非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法，屬于非線 性控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水輪機(jī)組作為一種典型的非最小相位系統(tǒng)，其傳統(tǒng)控制方法為在小波動(dòng)情況下采 用系統(tǒng)的線性化模型，然后采用PID控制方法，但是這一方法存在很大局限性，當(dāng)系統(tǒng)非線 性特性十分明顯時(shí)，這種方法將不再適用。
[0003] 非小相位系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法一直是人們研宄的重點(diǎn)，由此產(chǎn)生了各種不同的控 制方法和策略，近似線性化方法和微分幾何方法是其中最常用的兩種方法。
[0004] 近似線性化的基本思想是在狀態(tài)空間的平衡點(diǎn)處用全微分來(lái)代替系統(tǒng)的增量，從 而將系統(tǒng)近似轉(zhuǎn)換為線性系統(tǒng)，從而進(jìn)行控制。然而實(shí)際系統(tǒng)非常復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾 動(dòng)偏離平衡點(diǎn)時(shí)，線性系統(tǒng)就很難表征此時(shí)實(shí)際的系統(tǒng)特性，那么這時(shí)的控制器的調(diào)節(jié)效 果就很難達(dá)到實(shí)際性能要求，因此客觀上就需要在明確考慮實(shí)際系統(tǒng)的非線性特征的基礎(chǔ) 上設(shè)計(jì)非線性控制器。
[0005] 近三十年來(lái)，人們將微分幾何理論應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的控制，這一方法通過(guò)一個(gè) 合適的坐標(biāo)變換與一個(gè)恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)反饋將原非線性系統(tǒng)進(jìn)行精確反饋線性化得到線性標(biāo) 準(zhǔn)型，從而對(duì)其中的線性子系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器，與近似線性化方法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)并不 局限于平衡點(diǎn)而能夠在狀態(tài)空間的一個(gè)足夠大的域甚至整個(gè)狀態(tài)空間中精確的轉(zhuǎn)化為線 性系統(tǒng)。該方法在對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化的過(guò)程中，通過(guò)微分同胚變換可將原非線性系 統(tǒng)變換為兩部分：線性子系統(tǒng)描述的外部動(dòng)態(tài)和非線性子系統(tǒng)描述的內(nèi)部動(dòng)態(tài)（即零動(dòng) 態(tài)）。對(duì)于非最小相位系統(tǒng)（即零動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的系統(tǒng)），僅對(duì)線性子系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的能使外部 動(dòng)態(tài)滿足某種性能要求的控制器卻難以保證系統(tǒng)內(nèi)部零動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定，因此非最小相位特性 使基于微分幾何的精確反饋線性化方法遇到了極大挑戰(zhàn)。
[0006] 為了真正實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)組高性能控制，就必須要解決非線性、非最小相位特性對(duì)系 統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所造成的不良影響，尋求一種有效的控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法，能很好的克服在生產(chǎn)過(guò)程中因非線性非最小相位特性所產(chǎn)生的不 利影響，且能保證在系統(tǒng)較大的運(yùn)行范圍內(nèi)都有良好的控制效果。
[0008] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特 征在于，包括水輪機(jī)組、控制器、電液伺服系統(tǒng)、測(cè)頻回路、導(dǎo)葉傳感器、流量傳感器、保護(hù)單 元、人機(jī)交互，所述控制器上設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換模塊、輸出，所述控制器的輸出分別通過(guò)所述 電液伺服系統(tǒng)、所述保護(hù)單元與所述水輪機(jī)組相連接；所述控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊分別通 過(guò)所述測(cè)頻回路、所述導(dǎo)葉傳感器、所述流量傳感器與所述水輪機(jī)組相連接，所述測(cè)頻回路 用來(lái)測(cè)量水輪機(jī)組的機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差，所述導(dǎo)葉傳感器用來(lái)測(cè)量導(dǎo)葉開度，所述流量傳感器 用來(lái)測(cè)量有壓引水管道流量；所述控制器與所述人機(jī)交互相連接，所述人機(jī)交互負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn) 對(duì)水輪機(jī)組系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示與操控。
[0009] 優(yōu)選地，所述電液伺服系統(tǒng)包括電氣液壓型調(diào)速器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，所述氣液壓型調(diào) 速器的一端與所述控制器的輸出相連接，所述氣液壓型調(diào)速器的另一端與所述電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 的一端相連接，所述電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的另一端與所述水輪機(jī)組相連接。
[0010] 優(yōu)選地，所述控制器為DSP控制器。
[0011] 本發(fā)明還提出一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在 于，具體包括如下步驟：
[0012] SS1根據(jù)IEEE給出的水輪機(jī)組非彈性水錘方程，建立水輪機(jī)組非線性數(shù)學(xué)模型；
[0013] SS2將所述非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確狀態(tài)反饋線性化，得到線性化后的標(biāo)準(zhǔn)型系 統(tǒng)；
[0014] SS3驗(yàn)證被控系統(tǒng)是否是非最小相位系統(tǒng)；
[0015] SS4將標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)的非線性子系統(tǒng)作分解處理；
[0016] SS5建立系統(tǒng)控制器的一般形式為v = -Kx+VNL;
[0017] SS6通過(guò)極點(diǎn)配置理論確定待定參數(shù)K ;
[0018] SS7通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論確定待定參數(shù)vNIj;
