非最小相位控制的水轮机组转速调节系统及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统及设计方法，属于非线 性控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 水轮机组作为一种典型的非最小相位系统，其传统控制方法为在小波动情况下采 用系统的线性化模型，然后采用PID控制方法，但是这一方法存在很大局限性，当系统非线 性特性十分明显时，这种方法将不再适用。
[0003] 非小相位系统的稳定控制方法一直是人们研宄的重点，由此产生了各种不同的控 制方法和策略，近似线性化方法和微分几何方法是其中最常用的两种方法。
[0004] 近似线性化的基本思想是在状态空间的平衡点处用全微分来代替系统的增量，从 而将系统近似转换为线性系统，从而进行控制。然而实际系统非常复杂，当系统出现较大扰 动偏离平衡点时，线性系统就很难表征此时实际的系统特性，那么这时的控制器的调节效 果就很难达到实际性能要求，因此客观上就需要在明确考虑实际系统的非线性特征的基础 上设计非线性控制器。
[0005] 近三十年来，人们将微分几何理论应用于非线性系统的控制，这一方法通过一个 合适的坐标变换与一个恰当的状态反馈将原非线性系统进行精确反馈线性化得到线性标 准型，从而对其中的线性子系统设计控制器，与近似线性化方法相比，其优点在于系统并不 局限于平衡点而能够在状态空间的一个足够大的域甚至整个状态空间中精确的转化为线 性系统。该方法在对非线性系统进行线性化的过程中，通过微分同胚变换可将原非线性系 统变换为两部分：线性子系统描述的外部动态和非线性子系统描述的内部动态（即零动 态）。对于非最小相位系统（即零动态不稳定的系统），仅对线性子系统所设计的能使外部 动态满足某种性能要求的控制器却难以保证系统内部零动态的稳定，因此非最小相位特性 使基于微分几何的精确反馈线性化方法遇到了极大挑战。
[0006] 为了真正实现水轮机组高性能控制，就必须要解决非线性、非最小相位特性对系 统运行时所造成的不良影响，寻求一种有效的控制方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种非最小相位控制的水轮机组转 速调节系统及设计方法，能很好的克服在生产过程中因非线性非最小相位特性所产生的不 利影响，且能保证在系统较大的运行范围内都有良好的控制效果。
[0008] 本发明采用如下技术方案：一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统，其特 征在于，包括水轮机组、控制器、电液伺服系统、测频回路、导叶传感器、流量传感器、保护单 元、人机交互，所述控制器上设置有A/D转换模块、输出，所述控制器的输出分别通过所述 电液伺服系统、所述保护单元与所述水轮机组相连接；所述控制器的A/D转换模块分别通 过所述测频回路、所述导叶传感器、所述流量传感器与所述水轮机组相连接，所述测频回路 用来测量水轮机组的机组转速偏差，所述导叶传感器用来测量导叶开度，所述流量传感器 用来测量有压引水管道流量；所述控制器与所述人机交互相连接，所述人机交互负责实现 对水轮机组系统的实时显示与操控。
[0009] 优选地，所述电液伺服系统包括电气液压型调速器、电动调节阀，所述气液压型调 速器的一端与所述控制器的输出相连接，所述气液压型调速器的另一端与所述电动调节阀 的一端相连接，所述电动调节阀的另一端与所述水轮机组相连接。
[0010] 优选地，所述控制器为DSP控制器。
[0011] 本发明还提出一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统设计方法，其特征在 于，具体包括如下步骤：
[0012] SS1根据IEEE给出的水轮机组非弹性水锤方程，建立水轮机组非线性数学模型；
[0013] SS2将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系 统；
[0014] SS3验证被控系统是否是非最小相位系统；
[0015] SS4将标准型系统的非线性子系统作分解处理；
[0016] SS5建立系统控制器的一般形式为v = -Kx+VNL;
[0017] SS6通过极点配置理论确定待定参数K ;
[0018] SS7通过李雅普诺夫稳定性理论确定待定参数vNIj;
[0019] SS8利用DSP控制器来设计水轮机组转速调节系统。
