水轮机调节系统计算机辅助分析发展概况综述
2009/6/1 8:54:56 新闻来源：中国水力发电工程学会
摘要：对目前水电站水轮机调节系统分析所用方法如：新型FNNS控制策略，智能权函数模糊控制，MATLAB软件及SIMULINK等方法在水轮机调节摘要：对目前水电站水轮机调节系统分析所用方法如：新型FNNS控制策略，智能权函数模糊控制，MATLAB软件及SIMULINK等方法在水轮机调节系统计算机辅助分析中的应用作一简要介绍。
关键词：水电站 水轮机调节系统 新型FNNS 模糊控制 MATLAB软件
1水轮机调节系统动态过程简介
水电站水轮机调节系统是一个复杂的自动控制系统，其动态过程可分为小波动和大波动两类。小波动是指水轮机调节系统受到微小的干扰（负荷或指令信号扰动），系统中各参数的变化都较小，可认为是在所讨论工况点附近作微小变化，则可将调节系统各环节加以线性化，既用线性微分方程式来描述各环节及整个系统的动态特性；而大波动是指水轮机调节系统受到幅度较大的干扰（负荷变化），系统参数的变化剧烈，整个系统已超出了线性范围，因此不能作线性处理，即系统不能按线性系统对待。小波动主要影响的是水轮机调节系统工作的稳定性，即所生产的电能的质量；而大波动不仅影响所生产的电能的质量，而且在负荷突然变化（特别是甩负荷）时影响到水压、转速等各种参数的变化情况。因为水轮机调节系统工作性能的优劣直接关系到水电站和机组运行的安全以及所生产电能的质量，因此，对水轮机调节系统的大、小波动动态过程分析具有重要意义。
2水轮机调节系统分析发展概况
现今水轮机调节系统分析所用方法很多，现在简要介绍如下。
2。1传统方法
小波动稳定性分析一般采用传递函数的数学模型，过水系统按弹性水机考虑，过水系统的数学模型的传递函数中含有双曲函数，为此特根据双曲函数性质将过水系统的传递函数近似表达为若干个一阶微分方程式。因而调速器、水轮发电机组等数学模型也用一阶微分方程式表达。则整个系统小波动的数学模型都采用一阶微分方程组的形式来表达。然后用状态方程来表示，即：
X＆＝Ax＋BU
式中X＆——状态向量；
U——输入向量；
A、B——系数矩阵。
可用求解一阶微分方程组的常用方法：即四阶龙格—库塔法进行仿真计算。
大波动过渡过程一般利用差分方程进行仿真，采用特征线解法原理，将水机的基本方程式：运动方程和连续方程，转变为特征方程组，然后再求解。
2。2新型FNNS控制策略
新型FNNS控制策略是模糊神经网络系统与变参数控制相结合的智能控制系统，该系统能适应水轮机调节系统结构、参数变化较大情况下的控制要求。
廖忠针对水轮机调节系统非线性、结构参数变化范围较大等特点，进行了仿真研究，他指出水轮机调节系统是一个典型的高阶、时变、非最小相位系统，而且又是一个参数随工况点改变而变化的非线性系统，在系统动态及暂态过程中，采用以PID控制为基础的线性控制方法较难满足这一特性复杂的对象的控制要求，在控制效果及控制器调整方面尚不尽人意。随着智能控制理论的发展，人们将神经网络与模糊控制相结合研究，提出了基于神经网络的模糊控制器，并且根据水电机组的特点，将其应用于水轮机调节系统，取得较好效果。新型FNNS控制策略是变参数控制的思想与FNNS二者结合的体现，采用多个FNNS作为控制器，通过辩识当前运行工况，然后基于某种法则选择最适合的FNNS作为当前控制器。变参数控制的思想，所采用的方法主要是基于运行区域的划分及插值运算。变参数控制的思想与传统的PID等控制规律的结合，的确使之具有了适应被控对象参数变化的能力，提高了控制效果，只要能确保所有的FNNS覆盖整个状态空间，那么可以不用在线学习，而只是在不同FNNS中切换就能得到整个工况范围内满意的调节性能，从而保证了控制的实时性。
2。3基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真
SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统等。运用这个国际上先进的仿真软件，对水轮机调节系统进行可视化建模与仿真计算，可以大大减少编程工作量，该方法是由模型库辅助用户进行模型拼合，并利用图形功能生成系统的仿真模型。
