本发明属于非线性控制技术领域，涉及非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法和系统，具体涉及一种非线性非最小相位隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统设计方法。
背景技术：
水轮机组作为一种典型的非最小相位系统，其传统控制方法为在小波动情况下采用系统的线性化模型，然后采用pid控制方法对机组转速进行控制，但是这一方法将发电机简化为一个一阶模型不考虑励磁输入，只是通过水门控制机组转速，存在很大局限性：当系统非线性特性十分明显时(转速出现大扰动)，这种方法将不再适用。
非小相位系统的稳定控制方法一直是人们研究的重点，由此产生了各种不同的控制方法和策略，近似线性化方法和微分几何方法是其中最常用的两种方法。
近似线性化的基本思想是在状态空间的平衡点处用全微分来代替系统的增量，从而将系统近似转换为线性系统，从而进行控制。然而实际系统非常复杂，当系统出现较大扰动偏离平衡点时，线性系统就很难表征此时实际的系统特性，那么这时的控制器的调节效果就很难达到实际性能要求，因此客观上就需要在明确考虑实际系统的非线性特征的基础上设计非线性控制器。
近三十年来，人们将微分几何理论应用于非线性系统的控制，这一方法通过一个合适的坐标变换与一个恰当的状态反馈将原非线性系统进行精确反馈线性化得到线性标准型，从而对其中的线性子系统设计控制器，与近似线性化方法相比，其优点在于系统并不局限于平衡点而能够在状态空间的一个足够大的域甚至整个状态空间中精确的转化为线性系统。该方法在对非线性系统进行线性化的过程中，通过微分同胚变换可将原非线性系统变换为两部分：线性子系统描述的外部动态和非线性子系统描述的内部动态(即零动态)。对于非最小相位系统(即零动态不稳定的系统)，仅对线性子系统所设计的能使外部动态满足某种性能要求的控制器却难以保证系统内部零动态的稳定，因此非最小相位特性使基于微分几何的精确反馈线性化方法遇到了极大挑战。
为了真正实现水轮机组高性能控制，就必须要解决非线性、非最小相位特性对系统运行时所造成的不良影响，寻求一种有效的控制方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对当系统非线性特性十分明显时现有控制方法的调节效果很难达到实际性能要求的不足，提供一种非线性非最小相位隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统设计方法，能很好的克服在生产过程中因非线性非最小相位特性所产生的不利影响，且能保证在系统较大的运行范围内都有良好的控制效果。
本发明采用如下技术方案：
在一方面提供非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，包括如下步骤:
步骤ss1：采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；
步骤ss2：选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；
步骤ss3：根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立非最小相位子系统状态方程；
步骤ss4：利用dsp控制器作为控制核心实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。
在另一方面，提供一种非线性水轮发电机水门与励磁联合调节系统，其特征在于，包括水轮机组、功率转换模块、电液伺服系统、测频回路、导叶传感器、流量传感器、功角反馈模块、电磁功率反馈模块、保护单元和人机交互模块，所述控制器上设置有a/d转换模块和输出端，所述控制器的输出端分别通过所述电液伺服系统、所述保护单元和所述励磁控制器与所述水轮机组相连接；所述控制器的a/d转换模块分别通过所述测频回路、所述导叶传感器、所述流量传感器、所述功角反馈模块和所述电磁功率反馈模块与所述水轮机组相连接，所述测频回路用来测量水轮机组的机组转速，所述导叶传感器用来测量水门开度，所述流量传感器用来测量有压引水管道流量，从而结合水门开度计算出水轮机输出的机械功率；所述功角反馈模块用来测量发电机功角，所述电磁功率反馈模块用来测量发电机输出的电磁功率；所述控制器与所述人机交互模块相连接，所述人机交模块互负责实现对水轮机组系统的实时显示与操控。
优选地，所述电液伺服系统包括电气液压型调速器和电动调节阀，所述气液压型调速器的一端与所述控制器的输出端相连接，所述气液压型调速器的另一端与所述电动调节阀的一端相连接，所述电动调节阀的另一端与所述水轮机组相连接。
优选地，所述控制器为dsp控制器。
在以上技术方案中，优选地，所述控制器执行以下调节方法：
采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；
选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；
根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立改写非最小相位子系统状态方程；
利用控制器实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。
一种存储一个或多个程序的可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行以上技术方案提供的方法中的任一方法。
