自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用，是一個(gè)強(qiáng)有力的助推劑，尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，本文主要研究水電廠的自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

　　《水利水文自動(dòng)化》是由水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所主辦的期刊。全國(guó)性科技期刊。讀者對(duì)象主要是我國(guó)廣大水文站網(wǎng)工作者，水利、水文、水電、交通、能源、地質(zhì)、環(huán)保、化工、農(nóng)林、航運(yùn)、水資源和水利電力工程等有關(guān)部門(mén)的工人、工程技術(shù)人員和院校師生等。

　　社會(huì)的需要是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。自動(dòng)化技術(shù)是緊密?chē)�繞著生產(chǎn)、軍事設(shè)備的控制以及航空航天工業(yè)的需要而形成和發(fā)展起來(lái)的。水電站自動(dòng)化是一門(mén)涉及多方面理論和最新技術(shù)進(jìn)展的綜合性科學(xué)技術(shù),近年來(lái)受到了較廣泛的重視,取得了迅速發(fā)展。但總體而言,我國(guó)水電廠自動(dòng)化水平還有待于提高。目前,我國(guó)還有一些中小型水電廠采用中央控制室和機(jī)旁?xún)杉?jí)監(jiān)控,大部分水電廠已實(shí)現(xiàn)了在中央控制室的集中監(jiān)控,撤消了機(jī)旁值班人員。

　　水電廠自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一定的水平，在我國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設(shè)中不僅中低壓水電廠采用了自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班，而且在220kv及以上的超高壓水電廠建設(shè)中也大量采用自動(dòng)化技術(shù)。從而大提高了電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平，增強(qiáng)了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可能性，降低了水電廠建設(shè)的總造價(jià)，這已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)。本文現(xiàn)作以下的探討，僅供參考。

　　一、控制技術(shù)的發(fā)展

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,尤其是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要,人們所面臨的系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。盡管在傳統(tǒng)控制基礎(chǔ)上發(fā)展了魯棒性控制和自適應(yīng)控制來(lái)適應(yīng)不確定性系統(tǒng)控制的需要,但在實(shí)際應(yīng)用中,尤其是在非線性、時(shí)變性和不確定性的工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)中,常常因?yàn)椴荒芙�立精確的數(shù)學(xué)模型而難以獲得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

　　1965年,模式識(shí)別與控制創(chuàng)始人傅京遜首先提出把人工的啟發(fā)式推理用于學(xué)習(xí)控制,并于1971年正式提出以自動(dòng)控制和人工相結(jié)合為主體的“控制”概念,開(kāi)創(chuàng)了控制這一新興的領(lǐng)域,在其基礎(chǔ)上,G.A.Saridis又將其發(fā)展為以人工智能、自動(dòng)控制和運(yùn)籌學(xué)等多種學(xué)科交叉融合的分層遞階控制結(jié)構(gòu)形式。所謂系統(tǒng)是指具備一定行為的系統(tǒng)。具體地說(shuō),若對(duì)于一個(gè)問(wèn)題的激勵(lì)輸入,系統(tǒng)具備一定的行為,它能夠產(chǎn)生合適的求解問(wèn)題的響應(yīng),這樣的系統(tǒng)便可稱(chēng)為系統(tǒng)。控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)、適應(yīng)及組織功能。

　　控制理論發(fā)展的高級(jí)階段,它主要用來(lái)解決好些用傳統(tǒng)控制方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。控制技術(shù)目前只是處于發(fā)展的初級(jí)階段,還未建立起完整的理論體系,但它已受到人們的普遍重視,應(yīng)用領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛。水電機(jī)組的控制是智能控制技術(shù)在水力發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用的重要方面,也是現(xiàn)代水電廠自動(dòng)化重要的組成部分。

　　二、典型控制方法及其在水電站自動(dòng)化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1.專(zhuān)家控制

　　傳統(tǒng)的自動(dòng)控制學(xué)科從古典控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論,并出現(xiàn)了自適應(yīng)控制等高級(jí)控制技術(shù),取得了巨大的進(jìn)展。這些進(jìn)展主要源于數(shù)學(xué)分析和數(shù)值計(jì)算這兩方面的理論和技術(shù),“實(shí)現(xiàn)”環(huán)節(jié)也從模擬方式發(fā)展為數(shù)字方式。但傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有改變,仍然是機(jī)器單獨(dú)作用的反饋控制,并且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的機(jī)制基本上也沒(méi)有改變,仍然是單純地執(zhí)行各種控制規(guī)律算法。系統(tǒng)對(duì)于控制對(duì)象在環(huán)境中的參數(shù)、結(jié)構(gòu)的變化缺乏應(yīng)變能力,對(duì)于控制器的參數(shù)、結(jié)構(gòu)缺乏合適的調(diào)整方法。80年代初,人工中的專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展為解決傳統(tǒng)控制理論的局限性提供了重要的啟示。專(zhuān)家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)的系統(tǒng),它主要面臨的是各種非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題,尤其能處理定性的、啟發(fā)式或不確定的知識(shí)信息,并經(jīng)過(guò)各種推理過(guò)程達(dá)到系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)。專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了控制的一個(gè)重要分支—專(zhuān)家控制這種新穎的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

