动态矩阵控制算法的改进及其应用
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摘要
水轮发电机组的调节装置主要有水轮机调速器和发电机励磁调节器，这两套调节装置分别负责电能有功(频率)及无功(电压)的调节，以满足电力系统对电能的频率及电压的质量要求。水轮机调速器调节性能的优劣直接影响电力系统频率的品质和稳定，对电力系统的能量平衡和安全可靠运行具有重要的影响。
水轮机调节系统是一个非线性、参数时变的非最小相位系统。同时，还存在各种约束条件，因此，要求精确建立其数学模型是非常困难的。目前，水轮机调速器的主导调节规律仍然是PID调节规律，或者是以PID为基础的调节规律。虽然控制效果基本能满足生产过程的要求，但全局稳定性及最优性有待进一步提高。
预测控制是一种计算机控制算法，因其建模简便、易于在线实施，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。动态矩阵控制是一种应用广泛的预测控制算法。
本文将动态矩阵控制算法进行了改进，并将其应用于水轮机调节系统，对多种型式的机组转速调节进行了研究。动态矩阵控制改进算法使得模型可较早截断，避免了一般动态矩阵控制要求模型长度N过大而使在线计算量很大的弊端，它将使算法更容易在线实现。
本文对各种机组调节系统进行仿真，结果表明，对于混流式和轴流转浆式机组，通过反馈校正系数和控制权矩阵的正确选择，可以解决调节时间和水击压力上升的矛盾；对于贯流式机组，提出了动态矩阵PI控制方案，可以较好的解决此类机组转速难以稳定的问题。
本文还对动态矩阵控制的参数选择和闭环特性进行了讨论和分析。
Hydroelectric generating set has two type governing equipment. One is electro-hydraulic governor of turbine which can adjust frequency (active power) the other is excitation governor of generator which can adjust voltage (reactive power). They work together for meeting the requirements of the voltage and frequency that the electrical power system brings forward to. The capability of electro-hydraulic governor of turbine directly affects the quality of frequency that is important in the security and dependability.
Electro-hydraulic regulating system of turbine is a non-linear time-varied minimum phase system. For many confine condition, setting up an accurate mathematical model is very difficult. At present, the main way of electro-hydraulic governor of turbine is PID or some that bases on PID. Although the ending is almost satisfied with requirements, the stability need improved.
Predictive control is a computer algorithm. Easily modeling and carrying out online brings it to more and more application in industry control. DMC is one of the predictive controls that are widely used.
The paper improves the arithmetic of DMC and applies it in Electro-hydraulic regulating system of turbine and studies on many types turbine. DMC improved can make the model quicker truncated. It avoids the abuse that DMC need make the model long and N very big and quantity of calculation large. It makes the arithmetic easier realized.
The paper makes simulation for each type of Electro-hydraulic regulating system of turbine. The results of simulation show that for the Francis and Kaplan turbines the contradiction between regulation time and pressure increasing can be solved by logical chosen of feedback adjustment coefficient and control cost-weighting matrix. For tublar turbine the dynamic matrix PI control scheme can effectively solves the difficulty of speed stabling of this type turbine.
Finally, this paper discusses and analyzes the chosen of parameters and close-loop characteristic of dynamic matrix control.
