（水利水电工程专业论文）灯泡贯流式机组调节系统fuzzypid控制研究.pdf

摘要 论文题目：灯泡贯流式机组调节系统f u z z y p i d 控制研究 学科专业：水利水电工程 研究生：许蕊娥 指导教师：南海鹏教授 吴罗长讲师 摘要 签名： 签名： 近年来，灯泡机组的应用与日俱增，为加快我国开发利用较为经济的低水头径流式水 电站及潮汐电站开辟了一条前景广阔的新路。但从我国目前投运的灯泡贯流式机组运行情 况来看，调节系统的稳定性相对较差，尤其在孤立电网带4 0 以上负荷时，机组难以稳 定。产生这种情况的主要原因是灯泡贯流式机组的工作水头低、水头的相对变化较大，从 而使输出的有功也波动较大。为此，必须引入具有自适应特性的智能调节机制才能使机组 稳定运行或具有良好的动态响应。 随着智能控制技术的进一步发展，各种控制技术相互融合的控制方法越来越受到关 注，其中基于协同进化遗传算法的模糊p i d 控制以其算法简单，鲁棒性强和优良的控制 效果，倍受人们的青睐。因此，本文以灯泡贯流式机组为控制对象，分析基于协同进化遗 传算法的模糊p i d 控制器在灯泡贯流式机组中的控制效果。 首先，简要介绍了贯流式机组的发展及其应用，并分析了灯泡贯流式机组调节的特殊 性；其次对灯泡贯流式机组调节系统各组成模块进行分析，并在此基础上建立系统数学模 型：然后针对灯泡贯流式机组调节系统的特殊性，引入基于协同进化遗传算法的模糊p i d 智能控制技术，并以白垢电站灯泡贯流式机组为调节对象进行实例仿真。仿真结果表明， 不论在频率扰动还是负荷扰动上，它都具有较好的动态品质，控制效果优于常规p l d 控 制。 在文章的最后，对本文的工作和研究成果进行了全面概括总结，并说明了进步需要 研究的问题。 关键词：灯泡贯流式机组：水轮机调节系统；模糊p i d 控制；协同进化遗传算法 a b s t r a c t - f i t i e ：t h e 只e s e a r c ho ff u z z y 二p i dc o n t r o li nb u l bt u r b i n e r e g u 乙酊i n gs y s | t e m m a j o r ：w a t e rr e s o u r c e s a n dh y d r o - e l e c t r i ce n g i n e e r i n g n a m e ：r u i ex u s i g n a t u r e ：洫：垂 s u p e r v i s o r ：p r o f h a i p e n gn a n l e c t l u o c h a n gw u a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： b u l bh y d r a u l i cg e n e r a t i n gu n i t sa r eo nt h er i s es t e a d i l yi nr e c e n ty e a r s ，e x p l o i t i n gan e w w a y t oa c c e l e r a t i n gd e v e l o p m e n to fl o ww a t e r - h e a dp o w e rs t a t i o ni no u rc o u n t r y 。f r o mt h e r u n n i n gc o n d i t i o n so fc o m m i s s i o n i n gb u l bh y d r a u l i cu n i t s ，w ek n o wt h a tt h e s es y s t e m sh a v e b a ds t a b i l i t i e sc o m p a r a t i v e l y , t h e ya r ed i f f i c u l tt ob ei ns t a b i l i t yi ni s o l a t e dp o w e rn e t w o r kw i t h m o r et h a n4 0p e r c e n tl o a d t h er e a s o no ft h i sc a s ei st h a tb u l bt u r b i n eu n i t sh a v ef e a t u r e so fl o w w o r k i n gh e a d , l a r g er e l a t i v ec h a n g eo fw o r k i n gh e a da n dg r e a tf l u c t u a t i o no ft h ea c t i v ep o w f r e x p o r t e db yt h eg e n e r a t o r s o ，n e wp a r a m e t e ra d j u s t o r sw i t hs e l f - a d a p t i v ec h a r a c t e r i s t i ch a v et o b ei n u o d u c e da sw e l lt og e ts t a b l