基于內(nèi)模控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳亮亮，張江濱

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710065；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048）

基于內(nèi)模控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳亮亮1，張江濱2

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710065；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048）

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一類(lèi)典型的非最小相位系統(tǒng)，為抑制其右半復(fù)平面零點(diǎn)所造成的負(fù)調(diào)，提出一種采用極點(diǎn)鏡像映射法的 IMC-PID控制和模糊邏輯設(shè)定值加權(quán)的混合策略。采用內(nèi)模控制極點(diǎn)映射方法設(shè)計(jì)PID控制器，能夠降低不穩(wěn)定零點(diǎn)帶來(lái)的負(fù)調(diào)；引入的模糊邏輯設(shè)定值加權(quán)系數(shù)可以在線(xiàn)修正控制器的比例增益，從結(jié)構(gòu)上有效抑制負(fù)調(diào)產(chǎn)生。仿真結(jié)果表明，該控制器對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有良好的控制效果。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；內(nèi)模控制；仿真研究

1 引言

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于水流慣性的存在，使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)典型的只有右半復(fù)平面零點(diǎn)的非最小相位系統(tǒng)[1]。從控制原理知道，右半復(fù)平面的正零點(diǎn)屬于不穩(wěn)定零點(diǎn)，由此產(chǎn)生的負(fù)調(diào)現(xiàn)象是系統(tǒng)控制所不希望的。

針對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一類(lèi)的非最小相位特點(diǎn)，很多學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究。基于經(jīng)典控制理論的設(shè)計(jì)大都局限于線(xiàn)性控制器，難以同時(shí)抑制負(fù)調(diào)、超調(diào)和調(diào)整響應(yīng)時(shí)間；而基于智能控制的設(shè)計(jì)方法[2]雖然也得到了研究，卻因?yàn)樽陨淼膹?fù)雜性而使得實(shí)際的操作難度倍增；近年來(lái)，以預(yù)測(cè)算法、模型參考等為基礎(chǔ)的控制方法[3-5]有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中更是以?xún)?nèi)模控制[6,7]受到了大家的廣泛關(guān)注。

以?xún)?nèi)模控制極點(diǎn)鏡像映射的方法為基礎(chǔ)，針對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非最小相位特點(diǎn)設(shè)計(jì)PID控制器，從而通過(guò)參數(shù)整定有效的抑制負(fù)調(diào)；并結(jié)合模糊控制技術(shù)對(duì)控制器的設(shè)定值進(jìn)行加權(quán)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上抑制負(fù)調(diào)的產(chǎn)生。理論分析和仿真結(jié)果均驗(yàn)證了該混合策略的有效性。

2 問(wèn)題描述

目前，工業(yè)控制系統(tǒng)使用最為廣泛的仍然是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的經(jīng)典PID控制。雖然有學(xué)者進(jìn)行過(guò)基于內(nèi)模控制的設(shè)計(jì)[8]，而且也取得了不錯(cuò)的效果。但是，將內(nèi)模控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，才會(huì)更有實(shí)用價(jià)值，所以本文采用基于內(nèi)模控制的PID設(shè)計(jì)方法。

內(nèi)模控制器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很難滿(mǎn)足非最小相位系統(tǒng)的需要，而水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)正是一個(gè)典型的非最小相位系統(tǒng)，所以需要重新定義設(shè)計(jì)公式，故本文采用極點(diǎn)鏡像映射法設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器。

根據(jù)經(jīng)典PID設(shè)計(jì)方法，引入設(shè)定值加權(quán)系數(shù)[9]后，系統(tǒng)得以從結(jié)構(gòu)上抑制負(fù)調(diào)的產(chǎn)生。但此系數(shù)的大小會(huì)影響系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，所以需要在系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)計(jì)算該值的大小。

3 混合控制策略

3.1 IMC-PID控制

內(nèi)模控制的結(jié)構(gòu)如圖 1所示，圖中 Gq（s ）為內(nèi)模控制器， Gp（ s ） 為被控對(duì)象， Gm（ s）為對(duì)象模型；r、u、d、y分別為輸入量、控制量、擾動(dòng)量和輸出量。

圖1 內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)

