一种水轮机调节系统的快速终端滑模控制器及设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109899225A(43)申请公布日2019.06.18(21)申请号201910261731.4(22)申请日2019.04.02(71)申请人三峡大学地址443002湖北省宜昌市西陵区大学路8号(72)发明人张彬桥李咸善陈铁吴成明李飞(74)专利代理机构北京金智普华知识产权代理有限公司11401代理人杨采良(51)Int.Cl.F03B15/00(2006.01)F03B15/02(2006.01)权利要求书2页说明书9页附图5页(54)发明名称一种水轮机调节系统的快速终端滑模控制器及设计方法(57)摘要本发明属于水轮机调节控制技术领域，公开了一种水轮机调节系统的快速终端滑模控制器及设计方法，建立典型含引水管道和尾水管道的水轮机调节系统非线性控制模型；设计基于RBF的死区补偿器；设计水轮机调节系统快速终端滑模控制器。本发明提供的快速终端滑动模态控制技术被引入到水轮机调节系统非线性模型中，鲁棒性更强且不依赖于被控系统的模型，特别适合于水轮机调节系统这类具有不确定性、时变性和高度非线性的对象；可显著提高滑模面的控制性能，使系统跟踪误差可在有限时间内快速收敛到零；对水轮机调节系统的控制效果改进非常显著。CN109899225ACN109899225A权利要求书1/2页1.一种水轮机调节系统的快速终端滑模控制器设计方法，其特征在于，所述水轮机调节系统的快速终端滑模控制器设计方法具体包括以下步骤：步骤一，结合IEEE提出水轮机非线性水头损失模型和尾水管模型,以及根据水轮机及发电机模型及参数，建立典型含引水管道和尾水管道的水轮机调节系统非线性控制模型；步骤二，将人工频率死区被引入到水轮机调速器中，采用状态变量线性反馈方法与RBF神经网络，构建基于RBF的死区补偿器；步骤三，分析线性滑动模态与传统终端滑动模态，采用连续函数定义滑动模态，设计水轮机调节系统快速终端滑模控制器。2.如权利要求1所述水轮机调节系统的快速终端滑模控制器设计方法，其特征在于，步骤一中，所述典型水轮机调节系统控制模型建立方法具体包括：(1)水轮机内部水头的变化等于水轮机进口水头和出口水头的净变化之差，结合IEEE提出的水轮机非线性水头损失模型和尾水管模型,以及我国电力行业标准中水轮机及发电机模型及参数，得出含引水管道和尾水管道的水轮机调节系统模型；其中，Gh(s)为引水管道传递函数，模型中h2＝1-hs-hf2，状态空间表达式为：其中x1，x2和x3是中间变量，q2＝x3；(2)采用发电机一阶模型，水轮机调节系统非线性控制模型用微分方程组描述如下式：式中D(u)表示控制器输出。3.如权利要求1所述水轮机调节系统的快速终端滑模控制器设计方法，其特征在于，步骤二中，所述基于RBF的死区补偿器的设计包括：1)将人工频率死区被引入到水轮机调速器中，其中br为死区幅值；2)采用状态变量线性反馈方法，得到xt与D(u)如下关系：2CN109899225A权利要求书2/2页式中通过设计控制器输出值u，使得xt→xtd；3)若死区幅值未知，造成δ未知，通过RBF网络逼近δ的方法，采用RBF神经网络实现死区的有效补偿；RBF网络输入输出算法为：式中x为网络输入矢量；j表示网络隐含层第j个网络的输入，c表示高斯函数的中心向T量，bj为高斯基函数的宽度，δ为网络输出，w为网络的理想输出，h＝[hj]为高斯基函数的输出。4.如权利要求1所述水轮机调节系统的快速终端滑模控制器设计方法，其特征在于，步骤三中，所述水轮机调节系统快速终端滑模控制器设计具体包括：1)分析线性滑动模态与传统终端滑动模态中，快速终端滑动模态面为：其中α＞0，β＞0，0＜(q/p)＜1，p和q为两个正常数，e＝xt-xtd为误差变量；2)快速终端滑模控制器采用连续函数定义滑动模态，切换增益项为：3)在此滑模变结构下，从任意初始状态e(0)≠0收敛到平衡状态e＝0的时间为：通过设定α，β，p和q使系统在有限时间ts内到达平衡状态。5.一种如权利要求1所述水轮机调节系统的快速终端滑模控制器设计方法设计的水轮机调节系统的快速终端滑模控制器。6.一种搭载权利要求1所述水轮机调节系统的快速终端滑模控制器的水轮机调节设备。3CN109899225A说明书1/9页一种水轮机调节系统的快速终端滑模控制器及设计方法技术领域[0001]本发明属于水轮机调节控制技术领域，尤其涉及一种水轮机调节系统的快速终端滑模控制器及设计方法。背景技术[0002]目前，业内常用的现有技术是这样的：[0003]我国水电机组正向巨型化方向发展，已建或拟建的水电站具有单机容量大、引水系统复杂、水流惯性大和水力电力特性耦合紧密等特点。这些特点给水轮机调节系统的控制带来了极大的困难，对电力