eo p e r a t i o no r9 0 0 dd y n a m i cr e s p o n s e w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，c o m b i n i n gk i n d so fc o n t r o lm e t h o d s g e tm o r ec o n c e r n , e s p e c i a l l yc o m b i n ec o o p e r a t i v ee v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mw i t hf u z z y - p i d c o n t r o l l e r , i ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a rf o ri t ss i m p l ea l g o r i t h m ，s t r o n gm b n s t a e s sa n d g o o dp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，b u l bt u r b i n eu n i t ew a st o o ka sc o n t r o l l e do b j e c t si nt h i sp a p e rt o h a v ear e s e a r c ha b o u tt h e 印p l i e a t i o no ff u z z yg e n e t i ca l g o r i t h mo ng o v e r n i n gs y s t e mo fb u l b t u r b i n eu n t e f i r s t , ab r i e fi n t r o d u c t i o nt oa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tt u b u l a rt u r b i n eu n i t ew a sg i v e n ，a n d a n a l y s e st h ep a r t i c u l a r i t yo fr e g u l a t i n go fb u l bt u r b i n eu n i t e s e c o n d ，e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a l m o d e la f t e ra n a l y z i n ge a c hc o n s t i t u t eo fb u l bt u r b i n eu n i t si nd e t a i l t h e n ，a i ma tt h e p a r t i c u l a r i t yo f b u l bt u r b i n e u n i t e，t h ef u z z y p i dc o n t r o l l e rb a s e do n c o o p e r a t i v e c o e v o l u t i o n a r yg e n e t i ca l g o r i t h m i sp r o p o s e da n dh a v eas i m u l a t i o no nb u l bt u r b i n ei nb a i g o u p o w e rs t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o dd o e sn o td e p e n do nt h ei n i t i a l v a l u e so f p a r a m e t e r sa n dt h eo p t i m a ls e a r c he f f i c i e n c yi sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lp i d a tl a s t ，s u m m a r yt h ew o r ko ft h i sp a p e r , p o i n to u tt h es h o r t a g eo ft h i sp a p e ra n dt h ei l l o r e r e s e a r c hf o rr e q u i r e m e n t a b s t r a c t k e yw o r d s ：b u l bt u r b i n eu n i t s ；h y d r o t u r b i n er e g u l a t i n gs y s t e m ：f u z z y - p i d ：c o o p e r a t i v ec o e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m i l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：- 三哮盘主i 五樊噼午月千日 学位论文使用授权声明 本人逢蓖；士& 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 7 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、测览。 