因为目前的仿真计算仍存在一些不足：①编制和调试程序的工作量很大；②仿真程序的移植性较差，很难适应水电站个性强的特点；③缺乏强有力的图形输出支持。当今流行于欧美的这种先进的仿真软件SIMULINK能克服上述弊端。
它的主要特点为：（1）SIMULINK提供了非常丰富的系统模型库。一般在控制系统的分析与设计中遇到的模块几乎都可以从模型库中找到。（2）实现了可视化建模。由于在Windows界面下工作，因此用户可以很方便地利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统框图，这样使得一个很复杂模型的输入变得相当容易且直观。（3）利用SIMULINK进行数字仿真非常简单方便。它提供了多种数值算法，使用者只需选择合适的算法和有关仿真参数（时间、步长、精度），即可得到仿真结果。（4）SIMULINK实现了与MATLAB、C、FORTRAN以及硬件工作环境间文件的互用和数据交换。并联PID型调速器、液压随动系统死区、开机的速度限制、接力器限幅等非线性环节，这些环节都可以从SIMULINK模型库中方便地调用，不需要编制相应的程序。我们可以运用SIMULINK，利用鼠标器将系统结构框图非常方便快捷地“画”入计算机中，形成很直观的仿真模型。这种建模的方法吸取了模块化设计思想，模型的结构易于修改和重构，重复利用率高，能较好地适应水电站个性强的特点。研究结果表明：
SIMULINK具有卓越的数字计算和图形可视化能力，采用“画中画”技术可以同时输出多个变量的仿真试验结果，这是其他软件所无法比拟的；该仿真模型具有很强的开放性和可移植性，这对水电站的设计、优化控制及危险工况的预测都具有重要意义，是利用计算机对系统的数学模型进行试验研究的一种新方法，仿真技术具有高效、优质、经济的特点，它已成为水电能源理论研究和技术开发的有效手段。
另外罗南华在“MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用”一文中介绍了当今先进的科学计算软件MATLAB软件包的特点，并通过实践论述了该软件在水轮机调节系统计算机辅助分析和设计中的应用。仿真结果可以用来指导实际水轮机调节系统的设计。也提到了MATLAB软件中新的控制系统模型图形输入与仿真工具SIMULINK的运用，与康玲的研究成果类似。
2。4智能权函数模糊控制
水轮机调节系统的被控对象是一个复杂的非线性的非最小相位系统，存在并大网运行、空载等多种运行工况。由于被控对象的复杂性和人对控制规则描述的不准确性，采用常规的模糊控制方法难以找出合适的隶属函数和模糊控制规则，难以针对特定的对象实施有效的控制，且存在着对于多条模糊控制规则进行实时运算计算量大的缺点。若采用离线计算的模糊控制表的方式，则由于其规则固定，而不能适应被控对象的变化。
曹玉胜提出了连续性智能权函数模糊控制算法，并将此算法用于水轮机调节系统的仿真试验，结果表明，该算法具有良好的控制性能。而连续性智能权函数模糊控制算法，无需确定模糊变量的隶属函数和模糊控制规则，其运算量相当于常规的PID控制算法，但性能优于常规的模糊控制系统，为有效控制水轮发电机组提供了一种新的途径。经过研究表明，连续性智能权函数模糊控制的水轮机调节系统开机过渡过程的超调量、反调量和调节时间均较小，开机过渡过程特性明显优于PID控制规律的水轮机调节系统；连续性智能权函数模糊控制水轮机调节系统的频率扰动阶跃响应特性亦明显好于采用PID控制的水轮机调节系统的频率扰动阶跃响应特性，近似于常规模糊控制水轮机调节系统的频率扰动阶跃响应特性。它既做到了水轮机调节系统所要求的对于指令信号的快速响应，又充分保证了系统的稳态性能。其显著的优点是甩负荷的转速峰值小，调节时间短。系统的甩负荷特性亦明显优于PID控制的水轮机调节系统，甚至优于常规模糊控制的水轮机调节系统的甩负荷特性。因此，采用连续性智能权函数模糊控制算法的控制系统具有优越的控制性能。
