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

专利名称：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

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210947142.3

专利申请（专利权）人：西北农林科技大学
权利人地址：陕西省咸阳市杨凌示范区邰城路3号

专利发明（设计）人：王斌,艾博,吴凤娇,陈帝伊,周东东,张晓东

专利摘要：本发明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。

主权利要求：
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；
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；
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：Ty表示接力器反应时间常数，ey表示水轮机力矩对导叶开度的传递系数，eh表示水轮机力矩对水头的传递系数，ex、eg分别表示发电机和水轮机自调节系数，eqy、eqh、eqx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， Tw表示水流惯性时间常数，Tab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；mg0表示负荷扰动力矩，u表示调速器控制输入；
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＝eqhTabTyTw，en＝eg‑ex，m1＝‑en/c1，m2＝‑(enTy+eqhTw+Tab)/c1，m3＝‑(eneqhTyTw+TabTy+eqhTabTw)/c1，b＝ey/c1，b1＝‑(eqyeh‑eqhey)Tw/c1；
令不确定项 将系统不确定项看作一个整体，并将系统转换为如下形式：
所述依次设计自抗扰控制系统的三个组成部分，具体为：
将跟踪微分器设计为：
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；
将扩张状态观测器设计为：
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；
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：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：式中，Kp表示比例增益系数，v1表示给定输入信号的跟踪信号，Ki表示积分增益系数，Kd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。
2.一种时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制结构，应用如权利要求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，包括：跟踪微分器、扩展状态观测器、误差反馈控制律；
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；
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；
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。 说明书 : 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领域[0001] 本发明涉及水轮机调节技术领域，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。背景技术[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。发明内容[0004] 有鉴于此，本发明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，本发明提供如下技术方案：[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；[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：Ty表示接力器反应时间常数，ey表示水轮机力矩对导叶开度的传递系数，eh表示水轮机力矩对水头的传递系数，ex、eg分别表示发电机和水轮机自调节系数，eqy、eqh、eqx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， Tw表示水流惯性时间常数，Tab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；mg0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＝eqhTabTyTw，en＝eg‑ex，m1＝‑en/c1，m2＝‑(enTy+eqhTw+Tab)/c1，m3＝‑(eneqhTyTw+TabTy+eqhTabTw)/c1，b＝ey/c1，b1＝‑(eqyeh‑eqhey)Tw/c1；[0024] &[0025] 令不确定项ξ(t)＝f(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：[0026][0027] 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：[0028] 将跟踪微分器设计为：[0029][0030] 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；[0031] 将扩张状态观测器设计为：[0032][0033] 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；[0034] 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：[0035][0036] 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：[0037][0038] 式中，Kp表示比例增益系数，v1表示给定输入信号的跟踪信号，Ki表示积分增益系数，Kd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。[0039] 本发明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；[0040] 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；[0041] 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；[0042] 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。