本人学位论文全部感部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：j 鲁蛳导师签名：鳓7 年饵f 日 第一章绪论 1 绪论 1 1 贯流式水电站的发展 水电是目前人类唯一能够大规模商业化开发利用的可再生清洁能源。而我国具有西高 东低的地势，蕴藏着得天独厚的水能资源。第四次水力资源复查成果显示，全国江河水电 资源的理论蕴藏容量达6 9 4 4 亿k w ，年发电量6 0 8 2 9 亿k w h ，其中技术可开发容量为5 4 1 6 亿k w ，年发电量为4 7 4 4 4 亿k w h ，列世界之冠。但现已开发量仅有1 亿k w , 只占到经济 可开发量的2 0 。我国江河的低水头水力资源。根据文献n 1 估算，水头在l o m 左右的资 源量约占可开发资源的5 ，达到o 2 亿k w 以上。此外，我国大陆和岛屿海岸线蕴藏着 巨大的海洋潮汐能资源，可开发量超过0 2 1 亿k w ，尚未进行大规模开发。以上各项数据 说明，我国适用于贯流式水轮机开发的低水头水能资源蕴藏巨大，贯流式水轮机应用前景广 阔，需求巨大。 贯流式水轮机是开发低水头、大流量水电站及潮汐发电水能资源的一种最经济、适宜 的水轮机形式，具有资源利用充分、投资节省的优势和电量增值、综合效益增值的效果。 与传统混流式和轴流式水轮机相比，贯流式水轮机具有结构紧凑，单位过流量大，转速高， 水轮机效率高，且高效区宽，加权平均效率也比较高等优良的能量特性( 其特征参数比转 速n 。可达1 0 0 0 以上，比速系数可达3 0 0 0 以上) ，在相同水头和相同单机容量时，贯流式 水轮机机组尺寸小，重量轻，材料消耗少，机组造价低。因此自2 0 世纪3 0 年代贯流式水 轮机问世以来，因其优良的技术经济特性和适用性而得至口广泛应用和迅速发展，包括灯泡 贯流发电机技术在内的贯流机组技术日益成熟，贯流式水电站的开发、设计、运行技术与 经验日益丰富。国外水头2 5 m 以下的水电开发，已出现取代轴流式水轮机的局面。贯流 机组技术在1 9 6 0 1 9 9 0 的发展最为迅猛，这一时期投入运行的贯流机组，最大单机容量 运6 5 8 m w ( 灯泡贯流，日本只见) ，最大水轮机转轮直径达8 2 m ( 竖并贯流，美国墨累) ， 最高工作水头达2 2 。4 5 m ( 灯泡贯流，日本新乡第- - ) 。 与之相比，我国的贯流式水轮机起步较晚：我国从2 0 世纪6 0 年代开始贯流式水轮机 的研究和应用“1 ，到2 0 世纪8 0 年代，贯流机组技术及其应用取得突破性的进展，1 9 8 3 年引进设备的第一座大型灯泡贯流机组电站湖南马迹塘水电站建成，1 9 8 4 年自主开 发的广东自垢电站转轮直径5 5 m ，单机容量! o m w 灯泡贯流机组投运，标志着具备自行 开发研制大型贯流机组设备的能力。贯流式水轮机的应用研究和运行技术也获得了发展， 积累了经验。最近2 0 几年来，相继开发建成引进设备、技术合作或自行装备的大型灯泡 贯流机组电站数十座，如凌津滩、王甫洲、尼那、洪江等，都发挥着良好的经济效益。其 中洪江水电站最大工作水头2 7 3 m ，单机容量4 5 m w ，是目前世界上应用水头最高、国内 单机容量最大的灯泡贯流机组。国内已运行的灯泡贯流式水轮机最大转轮直径已达7 5 m 。 西安理工大学硕士学位论文 目前规划或在建的贯流式水电站遍布全国各地，在建的广西长洲永电站装机1 5 台。总装 机容量达6 2 1 3 m w 。在西北地区，2 0 世纪8 0 年代开始贯流式水电站的规划设计，并完 成了柴家峡等电站的可行往研究。在黄河干流上现已建成青海尼那电站，宁夏沙坡头电站 即将竣工，甘肃柴家峡、青海直岗拉卡等电站在建。尼那电站是我国海拔最高的大型灯泡 贯流机组电站，沙坡头则是应用于高含沙水流的第一座大型灯泡贯流机组电站，各具特色， 为贯流式水电站的开发提供了新的经验。 经过4 0 余年的研究与实践，我国对贯流机组设备开发、研制以及贯流水电站设计和运 行技术都取得了很大的发展和成就。对于2 5m 以下低水头水电开发 优先选择贯流机组， 己基本形成共识。 1 2 贯流式机组分类 水轮机是将水流机械能转换为固体机械能的水力原动机。根据在水轮机内实现能量转 换的水流能量形式及水流在水轮机转轮区域内的运动特征，贯流式水轮机属于轴流式水轮 机一类。面根据水轮机的结构和机组的布置形式，贯流式水轮机可分为全贯流式和半贯流 式两种全贯流式水轮机由于发电机转子和水轮机转轮结合为一体，对密封要求特别高， 制造难度太应用较少。目前应用广泛的半贯流式水轮机可分为轴伸贯流、竖井贯流和灯 泡贯流。轴伸贯流和竖井贯流一般应用在小型电站，大中型电站一般采用灯泡贯流式。所 以在这些机组型式中以灯泡贯流机组采用最为广泛，其特点是水平布置，发电机布置在水 轮机上游或下游河道里与水密封的灯泡形金属壳体内，由上游流入的压力水绕过灯泡外 壳，通过导叶直接作用于轮叶，带动发电机旋转，其全部重量支撑在混凝土基础上。