1.1课题背景与意义
水力发电厂是将水能转换成电能的生产企业，水电机组能够把蕴藏在水流中的动能和重力势能转变成电能，然后将电能输入到电力系统，供用户使用。由于电力系统的负荷随时变化，根据电力系统的平衡要求，这种变化必然会导致电力系统的频率发生变化。但是我们国家的用电器都是按照50Hz标准来设计的，频率的改变，可能导致电器的不能正常工作，甚至损坏用电器具。所以我们应当保证电力系统的频率的稳定，这就给我们提出了电网的频率调节的任务。而在电网中承担调频任务的多数是水电厂，其实对电网频率的调节也就是对水电机组的有功功率的调节，电厂根据负荷的变化，跟踪电网频率的变化，从而不断调节有功功率的输出，维持机组转速及系统频率在规定的范围内，这也就是水轮机超疏水性表面调节的基本任务[9]。
为了能够开发出适应水电厂的调速性能很好的水轮机超疏水性表面，我们需要做很多的理论研究，目前也有很多的关于控制系统的研究成果。合理的过程控制方案可以带来巨大的经济效益，但是由于工业工程具有不确定性，耦合性和非线性等特点和安全上面的要求，必须进行有效地和安全的控制。
这一切决定了控制方案不能直接实施现场，而是需要在实施前进行大量的仿真实验，但是这些试验在实际现场的进行是不现实的，因为这样既不安全又不经济，这就给控制方案的应用和发展带来诸多的不便，如果可以在投入实际运行阶段之前能够对控制方案，策略和算法进行大量的仿真实验，则既可以提案高安全性，又可以取得更好的控制效果。
在当今社会， 市场对产品的需求呈现多样性、快速性的趋势， 这就使企业的产品开发面临着多样性需求与快速开发之间的矛盾; 同时对控制系统鲁棒性及可靠性的要求也日益增加;另外并行工程( 即:设计、实现、测试和生产准备同时进行) 被提上了日程。dSPACE 的产品为并行工程的实现创造了良好的环境[11]。
dSPACE实时系统允许反复修改模型设计，进行离线以及实时仿真，通过快速原型硬件系统与所需要的控制的设计设备相连，可以反复研究使用不同的传感器以及驱动机构时的系统的性能特征。
1.2国内外研究现状
dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB /Simulink的控制系统设计及测试用的工作平台，实现了和MATLAB /Simu2link环境的完全无缝连接，拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点。它是拥有高速计算能力的软硬件系统，在MATLAB /dSPACE仿真环境中，可以方便地进行各种控制算法设计、代码自动生成和程序下载运行，缩短了从模型设计到仿真验证的过渡时间;不仅如此， dSPACE实时仿真系统还提供了多种稳定可靠的硬件接口卡，可以将各种控制相关对象接入仿真平台构成了完整的控制回路，使得验证结果具有与实际运行情况等同的置信度[13]。
dSPACE目前广泛应用于以下方面：
航空航天：开发飞行模拟器；
电力电子：电力输配电系统开发与测试；
汽车：ABS控制器开发与测试；
发动机：如发动机控制与发动机仿；
机器人：机器人控制算法研究；
工业控制：电机控制，加工控制等
水轮机超疏水性表面调速器在水电厂的应用已有很长的历史，早期的水轮机超疏水性表面调速器是通过测速元件直接操作水轮机超疏水性表面执行机构的直接作用式的调速器。随着技术的发展，19世纪末叶出现了用液压元件进行功率放大的液压调速器，到30年代，已经有相当完善的机械液压型调速器的出现。到了50年代末60年代，是电液调速器的大规模发展时期。70年代末，大规模集成电路技术迅速发展，集成电路运算放大器应用于水轮机超疏水性表面，于是电液调速器也就逐渐发展成为集成电路结构。进入80年代，由于计算机技术的发展，为了提高电液调速器的可靠性和性能，有关科研单位开始研制微机调速器。进入90年代，在各种水电站中，微机电液调速器的采用已经相当普遍，并且取得了良好的控制效果[1]。
从调速器所形成的控制规律来看，调速器的发展也是很迅速的。最早的调速器是比例环节，即形成比例控制规律。后来绝大多数调速器设计成比例积分的控制规律。60年代初，初步研制出了具有比例积分微分的控制规律的调速器。也就是PID调速器，70年代中期，PID控制思想直接作用于调速器，而且比例积分微分环节都是并联的。它的积分作用的是依靠电器环节产生的，这与以前的靠油压接力器产生 的积分作用是一个明显的区别，这种PID调速器的可靠性更高，动态性能也更好。
1.3研究目的
