水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)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(guò)渡過(guò)程的基礎(chǔ)，而且對(duì)于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算、穩(wěn)定性評(píng)估和控制器優(yōu)化都具有極其重要的意義。目前我國(guó)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(lái)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(yàn)。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(xiàn)性數(shù)學(xué)模型和非線(xiàn)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(shí)、控制規(guī)律設(shè)計(jì)及PID控制器參數(shù)優(yōu)化所面臨的科學(xué)問(wèn)題，結(jié)合智能算法、未知參數(shù)觀(guān)測(cè)器法、同步參數(shù)觀(guān)測(cè)器法、多目標(biāo)控制器、線(xiàn)性滑?？刂破髟O(shè)計(jì)和非線(xiàn)性滑?？刂破髟O(shè)計(jì)，對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)、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(xiàn)性模型辨識(shí)-控制和非線(xiàn)性模型辨識(shí)-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(gè)子系統(tǒng)，分別對(duì)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(gè)系統(tǒng)的線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型和非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)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(xiàn)性模型的參數(shù)辨識(shí)為求解問(wèn)題，在智能算法的理論框架下，將模型參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼夂瘮?shù)極值的優(yōu)化問(wèn)題；針對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象時(shí)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(guò)不同工況仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)線(xiàn)性模型參數(shù)辨識(shí)中的可行性。
　　(3)結(jié)合水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線(xiàn)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(guān)測(cè)器法和同步參數(shù)觀(guān)測(cè)器法三種辨識(shí)方法。其中未知參數(shù)觀(guān)測(cè)器法和同步參數(shù)觀(guān)測(cè)器法是現(xiàn)代觀(guān)測(cè)器方法求解水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線(xiàn)性模型參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題的首次嘗試。通過(guò)對(duì)同一模型仿真，從辨識(shí)系統(tǒng)的階數(shù)，結(jié)構(gòu)，獨(dú)立性和所得結(jié)果方面對(duì)三種辨識(shí)方法的效果進(jìn)

5、行了比較，分析了每種辨識(shí)方法的優(yōu)劣，探討了其適用范圍。
　　(4)針對(duì)單目標(biāo)PID參數(shù)智能整定方法難以滿(mǎn)足水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)多工況運(yùn)行和參數(shù)時(shí)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(xiàn)性模型控制器參數(shù)整定過(guò)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(xiàn)性模型中，實(shí)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(shí)，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(duì)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(xiàn)性模型中適應(yīng)性差的問(wèn)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?？刂撇呗裕豢紤]到常規(guī)滑?？刂圃诰€(xiàn)性滑模面條件下?tīng)顟B(tài)只能漸進(jìn)收斂的特點(diǎn)，引入了非線(xiàn)性終端滑模的概念，提出了傳統(tǒng)終端滑?？刂破骱涂焖俳K端滑模控制器；針對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線(xiàn)性模型中存在的飽和環(huán)節(jié)和