水轮机调节系统智能控制策略的研究
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摘要
随着电力系统的不断扩大以及大容量、高水头机组的出现，对水轮机调速器的性能提出了越来越高的要求，在不断改进水轮机调速器的硬件设计、加工工艺和装配工艺等基础上，进行水轮机调速器控制策略的研究，是一项十分重要的工作。随着控制理论的发展和对控制性能要求的提高，开展过程控制系统的智能控制研究，是十分必要的。本文在全面总结现有调节控制规律和应用成果的基础上，进行了水轮机调节系统的智能控制策略的研究。主要内容如下：
1、概述了控制理论的发展，进行智能控制理论及其应用研究的必要性及现实意义。
2、总结了水轮机调速器的发展历程以及对水轮机调节系统的控制策略研究的现状。
3、给出了对水轮机调节系统进行仿真研究时所需要采用的数学模型，并根据仿真的实际需要，给出了多种数学模型，同时还介绍了进行仿真研究的新型工具即MATLAB语言。
4、根据被控对象的实际特性以及对仿真结果的要求，利用MATLAB语言对水轮机调节系统进行了线性、小波动及大波动等情况下的仿真实例。
5、介绍了一种基于极点配置的最优鲁棒调速器的设计方法，并针对水轮机调节系统的特性进行了仿真研究。仿真试验表明，采用这种方法设计的水轮机调速器，当水轮发电机组的参数在各自的区间变化时，闭环系统具有一定的鲁棒性。
6、介绍了模糊控制理论在过程控制的应用，并采用引入积分的模糊控制器、Fuzzy-PID复合控制器和参数模糊自整定PID控制器等三种方案，对水轮机调节系统进行了仿真。仿真结果表明，采用模糊控制器的水轮机调节系统比采用传统PID控制的水轮机调节系统其过渡过程动态性能较好，具有调节时间短、超调量小等特点。
在文章的最后，还对本文进行了总结，指出了论文的不足及需要进一步进行研究的问题。
With the expansion of power system and the appearance of large-capacity and high-head hydroelectric generating unit, the requirement of performance of turbine governor is more and more higher. On the foundation of improving the hardware design, manufacture technique and assembly technique of turbine governor, the research of control strategy of turbine governor is an important work. With the developing of control theory and the advance of control performance, the research of intelligent control in process control system is necessary. This paper studies the intelligent control strategy of turbine regulating system under the summary of regulate and controlrule and application work. The important contents are:
1. Summarize the developing of control theory, indicate the necessity and actual purpose of researching of intelligent control theory and it's application.
2. Summarize the developing course of turbine governor and the research condition of control strategy of turbine regulating system.
3. Give the mathematical model of turbine regulating system which used for simulation, according the actual require of simulation, there has more mathematical model. Describe the new implement - MATLAB language, which used for simulation.
4. According the real characteristic of hydroelectric generating unit and requirement of simulate result, use the MATLAB Language to simulation for linear, small oscillation and large oscillation condition of turbine regulating system.
5. Describe a design method of optimal robust governor with pole-placement, and use it to simulate for turbine regulating system. The result of simulation proved that the close-loop has a better robustness while the parameters of hydroelectric generating unit with the governor ,which designed used this method, vary throughout thei4r respective intervals.
6. Describe the application of fuzzy control theory in the process control system, and simulate for turbine regulating system using fuzzy controller with integration, Fuzzy-PID complex controller and PID controller with parameter fuzzy self-adjust. Compare the turbine regulating system with fuzzy controller and the turbine regulating system with tradition PID . controller, the result proved that the transient process performance of the former is better, and it has characteristic of shorter adjust time and smaller over value.
At last, summary the work of this paper, point out the shortage of this paper and the more research for requirement.