掌握水轮机超疏水性表面的建模原理和方法，并且利用已经有的原理和方法建立水轮机超疏水性表面的模型，还要熟悉了解模型的的辨识方法，通过基于智能遗传算法的模型辨识方法对调速系统模型进行辨识。熟练掌握基于dSPACE的快速原型仿真技术。利用MATLAB软件的Simulink平台搭建调速系统的控制模型，然后通过dSPACE半导体实物仿真技术，实现对水轮机超疏水性表面模型控制的实时仿真。记录控制的结果，然后利用参数优化的方法对控制系统的参数进行优化，获得比较合适的控制参数。
1.4本文研究的任务
本文在广泛了解国内外水轮机超疏水性表面调速器技术的基础上，结合实际的现场工作，对水轮机超疏水性表面的调速系统的若干个重要技术进行研究。
本文研究的主要内容有：
1. 对水轮机超疏水性表面调速器的调节模式，调节规律 ，控制策略以及系统参数的配置进行研究；
2. 建立在水轮机超疏水性表面调节系统的线性模型；
3. 分析出水轮机超疏水性表面调节系统的各个模块的传递函数，并且利用MATLAB软件的SIMULINK工具，建立仿真模型；
4. 利用仿真模型，对水轮机超疏水性表面的空载频率扰动，空载扰动，甩100%负荷，甩75%负荷，甩50%负荷，甩25%负荷，以及单机负荷扰动等状态进行了仿真，并且根据仿真结果的响应曲线，说明对调节系统的影响因素。
5. 利用dSPACE实时系统，将已经建立的SIMULNK仿真模型转换成C代码，然后将C代码下载到工控机中，实现对仿真模型的实时仿真。并且利用dSPACE系统提供的controldesk 软件，建立满足要求的控制面板。进行水轮机超疏水性表面条件系统的实时仿真，在线实时改变控制参数，获得仿真结果的响应曲线，并且与SIMULINK仿真 的结果进行比较。
6. 对调节对象参数和调速器参数进行分析，利用PSO智能参数优化方法，对水轮机超疏水性表面的参数进行选择，从而获得具有良好的控制性能的控制参数的组合。
2.1水轮机超疏水性表面的基本结构
水轮机超疏水性表面调速新系统是由水轮机超疏水性表面控制系统和被控对象组合而成的闭环系统，水轮机超疏水性表面，引水管道，发电机以及电网负荷（如果水电机组并网运行）被统称为水轮机超疏水性表面中的被控对象。调速系统镇中通过检测被控对象的特征参量（转速，频率，功率）与给定值的偏差，并将这种偏差按照一定的控制规律转化成主接力器形成偏差的一些装置的组合，被成为水轮机超疏水性表面控制系统。水轮机超疏水性表面结构图：
图2-1水轮机超疏水性表面结构图
上面的调速系统框图只是系统的描述了控制系统的结构，我们可以更加详细的建立由水轮机超疏水性表面各个模块组成的控制原理图：
图2-2水轮机超疏水性表面各模块原理图
2.2机械液压系统模块
机械液压系统的作用就是将电气信号放大成具有一定操作力的机械位移信号，具有功率放大以及负载力大的特点，它主要是由两个个部分组成的，也就是电气位移转换部分和液压放大部分。
在实际的水电机组中次用集成式直连型电液随动系统，将电液转换器和主配压阀活塞作为议题，综合放大器和液压放大器环喷式电液伺服阀构成第一级放大环节，将电压信号转变成为位移信号输出，控制主配压活塞位移；主配压阀和主接力器构成第二级液压放大器，将配压阀活塞位移转换成具有一定操作力的较大位移输出，从而调节导叶开度，进而控制水轮机超疏水性表面流量，控制机组的功率[9]。
图2-3机械液压系统原理图
1. 引导阀辅助接力器
实际水电站机组的引导阀辅助接力器用的是环喷式电液伺服阀电液放大器，该转换器具有运行可靠性高，灵敏度高，使用方便的特点，它的传递函数是如下：
（2-1）
式中：
——电液转换器时间常数； （s）
2. 第二级液压随动系统
第二级液压随动系统由配压阀和对称液压缸构成，以电液转换器的输出位移量作为配压阀阀芯位移控制量u，输出主接力器位移y，其传递函数比较典型，简化之后的传递函数可以表示为：
（2-2）
式中：
表示接力器响应时间，它的取值范围一般是0.05-0.2（s）;
综上所述，机械液压系统模型如下图所示：
图2-4机械液压系统模型
机械液压系统的传递函数是：
（2-3）
2.3引水系统模块
水电站的引水系统包括水轮机超疏水性表面过水管道，蜗壳，尾水管道。当水轮机超疏水性表面的导叶的开度改变的时候，水轮机超疏水性表面里面的水流量会改变，从而导致内部的压力发生改变，所以就产生水锤效应。
图2-5压力引水系统
在小波动范围内，认为是刚性水锤效应，则有流体力学知识，我们可以得到：
（2-4）
式中：
表示水流惯性时间常数，取值范围是0.5-4（s）；
刚性水锤效应的引水系统模型是：
图2-6压力引水系统模型
