本書針對大型水輪發電機組控制系統模型辨識與先進控制策略研究面臨的關鍵科學與技術問題，按照線性系統辨識、非線性系統辨識、經典控制理論、模糊控制與非線性控制的結構體系進行了全面闡述。
適讀人群 ：本書適合從事非線性系統建模與辨識、自動控制、水電生產過程自動化等方向相關學科高年級本科生、研究生學習參考使用，同樣也非常適合從事水電機組辨識、控制、建模工作的研究人員和工程技術人員參考借鑒。
水輪發電機組的安全運行涉及水力、電力、機械、結構等諸多方面，是一類多場耦合復雜非線性動力學問題，迄今人們對它的了解還不夠，尤其是在使大型水輪發電機組安全、穩定、高效運行方面還有許多亟待研究的理論問題和急需解決的實踐問題。盡管國內外對水輪發電機組發電過程控制、故障診斷等科學問題開展了一系列研究，即使隨著我國大規模水電站群不斷建成和巨型水輪發電機組不斷投運，人們仍缺乏對機組水機電耦合系統復雜動力學行為機理的深刻認識，至今還沒有系統的理論依據與技術對策，這將嚴重影響水電站及其互聯電力系統的安全，并成為制約機組安全、經濟運行的技術瓶頸。此外，負荷需求的不確定性對水輪發電機組運行產生不利影響的動力學效應、機組控制策略對水機電耦合系統故障演變模式的影響等學科交叉領域的研究嚴重滯后，迫切需要對水輪發電機組動力學問題進行深入研究，揭示水機電耦合系統運行故障的產生機理、演化過程及發展模式。因此，從復雜性科學理論的視點凝煉水輪發電機組動力學問題，闡明機組狀態監測、故障診斷和優化控制等研究中涉及的科學問題，解析水輪發電機組復雜非線性動力學行為，揭示水機電耦合系統非平穩故障演化規律，明晰系統故障演化發展的性質、程度和范圍，提出故障診斷的先進理論與方法，實現機組控制策略對機組故障蔓延、惡化的有效抑制，形成機組故障監測、智能診斷與發電優化控制有效融合的多維調控理論與技術體系，具有重要的理論意義和工程應用價值。本書是作者十多年來從事水輪發電機組故障診斷研究工作的總結，不僅系統、深入地介紹了作者的理論研究和實踐探索，而且更多反映了當前水輪發電機組故障診斷研究的動態以及作者在該領域獨到的見解和取得的研究成果，提出的理論與方法更加前進了一步，并在工程實踐中得到應用和檢驗，體現了作者寬廣的學術視野和對前沿研究方向的把握能力。全書從機組復雜動力學問題的基礎性研究著手，對機組的振動機理與故障演化規律，機組非平穩故障信號分析與特征提取，智能故障診斷方法以及機組狀態監測與故障診斷系統等方面的研究進行了全面的論述，具有很強的系統性，是一本理論結合實際、具有重要學術價值的著作。需要指出的是，大型水輪發電機組安全、穩定運行所涉及的理論與方法具有很強的學科交叉性，其中的動力學問題、信號處理問題、模式識別問題是很多學科都在關注的基礎性科學與技術問題。因此，該書的出版不僅豐富和發展了水輪發電機組安全、穩定運行理論研究的內涵和外延，而且是現代自然科學交叉學科的重要著作，是一部面向基礎研究，面向應用，介紹新理論、新進展、新趨勢的專著，可為相關研究人員提供借鑒和指導。希望本書對推動相關領域的學術研究和工程應用技術發展能起到重要作用。
水電機組系統建模、參數辨識及調速和勵磁控制方法序水輪發電機組的安全運行涉及水力、電力、機械、結構等諸多方面，是一類多場耦合復雜非線性動力學問題，迄今人們對它的了解還不夠，尤其是在使大型水輪發電機組安全、穩定、高效運行方面還有許多亟待研究的理論問題和急需解決的實踐問題。
盡管國內外對水輪發電機組發電過程控制、故障診斷等科學問題開展了一系列研究，即使隨著我國大規模水電站群不斷建成和巨型水輪發電機組不斷投運，人們仍缺乏對機組水機電耦合系統復雜動力學行為機理的深刻認識，至今還沒有系統的理論依據與技術對策，這將嚴重影響水電站及其互聯電力系統的安全，并成為制約機組安全、經濟運行的技術瓶頸。此外，負荷需求的不確定性對水輪發電機組運行產生不利影響的動力學效應、機組控制策略對水、機、電耦合系統故障演變模式的影響等學科交叉領域的研究嚴重滯后，迫切需要對水輪發電機組動力學問題進行深入研究，揭示水、機、電耦合系統運行故障的產生機理、演化過程及發展模式。因此，從復雜性科學理論的視點凝煉水輪發電機組動力學問題，闡明機組狀態監測、故障診斷和優化控制等研究中涉及的科學問題，解析水輪發電機組復雜非線性動力學行為，揭示水、機、電耦合系統非平穩故障演化規律，明晰系統故障演化發展的性質、程度和范圍，提出故障診斷的先進理論與方法，實現機組控制策略對機組故障蔓延、惡化的有效抑制，形成機組故障監測、智能診斷與發電優化控制有效融合的多維調控理論與技術體系，具有重要的理論意義和工程應用價值。