这种 机组与低水头轴流转浆式水轮发电机组相比，具有如下优势1 ： ( 1 ) 灯泡贯流式机组是开发低水头资源最优良、最经济的机型，对水头变化较大的 低落差径流电站，有较好的适应性。 ( 2 ) j = 泡贯流式机组的效率比立式机组高3 巧 ( 3 ) 灯泡贯流式水轮机的单位过流量大。在同样直径、转速、水头和效率的情况下， 灯泡贯流式机组的过流量比转浆式机组大4 0 左右。 ( 4 ) 灯泡贯流式水轮机比转速高、体积小、重量轻、消耗金属材料少。其单位转速 可比轴流机组高1 0 - 2 0 左右，在同样出力下，转轮直径可减少7 - 1 1 ，机组总重 量可减少7 i o 。 ( 5 ) 灯泡贯流式机组结构紧凑，占用位置少，土建工程量小，有利于工程布置 1 3 灯泡贯流式机组调节的特殊性 2 灯泡贯流式机组发电机置于水下的灯泡体内。由于受水流条件的影响，灯泡比受到一 第一章绪论 定的限制，发电机尺寸小，重量轻、转动惯量小、飞轮力矩o l y 相应较小。因此其调节 过程和常规机组相比，有一定的特殊性，其主要表现为：水头低、流量大、水流惯性时自j 常数l 大，而机组转动惯量与惯性时间常数l 相对较小，使得。- 1 a 值很大，当采用常规 的p i d 调速器时机组在孤立电网中运行的稳定性往往难以保证。从我国已投运的灯泡贯 流式机组的运行情况来看，带孤立电网负荷时只能在3 0 - 4 0 额定负荷以下的工况是稳 定的：在这个负荷以上机组转速难以稳定。人们通过试验研究发现这与贯流式机组的特殊 性有密切关系： a t - ，t 的比值倒置 调速器国家标准规定；调速器使用条件为e ，疋比值不大于0 4 。这就是说，通常调 速器适用的机组条件是大于乙，即值为乙的2 5 倍以上。 而灯泡贯流式机组的转动贯流1 3 d 2 较小，只有同容量立式机组的1 5 - 3 0 ，因此其机 组惯性时间常数较小，同时灯泡贯流式机组的运行水头较低，流量相对较大，而其水 流惯性时间常数l 较大。于是出现了贯流式机组的乙，乙比值普遍大于1 的情况，与调速 器国标规定的l o 4 的条件比较，出现了乙，比值倒置的现象。由此可见常规调速 器很难完成灯泡贯流式机组的调节品质要求。 b 广义的t t ，t 值随机组运行工况而大幅度变化 灯泡贯流式机组运行水头h 与出力p 变化范围比较大，故其广义的已、l 值的变化 范围也比较大。额定工况的瓦、艺值用乙和乙表示，则广义的l 、瓦与乙、乙有如 下关系：l 2 鲁乙；l 2 等；式中吁虽；h - 若；p = 号 c i _ v 的分布特点 灯泡贯流式机组转轮出口动能一般要占额定水头的6 0 以上。为回收这部分动能，尾 水管段一般较进水管段为长，且平均流速也较高。因此，出现了( el v ) 矗 ( el v ) 埕 的现象，这是灯泡贯流式机组的另一大特点。 d h 负值较大 安装灯泡贯流式机组的电站一般为河床布置，下游尾水位在汛期一般较高，而枯水期 则较低。为满足机组稳定运行的需要，安装高程一般按气蚀或电站电能效益确定，装的较 低。因此在整个运行工况范围内，日。负值比立式机组要大得多。 e 运行水头变幅范围宽 安装灯泡贯流式机组目前仅限于2 5 米以下的低水头电站，水头的绝对值不大，但运 行水头的相对变幅都比较大。 3 西安理工大学硕士学位论文 所以对于灯泡贯流式水轮机来讲，其主要特点是l v 值较大，而机组的转动惯量 g d 2 相对较小。水流惯性时间常数l 一般为2 4 秒，而机组惯性时间常数t 一般为2 3 秒，t , t o 值大于国家标准水轮机调速器与油压装置技术条件中关于l t 一k p p ( 甩一1 ) + 局艺p ( 力+ 如一1 ) 一8 ( 珂一2 ) 】 ( 3 6 ) 以( 3 5 ) 式减去( 3 6 ) 式，并简化后得增量型数字p i d 控制算式： 西安理工大学硕士学位论文 a b ( 矗) - d l ( ，d d ；( 刀一1 ) - r a e ( n ) 一e ( n 一1 ) 】+ k 1 e ( n ) + k o e ( n ) 一2 e ( n - 1 ) 一p ( 玎一2 ) 】 ( 3 7 ) 由于一般计算机控制系统采用稳定的等采样周期乃故在确定了j 5 、蜀、j 后，根 据前后三次测量值即可由式( 3 7 ) 求出数字p i d 调节器输出的增量。 由( 3 7 ) 式可知，增量型数字p i d 调节器输出的是对象调节机构位置的变化量。在 实际控制中，增量型数字p i d 控制算法要比位置型数字p i d 控制算法应用得更为广泛。 ( 3 ) 实用的水轮机微机调节器p i d 控制算法 在实际应用中，为了提高p i d 调节器的抗干扰能力，应当用实际微分环节取代理想 微分环节，即用害；鑫取代髟s 则实际微分通道上输入# o ) 和输出分量儿o ) 可表示为 如下微分方程形式： 删+ 乃警- 局警 改写成差分方程，有： ( 彬+ 乃堂学螋一华 经整理后，有： 互鱼互 啪卜志啪一卜怎1“小志1 “dl + 篁+ 卫+ 丝 rrr ( 3 8 ) 墨生 。毒蹦舻1 ) + 考“小咖- 1 ) 】 同理： 互叠 d , 。