水轮机调节系统的参数辨识与控制策略研究

精确的水轮机调节系统数学模型不仅是水轮发电机组仿真和水力过渡过程的基础,而且对于电力系统的动态计算、稳定性评估和控制器优化都具有极其重要的意义。目前我国水轮机组正向大型化和复杂化的方向发展,已建或拟建的水电站具有单机容量大、引水系统复杂、水流惯性巨和水力电力耦合密切等特点。这些特点给水轮机调节系统的建模与控制带来了极大的困难,使电力系统的安全稳定运行面临着严峻的考验。在此背景下,本文在深入研究水轮机调节系统工作原理的基础上,分别搭建出水轮机调节系统的线性数学模型和非线性数学模型,凝练出水轮机调节系统的参数辨识、控制规律设计及PID控制器参数优化所面临的科学问题,结合智能算法、未知参数观测器法、同步参数观测器法、多目标控制器、线性滑模控制器设计和非线性滑模控制器设计,对水轮机调节系统的参数辨识、控制参数整定和先进控制策略进行了深入的探索研究,提出了水轮机调节系统线性模型辨识-控制和非线性模型辨识-控制一体化体系,论文主要研究工作和创新成果如下:(1)采用分块建模的方法,把水轮机调节系统划分为引水系统、水轮机、发电机和调速器四个子系统,分别对其进行机理建模,推导出各子系统的不同数学模型和表达式,分析了不同数学模型的适用范围条件,从而整合成整个系统的线性数学模型和非线性数学模型,为系统的参数辨识及控制策略的研究奠定了基础。(2)以水轮机调节系统线性模型的参数辨识为求解问题,在智能算法的理论框架下,将模型参数辨识问题转变为求解函数极值的优化问题;针对调节对象时变,多输入多输出和非最小相位的特点,提出了一种改进引力搜索算法,并通过不同工况仿真试验验证了所提出方法在水轮机调节系统线性模型参数辨识中的可行性。(3)结合水轮机调节系统非线性模型的结构特征,提出了蚁狮优化算法,未知参数观测器法和同步参数观测器法三种辨识方法。其中未知参数观测器法和同步参数观测器法是现代观测器方法求解水轮机调节系统非线性模型参数辨识问题的首次尝试。通过对同一模型仿真,从辨识系统的阶数,结构,独立性和所得结果方面对三种辨识方法的效果进行了比较,分析了每种辨识方法的优劣,探讨了其适用范围。(4)针对单目标PID参数智能整定方法难以满足水轮机调节系统多工况运行和参数时变的特点,提出了多目标PID控制器参数优化方法,把多目标智能优化算法引入到水轮机调节系统线性模型控制器参数整定过程中。为了进一步提高控制器的调节性能,将整数阶PID控制器延伸到分数阶领域,提出了分数阶PID控制器,并将其应用到线性模型中,实现了水轮机调节系统多工况下的参数整定。同时,为了克服控制器输出饱和受限的情况,提出了一种双曲正切函数逼近饱和建模的方法。(5)针对传统PID控制策略在复杂的水轮机调节系统非线性模型中适应性差的问题,引入了几种滑模变结构控制方案。为了减弱常规滑模控制中的抖振现象,分别提出了模糊滑模和智能模糊滑模控制策略;考虑到常规滑模控制在线性滑模面条件下状态只能渐进收敛的特点,引入了非线性终端滑模的概念,提出了传统终端滑模控制器和快速终端滑模控制器;针对水轮机调节系统非线性模型中存在的饱和环节和死区环节,分别进行了饱和补偿器设计和死区RBF补偿器设计。