另外一些学者提出了变结构变参数的调节方法，根据变化控制结构，然后改变参数，可以兼顾小波动、大波动过程中的动态品质，并取得了理想的效果。这与新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中的应用是相类似的。
3结论
（1）传统方法对于水电站水轮机调节系统的小波动和大波动两类动态过程均可以进行计算机仿真，效果良好，但大小波动过渡过程分别建模、编程，编制和调试程序的工作量很大；仿真程序的移植性较差，很难适应水电站个性强的特点；缺乏强有力的图形输出支持。
（2）新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中应用的变参数控制的思想，所采用的方法主要是基于运行区域的划分及插值运算。具有了适应被控对象参数变化的能力，提高了控制效果，具有较好的发展前景。
（3）基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真模型具有很强的开放性和可移植性，形成很直观的仿真模型，这对水电站的设计、优化控制及危险工况的预测都具有重要意义，仿真技术具有高效、优质、经济的特点，已成为水电能源理论研究和技术开发的有效手段，具有很好的发展前景。
（4）连续性智能权函数模糊控制算法用于水轮机调节系统的仿真具有良好的控制性能。
参考文献：
陈嘉谋。水轮机调节系统计算机仿真【M】。北京：水利电力出版社，1993。
廖忠，吕树清。新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中的应用【J】。江西水利科技，2001，（4）。
康玲，姜铁兵。基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真研究【J】。水力发电，1999，（12）。
曹玉胜，蔡维优，陈光大。智能权函数模糊控制在水轮机调节系统中的应用【J】。水电能源科学，2001，（3）。
罗南华，杨晓菊，孟庆辉。MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用【J】。东北水利水电，1998，（11）。
关键词：水电站 水轮机调节系统 新型FNNS 模糊控制 MATLAB软件
1水轮机调节系统动态过程简介
水电站水轮机调节系统是一个复杂的自动控制系统，其动态过程可分为小波动和大波动两类。小波动是指水轮机调节系统受到微小的干扰（负荷或指令信号扰动），系统中各参数的变化都较小，可认为是在所讨论工况点附近作微小变化，则可将调节系统各环节加以线性化，既用线性微分方程式来描述各环节及整个系统的动态特性；而大波动是指水轮机调节系统受到幅度较大的干扰（负荷变化），系统参数的变化剧烈，整个系统已超出了线性范围，因此不能作线性处理，即系统不能按线性系统对待。小波动主要影响的是水轮机调节系统工作的稳定性，即所生产的电能的质量；而大波动不仅影响所生产的电能的质量，而且在负荷突然变化（特别是甩负荷）时影响到水压、转速等各种参数的变化情况。因为水轮机调节系统工作性能的优劣直接关系到水电站和机组运行的安全以及所生产电能的质量，因此，对水轮机调节系统的大、小波动动态过程分析具有重要意义。
2水轮机调节系统分析发展概况
现今水轮机调节系统分析所用方法很多，现在简要介绍如下。
2。1传统方法
小波动稳定性分析一般采用传递函数的数学模型，过水系统按弹性水机考虑，过水系统的数学模型的传递函数中含有双曲函数，为此特根据双曲函数性质将过水系统的传递函数近似表达为若干个一阶微分方程式。因而调速器、水轮发电机组等数学模型也用一阶微分方程式表达。则整个系统小波动的数学模型都采用一阶微分方程组的形式来表达。然后用状态方程来表示，即：
X＆＝Ax＋BU
式中X＆——状态向量；
U——输入向量；
A、B——系数矩阵。
可用求解一阶微分方程组的常用方法：即四阶龙格—库塔法进行仿真计算。
