基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法及系统技术方案

本发明专利技术的基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法及系统，包括：对当前水轮机调速系统进行模块化分析，建立水轮机调速系统的模型，得到水轮机调速系统的模型的开环传递函数；基于水轮机调速系统的模型和传递函数，建立水轮机调速系统的模型的状态空间方程；判断水轮机调速系统的能观性，根据给定的极点配置方案，计算观测器增益矩阵；根据龙伯格观测器设计原则和观测器增益矩阵，得到系统各状态的估计值

【技术实现步骤摘要】
基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法及系统


[0001]本专利技术涉及水轮机状态诊断技术，具体涉及基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法及系统
。

技术介绍

[0002]水轮机调速系统是集合了电气
、
机械
、
液压传动等诸多子系统的高复杂度
、
非线性的综合系统，其涉及的有压引水管道
、
水轮机
、
发电机及负载等非线性模块，每个模块均涉及多个传递环节，且水轮机子模块为典型的非最小相位系统，这些特点都给水轮机的控制带来了诸多挑战
。
目前对于水轮机调速系统的故障诊断和控制基本采用传感器测量和反馈的形式，参与到水轮机调速器的诊断和控制中，水轮机调速控制环节中的流量
、
水头
、
转矩等其他关键参数环节均无法测量，这些因素虽然在以
PID
控制器为主的水轮机调速器可以当做黑箱参数，不参与控制，但对于状态诊断
、
故障诊断等大数据分析环节，以及目前的数字阮生等系统有着重要的价值
。
[0003]现代控制理论中，状态反馈控制和输出反馈控制是两类典型的控制结构，相比之下，状态反馈控制可以反映系统的全部信息，控制效果较好
。
但在实际的控制系统中，系统的状态信息往往是不全的，或者不可测量的，导致状态反馈无法直接实现
。
龙伯格针对水轮机调节系统流量
、
水头
、
转矩等状态信息不可测等因素，传统的控制和测量手段在水轮机调速系统控制及监测方面，已经面临诸多挑战龙伯格
。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法及系统，该方案在不增加硬件成本的前提下，实现对水轮机调速系统的状态估计，能够实时准确估计系统内部状态信息
。
[0005]技术方案：本专利技术的基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法，包括以下步骤：
[0006]对当前水轮机调速系统进行模块化分析，建立水轮机调速系统的模型，得到水轮机调速系统的模型的开环传递函数；
[0007]基于水轮机调速系统的模型和传递函数，建立水轮机调速系统的模型的状态空间方程；
[0008]判断水轮机调速系统的能观性，根据给定的极点配置方案，计算龙伯格观测器增益矩阵；
[0009]根据龙伯格观测器设计原则和龙伯格观测器增益矩阵，得到系统各状态的估计值
。
[0010]进一步的，对当前水轮机调速系统进行模块化分析，建立水轮机调速系统的模型，得到水轮机调速系统的模型的开环传递函数，包括以下步骤：
[0011]对水轮机调速系统模块化分析，将水轮机调速系统划分为压力引水管道系统
、
液
压伺服系统
、
水轮机系统和发电机系统；
[0012]对压力引水管道系统
、
液压伺服系统
、
水轮机系统和发电机系统分别建立数学模型的传递函数，对所有系统进行整合，建立水轮机调速系统的模型，得到水轮机调速系统的模型的开环传递函数
。
[0013]进一步的，所述水轮机调速系统的模型的开环传递函数的表达式如下：
[0014][0015]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
x
表示发电机自调节系数；
e
g
表示水轮机自调节系数；
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
。
[0016]进一步的，所述水轮机调速系统的模型的状态空间方程的建立过程如下：
[0017]确定水轮机调速系统的状态空间标准方程描述如下：
[0018][0019]y
＝
Cx+Du
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]取
[x x
d x
i y h]作为模型的状态变量
x,[m
g c]作为输入变量
u
，
[x y m
t
]作为输出变量
y
，水轮机调速系统的模型的状态空间方程表示如下：
[0021][0022]其中，其中，其中，
