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水輪機調節系統計算機輔助分析發展概況綜述

摘要：對目前水電站水輪機調節系統分析所用方法如：新型FNNS控制策略，智能權函數模糊控制，MATLAB軟件及SIMULINK等方法在水輪機調節系統計算機輔助分析中的應用作一簡要介紹。

關鍵詞：水電站 水輪機調節系統 新型FNNS 模糊控制 MATLAB軟件

1水輪機調節系統動態過程簡介

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

2水輪機調節系統分析發展概況

現今水輪機調節系統分析所用方法很多，現在簡要介紹如下。

2.1傳統方法

小波動穩定性分析一般采用傳遞函數的數學模型，過水系統按彈性水機考慮，過水系統的數學模型的傳遞函數中含有雙曲函數，為此特根據雙曲函數性質將過水系統的傳遞函數近似表達為若干個一階微分方程式。因而調速器、水輪發電機組等數學模型也用一階微分方程式表達。則整個系統小波動的數學模型都采用一階微分方程組的形式來表達。然后用狀態方程來表示，即：

X＆＝Ax＋BU

式中X＆——狀態向量；

U——輸入向量；

A、B——系數矩陣。

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：運動方程和連續方程，轉變為特征方程組，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網絡系統與變參數控制相結合的智能控制系統，該系統能適應水輪機調節系統結構、參數變化較大情況下的控制要求。

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

2.3基于SIMULINK的水輪機調節系統仿真

SIMULINK是一個進行動態系統建模、仿真和綜合分析的軟件包。它可以處理的系統包括：線性、非線性系統；離散、連續及混合系統等。運用這個國際上先進的仿真軟件，對水輪機調節系統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編制和調試程序的工作量很大；②仿真程序的移植性較差，很難適應水電站個性強的特點；③缺乏強有力的圖形輸出支持。當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模型庫。一般在控制系統的分析與設計中遇到的模塊幾乎都可以從模型庫中找到。（2）實現了可視化建模。由于在Windows界面下工作，因此用戶可以很方便地利用鼠標器在模型窗口上“畫”出所需的控制系統框圖，這樣使得一個很復雜模型的輸入變得相當容易且直觀。（3）利用SIMULINK進行數字仿真非常簡單方便。它提供了多種數值算法，使用者只需選擇合適的算法和有關仿真參數（時間、步長、精度），即可得到仿真結果。（4）SIMULINK實現了與MATLAB、C、FORTRAN以及硬件工作環境間文件的互用和數據交換。并聯PID型調速器、液壓隨動系統死區、開機的速度限制、接力器限幅等非線性環節，這些環節都可以從SIMULINK模型庫中方便地調用，不需要編制相應的程序。我們可以運用SIMULINK，利用鼠標器將系統結構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計思想，模型的結構易于修改和重構，重復利用率高，能較好地適應水電站個性強的特點。研究結果表明：

SIMULINK具有卓越的數字計算和圖形可視化能力，采用“畫中畫”技術可以同時輸出多個變量的仿真試驗結果，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，這對水電站的設計、優化控制及危險工況的預測都具有重要意義，是利用計算機對系統的數學模型進行試驗研究的一種新方法，仿真技術具有高效、優質、經濟的特點，它已成為水電能源理論研究和技術開發的有效手段。

另外羅南華[5]在“MATLAB在水輪機調節系統設計中的應用”一文中介紹了當今先進的科學計算軟件MATLAB軟件包的特點，并通過實踐論述了該軟件在水輪機調節系統計算機輔助分析和設計中的應用。仿真結果可以用來指導實際水輪機調節系統的設計。也提到了MATLAB軟件中新的控制系統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智能權函數模糊控制

水輪機調節系統的被控對象是一個復雜的非線性的非最小相位系統，存在并大網運行、空載等多種運行工況。由于被控對象的復雜性和人對控制規則描述的不準確性，采用常規的模糊控制方法難以找出合適的隸屬函數和模糊控制規則，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，則由于其規則固定，而不能適應被控對象的變化。

曹玉勝[4]提出了連續性智能權函數模糊控制算法，并將此算法用于水輪機調節系統的仿真試驗，結果表明，該算法具有良好的控制性能。而連續性智能權函數模糊控制算法，無需確定模糊變量的隸屬函數和模糊控制規則，其運算量相當于常規的PID控制算法，但性能優于常規的模糊控制系統，為有效控制水輪發電機組提供了一種新的途徑。經過研究表明，連續性智能權函數模糊控制的水輪機調節系統開機過渡過程的超調量、反調量和調節時間均較小，開機過渡過程特性明顯優于PID控制規律的水輪機調節系統；連續性智能權函數模糊控制水輪機調節系統的頻率擾動階躍響應特性亦明顯好于采用PID控制的水輪機調節系統的頻率擾動階躍響應特性，近似于常規模糊控制水輪機調節系統的頻率擾動階躍響應特性。它既做到了水輪機調節系統所要求的對于指令信號的快速響應，又充分保證了系統的穩態性能。其顯著的優點是甩負荷的轉速峰值小，調節時間短。系統的甩負荷特性亦明顯優于PID控制的水輪機調節系統，甚至優于常規模糊控制的水輪機調節系統的甩負荷特性。因此，采用連續性智能權函數模糊控制算法的控制系統具有優越的控制性能。

另外一些學者提出了變結構變參數的調節方法[6]，根據變化控制結構，然后改變參數，可以兼顧小波動、大波動過程中的動態品質，并取得了理想的效果。這與新型FNNS控制策略在水輪機調節系統中的應用是相類似的。

3結論

（1）傳統方法對于水電站水輪機調節系統的小波動和大波動兩類動態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，編制和調試程序的工作量很大；仿真程序的移植性較差，很難適應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節系統中應用的變參數控制的思想，所采用的方法主要是基于運行區域的劃分及插值運算。具有了適應被控對象參數變化的能力，提高了控制效果，具有較好的發展前景。

（3）基于SIMULINK的水輪機調節系統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，這對水電站的設計、優化控制及危險工況的預測都具有重要意義，仿真技術具有高效、優質、經濟的特點，已成為水電能源理論研究和技術

（責任編輯：）

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