水轮机调节系统的预测控制与容错控制方法研究

发布时间：2020-09-08 07:41

　　水轮机调节系统是一个集水轮发电机组、引水管道系统、励磁系统、控制系统等子系统为一体具有多输入、多输出、时变和非最小相位等特点的复杂非线性系统。其作为水力发电机组重要智能设备,承担着机组开机、停机、同期并网、调相、负荷突增和事故紧急停机等任务。当系统长期在高负荷、高扰动和高随机工况下运行时,系统执行器、传感器和部件不可避免地发生机械故障,这些机械故障相互耦合、相互作用,对机组稳定运行和维持电网频率稳定产生较大影响。因此,本文我们引入先进的智能预测控制算法和容错控制算法,对非线性水轮机调节系统运行状态进行预测,然后通过在线监测与诊断技术,对系统故障进行容错控制。本文研究内容主要包含以下三个方面:(1)基于T-S模糊模型的状态反馈预测控制。为了对水轮机调节系统状态进行精确跟踪和预测,第二章节提出T-S模糊模型下的状态反馈预测控制。首先,选取水轮机调节系统六维模型作为研究对象,基于T-S模糊规则,建立系统的离散化数学模型。结合李雅普诺夫函数稳定性理论,证明闭环控制系统实现全局渐近稳定。考虑系统受外界扰动和模型失配影响,探究闭环控制系统的抗干扰能力和跟踪性能,并将提出的预测控制算法与PID控制和模型预测控制算法的控制性能作比较。仿真试验表明状态反馈预测控制能保证系统状态基本在3.5s内达到稳定状态,相对模型预测控制,系统状态达到稳定所需的调节时间缩短25%。因此,所提出的的控制算法为闭环控制系统提供稳定时间短、波动幅度小的良好控制品质。(2)水轮机调节系统的输出反馈容错控制。为了对水轮机调节系统机械故障进行在线监测和控制,第三章节提出基于观测器的输出反馈容错控制算法。首先,考虑水轮机调速系统中接力器行程的时滞效应,建立了含有状态时滞的水轮机调节系统动态数学模型。提出一种自适应故障诊断观测器,对水轮机调节系统机械故障进行在线实时诊断与检测,并设计自适应输出反馈容错控制器。结合李雅普诺夫稳定性理论,实现闭环控制系统的全局渐进稳定性。数值仿真试验表明基于观测器的输出反馈容错控制算法能使系统状态在2s内快速达到稳定,能够对系统故障进行精准跟踪和控制。(3)水轮机调节系统的滑模反演容错控制。为了解决水轮机调节系统执行器失效-偏差故障、死区输入等故障问题,第四章节提出基于非线性扰动观测器的滑模反演容错控制算法。考虑未知随机扰动对水轮机调节系统的影响,提出非线性扰动观测器用于对外界干扰在线估计和识别。结合反演控制和滑模控制算法设计虚拟控制量,提出反演滑模容错控制算法。根据李雅普诺夫函数稳定性定理推导,实现闭环控制系统的全局渐进稳定性。为了验证所提出控制算法的强鲁棒性和抗干扰能力,考虑时变卡死-增益故障、时不变卡死-增益故障、死区输入故障,并与现有容错控制算法的控制性能作比较。试验结果表明提出的容错控制器的控制误差基本在10~(-5)左右,能够为系统提供一个跟踪误差小、响应速度快、波动幅度小的容错控制性能,并为实际水电站安全维护提供一定的工程价值。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV734.4

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