[0020] 优选地，所述步骤SS1包括：控制器根据参考输入及系统的状态变量来给出控制 量u，经过电液伺服系统后，其输出为导叶传感器行程变化偏差的相对值y，其关系为dy/dt =(u_y)/T y，Ty为导叶传感器响应时间常数；采用非弹性水锤方程的水轮机非线性模型为：
【主权项】
1. 一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统，其特征在于，包括水轮机组、控制 器、电液伺服系统、测频回路、导叶传感器、流量传感器、保护单元、人机交互，所述控制器上 设置有A/D转换模块、输出，所述控制器的输出分别通过所述电液伺服系统、所述保护单元 与所述水轮机组相连接；所述控制器的A/D转换模块分别通过所述测频回路、所述导叶传 感器、所述流量传感器与所述水轮机组相连接，所述测频回路用来测量水轮机组的机组转 速偏差，所述导叶传感器用来测量导叶开度，所述流量传感器用来测量有压引水管道流量； 所述控制器与所述人机交互相连接，所述人机交互负责实现对水轮机组系统的实时显示与 操控。
2. 根据权利要求1所述的一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统，其特征在 于，所述电液伺服系统包括电气液压型调速器、电动调节阀，所述气液压型调速器的一端与 所述控制器的输出相连接，所述气液压型调速器的另一端与所述电动调节阀的一端相连 接，所述电动调节阀的另一端与所述水轮机组相连接。
3. 根据权利要求1所述的一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统，其特征在 于，所述控制器为DSP控制器。
4. 一种采用权利要求3所述的非最小相位控制的水轮机组转速调节系统设计方法，其 特征在于，具体包括如下步骤： SS1根据IEEE给出的水轮机组非弹性水锤方程，建立水轮机组非线性数学模型； SS2将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统； SS3验证被控系统是否是非最小相位系统； SS4将标准型系统的非线性子系统作分解处理； SS5建立系统控制器的一般形式为v = -Kx+vm; SS6通过极点配置理论确定待定参数K ; SS7通过李雅普诺夫稳定性理论确定待定参数vNIj; SS8利用DSP控制器来设计水轮机组转速调节系统。
5. 根据权利要求4所述的一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统设计方法， 其特征在于，所述步骤SS1包括：控制器根据参考输入及系统的状态变量来给出控制量u， 经过电液伺服系统后，其输出为导叶传感器行程变化偏差的相对值y，其关系为dy/dt = (u_y)/Ty，Ty为导叶传感器响应时间常数；采用非弹性水锤方程的水轮机非线性模型为：
其中q'为有压引水管道水流量相对值，G为导叶开度相对值；h' 1为水头损失相对 值；P' ^为水轮机的机械功率相对值；q' nl为空载流量相对值；At比例系数，通常为常数； f为水头损失系数，式中忽略了速度阻尼偏差，其中G = 1-y ; 发电机采用一阶模型：
mt为水轮机主动力矩偏差相对值，m g(l为负荷扰动，x为机组转速偏差相对值，e g为发电 机负载自调节系数取为〇 ;再考虑到水轮机主动力矩偏差相对值mt机组主动力矩的相对值 11^t，水轮机有功功率相对值P' ，机组转速偏差相对值X， 机组转速相对值w，存在如下关系：
因此选取q'，G，x作为状态变量，x为输出，建立状态方程如下：
【专利摘要】本发明公开了一种非最小相位控制的水轮机组转速调节系统设计方法，其包括如下步骤：SS1根据IEEE给出的水轮机组非弹性水锤方程，建立水轮机组非线性数学模型；SS2将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统；SS3验证被控系统是否是非最小相位系统；SS4将标准型系统的非线性子系统作分解处理；SS5建立系统控制器的一般形式为；SS6通过极点配置理论确定待定参数；SS7通过李雅普诺夫稳定性理论确定待定参数；SS8利用DSP控制器来设计水轮机组转速调节系统。本发明能很好的克服在生产过程中因非线性非最小相位特性所产生的不利影响，且能保证在系统较大的运行范围内都有良好的控制效果。
【IPC分类】F03B15-00
【公开号】CN104806438
【申请号】CN201510221003
【发明人】王万成, 徐佼, 陈倩, 陈春梅
【申请人】河海大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月4日