（机械电子工程专业论文）pwm方式控制的水轮机电液调速器研究.pdf

广西大掌硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液谓速器研究 p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 摘要 水轮机调速器是水电站实现自动化控制的主要设备之一。电液随动系 统是调速器的关键部分，它的结构及其控制方式的合理与否直接影响着电 站输出的交流电的品质，关系着电站设备的运行安全。 本文介绍了水轮机调速器的基本理论知识、发展历程、研究现状、目 前存在的主要问题及发展趋势。并在此基础上研制了一种基于p l c 采用p i d 控制算法的水轮机电液调速器。调速器的电液随动系统以高速开关阀为控 制核心，采用p w m 脉宽调制方法进行控制。本文重点研究以下几个问题： 1 基于p l c 的高速开关阀控制的水轮机调速器的系统结构设计，利用 p l c 主单元内置的计时器、v f 转换器设计模拟测频电路： 2 以高速开关阀为核心建立液压随动系统，该系统由两个小通径的高速 球阀与一个大通径的电磁换向阀组成控制回路，两个高速开关阀分别由p l c 输出两路p w m 脉冲信号进行控制； 3 基于p l c 的调速器硬件设计及p l c 控制程序的编写； 4 建立水轮机调速系统的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿 真。在实验室进行空载状态下的静特性试验，随动系统扰动试验，以验证 系统在此工况下的控制性能。 关键词：水轮机调速器 高速开关阀同速升夫阀 脉宽调$ 1 ( p w m ) 可编程序控制器( p l c ) j - - 西大掌硕士掌位论文 p w m 方式控制的水轮机电液谓速器研究 r e s e a r c ho fh y d r o t u r b i n ee l e c t r o h y d r a u l i cg o v e r n o rc o n t r o l l e d b yp w mm e t h o d a bs t r a c t h y d r o t u r b i n eg o v e r n o ri sam a i ne q u i p m e n tt or e a l i z et h ea u t o m a t i o ni nt h e h y d r o p o w e rs t a t i o n t h ee l e c t r oh y d r a u l i c s e r v os y s t e mi sa k e yp a r t o f h y d r o t u r b i n eg o v e m o r i t sc o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o la p p r o a c hi sd i r e c t l ya 虢c t s t h eq u a l i t yo fa l t e m a t i n gc u r r e n tf r o mt h eh y d r o p o w e rs t a t i o na n dt h es a f e t yo f t h ee q u i p m e n to ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h e b a s a lt h e o r y ，t h ed e v e l o p m e n tc o u r s e ，r e s e a r c h a c t u a l i t y ，c u r r e n tp r o b l e m sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fh y d r o t u r b i n eg o v e r n o r a g o v e m o r f o rh y d r o t u r b i n eb a s e do np l ci sp r o p o s e d ，u s i n gp i da l g o r i t h m t h e e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e mo ft h i sg o v e m o rd r i v e nb yh i g hs p e e do n o f f v a l v ei s d e v e l o p e d ，u s i n gp w mc o n t r o lm e t h o d t h ef o l l o w i n gp o i n t sa r e s p e c i a l l yr e s e a r c h e d ： 1 t h es y s t e ms t r u c t u r eo fh y d r o t u r b i n eg o v e r n o rw h i c hb a s e do np l ca n d c o n t r o l l e db yh i g hs p e e do n - o f fv a l v eh a sb e e nd e s i g n e d ；a c c o r d i n gt ot h e s e l f - c h a r a c t e r i s t i co fp l ca n dn 疆c o n v e r t e r 。