一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法及结构技术方案

本发明专利技术公开了一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法及结构，涉及水轮机调节技术领域，包括：采用模块化方法划分水轮机调节系统，建立小波动情况下水轮机调节系统的线性模型；基于所述线性模型以及坐标转换原理，将水轮机调节系统转换为积分串联标准模型，以与自抗扰控制系统相匹配；将系统内、外扰动以及机械延迟作为总扰动，依次设计自抗扰控制系统的跟踪微分器、扩展状态观测器、误差反馈控制律；在考虑液压伺服系统时延特性、电磁振动、大负荷波动以及系统参数敏感性的工况下，对水轮机调节系统进行数值模拟实验。本发明专利技术可以改善水轮机调节系统的控制效果，提高信号提取精度、抑制由时延特性引起的系统信号过渡过程的震荡。震荡。震荡。

【技术实现步骤摘要】
一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法及结构


[0001]本专利技术涉及水轮机调节
，更具体的说是涉及一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法及结构。

技术介绍

[0002]针对现有水轮机调节系统中存在的机械延迟、电网侧负荷波动、励磁系统引发的电磁振动以及工况切换频繁等非线性因素，传统PID控制无法满足水电站的控制要求。而自抗扰控制在处理大波动、不确定性复杂系统时具有天然的优势，现有技术中尚未考虑系统高频抖振以及系统内出现大波动和时滞等因素对系统产生的影响。
[0003]因此，如何有效改善水轮机调节系统的控制效果，克服现有水轮机调节系统的不足是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法及结构，通过PID控制与自抗扰控制结合的控制结构来改善水轮机调节系统的控制效果，自抗扰控制器处理系统的大波动和不确定性，用PID减小系统的稳定误差，弥补自抗扰过程中的系统抖动现象，两者具有互补的优势。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]采用模块化方法划分水轮机调节系统，建立小波动情况下水轮机调节系统的线性模型；
[0008]基于所述小波动情况下水轮机调节系统的线性模型以及坐标转换原理，将所述水轮机调节系统转换为积分串联标准模型，以与自抗扰控制系统相匹配；<br/>[0009]将系统内、外扰动以及机械延迟作为总扰动，依次设计自抗扰控制系统的三个组成部分，包括跟踪微分器、扩展状态观测器、误差反馈控制律；
[0010]在考虑液压伺服系统时延特性、电磁振动、大负荷波动以及系统参数敏感性的工况下，对水轮机调节系统进行数值模拟实验。
[0011]可选的，所述建立小波动情况下水轮机调节系统的线性模型，具体为：
[0012]采用模块化方法，将水轮机调节系统划分为引水系统、水轮机系统、液压伺服系统和发电机系统；
[0013]对所述引水系统、水轮机系统、液压伺服系统和发电机系统分别建模，计算传递函数并进行组合，建立小波动情况下水轮机调节系统的线性模型。
[0014]可选的，所述小波动情况下水轮机调节系统的线性模型的传递函数为：
[0015][0016]时滞线性水轮机调节系统的状态空间方程为：
[0017][0018]式中：T
y
表示接力器反应时间常数，e
y
表示水轮机力矩对导叶开度的传递系数，e
h
表示水轮机力矩对水头的传递系数，e
x
、e
g
分别表示发电机和水轮机自调节系数，e
qy
、e
qh
、e
qx
分别表示水轮机流量对导叶开度、水头以及转速的传递系数，T
w
表示水流惯性时间常数，T
ab
表示机组和负载的惯性时间常数，τ表示机械时滞；h表示引水系统水头的相对偏差值，x表示发电机转速的相对偏差值，y表示液压伺服系统导叶开度相对偏差值；m
g0
表示负荷扰动力矩，u表示调速器控制输入。
[0019]可选的，将所述水轮机调节系统转换为积分串联标准模型，具体为：
[0020][0021]基于坐标转换原则，将式(3)写为如下的状态空间方程：
[0022][0023]其中，c1＝e
qh
T
ab
T
y
T
w
，e
n
＝e
g
‑
e
x
，m1＝
‑
e
n
/c1，m2＝
‑
(e
n
T
y
+e
qh
T
w
+T
ab
)/c1，m3＝
‑
(e
n
e
qh
T
y
T
w
+T
ab
T
y
+e
qh
T
ab
T
w
)/c1，b＝e
y
/c1，b1＝
‑
(e
qy
e
h
‑
e
qh
e
y
)T
w
/c1；
[0024]令不确定项ξ(t)＝f&amp;(x1,x2,x3,t)，将系统不确定项看作一个整体，并将系统转换为如下形式：
