水电机组系统建模、参数辨识及调速和励磁控制方法

第1章绪论（1）

1.1系统辨识理论与水电机组控制系统辨识（2）

1.1.1系统辨识理论（2）

1.1.2水电机组控制系统辨识研究现状（6）

1.2水电机组控制方法与研究现状（10）

1.2.1水轮机调速系统控制研究现状（10）

1.2.2水电机组励磁控制研究现状（12）

第2章水电机组控制系统模型特性分析（16）

2.1水轮机调速系统数学模型（16）

2.1.1调速器数学模型（16）

2.1.2压力引水系统数学模型（20）

2.1.3水轮机数学模型及特性分析（22）

2.1.4水轮发电机及负载数学模型（27）

2.1.5不同调节模式下水轮发电机调速系统模型（29）

2.2水轮机调速系统仿真平台（31）

2.2.1线性系统仿真（31）

2.2.2非线性系统仿真（32）

2.2.3仿真实例（33）

2.3同步发电机励磁系统数学模型（37）

2.3.1同步发电机模型（37）

2.3.2电力网络模型（45）

2.3.3励磁系统的模型及特性研究（47）

2.4同步发电机励磁系统仿真平台（52）

2.4.1线性系统仿真（52）

2.4.2非线性系统仿真（53）

第3章水电机组控制系统线性模型参数辨识（54）

3.1基于微分及积分变换的线性模型参数辨识（55）

3.1.1微分变换法（55）

3.1.2积分变换法（60）

3.2基于多新息理论的水轮机调速系统参数辨识（64）

3.2.1多新息最小二乘辨识理论（65）

3.2.2水轮机调速系统多新息最小二乘算法参数辨识（67）

3.2.3仿真实验及参数辨识实例（71）

第4章水电机组控制系统非线性模型参数辨识（76）

4.1基于引力搜索的调速系统非线性模型辨识（77）

4.1.1引力搜索算法及其改进（77）

4.1.2基于IGSA的调节系统参数辨识（80）

4.2基于改进粒子群优化算法的水轮发电机及其调速系统参数辨识（90）

4.2.1粒子群优化算法及量子粒子群优化算法（91）

4.2.2基于IQPSO的水轮发电机调速系统参数辨识（92）

4.3基于PSO-QO的同步发电机非线性模型参数辨识（100）

4.3.1粒子群-量子操作优化算法（100）

4.3.2水轮发电机数学模型（101）

4.3.3辨识策略及适应度函数（102）

4.3.4实例分析（103）

4.4基于动态系统设计的同步发电机非线性模型参数辨识（112）

4.4.1同步发电机数学模型及可辨识性分析（112）

4.4.2基于动态系统设计的参数辨识基本思想（114）

4.4.3以Hopfield神经网络为例的动态系统参数辨识（116）

4.4.4实例分析（118）

第5章水电机组控制系统非线性模型的模糊辨识（126）

5.1模糊模型辨识理论（126）

5.1.1T-S模糊模型（126）

5.1.2混沌优化策略（127）

5.2基于变尺度混沌优化的模糊模型辨识（128）

5.2.1T-S模糊模型结构（128）

5.2.2T-S模糊模型参数（128）

5.2.3模型结构和参数的一体化辨识（129）

5.2.4辨识实例（129）

5.3基于模糊C回归模型聚类算法的辨识策略（131）

5.3.1新型模糊C回归聚类算法（NFCRMA）（131）

5.3.2前提部分参数辨识（133）

5.3.3结论部分参数辨识（134）

5.3.4算例分析（135）

5.4基于超平面原型聚类的模糊模型辨识（140）

5.4.1基于超平面原型的模糊聚类（140）

5.4.2T-S模糊模型及其辨识方法（142）

5.4.3水轮机调速系统的模糊模型辨识（142）

第6章水轮机调速系统控制方法研究（147）

6.1基于BFO-PSO算法的调速系统PID参数优化整定（148）

6.1.1目标函数分析（149）

6.1.2水轮发电机调速系统稳定性分析及稳定域搜索（152）

6.1.3参数优化实例分析（155）

6.2模糊PID控制在水轮机调速系统控制中的应用（158）

6.2.1模糊控制理论（158）

6.2.2PID控制（160）

6.2.3水轮机调速系统的模糊PID控制（162）

6.2.4实例仿真（163）

6.3水轮机调速系统的滑模控制（167）

6.3.1水轮发电机调速系统模型及改进（168）

6.3.2基于滑模控制的水轮发电机调速系统控制（171）

6.3.3算例分析（172）

6.4基于引力搜索模糊模型辨识的水轮机调速系统预测控制（175）