本发明的优点在于：
(1)建立在微分几何精确反馈线性化方法的基础上，理论上按照本发明所给出的控制器设计方法所设计的非线性控制器不会丢失系统的原有信息；
(2)与近似线性化的方法相比，具有丢失信息少的优点；本方法只对系统的部分状态进行展开，而近似线性化的方法是对整个系统进行近似线性化处理；其次，可通过提高泰勒展开的阶数来尽可能地减少系统信息的丢失。
(3)适用于任何非线性系统，尤其是具有非最小相位特性的非线性系统，因此可以应用到各类实际工程系统中，有广阔的应用前景；
(4)本发明所提出的控制器设计方法无需高深的理论知识和复杂的数学推导，易于工程实现。
附图说明
图1是本发明具体实施例控制器与水轮机组连接示意图；
图2是单机无穷大系统系统示意图；
图3为本发明具体实施例的水门与励磁联合调节系统连接示意图；
图4是本发明具体实施例给出的控制器对系统输出电磁功率pe的控制效果仿真图；
图5是本发明具体实施例给出的控制器对系统状态发电机功角δ的控制效果仿真图；
图6是本发明具体实施例给出的控制器对系统状态发电机转子角速度ω的控制效果仿真图；
图7是本发明具体实施例给出的控制器对系统状态发电机暂态电势eq′的控制效果仿真图；
图8是本发明具体实施例给出的控制器对系统状态水轮机水门开度μ的控制效果仿真图；
图9是本发明具体实施例给出的控制器对系统状态水轮机机械功率pm的控制效果仿真图；
图10是dsp控制器的控制流程图；
图中标记的含义：1-人机交互模块，2-dsp控制器，3-电气液压型调速器，4-电动调节阀，5-保护单元，6-功率转换模块，7-水轮机组，8-测频回路，9-导叶传感器，10-流量传感器，11-功角反馈模块，12-电磁功率反馈模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的提出一种非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，总体方案是：
首先根据非线性系统的反馈线性化理论将所要控制的系统进行精确反馈线性化；然后基于极点配置和李雅普诺夫稳定理论对水轮机组这样具有非线性非最小相位特性的实际系统进行优化设计；最后用dsp控制器作为控制核心实现本发明的转速调节系统。
具体实施例：提出的一种非最小相位水轮机组转速调节方法，具体包括7个步骤：
ss1根据现有文献，建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型：本发明采用水门与励磁联合调节的控制系统，其中隐极发电机为三阶模型采用单机无穷大系统如图2，水轮机部分为二阶系统，机组的动力模型为：
其中系δ为发电机功角，发电机转子角速度ω，pm为水轮机输出机械功率，μ为水门开度，e′q为q轴暂态电势，为系统控制输入为水门控制量u和励磁控制电压vf；其他参数意义：同步角速度ω0，无穷大母线电压vs，发电机阻尼系数d；发电机惯性常数h，水击时间常数tw，d轴暂态电抗x′d；ts为伺服马达时间常数，μ0为水门初始位置，d轴同步电抗xd；双回路运行时：xdσ＝xd xt xl/2；x′dσ＝x′d xt xl/2；xt为变压器电抗；xl为单条线路电抗；td0为励磁绕组时间常数。xf故障接地小电抗(用于计算三相接地短路故障时各项电抗参数)，被控输出电磁功率为pe：
具体参数为：ω0＝1.0,vs＝1.0,h＝6,tw＝1.0,x′d＝0.257,xd＝1.867,xt＝0.12,xl＝0.04,xf＝0.00001,td0＝10,d＝10。
ss2选取合适的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，并将零动态归入某一线性子系统进行调节。按微分几何精确反馈线性化理论可以知道系统相对阶为r＝{1,3}，选取如下坐标变换：
引入反馈控制律v＝[v1v2]t，将步骤ss1中的非线性控制系统化为如下标准型：
将零动态归入阶数为3的线性子系统，将系统变为两个子系统:
显然第一个子系统为一阶线性系统，取状态反馈v1＝-(pe-0.8)，考略到
值得注意的是由于我们把δ放在了第二子系统中调节，所以在第一个系统中δ被视为定量取为稳态值。
ss3建立非最小相位子系统控制器的一般形式为v＝-kx vnl，并改写非最小相位子系统状态方程；对于第二个子系统其控制器的一般形式为：
v2＝-k1(δ-0.5)-k2(ω-1.0)-k3z23-k4(η-2.4) vnl
其中，待定参数k＝[k1k2k3k4]为行增益向量用于调节子系统中线性部分，待定参数vnl是为了使零动态稳定而引入的非线性补偿项，因此系统状态方程可改写为：
通过极点配置理论确定待定参数k；根据极点配置确定反馈增益矩阵k使系统稳定，将极点配置到-2,-6±i,-10。可以得到：
k1＝-35.0094,k2＝3.9107,k3＝25,k4＝-10.8889。
通过李雅普诺夫稳定性理论确定待定参数vnl；运用李雅普诺夫稳定性理论来求解vnl，构造如下李雅普诺夫函数：
其中，p是满足如下李雅普诺夫方程的正定矩阵；
对李雅普诺夫函数求导得：
根据李雅普诺夫稳定性定理，要使在系统在控制律v2控制作用下稳定，只要
从中可以解出vnl:
这样便可得到控制律v2；由
所以输出的最终形式为：u＝6μ-(5pm 15v2 25z23)
vf，u就是本发明所给出的隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统的最终控制律。