[0043] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明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，PID可减小系统的稳态误差，弥补自抗扰过程中的系统抖动现象，两者具有互补的优势。具体地，基于带有机械延迟的水轮机调节系统数学模型，根据坐标变换原理，将水轮机调节系统转换为积分器串联标准型，将系统内、外扰动及机械延迟作为总扰动，分别设计跟踪微分器、扩张状态观测器，提高系统信号提取精度以及实时补偿观测系统状态信号；基于PID控制策略设计误差反馈控制律，解决控制过程中的系统高频抖动现象，三者组合形成自抗扰控制的反馈控制结构。附图说明[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。[0045] 图1为时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制方法的流程图；[0046] 图2为水轮机调节系统的模型框图；[0047] 图3为时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制结构框图；[0048] 图4(a)‑图4(d)为不同时滞条件下水轮机调节系统的NADRC和PID控制。具体实施方式[0049] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。[0050] 实施例1[0051] 本发明实施例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，如图1所示，包括以下步骤：[0052] (1)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；具体为：[0053] 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。[0054] 小波动情况下水轮机调节系统的线性模型的传递函数为：[0055][0056] 时滞线性水轮机调节系统的状态空间方程为：[0057][0058] 式中：Ty表示接力器反应时间常数，ey表示水轮机力矩对导叶开度的传递系数，eh表示水轮机力矩对水头的传递系数，ex、eg分别表示发电机和水轮机自调节系数，eqy、eqh、eqx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， Tw表示水流惯性时间常数，Tab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；mg0表示负荷扰动力矩，u表示调速器控制输入。根据上述数学模型可搭建如图2所示的水轮机调节系统模型结构图。[0059] (2)基于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，将水轮机调节系统转换为积分串联标准模型，使之与自抗扰控制系统相匹配，具体为：[0060][0061] 基于坐标转换原则，将式(3)写为如下的状态空间方程：[0062][0063] 其中，c1＝eqhTabTyTw，en＝eg‑ex，m1＝‑en/c1，m2＝‑(enTy+eqhTw+Tab)/c1，m3＝‑(eneqhTyTw+TabTy+eqhTabTw)/c1，b＝ey/c1，b1＝‑(eqyeh‑eqhey)Tw/c1；[0064] &[0065] 令不确定项ξ(t)＝f(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：[0066][0067] (3)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(TD)、扩展状态观测器(ESO)、误差反馈控制律(SEFL)，具体为：[0068] 将跟踪微分器设计为：[0069][0070] 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；[0071] 将扩张状态观测器设计为：[0072][0073] 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；[0074] 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：[0075][0076] 利用扩张状态观测器跟踪和观测系统新的扩展状态量，进而补偿系统总扰动，即可转化为简单的积分器串联标准型的模式，则控制量设计为：[0077][0078] 式中，Kp表示比例增益系数，v1表示给定输入信号的跟踪信号，Ki表示积分增益系数，Kd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。[0079] (4)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等工况下，对水轮机调节系统进行数值模拟实验。[0080] 实施例2[0081] 本实施例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，如图3所示为根据实施例1中建立的数学模型和控制器搭建的控制系统结构图，包括：跟踪微分器、扩展状态观测器、误差反馈控制律；[0082] 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；[0083] 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；[0084] 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。[0085] 接下来，对本技术方案中时滞水轮机调节系统的非线性自抗扰控制的性能进行分析，首先，水轮机控制系统参数取值如表1所示。[0086] 表1水轮机控制系统参数取值[0087][0088] 其次，进行机械时延特性分析。在转速给定模块上设定一个幅值为0.1的阶跃扰动信号，模拟水轮机组空载稳定运行时受到+0.1转速偏差扰动的工况。为了比较所设控制器性能，在机械时滞τ为0.1s、0.2s、0.3s、0.4s的HTRS情况下，分别进行非线性自抗扰控制(NADRC)和PID控制。[0089] 与PID控制相比，本技术方案中提出的NADRC几乎没有超调。如图4(a)‑图4(d)所示，机械时滞τ从0.1s增加到0.4s，NADRC的超调量从0.5％增加到3.1％，其中，在时滞为τ＝0.4s、t＝7.26s时涡轮转速偏差的超调量最大为10.31％，即最大频率偏差为0.155Hz。此时，系统最大频率偏差在电力系统的允许的频率波动范围内，满足电网供电要求。[0090] 过渡时间短、几乎无超调的优势来源于本技术方案中设计的跟踪微分器和扩张状态观测器，跟踪微分器通过提取给定信号的微分信号，提高信号提取精度，扩张状态观测器反馈补偿总扰动，减弱系统观测误差，提高信号的收敛速度，减小其超调。基于以上分析可见，本方案提出的NADRC控制器可以抑制由时延特性引起的系统信号过渡过程的震荡，控制性能优于PID控制。[0091] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。[0092] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

专利地区：陕西

专利申请日期：2022-08-09

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115291501B