6.4.1基于T-S型模糊模型的预测控制（175）

6.4.2基于引力搜索超平面聚类的TS型模糊模型辨识（176）

6.4.3水轮机调速系统控制实例（178）

第7章同步发电机励磁系统控制方法研究（181）

7.1基于引力搜索算法的励磁控制系统PID参数优化（182）

7.1.1基于引力搜索算法的PID控制参数优化原理（182）

7.1.2励磁控制系统PID参数优化实例研究（183）

7.2基于混沌自适应DE算法的励磁系统PID参数优化（187）

7.2.1混沌自适应DE算法（187）

7.2.2实例仿真（191）

7.3基于反弹自适应PSO算法的励磁系统控制参数优化（193）

7.3.1反弹自适应PSO算法（193）

7.3.2实例仿真（195）

7.4基于模糊理论的非线性励磁控制寻优策略（199）

7.4.1模糊PID励磁控制器设计（199）

7.4.2模糊非线性励磁控制实例仿真（202）

第8章水电机组控制系统仿真测试平台开发（210）

8.1调速系统仿真测试系统（211）

8.1.1测试仪系统结构设计（211）

8.1.2测试仪上位机软件（229）

8.1.3试验应用（234）

8.2励磁系统仿真测试系统（243）

8.2.1仿真测试系统概述（244）

8.2.2硬件电路设计（246）

8.2.3系统软件设计（258）

8.2.4系统功能验证及典型动态过程试验（271）

参考文献（287）

本书针对大型水轮发电机组控制系统模型辨识与先进控制策略研究面临的关键科学与技术问题，按照线性系统辨识、非线性系统辨识、经典控制理论、模糊控制与非线性控制的结构体系进行了全面阐述。

适读人群 ：本书适合从事非线性系统建模与辨识、自动控制、水电生产过程自动化等方向相关学科高年级本科生、研究生学习参考使用，同样也非常适合从事水电机组辨识、控制、建模工作的研究人员和工程技术人员参考借鉴。

　　水轮发电机组的安全运行涉及水力、电力、机械、结构等诸多方面，是一类多场耦合复杂非线性动力学问题，迄今人们对它的了解还不够，尤其是在使大型水轮发电机组安全、稳定、高效运行方面还有许多亟待研究的理论问题和急需解决的实践问题。尽管国内外对水轮发电机组发电过程控制、故障诊断等科学问题开展了一系列研究，即使随着我国大规模水电站群不断建成和巨型水轮发电机组不断投运，人们仍缺乏对机组水机电耦合系统复杂动力学行为机理的深刻认识，至今还没有系统的理论依据与技术对策，这将严重影响水电站及其互联电力系统的安全，并成为制约机组安全、经济运行的技术瓶颈。此外，负荷需求的不确定性对水轮发电机组运行产生不利影响的动力学效应、机组控制策略对水机电耦合系统故障演变模式的影响等学科交叉领域的研究严重滞后，迫切需要对水轮发电机组动力学问题进行深入研究，揭示水机电耦合系统运行故障的产生机理、演化过程及发展模式。因此，从复杂性科学理论的视点凝炼水轮发电机组动力学问题，阐明机组状态监测、故障诊断和优化控制等研究中涉及的科学问题，解析水轮发电机组复杂非线性动力学行为，揭示水机电耦合系统非平稳故障演化规律，明晰系统故障演化发展的性质、程度和范围，提出故障诊断的先进理论与方法，实现机组控制策略对机组故障蔓延、恶化的有效抑制，形成机组故障监测、智能诊断与发电优化控制有效融合的多维调控理论与技术体系，具有重要的理论意义和工程应用价值。本书是作者十多年来从事水轮发电机组故障诊断研究工作的总结，不仅系统、深入地介绍了作者的理论研究和实践探索，而且更多反映了当前水轮发电机组故障诊断研究的动态以及作者在该领域独到的见解和取得的研究成果，提出的理论与方法更加前进了一步，并在工程实践中得到应用和检验，体现了作者宽广的学术视野和对前沿研究方向的把握能力。全书从机组复杂动力学问题的基础性研究着手，对机组的振动机理与故障演化规律，机组非平稳故障信号分析与特征提取，智能故障诊断方法以及机组状态监测与故障诊断系统等方面的研究进行了全面的论述，具有很强的系统性，是一本理论结合实际、具有重要学术价值的著作。需要指出的是，大型水轮发电机组安全、稳定运行所涉及的理论与方法具有很强的学科交叉性，其中的动力学问题、信号处理问题、模式识别问题是很多学科都在关注的基础性科学与技术问题。因此，该书的出版不仅丰富和发展了水轮发电机组安全、稳定运行理论研究的内涵和外延，而且是现代自然科学交叉学科的重要著作，是一部面向基础研究，面向应用，介绍新理论、新进展、新趋势的专著，可为相关研究人员提供借鉴和指导。希望本书对推动相关领域的学术研究和工程应用技术发展能起到重要作用。