一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，用于对水电机组进行有效调节控制，该控制方法具体为：利用紧格式动态线性化方法(CFDL)对非线性的水轮机组调节系统进行动态线性化转换；根据机组历史运行数据，设定控制系统输入量、输出量初值；引入伪偏导数的概念，并设定初始值；设定控制性能指标函数，以及伪偏导数估计准则函数；采集当前实际输出与期望输出，结合伪偏导数计算系统控制律。此外，将PID控制与基于CFDL的无模型自适应控制器(MFAC)通过部分并联的方式得到新的控制方法，能有效减小机组开机过程得转速振荡，具有更加良好的调节品质，更加符合水电站实际生产需求。

A model free adaptive PID control method for the regulation system of hydroelectric generating unit

【技术实现步骤摘要】
一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法
本专利技术涉及一种水电机组调节系统的MFAC-PID控制方法，具体涉及一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法。
技术介绍
水电机组调节系统是一个水-机-电相互耦合的复杂时变和非最小相位系统，由引水系统、水轮机、发电机及负载、调速器等构成。由于水电机组在电力系统中的特殊角色，机组工况变化频繁，这就导致控制参数需要进行相应的调整，从而导致机组控制难度大。此外，在机组大波动过渡过程中，调节系统部分参数会产生较大的变动，甚至将超出其线性范围，此时系统是一种时变强非线性系统，进一步增加了水力发电机组调节系统的控制难度。现有的线性控制方法，难以满足电力系统对水电机组调节品质的需求，也就是控制对象的强烈非线性、时变性与现有线性控制规律之间的适配问题。为解决该问题，提升机组的调节控制品质并保障系统的可靠性，亟需研究更先进的控制策略，这也成为水力发电技术发展的驱动力。
技术实现思路
为解决传统方法中电力系统对水电机组调节品质不高的技术问题，本专利技术提供一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，用于对水电机组调节系统进行有效控制，该控制方法能有效解决机组开机启动时转速振荡和稳态误差较大的问题，具有更好的鲁棒性和稳定性，更加符合水电生产的实际需求。本专利技术提供如下技术方案：一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，包括以下步骤：(1)建立水轮机调节系统精细化模型，并设置控制器参数；(2)采用紧格式动态线性化方法(CFDL)对非线性的水轮机调节系统进行动态线性化转换；(3)设置系统输入、输出初值和伪偏导数初值，以及参数μ＞0、λ＞0为权重因子、ρ∈(0,1]为步长因子、η∈(0,2]为额外加入的步长因子；(4)采集当前实际输出y(k)和期望输出yr(k+1)；(5)在线实时估计并对其重置更新；(6)计算并实施u(k)，返回第二步，k＝k+1；(7)求解水电机组调节系统控制器输出量；将非线性系统简化表示为：y(k+1)＝f(y(k),…,y(k-ny),u(k),…,u(k-nu))式中，y(k)和u(k)分别为系统在k时刻的输出信号和输入信号，f表示未知的非线性函数，ny和nu分别表示系统输出信号和输入信号的阶数。进一步的，步骤(1)中，水轮机调节系统分为调速器和调节对象两部分。其中，调速器由控制器和机械液压执行机构组成，控制器为无模型自适应PID控制器，调节对象为水泵水轮机。进一步地，步骤(2)中采用特征线法建立机组模型，并采用紧格式动态线性化方法(CFDL)对模型进行线性化。在此过程中，做出如下假设：假设1：非线性函数关于系统控制输入信号u(k)的偏导数连续；假设2：非线性系统满足广义Lipschitz条件，即对于任意k1≠k2，k1≥0，k2≥0，和u(k1)≠u(k2)，都有|y(k1+1)-y(k2+1)|≤b|u(k1)-u(k2)|式中，b为常数且满足b＞0。在此基础上，若在任意时刻k系统满足Δu(k)＝u(k)-u(k-1)≠0，那么非线性系统的CFDL模型可表示为：Δy(k+1)＝φ(k)Δu(k)式中，Δy(k+1)＝y(k+1)-y(k)，φ(k)为伪偏导数，且满足|φ(k)|≤b。则，非线性系统的CFDL模型可表示为：y(k+1)＝y(k)+φ(k)Δu(k)。进一步地，在步骤(4)中，考虑如下控制指标函数：J(u(k))＝[yr(k+1)-y(k+1)]2+λ[u(k)-u(k-1)]2式中，yr(k+1)为系统输出信号的期望值，根据系统的CFDL模型及性能指标函数，求性能指标函数对输入信号的导数，并令其等于0，可得控制规律表达式如下：式中，ρ∈(0,1]为额外添加的步长因子，可以使控制规律更具有一般性。另外PID控制器部分的控制律计算表达式为：式中，errot(k)为给定值与实际输出值构成的控制偏差；k为离散系统采样信号，T为采样周期，kp,ki,kd分别为PID控制器的比例、积分以及微分系数。进一步地，在步骤(5)中，对于一般的非线性系统，伪偏导数φ(k)为未知且时变的，为此，对φ(k)需要采用参数估计算法进行在线估计，在线估计的准则函数的表达式为：式中，为φ(k)的估计值，μ为权重因子。将上式对求极值，则可得出的在线估计表达式：式中，η为额外加入的步长因子，可以使上述在线估计具有更好的灵活性和一般性。进一步地，在步骤(7)中，考虑到无模型自适应控制在消除静态误差方面的优异效果和其控制超调量较大的控制性能，通过部分并联的方式，将MFAC和现有的PID控制器结合，组成新的水轮机调节系统MFAC-PID控制器，其中控制器的控制律基于CFDL的MFAC和PID两部分组成。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术基于CFDL的水力发电机组无模型自适应PID控制策略，将无模型自适应控制和传统的PID控制并联，利用二者在水轮机组调节控制中的优劣互补，设置合理的控制器参数，获得了良好的控制品质。通过对比试验结果可以看出，本专利技术采用无模型自适应-PID(MFAC-PID)控制策略的控制效果较现有的PID控制优异，该方法能有效抑制水轮机组开机工况时转速的振荡，同时减小机组转速超调量和机组转速稳态误差，具有更好的动态品质，更加符合水电站实际生产需求。附图说明图1为本专利技术中抽水蓄能机组调节系统结构框图。图2为本专利技术无模型自适应PID控制器的结构框图。图3为本专利技术机组开机工况转速动态变化过程仿真结果对比图。图4为本专利技术机组开机工况流量动态变化过程仿真结果对比图。图5为本专利技术机组开机工况水击压力变化过程仿真结果对比图。图6为本专利技术机组开机工况力矩变化过程仿真结果对比图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术涉及一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，所研究的水力发电机组调节系统可分为两部分：调速器和调节对象。本专利技术所提出的一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，能够提高机组过渡过程动态调节品质，实现水电站安全稳定运行的要求。为证实本专利技术中控制策略控制效果，以某一抽水蓄能电站作为本专利技术的实施对象详细阐述说明：(1)建立抽蓄水能机组调节系统精细化仿真模型可逆式抽水蓄能机组调速系统是一个集水力、机械、电气为一体的复杂闭环控制系统。主要由有压过水系统、水泵水轮机、发电/电动机及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(1)建立水轮机调节系统精细化模型，并设置控制器参数；/n(2)采用紧格式动态线性化方法对非线性的水轮机调节系统进行动态线性化转换；/n(3)设置系统输入、输出初值和伪偏导数初值，以及参数μ＞0、λ＞0为权重因子、ρ∈(0,1]为步长因子、η∈(0,2]为额外加入的步长因子；/n(4)采集当前实际输出y(k)和期望输出y