( n - o - 去啪_ 2 ) + 轰畎卜咖- 2 ) 】 “爹“等rr 因此： a ( 帕一( 刀) 一一1 ) 互 一号1 9 一( h 一1 ) 一d 0 ( h 一2 ) 1 鱼 2 p ( 月) 一2 e ( 雄一1 ) + p ( ，l 一2 ) i + l _ 4 a 1 4 第三章灯泡贯流式机组调节系统建模 如将( 3 8 ) 式取代( 3 5 ) 式中微分分量，则有实用的位置型数字p i d 控制算式 髟乃 啪m 如帕弘) + 忐m 小咖- 1 ) 】+ 矗啪1 ) ( 3 9 ) 如将( 3 9 ) 式取代( 3 7 ) 式中微分分量，则有实用的增量型数字p i d 控制算式 a 见( 一) - 耳p ( 玎) 一p 0 一1 ) 】+ 蜀p ( 捍) 髟 - + 忐瞰功- 2 “肛1 ) o _ 1 ) 】 ( 3 1 0 乃 “忐暇”1 ) 一_ 2 ) 】 根据水轮机调节的特点，除了考虑在并网前按p i d 调节规律进行控制以外，还必须 考虑在并网之后按永态转差系数虬作有差调节其微机调节器的典型框图如图3 - 3 所示 图3 3 水轮机微机调运器典型框图 f i g3 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo f m i c r o c o m p u t e r - b a s e dg o v e r n o rf o rh y d r a u l i ct u r b i n e 从图3 - 3 可见，的输入信号取自p i d 调节器的输出功率给定的比较，而输出是与 p i d 输入信号进行比较而只送到积分通道，因此，只需将( 3 9 ) 式和( 3 1 0 ) 式中的积 分分量用d 。( n ) 和a d 。( 功代替可得到用于实际的微分调节器控制算式。根据分析推导， 可得： 以( 疗) - 以一1 ) + 蜀 e ( 疗) 一【b o 一1 ) 一最( 疗) ” 嘎( 力一局 e ( n ) - b ，x 【q ( ，| 一1 ) 一0 ( 国】 因而，在考虑虬时的实用的位置型数字p i d 控制算式为： b ( 疗) = 巧e ( n ) + 以伽一1 ) + 墨 e ( 珂) 一哆伽一1 ) 一名( 以) ” 争孕 ( 3 i i ) + j f e ( ，1 ) 一p 0 一1 ) 】+ f 一1 ) 1 + 量l + 生 丁7 西安理工大学硕士学位论文 在考虑屯时的实用的增量型数字p i d 控制算式为： a q ( 一) 一k p e ( 一) 一e 伽一1 ) 】+ 局弘( 帕一【q 一1 ) 一最伽) 】 筮 + 2 一【p ( 刀) 一2 p ( ”一1 ) + f ( 万一2 ) 】 ( 3 1 2 ) 1 + 翌 y 互 + 手【d - 一1 ) 一占_ 一2 ) 】 l + 生 调速器随动系统由电液放大器、主配压阀、主接力器、位移传感器等构成。调速器的 输出信号经过随动系统转换为主接力器的位移信号，在通过位移传感器取得反馈信号送至 电液放大器。 其结构图3 4 所示； 图3 - 4 电液随动系统结构图 f i g3 - 4t h e 刚n k = t i 鹏b l o c ko f e l e c t l o - r e m o t ec o n t r o ls y s t e m 随动系统传递函数为： q m 嚣- 而1 ( 3 1 3 ) “l s ，o + j 其中，l 为接力器反应时间常数。 3 1 2 压力引水系统模块分析 在小波动范围内，水体及管道基本上可以认为是刚性的。可以用刚性水击理论来描述 压力引水系统的动态特性。由水力学可知，刚性水击时变化为： a h l d t 三塑( 3 1 4 ) g d v 鲥d t 式中：a 圩水头变化；( 痂 上引水管道长度；( 砌 矿流速；( s m ) a 管道横截面积；( m 2 ) p 一流量：( 肌3 s ) 1 6 第三章灯泡贯流式机组调节系统建模 令 ；等为水头偏差相对值，g 。西a q 为流量偏差相对值，其中以、q ，分别为额 定水头和额定流量。得出： 一l 鲁( 3 1 5 ) 用拉氏变换得到同性水锤压力引水系统传递函数为： g r ( s ) 一掣q t s ) 一一和 ( 3 1 6 ) 式中：l 警水流惯性时间常数： g 仃，以 其物理意义为：压力引水系统中的水流在不变水头j t 的作用下，若不考虑管道内水 力损失，流量从0 增大到q ，所需的时间。它是表征引水系统中水流惯性的重要参数，在 其他条件相同时，l 的值越大，水锤压力的值也越大，对调节过程的影响也越大。 刚性水锤压力引水系统模型如图3 - 5 所示5 “”： 图3 - 5 压力引水系统模型 f i g3 - 5t h em o d e lo f p r e s s u r ed i v e r s i o ns y s t e m 3 1 3 水轮机系统模块分析 水轮机具有较复杂的非线性、时变性特征，常用水轮机转矩m 、流量q r 、水头h 、 机组转速h 、输出频率( 转速) x 及导叶开度y ( 近似用接力器位移表示) 等表示其动态 特性。将鼠x 、y ，妒作为自变量， t 、q 作为因变量得到水轮机动态特性函数表达式： p 墨絮以纠、 ( 3 1 7 ) l 4 - t ( t t ，疗，口，伊) 其中q 、疗、a 、尹分别为水轮机流量、工作水头、转速，导叶开度和桨叶开度。 