[0019] SS8利用DSP控制器來(lái)設(shè)計(jì)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0020] 優(yōu)選地，所述步驟SS1包括：控制器根據(jù)參考輸入及系統(tǒng)的狀態(tài)變量來(lái)給出控制 量u，經(jīng)過(guò)電液伺服系統(tǒng)后，其輸出為導(dǎo)葉傳感器行程變化偏差的相對(duì)值y，其關(guān)系為dy/dt =(u_y)/T y，Ty為導(dǎo)葉傳感器響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；采用非彈性水錘方程的水輪機(jī)非線性模型為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，包括水輪機(jī)組、控制 器、電液伺服系統(tǒng)、測(cè)頻回路、導(dǎo)葉傳感器、流量傳感器、保護(hù)單元、人機(jī)交互，所述控制器上 設(shè)置有A/D轉(zhuǎn)換模塊、輸出，所述控制器的輸出分別通過(guò)所述電液伺服系統(tǒng)、所述保護(hù)單元 與所述水輪機(jī)組相連接；所述控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊分別通過(guò)所述測(cè)頻回路、所述導(dǎo)葉傳 感器、所述流量傳感器與所述水輪機(jī)組相連接，所述測(cè)頻回路用來(lái)測(cè)量水輪機(jī)組的機(jī)組轉(zhuǎn) 速偏差，所述導(dǎo)葉傳感器用來(lái)測(cè)量導(dǎo)葉開度，所述流量傳感器用來(lái)測(cè)量有壓引水管道流量； 所述控制器與所述人機(jī)交互相連接，所述人機(jī)交互負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)組系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示與 操控。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在 于，所述電液伺服系統(tǒng)包括電氣液壓型調(diào)速器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，所述氣液壓型調(diào)速器的一端與 所述控制器的輸出相連接，所述氣液壓型調(diào)速器的另一端與所述電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的一端相連 接，所述電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的另一端與所述水輪機(jī)組相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在 于，所述控制器為DSP控制器。
4. 一種采用權(quán)利要求3所述的非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其 特征在于，具體包括如下步驟： SS1根據(jù)IEEE給出的水輪機(jī)組非彈性水錘方程，建立水輪機(jī)組非線性數(shù)學(xué)模型； SS2將所述非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確狀態(tài)反饋線性化，得到線性化后的標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)； SS3驗(yàn)證被控系統(tǒng)是否是非最小相位系統(tǒng)； SS4將標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)的非線性子系統(tǒng)作分解處理； SS5建立系統(tǒng)控制器的一般形式為v = -Kx+vm; SS6通過(guò)極點(diǎn)配置理論確定待定參數(shù)K ; SS7通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論確定待定參數(shù)vNIj; SS8利用DSP控制器來(lái)設(shè)計(jì)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，所述步驟SS1包括：控制器根據(jù)參考輸入及系統(tǒng)的狀態(tài)變量來(lái)給出控制量u， 經(jīng)過(guò)電液伺服系統(tǒng)后，其輸出為導(dǎo)葉傳感器行程變化偏差的相對(duì)值y，其關(guān)系為dy/dt = (u_y)/Ty，Ty為導(dǎo)葉傳感器響應(yīng)時(shí)間常數(shù)；采用非彈性水錘方程的水輪機(jī)非線性模型為：
其中q'為有壓引水管道水流量相對(duì)值，G為導(dǎo)葉開度相對(duì)值；h' 1為水頭損失相對(duì) 值；P' ^為水輪機(jī)的機(jī)械功率相對(duì)值；q' nl為空載流量相對(duì)值；At比例系數(shù)，通常為常數(shù)； f為水頭損失系數(shù)，式中忽略了速度阻尼偏差，其中G = 1-y ; 發(fā)電機(jī)采用一階模型：
mt為水輪機(jī)主動(dòng)力矩偏差相對(duì)值，m g(l為負(fù)荷擾動(dòng)，x為機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差相對(duì)值，e g為發(fā)電 機(jī)負(fù)載自調(diào)節(jié)系數(shù)取為〇 ;再考慮到水輪機(jī)主動(dòng)力矩偏差相對(duì)值mt機(jī)組主動(dòng)力矩的相對(duì)值 11^t，水輪機(jī)有功功率相對(duì)值P' ，機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差相對(duì)值X， 機(jī)組轉(zhuǎn)速相對(duì)值w，存在如下關(guān)系：
因此選取q'，G，x作為狀態(tài)變量，x為輸出，建立狀態(tài)方程如下：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非最小相位控制的水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其包括如下步驟：SS1根據(jù)IEEE給出的水輪機(jī)組非彈性水錘方程，建立水輪機(jī)組非線性數(shù)學(xué)模型；SS2將所述非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確狀態(tài)反饋線性化，得到線性化后的標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)；SS3驗(yàn)證被控系統(tǒng)是否是非最小相位系統(tǒng)；SS4將標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)的非線性子系統(tǒng)作分解處理；SS5建立系統(tǒng)控制器的一般形式為；SS6通過(guò)極點(diǎn)配置理論確定待定參數(shù)；SS7通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論確定待定參數(shù)；SS8利用DSP控制器來(lái)設(shè)計(jì)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本發(fā)明能很好的克服在生產(chǎn)過(guò)程中因非線性非最小相位特性所產(chǎn)生的不利影響，且能保證在系統(tǒng)較大的運(yùn)行范圍內(nèi)都有良好的控制效果。
【IPC分類】F03B15-00
【公開號(hào)】CN104806438
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510221003
【發(fā)明人】王萬(wàn)成, 徐佼, 陳倩, 陳春梅
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月4日