大波动过渡过程一般利用差分方程进行仿真，采用特征线解法原理，将水机的基本方程式：运动方程和连续方程，转变为特征方程组，然后再求解。
2。2新型FNNS控制策略
新型FNNS控制策略是模糊神经网络系统与变参数控制相结合的智能控制系统，该系统能适应水轮机调节系统结构、参数变化较大情况下的控制要求。
廖忠针对水轮机调节系统非线性、结构参数变化范围较大等特点，进行了仿真研究，他指出水轮机调节系统是一个典型的高阶、时变、非最小相位系统，而且又是一个参数随工况点改变而变化的非线性系统，在系统动态及暂态过程中，采用以PID控制为基础的线性控制方法较难满足这一特性复杂的对象的控制要求，在控制效果及控制器调整方面尚不尽人意。随着智能控制理论的发展，人们将神经网络与模糊控制相结合研究，提出了基于神经网络的模糊控制器，并且根据水电机组的特点，将其应用于水轮机调节系统，取得较好效果。新型FNNS控制策略是变参数控制的思想与FNNS二者结合的体现，采用多个FNNS作为控制器，通过辩识当前运行工况，然后基于某种法则选择最适合的FNNS作为当前控制器。变参数控制的思想，所采用的方法主要是基于运行区域的划分及插值运算。变参数控制的思想与传统的PID等控制规律的结合，的确使之具有了适应被控对象参数变化的能力，提高了控制效果，只要能确保所有的FNNS覆盖整个状态空间，那么可以不用在线学习，而只是在不同FNNS中切换就能得到整个工况范围内满意的调节性能，从而保证了控制的实时性。
2。3基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真
SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统等。运用这个国际上先进的仿真软件，对水轮机调节系统进行可视化建模与仿真计算，可以大大减少编程工作量，该方法是由模型库辅助用户进行模型拼合，并利用图形功能生成系统的仿真模型。
因为目前的仿真计算仍存在一些不足：①编制和调试程序的工作量很大；②仿真程序的移植性较差，很难适应水电站个性强的特点；③缺乏强有力的图形输出支持。当今流行于欧美的这种先进的仿真软件SIMULINK能克服上述弊端。
它的主要特点为：（1）SIMULINK提供了非常丰富的系统模型库。一般在控制系统的分析与设计中遇到的模块几乎都可以从模型库中找到。（2）实现了可视化建模。由于在Windows界面下工作，因此用户可以很方便地利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统框图，这样使得一个很复杂模型的输入变得相当容易且直观。（3）利用SIMULINK进行数字仿真非常简单方便。它提供了多种数值算法，使用者只需选择合适的算法和有关仿真参数（时间、步长、精度），即可得到仿真结果。（4）SIMULINK实现了与MATLAB、C、FORTRAN以及硬件工作环境间文件的互用和数据交换。并联PID型调速器、液压随动系统死区、开机的速度限制、接力器限幅等非线性环节，这些环节都可以从SIMULINK模型库中方便地调用，不需要编制相应的程序。我们可以运用SIMULINK，利用鼠标器将系统结构框图非常方便快捷地“画”入计算机中，形成很直观的仿真模型。这种建模的方法吸取了模块化设计思想，模型的结构易于修改和重构，重复利用率高，能较好地适应水电站个性强的特点。研究结果表明：
SIMULINK具有卓越的数字计算和图形可视化能力，采用“画中画”技术可以同时输出多个变量的仿真试验结果，这是其他软件所无法比拟的；该仿真模型具有很强的开放性和可移植性，这对水电站的设计、优化控制及危险工况的预测都具有重要意义，是利用计算机对系统的数学模型进行试验研究的一种新方法，仿真技术具有高效、优质、经济的特点，它已成为水电能源理论研究和技术开发的有效手段。
