[发明专利]一种基于滑模的水轮机调速系统死区非线性补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于水轮机控制技术领域，尤其涉及一种基于滑模的水轮机调速系统死区非线性补偿方法。 

背景技术

水轮机调速系统是一个水力、机械、电气相耦合的复杂系统，它能够自动地调节水轮发电机组的转速，使机组保持在额定转速允许的偏差内运行，以满足电网对电能频率质量的要求。在水轮机调速系统中包含死区非线性，主要表现在机组转速变化对调速系统的小信号不够敏感，若不补偿会严重影响到水轮机调速系统的稳定性。通常，水轮调速系统采用PID调速器。这种调速器忽略死区非线性的影响，采用“额定负荷下设计、最差工况下校正”的方法求取PID调速器的参数，无法从理论上保证包含死区非线性的水轮机调速系统的稳定性。 

水轮机调速系统可以分为基于状态反馈和基于输出反馈两大类。PID调速器属于基于输出反馈的调速器，由于此类调速器仅利用输出信息(频率偏差)计算控制量，这从方法上制约了水轮机调速系统性能的提高和死区非线性补偿器的设计。随着我国“积极开发水电能源”的战略实施，水轮发电机组向着高水头、大容量、高转速的趋势发展，这对水轮机调速系统的性能提出了更高的要求，迫切需要引入基于状态反馈的方法以解决水轮机调速系统的设计问题，补偿死区非线性的影响，从理论上保证水轮机调速系统的稳定性。 

滑模控制是一种基于状态反馈的变结构控制方法，具有强鲁棒性。当满足 匹配条件时，在滑动超平面上对系统的外部干扰和内部参数摄动具有不变性，为设计水轮机调速系统、补偿死区非线性提供了一个备选方法。Ye等人在文章《Variable structure and time-varying parameter control for hydroelectric generating unit》和《An intelligent discontinuous control strategy for hydroelectric generating unit》中设计了水轮机调速系统的无滑动模态的变结构调速器，有关滑模调速器设计的文章目前尚鲜有报导。对于死区非线性的补偿问题，陈杰等人在专利《一种伺服系统本质非线性补偿控制器》(中国专利，公开号CN 101488010A)中设计了RBF神经网络在线辨识死区非线性，但是此补偿控制器是针对直流调速系统设计的，难以直接应用于水力、机械、电气相耦合的水轮机调速系统。 

为了提高水轮机调速系统的性能，确保系统的稳定性，本发明采用基于状态反馈的滑模控制技术设计水轮调速系统的滑模调速器，结合滑模神经网络技术设计补偿器以补偿水轮机调速系统的死区非线性，采用本发明可以保证包含死区非线性的水轮机调速系统的稳定性。 

发明内容

针对上述背景技术中提到现有控制方法无法保证含死区非线性的水轮机调速系统的稳定性的不足，本发明提出了一种基于滑模的水轮机调速系统死区非线性补偿方法。 

本发明的技术方案是，一种基于滑模的水轮机调速系统死区非线性补偿方法，其特征是该方法包括以下步骤： 

步骤1：构建水轮机调速系统的状态空间模型，引入附加状态变量； 

步骤2：在步骤1的基础上设计滑模调速器，通过调整滑模调速器的控制量，使得理想水轮机调速系统渐近稳定； 

步骤3：在步骤2的基础上设计死区非线性补偿器，用以补偿实际水轮机调 速系统的死区非线性。 

所述附加状态变量的计算公式为： 

x4=KE∫0∞x(t)dt]]>

其中： 

x₄为附加状态变量； 

K_E为正常数； 

x(t)为水轮机转速变化量。 

所述滑模调速器的控制量的计算公式为： 

u_smc＝u_eq+u_sw

其中： 

u_smc为滑模调速器的控制量； 

u_eq为等效控制量；