【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水轮机调节，特别涉及基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法。
技术介绍
1、水电作为一种清洁可再生能源，相比传统的化石燃料发电，在发电过程中不产生污染物和温室气体，有助于减少空气污染，且能够同时避免化石燃料枯竭的问题。因此，水电的开发与研究受到了越来越多的关注。
2、在水力发电中，水电站(hydropower plant)具有良好的调峰能力，能够根据电网的负荷需求灵活调整发电量，在电力供应充足时储存能量，在高峰时段释放能量，为电网的稳定运行提供支持，因此在水力发电全过程中处在核心位置。在水电站的运行中，水轮机调节系统(hydro-turbine governing system)负责根据电网的负荷需求和水头条件自动或手动调整水轮机的运行状态，以确保发电效率和系统稳定。随着电力工业的快速发展和可再生能源的广泛应用，水轮机调节系统也在不断进步，以满足更高性能要求。其中，一类超长引水隧洞水轮机调节系统具有特别的优势：超长引水隧洞能够更有效地将水源引导至水轮机，减少沿途水能损失；增加的引水距离可以在更大范围内对水流进行控制，更好地响应电网的负荷变化，实现精确功率调节。
3、超长引水隧洞水轮机调节系统结构复杂，通常由水轮机组、发电机组、超长引水隧洞、调压室、压力管道、电液伺服机构、导叶和控制系统构成，具有强非线性的特点。其中，水轮发电机组的转子转速对于最终的输出功率具有决定性的作用。目前，大部分水轮机调节系统中对于转子转速的控制均采用以pid算法为核心的控制系统。pid算法不依赖精确的系统模
技术实现思路
1、本专利技术的目的是克服现有技术缺陷，提供一种基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，能够提高对扰动的观测精度，缩短水轮机的动态响应时间，同时抑制噪声。
2、本专利技术的目的是这样实现的：一种基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，包括以下步骤：
3、步骤1)根据超长引水隧洞水轮机调节系统组成部分的实际物理特性，建立其超长引水隧洞的非线性动力学方程、调压室动力学方程、水轮机力矩和流量方程、同步发电机一阶动力学方程、电液伺服机构的动力学方程，并基于此建立以隧洞流量、调压室水位变化、水轮发电机组转速、导叶开度为状态变量的超长引水隧洞水轮机调节系统的非线性四阶系统模型；
4、步骤2)对超长引水隧洞水轮机调节系统中存在的电网负载扰动，建立有限时间观测器以实现对负载扰动的实时精确观测；
5、步骤3)对系统控制输入通道中存在的噪声信号，建立有限时间观测器以实现对噪声信号的实时精确观测；
6、步骤4)基于步骤1)中建立的非线性四阶系统模型，构造非奇异终端滑模面，保证水轮发电机组转子转速在有限时间内收敛到设定值，避免奇异性问题；
7、步骤5)结合所设计的干扰观测器和非奇异终端滑模面，设计水轮发电机组转子转速滑模控制器，完成水轮发电机组转子转速控制。
8、作为本专利技术的进一步限定，步骤1)中所述超长引水隧洞非线性动力学方程为：
9、
10、式中，为超长引水隧洞的水流惯性时间常数，lh为超长引水隧洞的长度，qh0为超长引水隧洞的流量初值，g为重力加速度，h为水轮机水头，h0为其初值，fh为超长引水隧洞的剖面面积；为超长引水隧洞流量的相对值，qh为超长引水隧洞的流量；为调压室水位变化的相对值；hh为超长引水隧洞的水头损失，为其初值；
11、步骤1)中所述调压室动力学方程为：
12、
13、式中，为压力管道流量的相对值，qp为压力管道的流量，为其初值；为调压室的时间常数，f为调压室的剖面面积；
14、步骤1)中所述水轮机的力矩和流量方程为：
15、
16、式中，为水轮机动力矩的相对值，mt为水轮机动力矩，为其初值；为水轮发电机组转速的相对值，n为水轮发电机组的转速，n0为其初值；为导叶开度的相对值，y为导叶开度，y0为其初值；eh、ex和ey为水轮机的力矩传递系数，eqh、eqx和eqy为水轮机的流量传递系数；
17、步骤1)中所述同步发电机一阶动力学方程为：
18、
19、式中，ta为水轮发电机组的惯性时间常数，eg为负载自调节系数；
20、步骤1)中所述电液伺服机构的动力学方程为：
21、
22、式中，ty为电液伺服系统的惯性时间常数，u为控制器的输出；
23、步骤1)中所述以隧洞流量、调压室水位变化、水轮发电机组转速、导叶开度为状态变量的超长引水隧洞水轮机调节系统四阶非线性系统模型为：
24、
25、式中，为电网负载扰动的相对值，mg为水轮机阻力矩，为其初值；du为系统控制输入通道中存在的噪声信号。
26、作为本专利技术的进一步限定，步骤2)中所述对超长引水隧洞水轮机调节系统中存在的电网负载扰动，建立有限时间观测器为：
27、
28、式中，电网负载扰动mg为非匹配干扰，具有r阶有界导数；和分别为电网负载扰动mg及其r-1阶导数的估计值；
29、
30、其中，和为大于0的干扰观测器系数，sgn(·)为符号函数。
31、作为本专利技术的进一步限定，步骤3)中所述对控制输入通道中存在的噪声信号，建立有限时间观测器为：
32、
33、式中，控制输入通道中存在的噪声信号du为匹配干扰，具有q阶有界导数；和分别为噪声信号du及其q-1阶导数的估计值；
34、
35、其中有：和为大于0的干扰观测器系数，且sgn(·)为符号函数。
36、作为本专利技术的进一步限定，步骤4)中所述非奇异终端滑模面为：
37、
38、式中，xd为水轮发电机组转子的设定转速，βs＞0为非奇异终端滑模面的设计常数，τs和σs为正奇数且满足：
39、作为本专利技术的进一步限定，步骤5)中所述水轮发电机组转子转速滑模控制器为：
40、
41、式中，ku＞0为滑模控制器增益，βu满足条件0＜βu＜1，且有函数其中，函数参数向量
42、本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：1)本专利技术构造的非奇异终端滑模面，可以使得水轮发电机组转子转速在有限时间内收敛到转速设定值，同时能够避免奇异问题；
43、2)本专利技术构造的对电网负载扰动的有限时间观测器，能够在有限时间内实现本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，步骤1)中所述超长引水隧洞非线性动力学方程为：
3.根据权利要求1所述的基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，步骤4)中所述非奇异终端滑模面为：
6.根据权利要求1所述的基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，步骤5)中所述水轮发电机组转子转速滑模控制器为：
【技术特征摘要】
1.一种基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，步骤1)中所述超长引水隧洞非线性动力学方程为：
3.根据权利要求1所述的基于有限时间干扰观测的水轮机调节系统滑模控制方法，其特征在于，
4.根据权利...
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