　　專(zhuān)家控制的實(shí)質(zhì)不僅是使系統(tǒng)的構(gòu)造和運(yùn)行都基于控制對(duì)象和控制規(guī)律的各種專(zhuān)家知識(shí),而且要以的方式來(lái)利用這些知識(shí),求得受控系統(tǒng)盡可能地優(yōu)化和實(shí)用化。因此,專(zhuān)家控制又稱(chēng)作基于知識(shí)的控制或?qū)＜铱刂啤��?zhuān)家控制系統(tǒng)一般采取專(zhuān)家系統(tǒng)和其它控制方法相結(jié)合的方案,其中專(zhuān)家系統(tǒng)主要用于高層的協(xié)調(diào)、組織和決策并激勵(lì)相應(yīng)的基本級(jí)控制器工作,而由基本級(jí)控制器完成控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在此領(lǐng)域進(jìn)行了研究。

　　四川聯(lián)合大學(xué)申新衛(wèi)等提出的面向?qū)ο蟮乃�電廠故障診斷系統(tǒng)(OIFDS),即為典型的專(zhuān)家控制在水電站運(yùn)行自動(dòng)化中的應(yīng)用研究。OIFDS采用面向?qū)ο蟮膶哟文�塊化故障診斷方法,將水電機(jī)組的故障按其工作原理、結(jié)構(gòu)及故障機(jī)理分析劃分,將整個(gè)對(duì)象的診斷問(wèn)題劃分為不同層次、不同規(guī)模的子診斷對(duì)象,并逐層逐塊地深入診斷,提高了水電機(jī)組故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。一般而言,專(zhuān)家控制存在控制的實(shí)時(shí)性和機(jī)器學(xué)習(xí)二個(gè)主要問(wèn)題。

　　2.模糊控制

　　模糊控制(Fuzzy Control)是模糊集合理論應(yīng)用的一個(gè)重要方面。模糊控制是一種對(duì)系統(tǒng)控制的宏觀方法,其核心是用語(yǔ)言描述的控制規(guī)則。語(yǔ)言控制規(guī)則通常用“如果…,則…”的方式來(lái)表達(dá)在實(shí)際控制中的專(zhuān)家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。模糊控制的最大特征是將人的操作經(jīng)驗(yàn)用模糊關(guān)系來(lái)表示,通過(guò)模糊推理和決策方法來(lái)對(duì)復(fù)雜過(guò)程對(duì)象進(jìn)行有效控制。它具有不依賴(lài)被控對(duì)象模型、魯棒性較強(qiáng)的特點(diǎn),因而為隨機(jī)、非線性和不確定性系統(tǒng)的控制提供了良好的途徑。尤其是80年代模糊微處理芯片的產(chǎn)生,為模糊控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了硬件支撐條件。從水電機(jī)組的特點(diǎn)來(lái)看,采用模糊控制被認(rèn)為是一種有效

　　的解決方法。

　　從80年代末開(kāi)始,國(guó)內(nèi)許多水電專(zhuān)家已著手模糊控制技術(shù)在水電廠控制方面的應(yīng)用研究。在對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)對(duì)象模型特性作出分析的基礎(chǔ)上對(duì)采用Fuzzy控制規(guī)則和算法進(jìn)行了研究,在基礎(chǔ)上提出Fuzzy - PID復(fù)合控制的對(duì)策,結(jié)果表明此種控制方式可以集中模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn),從而使系統(tǒng)具有更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。在模糊控制應(yīng)用到水電廠控制方面有很多研究成果,但與常規(guī)控制理論相比,模糊控制技術(shù)還不完善,其主要問(wèn)題是如何提高模糊控制的控制品質(zhì)(如穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)等問(wèn)題),以及如何提高其自身的學(xué)習(xí)能力。