步骤ss4：利用dsp控制器作为控制核心实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。
本发明仿真模拟单机无穷大系统(如图2)中的三相接地短路故障：系统稳定运行5秒，然后发生接地故障，故障持续0.1秒后被发现，系统切换至单回路运行持续0.2秒，之后切换回双回路运行。需要注意的是：系统双回路运行时xdσ＝xd xt xl/2，x′dσ＝x′d xt xl/2；系统单回路运行时xdσ＝xd xt xl，x′dσ＝x′d xt xl；系统发生三相接地短路故障时相关电抗计算比较繁琐可参考相关文献。
在实验时，通过对零动态在系统平衡点进行泰勒展开，验证被控系统是否是非最小相位系统；控制目标为pe0＝0.8,稳态时状态变量值为δ0＝0.5,ω0＝1.0,可以求得此时原系统平衡点为(0.5，1.0，0.8,0.8,0.6624594)，对应的坐标变换后的平衡点为(0.8,0.5，1.0，0,2.4)，在步骤ss2的标准型系统中，定义
将系统平衡状态带入同时忽略高阶无穷小得到：
不难验证该零动态为一阶系统而且系统极点为1这说明零动态不稳定，这便说明了水轮机组是具有典型非线性非最小相位特性的系统。
本发明能很好的克服在生产过程中因非线性非最小相位特性所产生的不利影响，且能保证在系统较大的运行范围内都有良好的控制效果。
图4是本发明给出的控制器对系统输出电磁功率pe的控制效果仿真图。图5是本发明给出的控制器对系统状态功角δ的控制效果仿真图。图6是本发明给出的控制器对系统状态发电机转子角速度ω的控制效果仿真图。图7是本发明给出的控制器对系统状态暂态电势e′q的控制效果仿真图。图8是本发明给出的控制器对系统状态水门开度μ的控制效果仿真图。图9是本发明给出的控制器对系统状态水轮机机械功率pm的控制效果仿真图。
ss7利用dsp控制器作为控制核心实现水轮发电机组水门与励磁联合控制系统
另一个实施例：提供一种非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统，包括水轮机组、功率转换模块、电液伺服系统、测频回路、导叶传感器、流量传感器、功角反馈模块、电磁功率反馈模块、保护单元和人机交互模块，控制器上设置有a/d转换模块和输出端，
控制器的输出端分别通过电液伺服系统、保护单元、功率转换模块与水轮机组相连接；
控制器的a/d转换模块分别通过测频回路、导叶传感器、流量传感器、功角反馈模块和电磁功率反馈模块与水轮机组相连接，测频回路用来测量发电机转子角转速，导叶传感器用来测量水门开度，流量传感器用来测量有压引水管道流量从而结合水门开度计算出水轮机输出的机械功率；功角反馈模块用来测量发电机功角、电磁功率反馈模块用来测量发电机输出电磁功率，控制器与人机交互相连接，人机交互负模块责实现对水轮机组系统的实时显示与操控。
优选地，所述电液伺服系统包括电气液压型调速器和电动调节阀，所述电气液压型调速器的一端与所述控制器的输出端相连接，另一端与所述电动调节阀的一端相连接，所述电动调节阀的另一端与所述水轮机组相连接。
优选地，所述控制器为dsp控制器。
优选地，所述控制器执行以下调节方法：
采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；
选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；
根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式为建立非最小相位子系统状态方程；
利用控制器实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。
需要说明的是所述控制器执行的调节方法具体如上述实施例提供的方法相同，不再叙述。
图3是本发明的转速调节系统连接示意图，其中包括1-人机交互，2-dsp控制器，3-电气液压型调速器，4-电动调节阀，5-保护单元，6-功率转换模块，7-水轮机组流量传感器，8-测频回路，9-导叶传感器，10-流量传感器，11-功角反馈模块，12-电磁功率反馈模块。水轮机组的功角，角速度，水门开度，机械功率，电磁功率分别通过测频回路-8、导叶传感器-9、流量传感器-10、功角反馈模块-11，电磁功率反馈模块-12进行测量，测量值作为控制器的反馈量传送给dsp控制器-2内的a/d转换模块，dsp控制器经运算并通过d/a转换后输出模拟量控制信号，模拟量控制信号分别作为作为电气液压型调速器3与功率转换模块-6的输入信号，实现水轮机水门开度和发电机励磁自控调节，从而对水轮机组的输出电磁功率进行控制；人机交互-1负责实现对水轮机组系统的实时显示与操控。
dsp控制器-2的程序包括一个主程序和两个中断服务程序(异常中断服务程序、定时中断服务程序)，控制流程图如图10所示。dsp程序运行从主程序开始，先进行初始化，然后进入数据显示与故障诊断的循环，如果接收到主程序结束命令，则结束主程序。主程序数据显示与故障诊断期间，按一定时间间隔运行定时中断服务程序，如果出现故障，则运行异常中断服务程序；定时中断服务程序的处理流程为：首先对主程序进行现场保护，接下来通过各种传感器和a/d转换模块采集数据，再对数据进行滤波处理，然后对滤波后的数据进行运算，之后将得到的结果输出到人机交互-1进行外部显示，最后恢复现场并返回主程序。
一种存储一个或多个程序的可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行以上技术方案提供的方法中的任一方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