對(duì)象模型可以分解為 Gm+（ s ） 和 Gm-（ s） ，即：

其中， Gm+（ s ）為包含時(shí)滯和右平面零點(diǎn)的逆不穩(wěn)定部分， Gm-（ s ）則為包含最小相位特征的穩(wěn)定部分。

設(shè)計(jì)內(nèi)模控制器時(shí)，定義內(nèi)模控制器為：

其中，在穩(wěn)定部分上增加的 Gf（ s ）為濾波器，用來(lái)保證內(nèi)模控制器的物理可實(shí)現(xiàn)性，確保系統(tǒng)的魯棒性。一般采用如下形式：

式中，階次n取決于 Gm-（ s）的階次以使控制可實(shí)現(xiàn)；λ為時(shí)間常數(shù)，s為拉氏算子。

由圖1可知內(nèi)模控制的系統(tǒng)輸入輸出特性為：

如果模型精確，即 Gp（ s ）= Gm（s ）時(shí)，系統(tǒng)的輸出為：

顯然，改變 Gq（ s）參數(shù)λ就可以分別調(diào)整系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤特性和干擾抑制特性。

將內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)等效變換為經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中， Gc（ s ）為等效PID控制器。

圖2 經(jīng)典二自由度PID控制結(jié)構(gòu)

由圖2可得：

3.2 IMC-PID的參數(shù)整定

由于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中電液隨動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小，因此，將系統(tǒng)的模型降為二階，由此得到系統(tǒng)的對(duì)象模型 Gm（ s ） 為：

為了消除水流慣性對(duì)系統(tǒng)的影響，采用極點(diǎn)鏡像映射的方法。在設(shè)計(jì)內(nèi)模控制器的時(shí)候，不僅將模型的穩(wěn)定部分求逆，而且添加非最小相位零點(diǎn)在左半平面的鏡像極點(diǎn)。即將式（2）變?yōu)椋?/p>

將式（3）和式（7）代入式（8），可得內(nèi)模控制器 Gq（s ） 為：

將式（7）和式（9）代入式（6），可得等效PID控制器 Gc（ s ） 為：

將式（10）分解為常規(guī)控制（IMC-PID）和抑制負(fù)調(diào)（RU）兩部分，可得水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定為：

3.3 模糊邏輯設(shè)定值加權(quán)

傳統(tǒng)IMC-PID控制器在時(shí)域的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

式中，e（ t ）為系統(tǒng)誤差，u （ t）為控制變量，Kp、Td和 Ti分別為比例增益，微分作用系數(shù)和積分作用系數(shù)。

因?yàn)楸壤鲆鎝K 的增大或減小可明顯改善系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，所以為了克服傳統(tǒng)IMC-PID控制器的不足，行之有效的方法就是在控制器的比例作用部分引入設(shè)定值加權(quán)系數(shù)常量b，式（11）變?yōu)椋?/p>

式中， ep（ t）= b r（t）- y （t）， b ∈ （0,1） 。即：

由式（13）能夠組建改進(jìn)的IMC-PID控制器，如圖3所示。Go（ s ）為引入加權(quán)系數(shù)后的控制器，這樣一來(lái)，系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定就由 Go（ s ） 和 Gc（ s ） 分別控制。

圖3 改進(jìn)IMC-PID控制器結(jié)構(gòu)

然而，常規(guī)的加權(quán)系數(shù)b是固定的。在此條件下，當(dāng)系統(tǒng)其他性能指標(biāo)達(dá)到良好時(shí)，通常導(dǎo)致上升時(shí)間增大。為此，我們根據(jù)系統(tǒng)誤差 e（ t ）和誤差變化 ec（ t）模糊推理當(dāng)前時(shí)刻的b值，構(gòu)建出能夠隨系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程而不斷改變b值的控制器 Go（ s）。

在模糊系統(tǒng)中，輸入 e（ t ）、 ec（ t） 和輸出f的隸屬度函數(shù)都限定在[-1，1]，如圖4所示。模糊控制規(guī)則如表1所示，其中NVB、NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB、PVB分別代表負(fù)極大、負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大、正極大。

4 仿真與分析

為了驗(yàn)證混合策略在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的性能，使用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真。取參數(shù) ey=0.74，eqh=0.49，e=1.07，Tw=1.62，Ta=6.67，en=1，Ty=0.1，bp=0.04；利用開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性確定校正環(huán)節(jié)參數(shù)bt=0.49，Td=4.9；濾波器時(shí)間常數(shù)λ1=6.8，λ2=5。