[0023]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
表示发电机自调节系数；
e
g
表示水轮机自调节系数；
e
qy
表示水轮机流量对导叶开度的传递系数；
e
qh
表示水轮机流量对水头的传递系数；
e
qx
表示水轮机流量对转速的传递；
T
w
表示水流惯性时间常数；
T
a
表示发电机自调节系数；
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
表示导叶开度的相对偏差值；
m
g
表示负荷的扰动力矩；
K
p
表示比例系数；
K
i
表示积分系数；
K
d
表示微分系数
。
[0024]进一步的，判断水轮机调速系统的能观性，包括以下：
[0025]能观性判定采用能观性秩判据标准，基于水轮机调速系统状态空间方程，构造能观性判别矩阵为：
[0026][0027]选取水轮机调速系统参数，将水轮机调速系统参数代入水轮机调速系统的模型的状态空间方程，经过计算得到：
[0028][0029]若
RankQ
o
的值等于水轮机调速系统的维数，则判定水轮机调速系统完全能观测
。
[0030]进一步的，根据给定的极点配置方案，计算观测器增益矩阵，包括以下：
[0031]设给定的状态观测器矩阵的特征值，设观测器增益矩阵：
[0032][0033]计算
A
‑
LC
的特征多项式
a(s)
＝
det(sI
‑
(A
‑
LC))
，与给定的状态观测器矩阵的特征值对应的特征多项式对应系数相等的原则，计算得到观测器增益矩阵
L。
[0034]进一步的，根据龙伯格观测器设计原则和龙伯格观测器增益矩阵，得到水轮机调速系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：对当前水轮机调速系统进行模块化分析，建立水轮机调速系统的模型，得到水轮机调速系统的模型的开环传递函数；基于水轮机调速系统的模型和传递函数，建立水轮机调速系统的模型的状态空间方程；判断水轮机调速系统的能观性，根据给定的极点配置方案，计算龙伯格观测器增益矩阵；根据龙伯格观测器设计原则和龙伯格观测器增益矩阵，得到水轮机调速系统各状态的估计值
。2.
根据权利要求1所述的基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法，其特征在于，对当前水轮机调速系统进行模块化分析，建立水轮机调速系统的模型，得到水轮机调速系统的模型的开环传递函数，包括以下步骤：对水轮机调速系统模块化分析，将水轮机调速系统划分为压力引水管道系统
、
液压伺服系统
、
水轮机系统和发电机系统；对压力引水管道系统
、
液压伺服系统
、
水轮机系统和发电机系统分别建立数学模型的传递函数，对所有系统进行整合，建立水轮机调速系统的模型，得到水轮机调速系统的模型的开环传递函数
。3.
根据权利要求1所述的基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法，其特征在于，所述水轮机调速系统的模型的开环传递函数的表达式如下：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
x
表示发电机自调节系数；
e
g
表示水轮机自调节系数；
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
。4.
根据权利要求1所述的基于龙伯格观测器的水轮机调速系统状态估计方法，其特征在于，所述水轮机调速系统的模型的状态空间方程的建立过程如下：确定水轮机调速系统的状态空间标准方程：
y
＝
Cx+Du
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
取
[x x
d x
i y h]
作为模型的状态变量
x
，
[m
g c]
作为输入变量
u
，
[x y m
t
]
作为输出变量
y
，水轮机调速系统的模型的状态空间方程表示如下：
其中，其中，其中，
D
＝0；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
表示发电机自调节系数；
e
g
表示水轮机自调节系数；
e
qy
表示水轮机流量对导叶开度的传递系数；
e
qh
表示水轮机流量对水头的传递系数；
e
qx
表示水轮机流量对转速的传递；
T
w
表示水流惯性时间常数；
T
a
表示发电机自调节系数；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕翔，于红岩，贺臻，付海龙，李俊恒，张伟，孙尔军，初云鹏，张海啸，袁鹏展，朱荣巧，郭凡，
申请(专利权)人：华能澜沧江水电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：