t h i sp a p e rd e s i g n sac i r c u i t r yf o r t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n t 2 t h ec o n t r o ll o o po fh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nh i g hs p e e do n - o f fv a l v e h a st w oe l e c t r o m a g n e t i s mb a l lv a l v e sa n dae l e c t r o m a g n e t i s md i r e c t i o nv a l v e t h et w oe l e c t r o m a g n e t i s mb a l lv a l v e sw e r er e s p e c t i v e l yc o n t r o l l e db yp w m i i 堕查兰塑查兰竺鲨壅 型查塞垫型箜查整垫皇墨塑墨墨堡墨 p u l s es i g n a lc o m ef r o mp l c 3 t h eh a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o l l e rb a s e do np l ca n dd e s i g nt h ec o n t r o l p r o g r a mu s i n gp l cs o f t w a r e 4 t h i s p a p e re s t a b l i s h e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fh y d r o t u r b i n e g o v e r n o rs y s t e ma n ds i m u l a t e dw i t hm a t l a bs i m u l i n ks o f t w a r e t h er e s u l to f s t a t i cc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n ta n dd i s t u r b a n c ee x p e r i m e n to ns e r v os y s t e mi n l a b o r a t o r yd e m o n s t r a t e st h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mh a se x c e l l e n ts t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c ei nn o 1 0 a ds t a t e k e yw o r d s ：h y d r o t u r b i n eg o v e r n o r ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ； h i g hs p e e do n - o f fv a l v e ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：歇蕴阉 矶乡年占月砷日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：萄物叼导师签名：彳芝参加吵年占月砷日 广西大学硕士学位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 1 1引言 第一章绪论 能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关 注的焦点n 1 。如果没有有力的能源保障，要保持我国经济社会的持续快速发展是非常困 难的。电能是我国现代化建设和人民生活的主要动力能源，随着我国现代化建设步伐的 加快和人民生活水平的提高，我国对电能的需求也在持续不断增长。水电是电力能源重 要组成部分，而且水能是可再生的一次清洁能源，开发水电具有巨大的经济、社会以及 生态效益。 我国水能资源相当丰富，不论是蕴藏量，还是能够用于开发的水能资源，均居世界 首位。