1、概述了控制理论的发展，进行智能控制理论及其应用研究的必要性及现实意义。
2、总结了水轮机调速器的发展历程以及对水轮机调节系统的控制策略研究的现状。
3、给出了对水轮机调节系统进行仿真研究时所需要采用的数学模型，并根据仿真的实际需要，给出了多种数学模型，同时还介绍了进行仿真研究的新型工具即MATLAB语言。
4、根据被控对象的实际特性以及对仿真结果的要求，利用MATLAB语言对水轮机调节系统进行了线性、小波动及大波动等情况下的仿真实例。
5、介绍了一种基于极点配置的最优鲁棒调速器的设计方法，并针对水轮机调节系统的特性进行了仿真研究。仿真试验表明，采用这种方法设计的水轮机调速器，当水轮发电机组的参数在各自的区间变化时，闭环系统具有一定的鲁棒性。
6、介绍了模糊控制理论在过程控制的应用，并采用引入积分的模糊控制器、Fuzzy-PID复合控制器和参数模糊自整定PID控制器等三种方案，对水轮机调节系统进行了仿真。仿真结果表明，采用模糊控制器的水轮机调节系统比采用传统PID控制的水轮机调节系统其过渡过程动态性能较好，具有调节时间短、超调量小等特点。
在文章的最后，还对本文进行了总结，指出了论文的不足及需要进一步进行研究的问题。
With the expansion of power system and the appearance of large-capacity and high-head hydroelectric generating unit, the requirement of performance of turbine governor is more and more higher. On the foundation of improving the hardware design, manufacture technique and assembly technique of turbine governor, the research of control strategy of turbine governor is an important work. With the developing of control theory and the advance of control performance, the research of intelligent control in process control system is necessary. This paper studies the intelligent control strategy of turbine regulating system under the summary of regulate and controlrule and application work. The important contents are:
1. Summarize the developing of control theory, indicate the necessity and actual purpose of researching of intelligent control theory and it's application.
2. Summarize the developing course of turbine governor and the research condition of control strategy of turbine regulating system.
3. Give the mathematical model of turbine regulating system which used for simulation, according the actual require of simulation, there has more mathematical model. Describe the new implement - MATLAB language, which used for simulation.
4. According the real characteristic of hydroelectric generating unit and requirement of simulate result, use the MATLAB Language to simulation for linear, small oscillation and large oscillation condition of turbine regulating system.
5. Describe a design method of optimal robust governor with pole-placement, and use it to simulate for turbine regulating system. The result of simulation proved that the close-loop has a better robustness while the parameters of hydroelectric generating unit with the governor ,which designed used this method, vary throughout thei4r respective intervals.