另外罗南华在“MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用”一文中介绍了当今先进的科学计算软件MATLAB软件包的特点，并通过实践论述了该软件在水轮机调节系统计算机辅助分析和设计中的应用。仿真结果可以用来指导实际水轮机调节系统的设计。也提到了MATLAB软件中新的控制系统模型图形输入与仿真工具SIMULINK的运用，与康玲的研究成果类似。
2。4智能权函数模糊控制
水轮机调节系统的被控对象是一个复杂的非线性的非最小相位系统，存在并大网运行、空载等多种运行工况。由于被控对象的复杂性和人对控制规则描述的不准确性，采用常规的模糊控制方法难以找出合适的隶属函数和模糊控制规则，难以针对特定的对象实施有效的控制，且存在着对于多条模糊控制规则进行实时运算计算量大的缺点。若采用离线计算的模糊控制表的方式，则由于其规则固定，而不能适应被控对象的变化。
曹玉胜提出了连续性智能权函数模糊控制算法，并将此算法用于水轮机调节系统的仿真试验，结果表明，该算法具有良好的控制性能。而连续性智能权函数模糊控制算法，无需确定模糊变量的隶属函数和模糊控制规则，其运算量相当于常规的PID控制算法，但性能优于常规的模糊控制系统，为有效控制水轮发电机组提供了一种新的途径。经过研究表明，连续性智能权函数模糊控制的水轮机调节系统开机过渡过程的超调量、反调量和调节时间均较小，开机过渡过程特性明显优于PID控制规律的水轮机调节系统；连续性智能权函数模糊控制水轮机调节系统的频率扰动阶跃响应特性亦明显好于采用PID控制的水轮机调节系统的频率扰动阶跃响应特性，近似于常规模糊控制水轮机调节系统的频率扰动阶跃响应特性。它既做到了水轮机调节系统所要求的对于指令信号的快速响应，又充分保证了系统的稳态性能。其显著的优点是甩负荷的转速峰值小，调节时间短。系统的甩负荷特性亦明显优于PID控制的水轮机调节系统，甚至优于常规模糊控制的水轮机调节系统的甩负荷特性。因此，采用连续性智能权函数模糊控制算法的控制系统具有优越的控制性能。
另外一些学者提出了变结构变参数的调节方法，根据变化控制结构，然后改变参数，可以兼顾小波动、大波动过程中的动态品质，并取得了理想的效果。这与新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中的应用是相类似的。
3结论
（1）传统方法对于水电站水轮机调节系统的小波动和大波动两类动态过程均可以进行计算机仿真，效果良好，但大小波动过渡过程分别建模、编程，编制和调试程序的工作量很大；仿真程序的移植性较差，很难适应水电站个性强的特点；缺乏强有力的图形输出支持。
（2）新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中应用的变参数控制的思想，所采用的方法主要是基于运行区域的划分及插值运算。具有了适应被控对象参数变化的能力，提高了控制效果，具有较好的发展前景。
（3）基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真模型具有很强的开放性和可移植性，形成很直观的仿真模型，这对水电站的设计、优化控制及危险工况的预测都具有重要意义，仿真技术具有高效、优质、经济的特点，已成为水电能源理论研究和技术开发的有效手段，具有很好的发展前景。
（4）连续性智能权函数模糊控制算法用于水轮机调节系统的仿真具有良好的控制性能。
参考文献：
陈嘉谋。水轮机调节系统计算机仿真【M】。北京：水利电力出版社，1993。
廖忠，吕树清。新型FNNS控制策略在水轮机调节系统中的应用【J】。江西水利科技，2001，（4）。
康玲，姜铁兵。基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真研究【J】。水力发电，1999，（12）。
曹玉胜，蔡维优，陈光大。智能权函数模糊控制在水轮机调节系统中的应用【J】。水电能源科学，2001，（3）。
罗南华，杨晓菊，孟庆辉。MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用【J】。东北水利水电，1998，（11）。