本書是作者十多年來從事水輪發電機組故障診斷研究工作的總結，不僅系統、深入地介紹了作者的理論研究和實踐探索，而且更多反映了當前水輪發電機組故障診斷研究的動態以及作者在該領域獨到的見解和取得的研究成果，提出的理論與方法更加前進了一步，并在工程實踐中得到應用和檢驗，體現了作者寬廣的學術視野和對前沿研究方向的把握能力。全書從機組復雜動力學問題的基礎性研究著手，對機組的振動機理與故障演化規律，機組非平穩故障信號分析與特征提取，智能故障診斷方法以及機組狀態監測與故障診斷系統等方面的研究進行了全面的論述，具有很強的系統性，是一本理論結合實際、具有重要學術價值的著作。需要指出的是，大型水輪發電機組安全、穩定運行所涉及的理論與方法具有很強的學科交叉性，其中的動力學問題、信號處理問題、模式識別問題是很多學科都在關注的基礎性科學與技術問題。因此，該書的出版不僅豐富和發展了水輪發電機組安全、穩定運行理論研究的內涵和外延，而且是現代自然科學交叉學科的重要著作，是一部面向基礎研究，面向應用，介紹新理論、新進展、新趨勢的專著，可為相關研究人員提供借鑒和指導。
希望本書對推動相關領域的學術研究和工程應用技術發展能起到重要作用。
周建中，男，1959年生，華中科技大學首屆校內特聘教授；博士生導師，德國布倫瑞克理工大學客座教授，1994年IEEE高級會員，1997年德國信息工程學會會員，1994年當選為湖北省自動化學會理事，1995受聘為年國家機電部部儀器儀表專業學科科學技術咨詢委員會委員；1996年受聘為中國計算機學會外圍設備專業委員會副主任委員；2001年受聘為中國城市規劃學會生態城市專業委員會副主任委員；2001年受聘為全國水利學科水利水電工程專業教學指導委員會委員；2002年受聘為全國電氣學科電氣自動化專業教學指導委員會委員；2002年當選為湖北省振動學會秘書長；2003年受聘為國家自然科學基金項目同行評議專家；2004年當選為湖北省水力發電工程學會常務理事；2004年受聘為中國水力發電工程學會水電控制設備專委會委員；2004年受聘為國家科學技術獎評審專家；2005年當選為國際一般系統論研究會中國分會信息系統與信息理論專委會副理事長；2005年受聘為湖北省水利學會水利規劃專業委員會副主任委員；2005年受聘為數字流域科學與技術湖北省重點實驗室副主任；2006年受聘為國家核心學術刊物《水電能源科學》副主編；2007年受聘為國際一般系統論研究會中國分會理事；2007年受聘為湖北省系統工程學會常務理事；2008年受聘為教育部水利學科水文與水資源工程專業教學指導分委員會委員；2009年受聘為中國人工智能學會自然計算與數字智能城市專委會委員；2009年受聘為中國水利教育協會高等教育分會第四屆理事會常務理事；2009年受聘為冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室學術委員會委員；2009年受聘為全球水伙伴（中國）技術委員會委員；2009年受聘為湖北省水力發電工程學會副理事長；2010年受聘為湖北省水土保持學會常務理事；2010年受聘為《當代水科學前沿叢書》學術委員會委員；2010年受聘為中國農業機械學會排灌機械分會第九屆委員會委員；2010年受聘為《排灌機械工程學報》第九屆編輯委員會委員；2010年受聘為江蘇省水利動力工程重點實驗室學術委員會委員；2011年受聘為中國水利學會水生態專業委員會委員；2011年受聘為水利部、中國科學院水工程生態研究所學術委員會委員；2011年受聘為水利部水工程生態效應與生態修復重點實驗室第一屆學術委員會委員；2012年受聘為潘家錚水電科技基金第二屆理事會理事；2012年受聘為湖北省建設粒料制備工程中心學術委員會專家；2013年受聘為流域水資源與生態環境科學湖北省重點實驗室學術委員會委員。
第1章緒論（1）
1.1系統辨識理論與水電機組控制系統辨識（2）
1.1.1系統辨識理論（2）
1.1.2水電機組控制系統辨識研究現狀（6）
1.2水電機組控制方法與研究現狀（10）
1.2.1水輪機調速系統控制研究現狀（10）
1.2.2水電機組勵磁控制研究現狀（12）
第2章水電機組控制系統模型特性分析（16）
2.1水輪機調速系統數學模型（16）
2.1.1調速器數學模型（16）
2.1.2壓力引水系統數學模型（20）
2.1.3水輪機數學模型及特性分析（22）
2.1.4水輪發電機及負載數學模型（27）
2.1.5不同調節模式下水輪發電機調速系統模型（29）
2.2水輪機調速系統仿真平臺（31）
2.2.1線性系統仿真（31）
2.2.2非線性系統仿真（32）
2.2.3仿真實例（33）
2.3同步發電機勵磁系統數學模型（37）
2.3.1同步發電機模型（37）
2.3.2電力網絡模型（45）
2.3.3勵磁系統的模型及特性研究（47）
2.4同步發電機勵磁系統仿真平臺（52）
2.4.1線性系統仿真（52）
2.4.2非線性系統仿真（53）