6. Describe the application of fuzzy control theory in the process control system, and simulate for turbine regulating system using fuzzy controller with integration, Fuzzy-PID complex controller and PID controller with parameter fuzzy self-adjust. Compare the turbine regulating system with fuzzy controller and the turbine regulating system with tradition PID . controller, the result proved that the transient process performance of the former is better, and it has characteristic of shorter adjust time and smaller over value.
At last, summary the work of this paper, point out the shortage of this paper and the more research for requirement.
引文
1、蔡自兴，智能控制——基础与应用，北京：国防工业出版社，1998．1
2、王顺晃、舒迪前，智能控制系统及其应用，北京：机械工业出版社，1995．1
3、李士勇，模糊控制、神经控制和智能控制论，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996．10
4、王耀南，智能控制系统——模糊逻辑、专家系统、神经网络控制，长沙；湖南大学出版社，1996．10
5、赵坤耀，水轮机调速器发展综述，水力发电学报，Mat．1996，No．1，Set．52，pp．78～83
6、陈仲华、赵坤耀，国产电液调速器性能浅析，电力系统自动化，Sep．1997，Vol．21，No．9，pp．61～44
7、沈祖诒，水轮机调节，北京：中国水利水电出版社，1998．5
8、郑莉媛、朱爱菁，水轮机调节，北京：机械工业出版社，1988．6
9、张昌期，水轮机——原理与数学模型，武汉：华中工学院出版社，1988．2
10、克里夫琴科著，常兆堂译，水电站动力装置中的过渡过程，北京：水利出版社，1981
11、[加]M．H．乔德里著，陈家远、孙诗杰、张治滨译，实用水力过渡过程，成都：四川水力发电工程学会，1985．9
12、常近时，水力机械过渡过程，北京：机械工业出版社，1997．9
13、沈宗树，张勇传，水电机组稳定与控制，武汉：华中理工大学出版社，1988．10
14、沈祖诒，水轮机调节系统分析，北京：水利电力出版社，1991．10
15、皮沃瓦洛夫著，连希德译，水轮机调节系统设计与计算，哈尔滨：机械工业部哈尔滨大电机研究所，1986
16、陈嘉谋，水轮机调节系统计算机仿真，北京：水利电力出版社，1993．6
17、徐枋同、李植鑫，水电站机组控制计算机仿真，北京：水利电力出版社，1995．9
18、常兆堂、姜之琦、陈仲华，水轮机调节系统原理、试验与故障处理，北京：中国电力出版社，1995．9
19、肖天铎，水电站水锤计算研究，肖天铎科学论文集—流体力学和水力学，pp．335～353
20、Wylie G. B., Streter V.L., Fluid Transient, New York: International Book Company, 1978
21、张师华，抽水蓄能电站的过渡过程，武汉：华中理工大学出版社，1996．3
22、程远楚，水电站水击通用计算程序设计，水电站设计，June，1997，Vol．13，No．2，pp．59～66
23、孔昭年，在水轮机调节系统动力学分析中描述水轮机特性的一种新方法，水利水电技术，July 1990，No．7，Ser．201，pp．25～29
24、郑莉玲，水轮机调节系统过渡过程计算通用软件包的研制，武汉水利电力大学硕士学位论文，1994
25、张志涌、刘瑞桢、杨祖樱，掌握和精通MATLAB，北京：北京航空航天大学出版社，1997．8
26、薛定宇，控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用，北京：清华大学出版社，1996．6
27、曾葵铨，计算机反馈系统的鲁棒性设计，北京：科学出版社，1992．3
28、冯纯伯、田玉平、忻欣，鲁棒控制系统设计，南京：东南大学出版社，1995．12
29、冯纯伯、费树岷，非线性控制系统分析与设计，电子工业出版社，1998．9
30、易宜连，最优鲁棒极点配置控制器的设计，控制理论与应用，Mar．1991，Vol．8，No．1，pp．112-116
31、R. E. Kalman, When Is a Linear Control System Optimal? Transactions of ASME, Mar. 1964, No.5, pp.51～60
32、Robin J. Evans, Xie Xianya, Robust Regulator Design, Int. J. Control, 1985, Vol.41, No.2, pp.461～476
33、J. Kautsky, N. K. Nichols, P. Vandooren, Robust Pole Assignment in Linear State Feedback, Int. J. Control, 1985, Vol.41, No.5, pp.1129～1155
34、Xu Bugong, Robust Controller Design for Uncertain Systems with Interval Parameters,控制理论与应用，Oct．1996，Vol．13，No．5，pp．629～638
35、王耀青，鲁棒极点配置的优化算法，控制理论与应用，Oct．1994，Vol．11，No．5，pp．617～622
36、Y. C. Soh, R. J. Petersen, R.E. Betz, Robust Pole Assignment, Automatica, 1987,Vol.23, No.5, pp.601～610
