混流式水轮机调节系统的非线性有限时间控制

Hydro-turbine governing system (HGS) is a complicate nonlinear system as it is a integral of hydraulic, mechanical, electrical and magnetic system. As the ever-increasing demand and difficulty of high quality control, we study the nonlinear finite time control for francis HGS. Firstly, we will study the dynamic stability impact mechanism of the three core system parameters for HGS. The sufficient condition for HGS dynamic stability will be given, and it will also be the foundation for the HGS stability control. Secondly, from the point of engineering view to consider the requirements of transition time, overshoot and oscillation frequency for HGS, we will be the pioneers to introduce finite time stability theory to improve the dynamic stabilization performance. By combining Lyapunov stability theory, the inequality constraints for finite time stability will be presented. According to Schur complement theorem, the constraints can be transformed to the standard form of linear matrix inequalities (LMI) which are more practical. Considered HGS will be affected by random load disturbance, the linear time invariant interval theory and H∞ control theory will be introduced to improve robustness of the controller. Finally, we will explore the more suitable method for HGS control and explore its application and universality to other hydropower system. The research results will provide new reference and theoretical basis for the stability control of hydropower system.

水轮机调节系统是一集水、机、电、磁一体的时变、非最小相位、复杂非线性系统，其高品质控制是一研究热点与难点，特展开其非线性有限时间控制研究。揭示水轮机调节系统过水管道的水流惯性时间常数等三个核心参数对其动态稳定的影响机理，给出其动态稳定的充分条件，该研究成果将为水轮机调节系统的稳定性控制奠定基础；为改善其过渡时间、超调量和振荡次数等动态稳定品质，首次引入有限时间稳定性理论，结合Lyapunov稳定性理论，研究水轮机调节系统的非线性有限时间控制方法，给出系统稳定需要满足的不等式约束，并通过Schur补定理以线性矩阵不等式组的形式给出水轮机调节系统更加宽松和实用的充分稳定条件。考虑水轮机调节系统会受到随机负荷扰动的影响，引入线性时不变区间理论和H∞控制理论，改进所设计控制器的鲁棒性；探究更适宜于水轮机调节系统的控制方法及其普适性。该研究将为生产实践中水电站系统的稳定性控制提供新方法和理论依据。

随着水电事业高速发展，高水头、大水电站逐渐增多，对水电站系统的安全、稳定运行提出了更高的要求。水轮机调节系统是否正常运行严重影响着水轮发电机组乃至电网系统的安全、可靠运行。生产实践中，发现许多国内外大中型水力发电机组均存在不同程度的稳定性问题。因此，对水轮机调节系统进行稳定性分析和有效控制对水电站的安全稳定运行具有重要意义。. 目前关于水轮机调节系统的控制方法，主要有PID控制、模糊控制、神经网络等经典算法。上述关于水轮机调节系统的控制研究均讨论的是系统无限时间稳定性和控制问题，但系统稳态性能的好坏并不能代表暂态过渡过程的优劣。从控制系统时间优化的角度来看，使闭环系统有限时间收敛的控制方法能够改善系统的最大偏差和调节时间，鲁棒性能和抗扰动性能。以我国大中型水电站广泛使用的混流式水轮发电机组为研究对象，针对水轮发电机组输出功率和频率的非线性不稳定运行，为系统设计合适的Terminal滑模控制方法，并避免系统发生抖振。结合滑模控制理论、Schur补定理和线性矩阵不等式，基于有限时间稳定理论和Lyapunov稳定性理论，研究水轮机调节系统的有限时间滑模控制方法。利用模糊理论，建立了水轮机调节系统的Takagi-Sugeno（T-S）模糊模型。基于有限时间稳定理论和Lyapunov稳定性理论，研究水轮机调节系统的有限时间模糊控制方法，给出了更加宽松和实用的稳定性条件，满足水轮机调节系统对过渡时间、超调量和振荡次数等动态品质的要求。上述研究结果具有较高的理论研究价值和工程实践意义，能为相关水电站系统的稳定控制提供借鉴，也为后续研究奠定了坚实的工作基础。. 在项目的资助下，以第一及通讯作者发表相关SCI论文12篇，期中JCR分区1区论文7篇，2区论文4篇，3区论文1篇，影响因子3.0以上的论文6篇，核心论文1篇。培养硕士研究生3名，青年教师2名。