水轮机调节系统是一个非线性、参数时变的非最小相位系统。同时，还存在各种约束条件，因此，要求精确建立其数学模型是非常困难的。目前，水轮机调速器的主导调节规律仍然是PID调节规律，或者是以PID为基础的调节规律。虽然控制效果基本能满足生产过程的要求，但全局稳定性及最优性有待进一步提高。
预测控制是一种计算机控制算法，因其建模简便、易于在线实施，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。动态矩阵控制是一种应用广泛的预测控制算法。
本文将动态矩阵控制算法进行了改进，并将其应用于水轮机调节系统，对多种型式的机组转速调节进行了研究。动态矩阵控制改进算法使得模型可较早截断，避免了一般动态矩阵控制要求模型长度N过大而使在线计算量很大的弊端，它将使算法更容易在线实现。
本文对各种机组调节系统进行仿真，结果表明，对于混流式和轴流转浆式机组，通过反馈校正系数和控制权矩阵的正确选择，可以解决调节时间和水击压力上升的矛盾；对于贯流式机组，提出了动态矩阵PI控制方案，可以较好的解决此类机组转速难以稳定的问题。
本文还对动态矩阵控制的参数选择和闭环特性进行了讨论和分析。
Hydroelectric generating set has two type governing equipment. One is electro-hydraulic governor of turbine which can adjust frequency (active power) the other is excitation governor of generator which can adjust voltage (reactive power). They work together for meeting the requirements of the voltage and frequency that the electrical power system brings forward to. The capability of electro-hydraulic governor of turbine directly affects the quality of frequency that is important in the security and dependability.
Electro-hydraulic regulating system of turbine is a non-linear time-varied minimum phase system. For many confine condition, setting up an accurate mathematical model is very difficult. At present, the main way of electro-hydraulic governor of turbine is PID or some that bases on PID. Although the ending is almost satisfied with requirements, the stability need improved.
Predictive control is a computer algorithm. Easily modeling and carrying out online brings it to more and more application in industry control. DMC is one of the predictive controls that are widely used.
The paper improves the arithmetic of DMC and applies it in Electro-hydraulic regulating system of turbine and studies on many types turbine. DMC improved can make the model quicker truncated. It avoids the abuse that DMC need make the model long and N very big and quantity of calculation large. It makes the arithmetic easier realized.
The paper makes simulation for each type of Electro-hydraulic regulating system of turbine. The results of simulation show that for the Francis and Kaplan turbines the contradiction between regulation time and pressure increasing can be solved by logical chosen of feedback adjustment coefficient and control cost-weighting matrix. For tublar turbine the dynamic matrix PI control scheme can effectively solves the difficulty of speed stabling of this type turbine.
Finally, this paper discusses and analyzes the chosen of parameters and close-loop characteristic of dynamic matrix control.
引文
[1] 沈祖诒主编，水轮机调节，水利电力出版社，1988．11
[2] 奥斯特隆姆著周兆英等译，计算机控制系统：原理与设计，电子工业出版社，2001．4
[3] 魏守平著，现代水轮机调节技术，华中科技大学出版社，2002．1
[4] 席裕庚编著，预测控制，国防工业出版社，1993．6
[5] 舒迪前编著，预测控制系统及其应用，机械工业出版社，1996．3
[6] 卢伯英等译，现代控制工程，科学出版社，1984．7
[7] 水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册，1984．12
[8] [加]M．H．乔德里著陈家远译，实用水力过渡过程，四川水力发电工程学会出版，1985．9