根据相关部门发布的统计数据，我国河流的水能资源蕴藏量6 7 6 1 0 8 千瓦，年 发电量5 9 2 1 0 1 2 千瓦时，具有开发可能性的水能资源装机容量3 7 8 1 0 8 千瓦，年发 电量1 9 2 1 0 1 2 千瓦时。但是我国水能资源的利用率还很低，迄今为止还不到两成，水 电开发的应用前景非常广阔。”。在这种形式下，为水电开发研制高可靠性并具有高性价 比的自动化控制设备具有重要的现实意义瞳3 | 。 1 2 水轮机调速器的发展及展望 1 2 1 水轮机调节的任务 水轮机是依靠自然水能进行工作的动力装置，具有高效率、低成本、无污染、可再 生以及便于综合利用等优点。水轮发电机组将水能转变为电能供工业、农业、商业及人 民生活等使用。用户在用电过程中既要求供电安全可靠，对电能质量也有非常严格的要 求。我国电力部门的规定，电网的额定频率为5 0 h z ( 赫兹) ，大电网允许的频率偏差为 0 2 h z 。电力系统的负荷是不断变化的，我国的大电网，其负荷的波动往往会达到其 总容量的2 3 ；对于中小电网，其负荷波动有时甚至会达到其总容量的5 - - 一1 0 。电 力系统的频率也会随着负荷的不断变化而产生波动。因此，根据负荷的变化不断调节水 轮发电机组的输出功率，以维持机组转速( 频率) 在规定的范围内，这就是水轮机调节的 广西大掌硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 基本任务h 1 。 水轮机组的运动方程可用下式表示： ij 百d o ) = m 。一m g 1m t - 旦 q 。1 卜机组转动部分惯性力矩；付一角速度，国= 嚣( n 为机组转速) ； m 广水轮机主动力矩；m 广发电机阻力矩； p 一水轮机输出功率，p = 9 8 1 h q r l ；h 一水轮机工作水头； q 一通过转轮的水流流量；1 1 一水轮机效率。 从上式可以看出，机组的转速( 频率) 保持恒定的条件是d o | ) = o ，也就是要求m t = m g 。要达到这个目的，最有效的方法是通过调节水轮机的流量，而流量的调节是通过改 变导水机构的开度来实现的。导水机构又是由水轮机调速器的输出来控制的。 水轮机调节系统主要是由水轮机调速器和调节对象共同组成。水轮机调速器通常由 测量、比较、放大、执行和反馈等元件组成，调节对象包括引水系统、水轮机、发电机 组及所并入的电网。 水轮机调节系统的结构如图卜1 所示，其工作过程为：测量元件把机组频率信号( j f ) 测量出来，然后将该信号送到比较器和给定信号( n f ) 进行比较，综合后根据偏差情况发 出调节指令( u k ) 。调节指令经放大校正后控制执行机构，执行机构操纵水轮机导水机构 进行工作，同时反馈元件又把反馈信号送回到信号综合点畸3 。 图1 - 1 水轮机调节系统方块图 f i g 1 1t h eb l o c kd i a g r a mo fh y d r o t u r b i n eg o v e r n o r 2 广西大掌硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 1 2 2 水轮机调速器的发展及现状 水轮机调速器是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或 几个装置的总称，它是水轮机控制系统的主体，迄今为止已出现的水轮机调速器可分为 机械液压调速器、电气液压调速器和微机调速器等几种，微机调速器又常称为数字式电 液调速器【5 】【6 】【7 】。 机械液压调速器 测速、稳定及反馈信号用机械液压的方法产生，经机械液压综合后通过液压放大部 分驱动水轮机接力器的调速器，称为机械液压调速器。 最早的水轮机调速器都是机械液压调速器，它是随着水电建设发展而在2 0 世纪初 发展起来的。它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮机发电机组调节的需要， 有较好的静态特性和动态品质，可靠性较高。但是，面临大机组、大电网提出的高灵敏 度、高性能和便于实现水电站自动化等要求，机械液压调速器固有的采用机械液压方法 进行测量、信号综合和稳定调节的功能就显露出明显的缺陷。现在，新建的大型水轮发 电机组几乎均不采用机械液压调速器，只有中小型机组特别是小型机组仍有相当一部分 采用机械液压调速器。 电气液压调速器 测速、稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放大部 分驱动水轮机接力器的调速器，称为电气液压调速器。 1 9 4 4 年世界上第一台电气液压型调速器在瑞士问世。2 0 世纪5 0 年代以后，电气液 压调速器获得了较广泛的应用。从采用的元件来看，它又相继经历了使用电子管、磁放 大器、晶体管、集成电路等发展阶段。调节规律由比例积分型( p i ) 调节发展到比例、积 分、微分型( p i d ) 调节。