37、Frederick M. Brasch, JR., James B. Pearson, Pole Placement Using Dynamic Compensators, IEEE Transactions on Automatic Control, Feb. 1970, Vol.AC-15, No. 1, pp.34～43
38、Y. C. Soh, Robin J., EvansRobust Multivariable Regulator Design-General Cases, Proceedings of 24th Conference on Decision and Control, Ft. Lauderdale, FL. December, 1985, pp.1323～1327
39、Y. C. Soh, Robin J. Evans, Robust Multivariable Regulator Design-Special Cases, Proceedings of 24th Conference on Decision and Control, Ft. Lauderdale, FL. December, 1985, pp.1328～1332
40、魏守平，综合主导极点配置及其在水轮机调速系统中的应用，电力系统自动化，May，1982，Vol．6，No．3，pp．40～54
41、沈祖诒，水轮机调速器最佳参数整定——极点配置法，华东水利学院学报，Mar．1984，Vol．12，No．4，pp．8～18
42、魏守平，水轮机调节系统的适应式变参数调节，大电机技术，Sep．1985，No．5，pp．48～54
43、刘增良、刘育才，模糊逻辑与神经网络——理论研究与探讨，北京：北京航空航天大学出版社，1988．6
44、何平、王鸿绪，模糊控制器的设计及应用，北京：科学出版社，1997．1 李友善、李军，模糊控制理论及其在过程控制中的应用，北京：国防工业出版社，1993．7
45、章正斌、吴汝善、于健，模糊控制工程，重庆：重庆大学出版社，1995．6
46、诸静，模糊控制原理与应用，北京：机械工业出版社，1998．4
47、窦振中，模糊逻辑开展技术及其应用，北京：北京航空航天大学出版社，1995．7
48、魏克新、王丽娟、周秋茜，采用模糊控制工具箱设计模糊控制器的方法，电气传动，June，1998，Vol．28，No．4，pp．24～27，41
49、景雷、叶鲁卿、周泰经，一种新型水轮发电机组智能模糊控制系统，中国电机工程学报，Jan．1998，Vol．18，No．1，pp．42～47
50、李植鑫、陈启卷，水轮机调节系统Fuzzy控制的研究，武汉水利电力学院学报，Oct．1989，Vol．22，No．5，Ser．30，pp．66～73
51、徐枋同、陈启卷、李永华，水轮机调节系统采用模糊控制的非线性问题，武汉水利电力学院学报，Jun．1993，Vol．26，No．3，Ser．52，pp．245～249
52、蔡维由、邓世洪、崔悦琳，水轮机调节系统Fuzzy-PID复合控制，电气自动化，July，1996，Vol．18，No．4，Set．106，pp．10～12，5
53、张建明，模糊控制器在水轮机调节中的应用，大电机技术，July，1993，No．4，Ser．109，pp．46-50
54、林富华、沈思源、林建亚、张光琼，模糊PID控制技术在水轮机调速系统中的应用，动力工程，Apr．1996，Vol．16，No．2，pp．51～54
55、郑玉森、刘志红，调速器模糊控制初探，电力系统自动化，Sep．1989，Vol．13，No．5，pp．19～26，41
56、崔悦琳，水轮机Fuzzy控制器的优化设计及装置的初步实现，武汉水利电力大学硕士学位论文，1991
57、贺剑锋、陈晖、黄石生，模糊控制的新近发展，控制理论与应用，Apr．1994，Vol．11，No．2，pp．129～136
58、刘建业、郑玉森、张炳达，水轮机模糊调速器研究，控制理论与应用，Feb．1996，Vol．13，No．1，pp．47～51
59、李华，一种自适应模糊控制器的设计方法，电气传动自动化，Feb．1998，Vol．20，No．1，pp．35～37
60、中华人民共和国国家技术监督局，GB／T9562．1-1997水轮机调速器与油压装置技术条件
2、王顺晃、舒迪前，智能控制系统及其应用，北京：机械工业出版社，1995．1
3、李士勇，模糊控制、神经控制和智能控制论，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996．10
4、王耀南，智能控制系统——模糊逻辑、专家系统、神经网络控制，长沙；湖南大学出版社，1996．10
5、赵坤耀，水轮机调速器发展综述，水力发电学报，Mat．1996，No．1，Set．52，pp．78～83
6、陈仲华、赵坤耀，国产电液调速器性能浅析，电力系统自动化，Sep．1997，Vol．21，No．9，pp．61～44
7、沈祖诒，水轮机调节，北京：中国水利水电出版社，1998．5
8、郑莉媛、朱爱菁，水轮机调节，北京：机械工业出版社，1988．6
9、张昌期，水轮机——原理与数学模型，武汉：华中工学院出版社，1988．2
10、克里夫琴科著，常兆堂译，水电站动力装置中的过渡过程，北京：水利出版社，1981
11、[加]M．H．乔德里著，陈家远、孙诗杰、张治滨译，实用水力过渡过程，成都：四川水力发电工程学会，1985．9
12、常近时，水力机械过渡过程，北京：机械工业出版社，1997．9
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14、沈祖诒，水轮机调节系统分析，北京：水利电力出版社，1991．10
15、皮沃瓦洛夫著，连希德译，水轮机调节系统设计与计算，哈尔滨：机械工业部哈尔滨大电机研究所，1986
16、陈嘉谋，水轮机调节系统计算机仿真，北京：水利电力出版社，1993．6
17、徐枋同、李植鑫，水电站机组控制计算机仿真，北京：水利电力出版社，1995．9