[9] 陈嘉谋编，水轮机调节系统计算机仿真，水利电力出版社，1986．11
[10] 欧阳黎明编著，MATLAB控制系统计设计，国防工业出版社，2001．1
[11] 黄忠林编著，控制系统MATLAB计算及仿真，国防工业出版社，2001．11
[12] 刘培玉等著，最优控制系统设计，大连理工大学出版社，2000．3
[13] 郑大钟编著，线性系统理论，清华大学出版社，2000．9
[14] 水轮机电液调节系统及装置技术规程，SD295-88
[15] 水轮机调速器与油压装置技术条件，GB／T9652．1-1997
[16] 水轮机数字式电液调速器技术条件，QB／T001L-2001
[17] 魏守平，水轮机调速器的描述函数分析，大电机技术，1981(4)：pp．43～48
[18] 罗家洪编，矩阵分析引论，华南理工大学出版社，1996．1
[19] 王永骥，预测控制理论及其在水电站中的应用研究，华中理工大学博士论文，1990．6
[20] 陈观明，具有误差变化率校正的预测控制算法，自动化与仪器仪表，1999．2
[21] 钟庆昌等，动态矩阵控制的截断误差校正，上海交通大学学报，1999．5
[22] 李嗣福，MAC和DMC的改进算法，自动化学报，1993．7
[23] 舒迪前，预测控制算法的内模结构及其统一格式，控制与决策，1994．1
[24] 谷俊杰等，关于内模控制的一些研究，计算技术与自动化，1983．3
[25] 刘玉梅等，水轮机被控系统的特征及其数学模型的建立，大电机技术，1999．5
[26] 沈祖诒等，水力机械优化设计和计算机辅助分析，河海大学出版社，1995．12
[27] 陶永华等编，新型PID控制及其应用，机械出版社，2001．5
[28] 韩曾晋主编，自适应控制，清华大学出版社，1995
[29] 吴应文，水轮发电机组空载工况下调速系统整定参数的计算，电力系统自动化，1984(4)
[30] 吴应文，水轮机调速系统过渡过程时间中与引水钢管水流惯性时间Tw关系的研究，大电机技术，1989(1)：pp．56～62
[31] 魏守平，水轮机调速系统试验数据的回归分析，大电机技术，1989(1)：pp．61～64
[32] 魏守平，水轮机调速系统的状态方程，大电机技术，1979(4)：pp．80～87
[33] 魏守平，刚性水捶下水轮机调速系统的状态方程，大电机技术，1979(4)：pp．80～87
[34] 钟肇新等译，可编程控制器原理及应用，华南理工大学出版社，1999
[35] GE Fanuc自动化 系列90TM-70可编程控制器产品说明书
[36] 水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册，1984．12
[37] 刘卫亚，缩短甩负荷后水轮机调速器调节时间，第十四次中国水电设备学术讨论会论文集，2000．10
[38] 鲁建文等，安居水电站灯泡灌流式机组的技术改造，第十四次中国水电设备学术讨论会论文集，2000．10
[39] 费修渔，自动发电运行对水轮机设计的要求，第十四次中国水电设备学术讨论会论文集，2000．10
[40] 谭浩强编著，C程序设计，清华大学出版社，1994．11
[41] 王若望等编著，Microsoft C／C++7.0使用教程．1993．12
[42] [美]Microsoft公司张素琴等译，Microsoft C／C++7.0运行库参考手册，1993．6
[43] T.E.Fortmaan and K.L. Hie. An Introduction to finear Control Systems,Marcel Delcker, INC. New York and Basel. 1977
[44] B.D.O.Anderson and J.B.Moore. Linear Optimal Control, Prentice-Hall,Englewood cliffs,N.J.1971.
[48] Richalet J, et al. Model Predictive Heuristic Control: Application to Industrial Processes. Automatica. 1978, 14(5): pp.413～428
[46] Rouhani R, Mehra R.K. Model Algorithmic Control (MAC), Basic Theoretical Properties. Automatica. 1982, 18(4): pp.401～410
[47] Keyser R.M.C Van Canwenberghe A. R. Self-Tuning Prediction and Control. Int J Systems Sci, 1983,14(2):pp.147～168
[48] Saridis G. N. Analytic formulation of the principle of increasing precision with decreasing intelligence for intelligent machines. Automatica, 1989, 25(3)
[49] EM.Brasch. Pole Placement Using Dynamic Compensators, IEEE. Trans. Auto. Cont. Vol. Ac-15,1970:34
[50] Astrom K J. Computer Computer Controlled Systems--Theory and Sesign Prentice Hall Inc, 1984
[51] W.M.Wonham. Linear Multivariable Control, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg. New York. 1974
[52] Momingred J. On Line Adaptation of Predictive Controller. A.C.C. 1987
[53] Cuter C.R,Ranmaker B.L, Dynamic Matrix Control--A Computer Control Theoretical Algorithm, Proc, JCAA, SanFramcisco, 1980
[2] 奥斯特隆姆著周兆英等译，计算机控制系统：原理与设计，电子工业出版社，2001．4
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