xué)問題，結(jié)合智能算法、未知參數(shù)觀測器法、同步參數(shù)觀測器法、多目標(biāo)控制器、線性滑模控制器設(shè)計和非線性滑?？刂破髟O(shè)計，對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識、控制參數(shù)整定和先進(jìn)控制策略進(jìn)行了深入的探索研究，提出了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)線性模型辨識-控制和非線性模型辨識-控制一體化體系，論文主要研究工作和創(chuàng)新成果如下：
　　(1)采用分塊

3、建模的方法，把水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)劃分為引水系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和調(diào)速器四個子系統(tǒng)，分別對其進(jìn)行機(jī)理建模，推導(dǎo)出各子系統(tǒng)的不同數(shù)學(xué)模型和表達(dá)式，分析了不同數(shù)學(xué)模型的適用范圍條件，從而整合成整個系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型和非線性數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)的參數(shù)辨識及控制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)以水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)線性模型的參數(shù)辨識為求解問題，在智能算法的理論框架下，將模型參數(shù)辨識問題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼夂瘮?shù)極值的優(yōu)化問題；針對調(diào)節(jié)對象時變，多輸入多輸出和非最小

4、相位的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)引力搜索算法，并通過不同工況仿真試驗驗證了所提出方法在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)線性模型參數(shù)辨識中的可行性。
　　(3)結(jié)合水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性模型的結(jié)構(gòu)特征，提出了蟻獅優(yōu)化算法，未知參數(shù)觀測器法和同步參數(shù)觀測器法三種辨識方法。其中未知參數(shù)觀測器法和同步參數(shù)觀測器法是現(xiàn)代觀測器方法求解水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性模型參數(shù)辨識問題的首次嘗試。通過對同一模型仿真，從辨識系統(tǒng)的階數(shù)，結(jié)構(gòu)，獨(dú)立性和所得結(jié)果方面對三種辨識方法的效果進(jìn)

5、行了比較，分析了每種辨識方法的優(yōu)劣，探討了其適用范圍。
　　(4)針對單目標(biāo)PID參數(shù)智能整定方法難以滿足水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)多工況運(yùn)行和參數(shù)時變的特點(diǎn)，提出了多目標(biāo)PID控制器參數(shù)優(yōu)化方法，把多目標(biāo)智能優(yōu)化算法引入到水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)線性模型控制器參數(shù)整定過程中。為了進(jìn)一步提高控制器的調(diào)節(jié)性能，將整數(shù)階PID控制器延伸到分?jǐn)?shù)階領(lǐng)域，提出了分?jǐn)?shù)階PID控制器，并將其應(yīng)用到線性模型中，實現(xiàn)了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)多工況下的參數(shù)整定。同時，為了克服控制

6、器輸出飽和受限的情況，提出了一種雙曲正切函數(shù)逼近飽和建模的方法。
　　(5)針對傳統(tǒng)PID控制策略在復(fù)雜的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性模型中適應(yīng)性差的問題，引入了幾種滑模變結(jié)構(gòu)控制方案。為了減弱常規(guī)滑?？刂浦械亩墩瘳F(xiàn)象，分別提出了模糊滑模和智能模糊滑模控制策略；考慮到常規(guī)滑?？刂圃诰€性滑模面條件下狀態(tài)只能漸進(jìn)收斂的特點(diǎn)，引入了非線性終端滑模的概念，提出了傳統(tǒng)終端滑?？刂破骱涂焖俳K端滑?？刂破?；針對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性模型中存在的飽和環(huán)節(jié)和