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1、第11期(总第172期)东北水利水电17MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用罗南华 杨晓菊 孟庆辉(长春水电专科学校电力系 长春 130012)[文摘]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MATLAB软件在水轮机调节系统计算机辅助分析和设计中的应用方法。仿真结果可以用来指导实际水轮机调节系统的设计。[关键词]水轮机调节系统 计算机仿真 MATLAB软件包 水轮机调节系统是一个包含有水流、机棒控制、L—分析与综合、神经网络、模型预测械、电气一体的复杂的闭环自动调节系统,系控制、非线
2、性控制设计、模糊逻辑等。可以说[1]统具有其自身的特点。如果仅从控制的角目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制度看,水轮机调节系统是一个具有非最小相算法,几乎都可以在MATLAB中找到相应[2]位、非线性时变特性的复杂系统,系统相对来的工具箱。说不易稳定,从而使其控制器——水轮机调同时,MATLAB软件中还提供了新的速器的设计变得复杂。控制系统模型图形输入与仿真工具随着微机调速器的出现,使得现代控制SIMULINK,它可以利用鼠标器在模型窗口技术在水轮机调节系统中的应用成为可能。上“画”出所需的控制系统模型,然后利用但无论
3、是经典控制理论,还是60年代发展起SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真来并已成熟的现代控制理论,或是各类面向或分析,从而使得一个复杂系统的输入变得复杂控制对象的高级控制算法,当利用它们相当容易且直观。对控制系统进行设计和分析时,都会涉及到结合在系统研究中的应用实践,以下将大量有关数值计算问题。介绍MATLAB在水轮机调节系统计算机辅计算机仿真技术是应用电子计算机对研助设计中的应用。所有仿真结果均在MAT2究对象的数学模型进行计算和分析的方法,LAB510环境下实现。它是替代对实际水轮机调节系统进行实验和1适合于MAT
4、LAB的系统模型建立研究的有效方法。对于从事控制系统研究与为了采用MATLAB对系统进行仿真,设计的技术人员而言,MATLAB是目前控首先要建立适合于MATLAB软件处理的系制系统计算机辅助设计实用有效的工具。这统模型。水轮机调节系统方块图,如图1所不仅是因为它能解决控制论中大量存在的矩示。图中虚线表示当采用轴流式水轮机时的阵运算问题,更因为它提供了强有力的工具浆叶开度控制量5。箱支持。与控制系统设计直接相关的工具箱1.1控制系统的传递函数描述有控制系统、系统辨识、信息处理、优化等,还图1中各部分数学模型如下:有一些先进和
5、流行的控制策略工具箱,如鲁©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.18东北水利水电1998年转浆式(KAPLAN)水轮机。与(1)式不同,轴流式水轮机流量q与转矩m则是水头h、导叶开度A、机组转速X和浆叶开度5的非线性函数,即q=q(h,A,X,5)(6)m=m(h,A,X,5) 同前,当考虑运行点附近小偏差情况时,(1)式可写成:图1 水轮机调节系统方块图q=T1h+T2A+T3X+T45(7)m=T5h+T6A+T7X+T85水轮机
6、部分:设水轮机采用混流式水轮式中 T1⋯T8均可视为常数,其它部分数学机,其流量q与转矩m,一般而言是水头h、导模型同前。叶开度A和机组转速X的非线性函数,即由线性建模方法可以将上述各式表达成q=q(h,A,X)(1)微分方程形式:m=m(h,A,X)baaX+c1X+c2X=c3A+c4A+c55+c65 当考虑运行点附近小偏差情况时,(1)式(8)可表达为下述的Talor多项式展开式,即TA+TWT1(eg-T7)-TWT3T55q5q5q其中:c1=;q=h+A+X=eqhh+eqAA+eqXXTWT1TA5h5A
7、5X(2)eg-T7-TWT3T55m5m5mc2=;m=h+A+X=ehh+eAA+eXXTWT1TA5h5A5XTWT1T6-TWT2T5实验证明,当转速变化量在20%之间时,c3=TWT1TA在某一工况点处上述的各偏微分项不会发生T6明显的变化。即 eqh,eqA,eqX,eh,eA,eX为常数。c4=TWT1TA;引水道的水击作用方程式:TWT1T8-TWT4T5c5=;dqTWT1TAh=-TW(3)dtT8c6=TWT1TA式中 TW—水流惯性时间常数。(8)式可以表示为如下状态方程形式: 发电机组运动方程
8、式ax=Ax+Bu+GWdX(9)TA=m-mgo-eqX(4)dty=CxdXT式中 Ta—机组惯性时间常数;eg—发电机式中:x=[XA5]为状态向量;y=[Xmdt负载自调节系数;mgo—系统负荷变化。TdAd5YA5hq]为输出向量;u=[]为控所以,系统控制对象(引水管、水轮机、发dtdtT电