　　3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

　　動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論在過(guò)去50年來(lái)得到了深入研究和發(fā)展,已被廣泛地應(yīng)用,特別是線性時(shí)不變系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)方法和穩(wěn)定性分析方法已趨完善。但是對(duì)于非線性系統(tǒng),因其復(fù)雜性至今還沒(méi)有一套完整的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)解析方法,穩(wěn)定性的分析也只是針對(duì)某些特殊的非線性系統(tǒng)進(jìn)行研究。為解決上述問(wèn)題,人們引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思想。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是介于符號(hào)推理與數(shù)值計(jì)算之間的一種數(shù)學(xué)工具,它具有很好的適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力,因此它適合于用作控制的工具。從本質(zhì)上看,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴(lài)模型的自適應(yīng)函數(shù)估計(jì)器,給定一個(gè)輸入,可以得到一個(gè)輸出,但它并不需要知道輸出和輸入之間存在著怎樣的數(shù)學(xué)關(guān)系,即其具有非線性映射功能;當(dāng)給定的輸入并不是原來(lái)訓(xùn)練的輸入時(shí),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也能給出合適的輸出,它具有插值功能或適應(yīng)功能;在專(zhuān)家系統(tǒng)中,知識(shí)明顯地表示為規(guī)則,而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,知識(shí)是通過(guò)學(xué)習(xí)例子而分布存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)個(gè)別處理單元損壞時(shí),對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整體行為只有很小的影響,而不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作,目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的應(yīng)用幾乎遍及各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制應(yīng)用的巨大優(yōu)勢(shì)和潛力可以體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

　　(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以從例子中學(xué)習(xí),這對(duì)于不能用模型甚至難以用規(guī)

　　則描述的對(duì)象有效處理提供了新途徑;

　　(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行結(jié)構(gòu)及其冗余性,使得其在大信息處理與復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制方面顯出巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力;

　　(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射、學(xué)習(xí)能力為解決復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題提供了有效的途徑。

　　在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用上,上海交大的趙聞飚等應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、映射和綜合能力來(lái)研究水電機(jī)組的優(yōu)化與自適應(yīng)控制問(wèn)題較好地解決了穩(wěn)定性較差的貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)問(wèn)題。武漢水電大學(xué)的陳啟卷、徐枋同也針對(duì)多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),運(yùn)用遞推預(yù)報(bào)誤差(RPE)算法對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了非線性建模研究。總體而言在目前的研究中,人們主要還是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)非線性系統(tǒng)的能力和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的功能來(lái)解決非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題。實(shí)踐證明,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)非線性系統(tǒng)具有最好的控制性能。

　　三、應(yīng)用前景與展望

　　目前理論和控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向是集成化。模糊技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合,人工符號(hào)主義與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)主義的結(jié)合等都是集成的重要方面。象水力發(fā)電過(guò)程這樣一類(lèi)不確定性的復(fù)雜工業(yè)過(guò)程,對(duì)其有效控制的關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)的知識(shí)處理能力,其中包括知識(shí)學(xué)習(xí)、知識(shí)利用、推理和決策等方面。由于人類(lèi)知識(shí)的模糊性,使得系統(tǒng)的模糊學(xué)習(xí)和模糊處理成為系統(tǒng)的重要特性。雖然模糊技術(shù)具有強(qiáng)的模糊知識(shí)處理能力,但學(xué)習(xí)能力不足,它要求系統(tǒng)具有完備的知識(shí),這對(duì)于工業(yè)智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是困難的,而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力正好可以彌補(bǔ)模糊系統(tǒng)學(xué)習(xí)的不足,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來(lái)學(xué)習(xí)人類(lèi)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),降低控制系統(tǒng)的造價(jià)、提高系統(tǒng)的適應(yīng)性,這樣就產(chǎn)生了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與模糊系統(tǒng)集成的新領(lǐng)域。由于模糊技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是知識(shí)的數(shù)值處理方法,二者具有良好的互補(bǔ)性,因此它們的結(jié)合很快得到控制領(lǐng)域?qū)＜业钠毡橹匾暋?/p>

　　目前,國(guó)內(nèi)已有部分水電控制專(zhuān)家已著手發(fā)展既能有效處理模糊知識(shí)又能有效學(xué)習(xí)的模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù),這必將為水力發(fā)電過(guò)程控制提供新的途徑。

　　隨著近幾年發(fā)展起來(lái)基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的搜索算法——遺傳算法GA在許多實(shí)際問(wèn)題中廣泛應(yīng)用,使得基于遺傳優(yōu)化的開(kāi)放式動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。目前,遺傳算法在水電廠自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用已取得了一些成果。相信,在不遠(yuǎn)的將來(lái),水電廠自動(dòng)化必將隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用及控制技術(shù)研究的深入,不斷地向著電廠全面化方向發(fā)展,為水電廠實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班、少人值守創(chuàng)造條件。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉忠源.水電廠自動(dòng)化.北京：中國(guó)水利水電出版社.

　　[2]簡(jiǎn)桂林.電力系統(tǒng)營(yíng)銷(xiāo)模式與自動(dòng)化建設(shè).中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2010.

　　[3]蘇伯林.全國(guó)水電廠自動(dòng)化技術(shù)信息網(wǎng)30年歷程回顧.水電廠自動(dòng)化,2009.