[0025][0026]可选的，所述依次设计自抗扰控制系统的三个组成部分，具体为：
[0027]将跟踪微分器设计为：
[0028][0029]式中，h0表示滤波因子；v(t)表示给定信号，r表示可调整的正参数，d、d0、y0、a0、a分别为非线性函数fst函数内部参数结构设定输出值；
[0030]将扩张状态观测器设计为：
[0031][0032]式中，z1、z2、z4为扩张状态观测器的输出状态观测信号；α和δ为非线性fal函数的系数，0＜α＜1，δ＞0；β1、β2、β3、β4均为扩张状态观测器的观测状态增益系数；e表示观测信号与输出信号的误差信号；
[0033]基于设计的跟踪微分器及扩张状态观测器输出的观测信号，利用误差信号和误差微分信号，将比例
‑
积分
‑
微分引入误差反馈控制律可得：
[0034][0035]利用扩张状态观测器跟踪和观测系统新的扩展状态量，补偿系统总扰动，转化为简单的积分器串联标准型的模式，则控制量设计为：
[0036][0037]式中，K
p
表示比例增益系数，v1表示给定输入信号的跟踪信号，K
i
表示积分增益系数，K
d
表示微分增益系数，v2表示给定输入信号的跟踪微分信号，u0表示控制器输入控制增益，z4表示扩张状态观测器对系数总扰动的观测信号，b0表示反馈补偿因子。
[0038]本专利技术还公开了一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制结构，包括：跟踪微分器、扩展状态观测器、误差反馈控制律；
[0039]所述跟踪微分器，用于观测和提取给定信号的原信号和微分信号；
[0040]所述扩展状态观测器，用于观测和反馈补偿系统总扰动信号；
[0041]所述误差反馈控制律，将跟踪微分器输出信号和扩张状态观测器转速估计值的误差作为输入，获得初始控制量，并通过补偿估计的总扰动值获得被控系统的最终控制量。
[0042]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法及结构，通过PID控制与自抗扰控制相结合的控制结构来改善本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采用模块化方法划分水轮机调节系统，建立小波动情况下水轮机调节系统的线性模型；基于所述小波动情况下水轮机调节系统的线性模型以及坐标转换原理，将所述水轮机调节系统转换为积分串联标准模型，以与自抗扰控制系统相匹配；将系统内、外扰动以及机械延迟作为总扰动，依次设计自抗扰控制系统的三个组成部分，包括跟踪微分器、扩展状态观测器、误差反馈控制律；在考虑液压伺服系统时延特性、电磁振动、大负荷波动以及系统参数敏感性的工况下，对水轮机调节系统进行数值模拟实验。2.根据权利要求1所述的一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述建立小波动情况下水轮机调节系统的线性模型，具体为：采用模块化方法，将水轮机调节系统划分为引水系统、水轮机系统、液压伺服系统和发电机系统；对所述引水系统、水轮机系统、液压伺服系统和发电机系统分别建模，计算传递函数并进行组合，建立小波动情况下水轮机调节系统的线性模型。3.根据权利要求1所述的一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述小波动情况下水轮机调节系统的线性模型的传递函数为：时滞线性水轮机调节系统的状态空间方程为：式中：T
y
表示接力器反应时间常数，e
y
表示水轮机力矩对导叶开度的传递系数，e
h
表示水轮机力矩对水头的传递系数，e
x
、e
g
分别表示发电机和水轮机自调节系数，e
qy
、e
qh
、e
qx
分别表示水轮机流量对导叶开度、水头以及转速的传递系数，T
w
表示水流惯性时间常数，T
ab
表示机组和负载的惯性时间常数，τ表示机械时滞；h表示引水系统水头的相对偏差值，x表示发电机转速的相对偏差值，y表示液压伺服系统导叶开度相对偏差值；m
g0
表示负荷扰动力矩，u表示调速器控制输入。4.根据权利要求3所述的一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法，其特征在于，将所述水轮机调节系统转换为积分串联标准模型，具体为：
基于坐标转换原则，将式(3)写为如下的状态空间方程：其中，c1＝e
qh
T
ab
T
y
T
w
，e
n
＝e
g
‑
e
x
，m1＝
‑
e
n
/c1，m2＝
‑
(e
n
T...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，艾博，吴凤娇，陈帝伊，周东东，张晓东，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：