考虑小波动情况下，所有动态参数在稳定工况点附近只有很小的变化，水轮机的动态表达 式可用上式在稳定工况点用泰勒级数展开，取第一项并用相应的偏差相对值 q 、h 、鼠”z 表示，则式( 3 1 7 ) 化为： j g 。吖+ y + h ，+ e q ：一 ( 3 1 8 ) i 7 q ；巳x + e j , y + e h 厅+ e z 。z 1 7 西安理工大学硕士学位论更 因现有转浆式水轮机的桨时开度郝由协联机构给出，是导叶调节的随动系统，因此从 导叶调节到桨叶可以认为是一个一阶惯性环节传递： 2 ( 5 ) 。高每j ，( 3 1 9 其中k ，为稳态时导叶相对开度j ，到桨叶相对开度z 的放大倍数。 经过拉氏变换得到水轮机传递函数为： 卜枷c 咖+ 括删 2 。， 啊叫雄) w + q + 面k z e , 卜j ， 对于水轮机系统模型还应注意以下几点； ( 1 ) 水轮机传递系数卟e y 、e h 、吩# 矿号矿、可以从水轮机综合特性曲线 上求取。 ( 2 ) 水轮机的上述几个传递系数都是水轮机的静态特性系数，若将其用于动态分析 计算，肯定会导致误差。因此，它只适用于水轮机调节系统低频段的分析。 ( 3 ) 水轮机的上述几个传递系数是在小波段的假定条件下求得的，而且在不同的稳 定工况点，这些系数都有不同的数值。因此在使用这些系数时定要注意它们的稳定工作 点，并且不能用来研究大波动的动态过程汹匕 因此水轮机系统模型可由图3 6 表示： 图3 - 6 水轮机系统模块图 f i g3 - 6t h eb l o c kd i a g r a mo f h y d r a u l i ct u r b i n es y s t e m 3 1 ，4 发电机系统模块分析 根据动力学原理，将发电机及负载综合考虑，其运动方程可以表示为： 第三章灯泡贯流式机组调节系统建模 ( 删妄+ p 工一m 一略 其中：瓦机组惯性时间常数( s ) ； 瓦负载的机械惯性时间常数( s ) ； m 水轮机主动力矩转矩( n m ) ； 嗨发电机负荷阻力矩( 负载转矩) ( n 。m ) ； 综合调节系数，- e g 一巳； 勺发电机( 负载) 自调节系数； 略水轮机自调节系数。 则发电机及负载的传递函数为： 删。鼎。丽1 机组运行时发电机及负载模型如图3 - 7 所示刚懈： 图3 - 7 发电机及负载模型 f i g3 - 7t h em o d e lo f h y d r a u l i cg e n e r a t o ra n di t sl o a d 3 2 水轮机调节系统非线性分析 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 水轮机调节系统是一个非线性的时变系统，主要是因为电液伺服控制系统存在的非线 性及其水轮机和引水系统自身存在的非线性。 电液伺服控制系统中，电液伺服阀、主配压阀和接力器自身具有非线性，主配压阀阀 芯在不同的工作点具有不同的开口量，使接力器响应时间常数在过渡过程中变化。同时由 于液压系统常见的饱和非线性、死区特性、液动力等也产生电液伺控制系统中的非线性。 水轮机及其压力引水系统中，由于水流的水头变化，过流管道的弹性作用，使水轮机 1 9 西安理工大学硕士学位论文 模型中传递系数印0 、印印、e q , 随过渡过程工况变化而变化，同时影响发电机 的自调节系数的变化，从而使调节对象具有较大的非线性和时变性。 水轮机调节系统的非线性直接影响发电机输出电能频率和过渡过程中的动、静态品 质，是不利于系统稳定的重要因素。 3 3 水轮机调节系统模型 在稳定工况点附近，可以得到水轮机调节系统的线性化模型如下图3 8 所示： 图3 - 8 灯泡贯流式机组调节系统模型框图 f i g3 - 8t h eb l o c kd i a g r a mo f b u l bt u r b i n er e g u l a t i n gs y s t e m 经过上述分析与推导，建立了水轮发电机组在小扰动工况下的线性化模型，在稳定工 况点附近，可以用线性化模型代替真实模型进行近似分析。 第四章模糊控制技术与协同进化遗传算法 4 模糊控制技术与协同进化遗传算法 4 1 模糊控制技术 模糊理论开始于1 9 6 5 年美国著名教授l a z a d e h 所提出的描述不确定性和语言信息 的“模糊集合论( f u z z ys e t s ) ”的概念，首次提出用“隶属函数”来描述现象差异的中问 过渡，给出了模糊概念的定量表示法，突破了古典集合论中属于或不属于的绝对关系，由 此开创了模糊数学及其应用的新纪元。1 9 7 4 年英国的马丹尼( e h m a m d a n i ) 首先用模 糊控制语句组成模糊控制器，用于工业现场的控制，取得良好的效果，标志着模糊控制论 的诞生，此后，模糊控制技术不断发展，在工业控制中得到了广泛的应用。 4 1 1 模糊控制理论的数学基础 a 模糊集合与模糊运算 定义1 ：论域u 中的模糊子集彳，是以隶属度函数。表征的集合。即由映射 心：u 一【o ，l 】 一心 ) 确定论域u 的一个模糊子集4 。心称为模糊子集彳的隶属度函数，以( ) 称为h 对爿的 隶属度，它表示论域中的元素“属于其模糊子集a 的程度。