一級建造師

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水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)計算機輔助分析發(fā)展概況綜述

摘要：對目前水電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析所用方法如：新型FNNS控制策略，智能權(quán)函數(shù)模糊控制，MATLAB軟件及SIMULINK等方法在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)計算機輔助分析中的應(yīng)用作一簡要介紹。

關(guān)鍵詞：水電站 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng) 新型FNNS 模糊控制 MATLAB軟件

1水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)過程簡介

水電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)，其動態(tài)過程可分為小波動和大波動兩類。小波動是指水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到微小的干擾（負(fù)荷或指令信號擾動），系統(tǒng)中各參數(shù)的變化都較小，可認(rèn)為是在所討論工況點附近作微小變化，則可將調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)加以線性化，既用線性微分方程式來描述各環(huán)節(jié)及整個系統(tǒng)的動態(tài)特性；而大波動是指水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到幅度較大的干擾（負(fù)荷變化），系統(tǒng)參數(shù)的變化劇烈，整個系統(tǒng)已超出了線性范圍，因此不能作線性處理，即系統(tǒng)不能按線性系統(tǒng)對待。小波動主要影響的是水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，即所生產(chǎn)的電能的質(zhì)量；而大波動不僅影響所生產(chǎn)的電能的質(zhì)量，而且在負(fù)荷突然變化（特別是甩負(fù)荷）時影響到水壓、轉(zhuǎn)速等各種參數(shù)的變化情況。因為水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到水電站和機組運行的安全以及所生產(chǎn)電能的質(zhì)量，因此，對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的大、小波動動態(tài)過程分析具有重要意義。

2水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析發(fā)展概況

現(xiàn)今水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析所用方法很多，現(xiàn)在簡要介紹如下。

2.1傳統(tǒng)方法

小波動穩(wěn)定性分析一般采用傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，過水系統(tǒng)按彈性水機考慮，過水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)中含有雙曲函數(shù)，為此特根據(jù)雙曲函數(shù)性質(zhì)將過水系統(tǒng)的傳遞函數(shù)近似表達為若干個一階微分方程式。因而調(diào)速器、水輪發(fā)電機組等數(shù)學(xué)模型也用一階微分方程式表達。則整個系統(tǒng)小波動的數(shù)學(xué)模型都采用一階微分方程組的形式來表達。然后用狀態(tài)方程來表示，即：

X＆＝Ax＋BU

式中X＆——狀態(tài)向量；

U——輸入向量；

A、B——系數(shù)矩陣。

可用求解一階微分方程組的常用方法：即四階龍格—庫塔法進行仿真計算[1].

大波動過渡過程一般利用差分方程進行仿真[1]，采用特征線解法原理，將水機的基本方程式：運動方程和連續(xù)方程，轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鞣匠探M，然后再求解。

2.2新型FNNS控制策略

新型FNNS控制策略是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與變參數(shù)控制相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能適應(yīng)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)變化較大情況下的控制要求。

廖忠[2]針對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍較大等特點，進行了仿真研究，他指出水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個典型的高階、時變、非最小相位系統(tǒng)，而且又是一個參數(shù)隨工況點改變而變化的非線性系統(tǒng)，在系統(tǒng)動態(tài)及暫態(tài)過程中，采用以PID控制為基礎(chǔ)的線性控制方法較難滿足這一特性復(fù)雜的對象的控制要求，在控制效果及控制器調(diào)整方面尚不盡人意。隨著智能控制理論的發(fā)展，人們將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合研究，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制器，并且根據(jù)水電機組的特點，將其應(yīng)用于水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)，取得較好效果。新型FNNS控制策略是變參數(shù)控制的思想與FNNS二者結(jié)合的體現(xiàn)，采用多個FNNS作為控制器，通過辯識當(dāng)前運行工況，然后基于某種法則選擇最適合的FNNS作為當(dāng)前控制器。變參數(shù)控制的思想，所采用的方法主要是基于運行區(qū)域的劃分及插值運算。變參數(shù)控制的思想與傳統(tǒng)的PID等控制規(guī)律的結(jié)合，的確使之具有了適應(yīng)被控對象參數(shù)變化的能力，提高了控制效果，只要能確保所有的FNNS覆蓋整個狀態(tài)空間，那么可以不用在線學(xué)習(xí)，而只是在不同F(xiàn)NNS中切換就能得到整個工況范圍內(nèi)滿意的調(diào)節(jié)性能，從而保證了控制的實時性。

2.3基于SIMULINK的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真

SIMULINK是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)等。運用這個國際上先進的仿真軟件，對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行可視化建模與仿真計算，可以大大減少編程工作量，該方法是由模型庫輔助用戶進行模型拼合，并利用圖形功能生成系統(tǒng)的仿真模型[3].

