水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析發(fā)展概況綜述

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摘要：對(duì)目前水電站水輪機(jī)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析中的應(yīng)用作一簡(jiǎn)要介紹。

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

　　1水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)介

　　水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)過(guò)程可分為小波動(dòng)和大波動(dòng)兩類。小波動(dòng)是指水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到微小的干擾（負(fù)荷或指令信號(hào)擾動(dòng)），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(diǎn)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(lái)描述各環(huán)節(jié)及整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；而大波動(dòng)是指水輪機(jī)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(gè)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(duì)待。小波動(dòng)主要影響的是水輪機(jī)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(dòng)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(shí)影響到水壓、轉(zhuǎn)速等各種參數(shù)的變化情況。因?yàn)樗啓C(jī)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(jī)組運(yùn)行的安全以及所生產(chǎn)電能的質(zhì)量，因此，對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的大、小波動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程分析具有重要意義。

　　2水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析發(fā)展概況

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

　　2.1傳統(tǒng)方法

　　小波動(dòng)穩(wěn)定性分析一般采用傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，過(guò)水系統(tǒng)按彈性水機(jī)考慮，過(guò)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(guò)水系統(tǒng)的傳遞函數(shù)近似表達(dá)為若干個(gè)一階微分方程式。因而調(diào)速器、水輪發(fā)電機(jī)組等數(shù)學(xué)模型也用一階微分方程式表達(dá)。則整個(gè)系統(tǒng)小波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型都采用一階微分方程組的形式來(lái)表達(dá)。然后用狀態(tài)方程來(lái)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(kù)塔法進(jìn)行仿真計(jì)算[1].

　　大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程一般利用差分方程進(jìn)行仿真[1]，采用特征線解法原理，將水機(jī)的基本方程式：運(yùn)動(dòng)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(jī)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(duì)水輪機(jī)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(diǎn)，進(jìn)行了仿真研究，他指出水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)典型的高階、時(shí)變、非最小相位系統(tǒng)，而且又是一個(gè)參數(shù)隨工況點(diǎn)改變而變化的非線性系統(tǒng)，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及暫態(tài)過(guò)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(duì)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(jī)組的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于水輪機(jī)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(gè)FNNS作為控制器，通過(guò)辯識(shí)當(dāng)前運(yùn)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(yùn)行區(qū)域的劃分及插值運(yùn)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(duì)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(gè)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(gè)工況范圍內(nèi)滿意的調(diào)節(jié)性能，從而保證了控制的實(shí)時(shí)性。

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

　　SIMULINK是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)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(yùn)用這個(gè)國(guó)際上先進(jìn)的仿真軟件，對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模與仿真計(jì)算，可以大大減少編程工作量，該方法是由模型庫(kù)輔助用戶進(jìn)行模型拼合，并利用圖形功能生成系統(tǒng)的仿真模型[3].

　　因?yàn)槟壳暗姆抡嬗?jì)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(gè)性強(qiáng)的特點(diǎn)；③缺乏強(qiáng)有力的圖形輸出支持。當(dāng)今流行于歐美的這種先進(jìn)的仿真軟件SIMULINK能克服上述弊端。

　　它的主要特點(diǎn)為：（1）SIMULINK提供了非常豐富的系統(tǒng)模型庫(kù)。一般在控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中遇到的模塊幾乎都可以從模型庫(kù)中找到。（2）實(shí)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(huà)”出所需的控制系統(tǒng)框圖，這樣使得一個(gè)很復(fù)雜模型的輸入變得相當(dāng)容易且直觀。（3）利用SIMULINK進(jìn)行數(shù)字仿真非常簡(jiǎn)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(shí)間、步長(zhǎng)、精度），即可得到仿真結(jié)果。（4）SIMULINK實(shí)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(dòng)系統(tǒng)死區(qū)、開(kāi)機(jī)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(kù)中方便地調(diào)用，不需要編制相應(yīng)的程序。我們可以運(yùn)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(huà)”入計(jì)算機(jī)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(jì)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(gè)性強(qiáng)的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：

　　SIMULINK具有卓越的數(shù)字計(jì)算和圖形可視化能力，采用“畫(huà)中畫(huà)”技術(shù)可以同時(shí)輸出多個(gè)變量的仿真試驗(yàn)結(jié)果，這是其他軟件所無(wú)法比擬的；該仿真模型具有很強(qiáng)的開(kāi)放性和可移植性，這對(duì)水電站的設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制及危險(xiǎn)工況的預(yù)測(cè)都具有重要意義，是利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究的一種新方法，仿真技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，它已成為水電能源理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的有效手段。

　　另外羅南華[5]在“MATLAB在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”一文中介紹了當(dāng)今先進(jìn)的科學(xué)計(jì)算軟件MATLAB軟件包的特點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)踐論述了該軟件在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。仿真結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(yùn)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被控對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的非線性的非最小相位系統(tǒng)，存在并大網(wǎng)運(yùn)行、空載等多種運(yùn)行工況。由于被控對(duì)象的復(fù)雜性和人對(duì)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(duì)特定的對(duì)象實(shí)施有效的控制，且存在著對(duì)于多條模糊控制規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算計(jì)算量大的缺點(diǎn)。若采用離線計(jì)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(duì)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)，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(wú)需確定模糊變量的隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則，其運(yùn)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(jī)組提供了一種新的途徑。經(jīng)過(guò)研究表明，連續(xù)性智能權(quán)函數(shù)模糊控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)過(guò)渡過(guò)程的超調(diào)量、反調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間均較小，開(kāi)機(jī)過(guò)渡過(guò)程特性明顯優(yōu)于PID控制規(guī)律的水輪機(jī)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)階躍響應(yīng)特性亦明顯好于采用PID控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)階躍響應(yīng)特性，近似于常規(guī)模糊控制水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)階躍響應(yīng)特性。它既做到了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所要求的對(duì)于指令信號(hào)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(diǎn)是甩負(fù)荷的轉(zhuǎn)速峰值小，調(diào)節(jié)時(shí)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，甚至優(yōu)于常規(guī)模糊控制的水輪機(jī)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(dòng)、大波動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用是相類似的。

　　3結(jié)論

　?。?）傳統(tǒng)方法對(duì)于水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的小波動(dòng)和大波動(dòng)兩類動(dòng)態(tài)過(guò)程均可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，效果良好，但大小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)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(gè)性強(qiáng)的特點(diǎn)；缺乏強(qiáng)有力的圖形輸出支持。

　?。?）新型FNNS控制策略在水輪機(jī)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(yùn)行區(qū)域的劃分及插值運(yùn)算。具有了適應(yīng)被控對(duì)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。

　?。?）基于SIMULINK的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型具有很強(qiáng)的開(kāi)放性和可移植性，形成很直觀的仿真模型，這對(duì)水電站的設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制及危險(xiǎn)工況的預(yù)測(cè)都具有重要意義，仿真技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，已成為水電能源理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的有效手段，具有很好的發(fā)展前景。

　?。?）連續(xù)性智能權(quán)函數(shù)模糊控制算法用于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真具有良好的控制性能。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]陳嘉謀。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真[M].北京：水利電力出版社，1993.

　　[2]廖忠，呂樹(shù)清。新型FNNS控制策略在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].江西水利科技，2001，（4）。

　　[3]康玲，姜鐵兵。基于SIMULINK的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真研究[J].水力發(fā)電，1999，（12）。

　　[4]曹玉勝，蔡維優(yōu)，陳光大。智能權(quán)函數(shù)模糊控制在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2001，（3）。

　　[5]羅南華，楊曉菊，孟慶輝。MATLAB在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].東北水利水電，1998，（11）。