随着计算机技术的发展，又逐步结合经典、现代及智能等控制理 沦。2 0 世纪8 0 年代末期，出现了水轮机微机调速器并被广泛采用，现在很少有生产电 气液压调速器的厂家了。 微机( 数字式) 电液调速器 随着1 9 7 1 年微处理器的问世，第一台数字式调速器也在七十年代初研制成功。在 2 0 世纪8 0 年代初世界各国都开始研制微机( 液压) 调速器。瑞典a s e a 公司八十年代 中叶推出的h p c 6 1 0 6 2 0 调节器代表了当时国外微机调速器的发展水平，该调速器具有 优良的性能和较高的可靠性。在国内华中科技大学和天津水电控制设备厂合作，率先研 3 广西大掌硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 制成功了适应式变参数微机调速器，于1 9 8 4 年1 1 月在湖南欧阳海水电站进行了相关试 验并成功投入运行，之后又与有关单位合作，开发生产了双微机单调节微机调速器和双 微机双调节微机调速器。进入9 0 年代，在我国新建或更新改造的大、中型水电站中， 已普遍采用微机调速器。 目前，国际和国内的微机电液调速器基本上都是采用p i d 调节规律和在p i d 算法基 础上加以改进的适应式变参数调节规律。微机调速器所采用的调节规律由p i d 型发展到 多种以p i d 为基础的改进型，其发展过程中经历了z 8 0 单板机、单片机、s t d 总线、 p l c 、工控机等微机系列的应用过程，而单板机、单片机型已逐渐被淘汰掉，目前市场 上存在的主要是s t d 总线和p l c 机型【8 】【9 1 。 与微机调节器的迅速发展和应用同步，水轮机微机调速器的电机转换装置也由原来 单一的电液转换器和电液伺服阀，发展成为由步进电机伺服电机构成的电液转换装置。 同时，还研制成功了三态多态阀式的机械液压系统【1 3 】【1 4 】【15 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国微机电液调速器的技术性能和功能都与水轮机调节技术 的国际先进水平保持同步。在率先采用带功率开环增量环节的功率调节模式、水轮机调 节系统的适应式变参数调节、伺服步进马达电机转换器等方面，更具有我国特色并处 于世界领先水平。国内主要的研究机构有华中科技大学、西安理工大学、重庆大学等高 校科研团队和各地的大型水电控制设备企业的研究院所。其中华中科技大学的魏守平教 授所带领的团队最具有代表性，华中科技大学等单位于1 9 9 5 年联合研制的高可靠性智 能微机调速器，填补了行业空白，在国内外首次实现了调速器参数自动优化和机组智能 开机等功能，目前他们正在研制基于现场总线的全数字式电液调速器【5 】【引。 1 2 3 调速器存在的主要问题与研究方向 水轮机调节系统是一个非线性、时变、非最小相位系统，要想保证系统在不同的工 况下都具有优良的动态品质是非常困难的。近年来，研究探讨较多的也是水轮机调速器 的控制策略问题，从常规p i d 调节，有级变参数p i d ，发展到微机调速器时代的一系列 新型控制策略如连续变参数适应式p i d 、最优p i d 控制、人工神经网络控制、预测控制 及基因控制等。这些控制策略都是在经典p i d 控制的基础上加以改进的，在理论研究和 工程实践中对调速器的发展均起着积极的推动作用。自适应式控制、模糊控制等新型调 节规律的研究也在逐步展开，但至今尚处在探索和初步仿真研究阶段【4 】【8 1 。 a 目前存在的主要问题 4 广西大掌硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 目前国内大小水电站使用的水轮机微机调速器采用的调节器主要有单片机、工控机 和可编程逻辑控制器( p l c ) 三种类型。目前所使用的微机调速器主要存在以下几个方面 的问题：以单片机作为调节器的微机调速器，其硬件往往都是各厂家自行设计制造，而 且都是小批量生产，所以元件的检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等都受到很大 的限制，对电磁干扰非常敏感，因此要提高调速器可靠性非常困难。采用工控机作为调 节器的微机调速器，所采用的基本上都是标准化的硬件，有丰富的软件资源和实时操作 系统支持，所以运行速度非常快，实时性强，显示图文也十分方便，但系统访问的时间 相对较长，体积大，且成本高，一般只用于大型机组。采用p l c 作为调节器的微机调 速器，虽然p l c 本身的可靠性非常高，但其频率测量装置一般也由单片机实现，因此 测频装置存在与基于单片机的微机调速器存在同样的问题，也在一定程度上限制了其可 靠性的提高。电液伺服阀是整个调速器的关键部件，油孔堵塞和控制套发卡是电液伺服 阀以往常见的毛病，往往会造成系统运行不稳定，接力器发生抽动，使电站的安全经济 运行受到严重的影响。目前不少的调速器研制单位正在努力改进这一技术，做了大量的 工作，先后推出了多种类型的电液伺服阀。