它在【o ，l 】区间内可连续取值。 定义2 ：论域u 中的模糊子集的全体，称为u 中的模糊幂集，记作f ( u ) ，即 f ( u ) 一 一，- ：【，【o ，l 】 对于任一“e u ，若儿一o ，则称a 为空集；若心1 1 ，则称4 = 【，为全集。 定义l ：定义3 ：设彳、b 是论域u 上的两个模糊集合，即a ，b e f ( ，若对于任一 u e u ，都有心( “) 以( 甜) ，则称b 包含于彳，记做b g a ；若对任一“e u ，都有 如( “) = 以( “) ，则称b 等于彳，记做丑= 彳。 设a ，b 是论域u 上的两个模糊集合，隶属函数分别为心和心，常用的运算有： ( 1 ) “并”运算a u b ：以u 口( “) 一m a x # ( “) ，u 口( “) 】- u ( “) vu 口( “) ( 2 ) “交”运算a n b ：a a n b ( ) i m i n ) ，如 ) 】一心 ) a 似) ( 3 )“补”运算a ： 心( ) 一j 一心( “) 2 i 西安理工大学硕士学住论文 b 模糊集合的隶属函数 隶属函数的确定实质上是人们对客观事物中介过渡的定性描述，这种描述本质上是客 观的。由于模糊集理论研究的对象具有模糊性和经验性，每个人对同一模糊概念的认识和 理解存在差异，因此隶属函数的确定含有一定的主观因素，但主观的反映和客观的存在是 有一定的联系，受到客观制约的因此，隶属函数的确定应遵守以下的基本规则： ( 1 ) 表示隶属度函数的模糊集合必须是凸模糊集合； ( 2 ) 变量所采取的隶属函数通常是对称和平衡的； ( 3 ) 隶属函数要符合人们的语义顺序，避免不恰当的重叠。 正确构造隶属函数是能否用好模糊集合的关键。然而，目前确定隶属函数还没有成熟 的方法，大多数系统的隶属函数仍然还停留在依靠经验确定，然后再通过试验或者计算机 模拟得到的反馈信息进行修正。常见的确定隶属函数的方法如模糊统计法、专家经验法、 二元排序法、典型函数法等。 隶属函数的函数形式多种多样，一般使用较多的有三角函数、梯形函数和钟形函数等， 其中三角函数最为简单，应用最广 4 1 2 模糊控制系统的基本结构 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推 理为基础的一种计算机控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线 性控制。从控制器智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能 控制的一种重要而又有效的手段。尤其是模糊控制与神经网络、预测控制、遗传算法、混 沌理论等新学科的结合，正在显示出巨大的应用潜力。 模糊控制系统一般可以分为四个部分： ( 1 ) 模糊控制器：它实际上是一台微计算机，根据控制系统的需要，可以选用系统 机，也可选用单板机或单片机； ( 2 ) 输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信号 量，并将模糊控制器决策的输出数字信号通过数模变换，将其转换为模拟信号，送给执行 机构去控制被控对象； ( 3 ) 广义对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性的或非线性的、定 常的或时变的，也可以是单变量或多变量的、有时滞或无时滞的以及有干扰的多种情况： ( 4 ) 传感器：它将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号( 模拟或数字的) 。 模糊控制的基本原理如图4 1 所示，它的核心部分是模糊控制器，如图中虚线部分所示。 第四章模糊控制技术与协同进化遗传算法 ，l 知识库 ! 模期控制嚣 图4 一l 模糊控制原理结构框图 f i g4 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo f f u z z yc o n t r o lt h e o r y 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取决于模糊 控制器的结构、采用的模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。模糊控制 器由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器 是一种语言型控制器。模糊控制器由四部分组成：模糊化、知识库和模糊推理、清晰化( 解 模糊) 部分“”。而知识库包含两个重要部件：规则库和数据库。规贝u 库包含了用模糊 语言变量表示的一系列控制规则，数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因 子以及模糊空间的分级数等。推理部分按照规则和条件事实进行推理，经过模糊推理之后， 系统输出为模糊量，解模糊部分完成将模糊量转化为精确量的功能。 4 1 3 模糊控制系统的原理 模糊控制器主要由以下4 部分组成： a 模糊化 模糊化的作用是将输入的精确量转化成模糊量。