【技术特征摘要】
1.一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立水轮机调节系统精细化模型，并设置控制器参数；
(2)采用紧格式动态线性化方法对非线性的水轮机调节系统进行动态线性化转换；
(3)设置系统输入、输出初值和伪偏导数初值，以及参数μ＞0、λ＞0为权重因子、ρ∈(0,1]为步长因子、η∈(0,2]为额外加入的步长因子；
(4)采集当前实际输出y(k)和期望输出yr(k+1)；
(5)在线实时估计并对其重置更新；
(6)计算并实施u(k)，返回第二步，k＝k+1；
(7)求解水电机组调节系统控制器输出量；
将非线性系统简化表示为：
y(k+1)＝f(y(k),…,y(k-ny),u(k),…,u(k-nu))
式中，y(k)和u(k)分别为系统在k时刻的输出信号和输入信号，f表示未知的非线性函数，ny和nu分别表示系统输出信号和输入信号的阶数。


2.根据权利要求1所述的一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，其特征在于：步骤(1)中，水轮机调节系统分为调速器和调节对象两部分。


3.根据权利要求2所述的一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，其特征在于：其中，调速器由控制器和机械液压执行机构组成，控制器为无模型自适应PID控制器，调节对象为水泵水轮机。


4.根据权利要求1所述的一种水力发电机组调节系统的无模型自适应PID控制方法，其特征在于：步骤(2)中采用特征线法建立机组模型，并采用紧格式动态线性化方法对模型进行线性化，在此过程中，做出如下假设：
假设1：非线性函数关于系统控制输入信号u(k)的偏导数连续；
假设2：非线性系统满足广义Lipschitz条件，即对于任意k1≠k2，k1≥0，k2≥0，和u(k1)≠u(k2)，都有
|y(k1+1)-y(k2+1)|≤b|u(k1)-u(k2)|
式中，b为常数且满足b＞0；
在此基础上...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴道平，李超顺，鄢波，李永刚，蒙淑平，赖昕杰，侯进皎，陈学志，
申请(专利权)人：国网江西省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：江西;36