1.非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤ss1：采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；
步骤ss2：选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；
步骤ss3：根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立非最小相位子系统状态方程；
步骤ss4：利用控制器实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。
2.根据权利要求1所述的非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，其特征在于，所述非线性数学模型包括：隐极发电机为三阶模型采用单机无穷大系统，水轮机部分为二阶系统，机组的动力模型为：
其中δ为发电机功角，ω为发电机转子角速度，pm为水轮机输出机械功率，μ为水门开度，e′q为q轴暂态电势，系统控制输入为水门控制量u和励磁控制电压vf；其他参数意义：ω0为同步角速度，vs为无穷大母线电压，d为发电机阻尼系数；h为发电机惯性常数，tw为水击时间常数，ts为伺服马达时间常数，μ0为水门初始位置，x′d为d轴暂态电抗；xd为d轴同步电抗；双回路运行时：xdσ＝xd xt xl/2；x′dσ＝x′d xt xl/2；xt为变压器电抗；xl为单条线路电抗；td0为励磁绕组时间常数；xf故障接地小电抗，被控输出电磁功率为pe，表达式如下：
3.根据权利要求2所述的非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合控制方法，其特征在于，所述步骤ss2具体包括：
选取如下坐标变换：
引入反馈控制律v＝[v1v2]t，将步骤ss1中的非线性控制系统化为如下标准型：
将零动态归入阶数为3的线性子系统，将系统变为两个子系统，分别表示如下:
4.根据权利要求3所述的非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合控制方法，其特征在于，对于第二个三阶子系统其控制器的一般形式为：
v2＝-k1(δ-0.5)-k2(ω-1.0)-k3z23-k4(η-2.4) vnl
其中，待定参数k＝[k1k2k3k4]为行增益向量用于调节子系统中线性部分，待定参数vnl是非线性补偿项。
5.根据权利要求4所述的非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合控制方法，其特征在于，通过极点配置理论确定待定参数k；通过李雅普诺夫稳定性理论确定待定参数vnl。
6.一种非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统，其特征在于，包括水轮机组、功率转换模块、电液伺服系统、测频回路、导叶传感器、流量传感器、功角反馈模块、电磁功率反馈模块、保护单元和人机交互模块，所述控制器上设置有a/d转换模块和输出端，
所述控制器的输出端分别通过所述电液伺服系统、所述保护单元、所述功率转换模块与所述水轮机组相连接；
所述控制器的a/d转换模块分别通过所述测频回路、所述导叶传感器、所述流量传感器、所述功角反馈模块和所述电磁功率反馈模块与所述水轮机组相连接，所述测频回路用来测量发电机转子角转速，所述导叶传感器用来测量水门开度，所述流量传感器用来测量有压引水管道流量从而结合水门开度计算出水轮机输出的机械功率；所述功角反馈模块用来测量发电机功角、所述电磁功率反馈模块用来测量发电机输出电磁功率，所述控制器与所述人机交互相连接，所述人机交互负模块负责实现对水轮机组系统的实时显示与操控。
7.根据权利要求6所述的一种非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统，其特征在于，所述电液伺服系统包括电气液压型调速器和电动调节阀，所述电气液压型调速器的一端与所述控制器的输出端相连接，另一端与所述电动调节阀的一端相连接，所述电动调节阀的另一端与所述水轮机组相连接。
8.根据权利要求6所述的一种非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统，其特征在于，所述控制器为dsp控制器。
9.根据权利要求6所述的一种非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统，其特征在于，所述控制器执行以下调节方法：
采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；
选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；
根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立非最小相位子系统状态方程；
利用控制器实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。
10.一种存储一个或多个程序的可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法。
技术总结