18、常兆堂、姜之琦、陈仲华，水轮机调节系统原理、试验与故障处理，北京：中国电力出版社，1995．9
19、肖天铎，水电站水锤计算研究，肖天铎科学论文集—流体力学和水力学，pp．335～353
20、Wylie G. B., Streter V.L., Fluid Transient, New York: International Book Company, 1978
21、张师华，抽水蓄能电站的过渡过程，武汉：华中理工大学出版社，1996．3
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24、郑莉玲，水轮机调节系统过渡过程计算通用软件包的研制，武汉水利电力大学硕士学位论文，1994
25、张志涌、刘瑞桢、杨祖樱，掌握和精通MATLAB，北京：北京航空航天大学出版社，1997．8
26、薛定宇，控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用，北京：清华大学出版社，1996．6
27、曾葵铨，计算机反馈系统的鲁棒性设计，北京：科学出版社，1992．3
28、冯纯伯、田玉平、忻欣，鲁棒控制系统设计，南京：东南大学出版社，1995．12
29、冯纯伯、费树岷，非线性控制系统分析与设计，电子工业出版社，1998．9
30、易宜连，最优鲁棒极点配置控制器的设计，控制理论与应用，Mar．1991，Vol．8，No．1，pp．112-116
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32、Robin J. Evans, Xie Xianya, Robust Regulator Design, Int. J. Control, 1985, Vol.41, No.2, pp.461～476
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35、王耀青，鲁棒极点配置的优化算法，控制理论与应用，Oct．1994，Vol．11，No．5，pp．617～622
36、Y. C. Soh, R. J. Petersen, R.E. Betz, Robust Pole Assignment, Automatica, 1987,Vol.23, No.5, pp.601～610
37、Frederick M. Brasch, JR., James B. Pearson, Pole Placement Using Dynamic Compensators, IEEE Transactions on Automatic Control, Feb. 1970, Vol.AC-15, No. 1, pp.34～43
38、Y. C. Soh, Robin J., EvansRobust Multivariable Regulator Design-General Cases, Proceedings of 24th Conference on Decision and Control, Ft. Lauderdale, FL. December, 1985, pp.1323～1327
39、Y. C. Soh, Robin J. Evans, Robust Multivariable Regulator Design-Special Cases, Proceedings of 24th Conference on Decision and Control, Ft. Lauderdale, FL. December, 1985, pp.1328～1332
40、魏守平，综合主导极点配置及其在水轮机调速系统中的应用，电力系统自动化，May，1982，Vol．6，No．3，pp．40～54
41、沈祖诒，水轮机调速器最佳参数整定——极点配置法，华东水利学院学报，Mar．1984，Vol．12，No．4，pp．8～18
42、魏守平，水轮机调节系统的适应式变参数调节，大电机技术，Sep．1985，No．5，pp．48～54
43、刘增良、刘育才，模糊逻辑与神经网络——理论研究与探讨，北京：北京航空航天大学出版社，1988．6
44、何平、王鸿绪，模糊控制器的设计及应用，北京：科学出版社，1997．1 李友善、李军，模糊控制理论及其在过程控制中的应用，北京：国防工业出版社，1993．7
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47、窦振中，模糊逻辑开展技术及其应用，北京：北京航空航天大学出版社，1995．7
48、魏克新、王丽娟、周秋茜，采用模糊控制工具箱设计模糊控制器的方法，电气传动，June，1998，Vol．28，No．4，pp．24～27，41
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53、张建明，模糊控制器在水轮机调节中的应用，大电机技术，July，1993，No．4，Ser．109，pp．46-50
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55、郑玉森、刘志红，调速器模糊控制初探，电力系统自动化，Sep．1989，Vol．13，No．5，pp．19～26，41
56、崔悦琳，水轮机Fuzzy控制器的优化设计及装置的初步实现，武汉水利电力大学硕士学位论文，1991
57、贺剑锋、陈晖、黄石生，模糊控制的新近发展，控制理论与应用，Apr．1994，Vol．11，No．2，pp．129～136
58、刘建业、郑玉森、张炳达，水轮机模糊调速器研究，控制理论与应用，Feb．1996，Vol．13，No．1，pp．47～51
59、李华，一种自适应模糊控制器的设计方法，电气传动自动化，Feb．1998，Vol．20，No．1，pp．35～37
60、中华人民共和国国家技术监督局，GB／T9562．1-1997水轮机调速器与油压装置技术条件