從圖5可以看出，采用IMC-PID控制器與采用傳統(tǒng)PID控制器相比，系統(tǒng)負(fù)調(diào)得到了微小的抑制，系統(tǒng)超調(diào)得到了較大的抑制。

針對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)水流慣性的存在，采用極點(diǎn)鏡像映射法設(shè)計(jì)IMC-PID控制器。

從圖6可以看出，采用極點(diǎn)映射的IMC-PID控制器與未用極點(diǎn)映射的IMC-PID控制器相比，系統(tǒng)在不損失其他性能的條件下，負(fù)調(diào)得到了明顯的抑制。

圖4 隸屬度函數(shù)

表1 模糊控制規(guī)則

圖5 傳統(tǒng)PID和IMC-PID控制器的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

圖6 極點(diǎn)映射前后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

考慮到實(shí)際工況的復(fù)雜性，我們將被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)和增益均增加20%。

從圖 7可以看出，在模型失配的情況下，采用IMC-PID控制器與采用傳統(tǒng)PID控制器相比，響應(yīng)過(guò)程的波動(dòng)更小，表現(xiàn)出優(yōu)良的魯棒性和對(duì)不同工況更強(qiáng)的適應(yīng)力。

圖7 不同工況下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

從圖8可以看出，設(shè)定值加權(quán)系數(shù)b的選擇與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間關(guān)系極大。為了更好地抑制負(fù)調(diào)，需要減小b值，但b值的減小會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。使用模糊控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)b值的動(dòng)態(tài)計(jì)算，在系統(tǒng)負(fù)調(diào)較小的情況下，又能夠擁有較好的響應(yīng)時(shí)間。

最后將傳統(tǒng)PID控制和采用極點(diǎn)映射的IMC-PID控制（PM-IMC-PID）與本文所提出的混合策略（PM-FSW-IMC-PID）作比較，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖9所示。

圖8 采用設(shè)定值加權(quán)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

從圖 9中可以看出，混合策略同時(shí)兼顧了IMC-PID參數(shù)整定和設(shè)定值加權(quán)的優(yōu)點(diǎn)，負(fù)調(diào)和超調(diào)都非常微小，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性也沒(méi)有很大損失，控制品質(zhì)更加優(yōu)良。根據(jù)不同需要，系統(tǒng)通過(guò)參數(shù)調(diào)整可以獲得更快的系統(tǒng)響應(yīng)或者更強(qiáng)的干擾抑制。

圖9 混合策略的系統(tǒng)階躍響應(yīng)

5 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，混合策略針對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非最小相位特點(diǎn)，明顯抑制其負(fù)調(diào)，使魯棒性更加優(yōu)良。通過(guò)合理的參數(shù)調(diào)整，就能夠令其同時(shí)兼具良好的目標(biāo)跟隨特性和干擾抑制特性，改善了傳統(tǒng)控制器的不足；模糊控制的應(yīng)用，一定程度上解決了設(shè)定值加權(quán)帶來(lái)的負(fù)面影響。此外，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)參數(shù)少，使該策略更具實(shí)用性。

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張江濱（1962-），2006年畢業(yè)于西安理工大學(xué)水文學(xué)及水資源學(xué)科專(zhuān)業(yè)，博士，現(xiàn)任西安理工大學(xué)動(dòng)力系教授、副主任，兼任陜西省水力發(fā)電學(xué)會(huì)自動(dòng)化專(zhuān)委會(huì)委員，研究方向：水利電力自動(dòng)化、發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。

Optimal Design of Hydro-turbine Regulating System Based on Internal Model Control

CHEN Liang-liang1, ZHANG Jiang-bin2
( 1. Hydrochina Xibei Engineering Corporation, Xi’an 710065, China；2. Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China )

Hydro-turbine regulating system is a typical non-minimum phase system, for eliminate the undershoot caused by zeros in the right-half plane, a IMC-PID control and fuzzy logic set-point weight mixed strategy has been advanced. The PID controller based on the internal model control with pole mapping method, to reduce the undershoot, and the fuzzy logic set-point weight factor that can control the proportion of gain, structurally effective eliminate the undershoot. The simulation results show that the controller make hydro-turbine regulating system has good control effect.

hydro-turbine regulating system; internal model control; simulation study

TK730.4+1

A

1000-3983（2010）01-0060-05

2008-08-04

陳亮亮（1984-），2009年畢業(yè)于西安理工大學(xué)水利水電專(zhuān)業(yè)，碩士，現(xiàn)從事水利電力自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。