其中输入量包括外界的参考输入，系 统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下： ( 1 ) 首先对这些输入量进行处理，使其变成模糊控制器要求的输入量。例如，常见的情 况是计算e = r y 和c c = d e d t ( 式中r 表示参考输入；y 表示系统输出；e 表示误差， e c 表示误差导数) 。有时为了减少噪声影响，常常对c c 进行滤波后再使用。如可取 e c 2 【妖t s + 1 ) 】； ( 2 ) 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围内； 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量， 并用相应的集合来表示。 对于水轮机调节系统的模糊偏差输入变量e 和偏差变化率输入变量，其模糊子集 可以作如下方式划分：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，分别用n b ，n m ， n s ，z o ，p s ，p m ，p b 表示。 b 知识库 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和规则库 两部分组成。 ( 1 ) 数据库包含各语言变量的隶属函数，尺度变换因子及模糊空间的分级数等。水轮机 调节系统的模糊推理部分的数据库则包含模糊推理系统的两个输入变量( 偏差e 和偏差 变化率e c ) 及三个输出变量( p i d 参数的变化量) 的全部模糊子集的隶属矢量值。 ( 2 ) 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。在推理时为“推理机”提供 控制规则，由一系列“m i 啦n ”型的模糊条件旬所构成，如i f - t h e n 、e l s e 、a i ，e n d 、 o r 等，关系词必须经过“翻译”才能将模糊规则数值化例如，某模糊控制变量为e 和 e c ，可给出一组模糊规则： r 1 ：i f e i s n b a n d e c i s n b t h e n u i s p b 通常把给一部分称为“前提部”，而t h e n 部分称为“结论部”，其基本结构可归纳 为i r aa n dbt h e nc 条件句的前件为输入和状态，后件为控制变量。模糊控制规则的前 件和后件变量也即模糊控制器的输入和输出的语言变量。 模糊控制规则是模糊控制的核心，如何建立模糊控制规则是十分关键的问题，目前常 用的方法有基于专家的经验和控制工程知识、基于操作人员的实际控制过程、基于过程的 模糊模型和基于学习。以上方法人为因素过多，为了避免这一缺点，本文采用协同进化模 糊遗传算法优化水轮机调节系统模糊推理部分的模糊规则。 c 模糊推理 模糊推理是根据一组i f t h e n 模糊规则，从模糊集u - u x x “到模糊集v 的 映射。 在模糊控制中，考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。常见的模糊推理 系统有三类：m a m d a m 模糊推理模型，s u g e n o 模糊推理模型和t s u k a m o t o 模糊推理模 型。其中，m a m d a n i 推理方法是使用最多，同时也是比较简单的模糊推理方法，要求的 先验知识少，因此，本文采用m a m d a n i 模糊推理模型。推理过程可用下图表示： 第四章模糊控制技术与协同进化遣传算法 a ! 厂r l i 厂 七 - - j j l - 一曩- - z z 图4 - 2 使用m a x 和m i n 算子的g a m d a n i 模糊推理系统 f i g4 - 2m a r a d a n if u z z yr e a s 础s y s t e mo f u s i n gm a xa n dl a t i no p e r a t o r d 清晰化 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于控制的清晰量。 它包含两部分内容： ( 1 ) 将模糊的控制量经清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量； ( 2 ) 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。 通常把输出端具有转换功能作用的部分称为解模糊接口在模糊推理得到的模糊量 中，求取一个相对最能代表这个模糊集会的单值的过程称为解模糊。解模糊的方法很多， 常用的解模糊的方法主要有重心法、最大隶属度法、系数加权平均法、隶属度限幅元素平 均法和中位数法。重心法由于具有计算精度较高，计算速度快，使系统更接近实用等优点， 因而得到广泛应用，本文的解模糊亦采用重心法。重心法解模糊的算法如下： 取推理结论模糊集合隶属度函数曲线与行坐标轴所围成的面积的重心作为代表点， 即： 1 。丘垒竺丝 ( 4 1 ) - 一 4 1j f p c x ) a x 当输出变量的隶属度函数为离散单点集时，则为： 重心法的实质是加权平均法，权值为推理结论模糊集合中各元素的隶属度。