第3章水電機組控制系統線性模型參數辨識（54）
3.1基于微分及積分變換的線性模型參數辨識（55）
3.1.1微分變換法（55）
3.1.2積分變換法（60）
3.2基于多新息理論的水輪機調速系統參數辨識（64）
3.2.1多新息最小二乘辨識理論（65）
3.2.2水輪機調速系統多新息最小二乘算法參數辨識（67）
3.2.3仿真實驗及參數辨識實例（71）
第4章水電機組控制系統非線性模型參數辨識（76）
4.1基于引力搜索的調速系統非線性模型辨識（77）
4.1.1引力搜索算法及其改進（77）
4.1.2基于IGSA的調節系統參數辨識（80）
4.2基于改進粒子群優化算法的水輪發電機及其調速系統參數辨識（90）
4.2.1粒子群優化算法及量子粒子群優化算法（91）
4.2.2基于IQPSO的水輪發電機調速系統參數辨識（92）
4.3基于PSO-QO的同步發電機非線性模型參數辨識（100）
4.3.1粒子群-量子操作優化算法（100）
4.3.2水輪發電機數學模型（101）
4.3.3辨識策略及適應度函數（102）
4.3.4實例分析（103）
4.4基于動態系統設計的同步發電機非線性模型參數辨識（112）
4.4.1同步發電機數學模型及可辨識性分析（112）
4.4.2基于動態系統設計的參數辨識基本思想（114）
4.4.3以Hopfield神經網絡為例的動態系統參數辨識（116）
4.4.4實例分析（118）
第5章水電機組控制系統非線性模型的模糊辨識（126）
5.1模糊模型辨識理論（126）
5.1.1T-S模糊模型（126）
5.1.2混沌優化策略（127）
5.2基于變尺度混沌優化的模糊模型辨識（128）
5.2.1T-S模糊模型結構（128）
5.2.2T-S模糊模型參數（128）
5.2.3模型結構和參數的一體化辨識（129）
5.2.4辨識實例（129）
5.3基于模糊C回歸模型聚類算法的辨識策略（131）
5.3.1新型模糊C回歸聚類算法（NFCRMA）（131）
5.3.2前提部分參數辨識（133）
5.3.3結論部分參數辨識（134）
5.3.4算例分析（135）
5.4基于超平面原型聚類的模糊模型辨識（140）
5.4.1基于超平面原型的模糊聚類（140）
5.4.2T-S模糊模型及其辨識方法（142）
5.4.3水輪機調速系統的模糊模型辨識（142）
第6章水輪機調速系統控制方法研究（147）
6.1基于BFO-PSO算法的調速系統PID參數優化整定（148）
6.1.1目標函數分析（149）
6.1.2水輪發電機調速系統穩定性分析及穩定域搜索（152）
6.1.3參數優化實例分析（155）
6.2模糊PID控制在水輪機調速系統控制中的應用（158）
6.2.1模糊控制理論（158）
6.2.2PID控制（160）
6.2.3水輪機調速系統的模糊PID控制（162）
6.2.4實例仿真（163）
6.3水輪機調速系統的滑模控制（167）
6.3.1水輪發電機調速系統模型及改進（168）
6.3.2基于滑模控制的水輪發電機調速系統控制（171）
6.3.3算例分析（172）
6.4基于引力搜索模糊模型辨識的水輪機調速系統預測控制（175）
6.4.1基于T-S型模糊模型的預測控制（175）
6.4.2基于引力搜索超平面聚類的TS型模糊模型辨識（176）
6.4.3水輪機調速系統控制實例（178）
第7章同步發電機勵磁系統控制方法研究（181）
7.1基于引力搜索算法的勵磁控制系統PID參數優化（182）
7.1.1基于引力搜索算法的PID控制參數優化原理（182）
7.1.2勵磁控制系統PID參數優化實例研究（183）
7.2基于混沌自適應DE算法的勵磁系統PID參數優化（187）
7.2.1混沌自適應DE算法（187）
7.2.2實例仿真（191）
7.3基于反彈自適應PSO算法的勵磁系統控制參數優化（193）
7.3.1反彈自適應PSO算法（193）
7.3.2實例仿真（195）
7.4基于模糊理論的非線性勵磁控制尋優策略（199）
7.4.1模糊PID勵磁控制器設計（199）
7.4.2模糊非線性勵磁控制實例仿真（202）
第8章水電機組控制系統仿真測試平臺開發（210）
8.1調速系統仿真測試系統（211）
8.1.1測試儀系統結構設計（211）
8.1.2測試儀上位機軟件（229）
8.1.3試驗應用（234）
8.2勵磁系統仿真測試系統（243）
8.2.1仿真測試系統概述（244）
8.2.2硬件電路設計（246）
8.2.3系統軟件設計（258）
8.2.4系統功能驗證及典型動態過程試驗（271）
參考文獻（287）
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