因為目前的仿真計算仍存在一些不足：①編制和調(diào)試程序的工作量很大；②仿真程序的移植性較差，很難適應(yīng)水電站個性強的特點；③缺乏強有力的圖形輸出支持。當(dāng)今流行于歐美的這種先進的仿真軟件SIMULINK能克服上述弊端。

它的主要特點為：（1）SIMULINK提供了非常豐富的系統(tǒng)模型庫。一般在控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計中遇到的模塊幾乎都可以從模型庫中找到。（2）實現(xiàn)了可視化建模。由于在Windows界面下工作，因此用戶可以很方便地利用鼠標(biāo)器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統(tǒng)框圖，這樣使得一個很復(fù)雜模型的輸入變得相當(dāng)容易且直觀。（3）利用SIMULINK進行數(shù)字仿真非常簡單方便。它提供了多種數(shù)值算法，使用者只需選擇合適的算法和有關(guān)仿真參數(shù)（時間、步長、精度），即可得到仿真結(jié)果。（4）SIMULINK實現(xiàn)了與MATLAB、C、FORTRAN以及硬件工作環(huán)境間文件的互用和數(shù)據(jù)交換。并聯(lián)PID型調(diào)速器、液壓隨動系統(tǒng)死區(qū)、開機的速度限制、接力器限幅等非線性環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都可以從SIMULINK模型庫中方便地調(diào)用，不需要編制相應(yīng)的程序。我們可以運用SIMULINK，利用鼠標(biāo)器將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖非常方便快捷地“畫”入計算機中，形成很直觀的仿真模型。這種建模的方法吸取了模塊化設(shè)計思想，模型的結(jié)構(gòu)易于修改和重構(gòu)，重復(fù)利用率高，能較好地適應(yīng)水電站個性強的特點。研究結(jié)果表明：

SIMULINK具有卓越的數(shù)字計算和圖形可視化能力，采用“畫中畫”技術(shù)可以同時輸出多個變量的仿真試驗結(jié)果，這是其他軟件所無法比擬的；該仿真模型具有很強的開放性和可移植性，這對水電站的設(shè)計、優(yōu)化控制及危險工況的預(yù)測都具有重要意義，是利用計算機對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行試驗研究的一種新方法，仿真技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的特點，它已成為水電能源理論研究和技術(shù)開發(fā)的有效手段。

另外羅南華[5]在“MATLAB在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用”一文中介紹了當(dāng)今先進的科學(xué)計算軟件MATLAB軟件包的特點，并通過實踐論述了該軟件在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)計算機輔助分析和設(shè)計中的應(yīng)用。仿真結(jié)果可以用來指導(dǎo)實際水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計。也提到了MATLAB軟件中新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具SIMULINK的運用，與康玲[3]的研究成果類似。

2.4智能權(quán)函數(shù)模糊控制

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被控對象是一個復(fù)雜的非線性的非最小相位系統(tǒng)，存在并大網(wǎng)運行、空載等多種運行工況。由于被控對象的復(fù)雜性和人對控制規(guī)則描述的不準(zhǔn)確性，采用常規(guī)的模糊控制方法難以找出合適的隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則，難以針對特定的對象實施有效的控制，且存在著對于多條模糊控制規(guī)則進行實時運算計算量大的缺點。若采用離線計算的模糊控制表的方式，則由于其規(guī)則固定，而不能適應(yīng)被控對象的變化。

曹玉勝[4]提出了連續(xù)性智能權(quán)函數(shù)模糊控制算法，并將此算法用于水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真試驗，結(jié)果表明，該算法具有良好的控制性能。而連續(xù)性智能權(quán)函數(shù)模糊控制算法，無需確定模糊變量的隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則，其運算量相當(dāng)于常規(guī)的PID控制算法，但性能優(yōu)于常規(guī)的模糊控制系統(tǒng)，為有效控制水輪發(fā)電機組提供了一種新的途徑。經(jīng)過研究表明，連續(xù)性智能權(quán)函數(shù)模糊控制的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)開機過渡過程的超調(diào)量、反調(diào)量和調(diào)節(jié)時間均較小，開機過渡過程特性明顯優(yōu)于PID控制規(guī)律的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)；連續(xù)性智能權(quán)函數(shù)模糊控制水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率擾動階躍響應(yīng)特性亦明顯好于采用PID控制的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率擾動階躍響應(yīng)特性，近似于常規(guī)模糊控制水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率擾動階躍響應(yīng)特性。它既做到了水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)所要求的對于指令信號的快速響應(yīng)，又充分保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。其顯著的優(yōu)點是甩負(fù)荷的轉(zhuǎn)速峰值小，調(diào)節(jié)時間短。系統(tǒng)的甩負(fù)荷特性亦明顯優(yōu)于PID控制的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)，甚至優(yōu)于常規(guī)模糊控制的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的甩負(fù)荷特性。因此，采用連續(xù)性智能權(quán)函數(shù)模糊控制算法的控制系統(tǒng)具有優(yōu)越的控制性能。

另外一些學(xué)者提出了變結(jié)構(gòu)變參數(shù)的調(diào)節(jié)方法[6]，根據(jù)變化控制結(jié)構(gòu)，然后改變參數(shù)，可以兼顧小波動、大波動過程中的動態(tài)品質(zhì)，并取得了理想的效果。這與新型FNNS控制策略在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用是相類似的。

3結(jié)論

（1）傳統(tǒng)方法對于水電站水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的小波動和大波動兩類動態(tài)過程均可以進行計算機仿真，效果良好，但大小波動過渡過程分別建模、編程，編制和調(diào)試程序的工作量很大；仿真程序的移植性較差，很難適應(yīng)水電站個性強的特點；缺乏強有力的圖形輸出支持。

（2）新型FNNS控制策略在水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用的變參數(shù)控制的思想，所采用的方法主要是基于運行區(qū)域的劃分及插值運算。具有了適應(yīng)被控對象參數(shù)變化的能力，提高了控制效果，具有較好的發(fā)展前景。

（3）基于SIMULINK的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型具有很強的開放性和可移植性，形成很直觀的仿真模型，這對水電站的設(shè)計、優(yōu)化控制及危險工況的預(yù)測都具有重要意義，仿真技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的特點，已成為水電能源理論研究和技術(shù)

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