水力机组非线性控制策略及其工程应用研究

摘要

水轮机调节系统是一个集水力、机械、电气为一体的，具有非最小相位、非线性、时变特性的复杂的非线性控制系统。为了要满足水轮机调节系统静态和动态性能的要求，需要研究具有较高可靠性、稳定性的水轮发电机组控制非线性策略。而且，还需要对实现该控制策略工程应用的相关技术进行研究。 本文的主要内容及创新点如下： 1.提出了一种将一个非仿射型的非线性控制系统构造成仿射型的非线性控制系统的方法：即对其基于某个特定工况点做近似的处理，进而把原非线性系统构造成仿射型的非线性控制系统。这样，就可以进一步利用非线性系统控制理论的相关方法设计其非线性控制规律。 2.依据微分几何非线性控制理论中输出对扰动解耦的控制算法，设计了水力机组非线性状态反馈控制规律，该控制规律能够反映水轮机调节系统的时变、非线性特性并考虑了有压引水管道水流惯性的不利影响。所有的控制变量都是当地可测变量，与电网的参数无关。 3.提出了一种新的改进的粒子群优化算法，并以水轮机转速偏差的加权ITAE指标作为改进粒子群优化算法的适应度函数。计算结果表明，改进粒子群优化算法无论是对水力机组非线性控制策略还是对水轮机常规PID控制规律都是一种简单有效的参数优化方法。 4.使用Simulink支持的S函数格式，用MATLAB语言编制描述水轮机传递系数时变、非线性特性的程序，构成S函数模块供Simulink调用。建立了MATLAB/Simulink软件环境下的具有时变水轮机传递系数的水轮机调节系统动态非线性计算机仿真模型，并以此模型为基础，建立了水力机组非线性控制策略计算机仿真模型。基于该仿真模型的计算机对比仿真实验的结果表明水力机组非线性控制策略具有较好的控制性能。 5.将水力机组非线性控制策略移植到高性能32位可编程计算机控制器PCC中，成功研制了具有非线性控制功能的水轮机数字调节器实验室装置。同时，本文利用基于PCC的水轮机调节系统动态实时仿真仪与安装了水力机组非线性控制规律的水轮机数字调节器组成闭环回路进行对接仿真实验，实验结果也验证了水力机组非线性控制策略的有效性。

目录

文摘

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前言

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第一章绪论

1.1水轮机调节系统控制策略的研究现状及应用

1.1.1水轮机调速器的发展现状

1.1.2水轮机调节系统控制策略的研究现状

1.2微分几何非线性控制理论的研究现状及应用

1.3其它非线性控制理论

1.4粒子群优化算法的研究现状及应用

1.5目前研究中存在的一些问题

1.6本文的研究内容与主要工作

1.7本文的组织结构

第二章水力机组非线性控制策略

2.1微分几何非线性控制理论基本原理

2.1.1非线性坐标变换与微分同胚

2.1.2向量场及其导出映射

2.1.3李导数

2.1.4非线性控制系统的关系度

2.2输出对扰动解耦的控制算法

2.3水轮机调节系统数学模型

2.3.1有压引水管道数学模型

2.3.2水轮机数学模型

2.3.3发电机和电网数学模型

2.3.4电液随动系统数学模型

2.3.5水轮机调节系统数学模型

2.3.6水轮机调节系统状态方程

2.3.7水轮机调节系统常规PID控制规律

2.4水力机组非线性控制策略

2.4.1增广水轮机调节系统状态方程

2.4.2水轮机调节系统仿射型非线性方程组

2.4.3水力机组非线性控制策略设计

2.5小结

第三章改进的粒子群算法及其在水力机组控制参数优化设计中的应用

3.1粒子群算法的基本原理

3.1.1基本粒子群优化算法

3.1.2粒子群优化算法的典型变化和改进

3.2本文提出的改进粒子群优化算法IDPSO

3.3 IDPSO的优化性能分析

3.3.1常用基准测试函数

3.3.2各种粒子群算法的参数设置

3.3.3实验结果

3.4 IDPSO在水力机组控制参数优化设计中的应用

3.4.1适应度函数的确定

3.4.2原始计算数据

3.4.3控制参数优化计算结果

3.5小结

第四章水力机组非线性控制策略计算机仿真的实现

4.1水轮机调节系统动态非线性计算机仿真模型

4.1.1 MATLAB/Simulink软件环境简介

4.1.2水轮机调节系统动态非线性计算机仿真模型

4.2水力机组非线性控制策略的计算机仿真模型

4.3水力机组非线性控制策略的计算机仿真分析

4.3.1水轮机调节系统采用电站原始基本参数的过渡过程对比仿真实验

4.3.2机组带纯电阻性负荷时的过渡过程对比仿真实验

4.3.3主接力器反应时间常数增加时的过渡过程对比仿真实验

4.3.4机组惯性时间常数减小时的过渡过程对比仿真实验

4.3.5有压引水系统水流惯性时间常数增加时的过渡过程对比仿真实验

4.4总结

第五章水力机组非线性数字调节器设计

5.1水轮机非线性数字调节器的硬件系统

5.1.1高性能32位可编程计算机控制器PCC简介

5.1.2水轮机非线性数字调节器采用的控制器

5.1.3水轮机非线性调速器采用的其它硬件

5.1.4水轮机非线性数字调节器硬件系统的整体结构

5.2水轮机非线性数字调节器的软件设计

5.2.1 PCC的分时多任务操作系统

5.2.2 PCC的编程语言

5.2.3水轮机非线性数字调节器的软件结构

5.2.4水轮机非线性数字调节器主要功能的实现

5.3水轮机调节系统动态实时仿真仪

5.3.1水轮机调节系统动态实时仿真仪的硬件设备

5.3.2水轮机调节系统动态实时仿真仪的软件设计

5.4水轮机非线性数字调节器与仿真仪的闭环实验

5.5总结

第六章总结与展望

6.1本文总结

6.2未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