液压系统中有一些作为中间接力器来使用的 积分元件，其抗油污能力有所提高，但是其机械惯性大，导致容易出现滑步及丢步现 象；动态频宽比较窄，因此影响到其响应能力，最突出的表现是在空载频率跟踪、甩负 荷指标等方面往往不足满足使用要求，目前主要应用在中小型机组上。另外还出现了使 用高速开关阀作为控制调节装置的设计，其实用性有待进一步检验【l l 】【1 4 】【15 1 。 b 调速器主要的研究方向 ( 1 ) 高可靠性的研究。调速器的可靠性一直是研究的重点，研究工作主要集中在以下 几点：首先是加强对各种抗干扰技术的进一的研究，提高硬件的可靠性；其次是加强计 算机软件的可靠性研究，提高软件的容错性能；再次要改造电液随动系统，采用可靠性 更高的设计方案。 ( 2 ) 提高控制性能。以现代控制理论为基础，加强对新型控制策略的应用研究，由传 统的固定参数的p i 、p i d 控制发展为变参数、变结构的自适应控制规律，进一步研究开 发相角控制、非最小相位控制、大波动控制以及开机过程优化控制策略，同时开始探索 研究各种新型智能控制技术在调速器中的应用，增强水轮机调节系统的稳定性和适应 性，尽可能的优化调速器的控制性能。 ( 3 ) 增强功能，实现多目标综合控制。水轮机调速器不仅要能对机组频率进行有效的 调节和控制，还要具备故障自诊断功能、容错功能、内置式智能化调试试验功能以及运 广西大掌硕士学位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 行状态在线自动监测和多项计算机辅助试验功能。如果在系统中引入功率信号，则调速 器可以直接控制机组的输出功率，以利于电站的负荷自动分配和自动发电控制；引入电 网电压与机组电压的相位差信号，调速器就可以进行相位控制，提高机组的快速并网能 力；引入水库的水头信号，调速器则可根据当前水头信号进行负荷控制。多目标综合控 制将是调速器未来的必然发展趋势【1 0 】【】2 】【1 5 】。 1 3 本论文的主要目的和研究内容 综上所述，针对水轮机微机调速器发展过程中存在的单片机测频可靠度不高、电液 伺服阀油孔容易堵塞等问题，结合我国现阶段水力发电的特点，立足于中小型发电机组 的水轮机微机调速器，论文将对以下几方面问题展开研究： 1 调速器系统结构设计和频率测量的实现 本文设计了基于p l c 的高速开关阀控制的水轮机电液调速器的系统结构，采用p i d 控制策略。 频率测量问题是p l c 水轮机调速器的一个重要问题。本文开发的模拟测频模块利 用p l c 基本单元内置的计时器、v f 转换器以及一些相应的外围电路实现频率的模拟测 _ | 曼 里o 2 液压随动系统的设计 本调速器液压系统采用两套阀进行控制，利用p l c 控制器一路输出输出开关量控 制大通径电磁换向阀的方向进行粗略调节，另两路高速脉冲输出变占空比的p w m 信号 控制小通径电磁球阀的流量进行精确调节。 3 系统硬件和软件设计 本文采用l g 公司m a s t e r k 1 2 0 s 系列中的k 7 m d r t 4 0 u 型号p l c ，用其梯形图 编程软件( k g lf o rw i n d o w s ) 编程实现水轮机微机调速器的基本调节和控制功能。文中 同时分析这种p l c 的特点及其应用于中、小型调速器的优点。 4 仿真和实验研究 建立水轮机调速系统的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿真。在实验室进 行空载状态下的静特性试验，随动系统扰动试验，以验证系统在此工况下具有较好的控 制性能。 6 广西大掌硕士学位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 第二章调速器总体结构及控制策略 2 1 水轮机微机调速器的总体结构 图2 - 1 为水轮机微机调速器的总体结构框图。 123 微机调节器电，机转换装置机械液压系统 2 12 2 j l 1t 乎芳a 彬世 瑙尘己 y l 。 固竺 y l 1 划一7 奉奉 3 1 奉 一一一一 十3 2十3 3 图2 - 1 水轮机微机调速器的总体结构 f i g 2 1t h es y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a mo f h y d r o t u r b i n eg o v e r n o r 按照一般的划分，水轮机微机调速器可看成由微机调节器和机械液压系统组成。电 机转换装置对调速器的性能和可靠性都有很大程度的影响，它的作用是将电气或数字 信号转换成机械液压信号和将机械液压信号转换成电气或数字信号。在图2 1 中，将电 机转换装置独立出来，与微机调节器和机械液压系统一起，作为总体结构的3 个组成 部分之一5 3 n 5 | 。 1 前向通道 如图2 一l 所示，前向通道是任何一种结构的调速器必须具备的主通道，它的作用是 由左至右的传递控制信息，它包括通道u n 、通道y l 和通道y 。 通道u n 是微机调节器的输出通道，u 是电气量，n 是数字量。u n 信号输送至 电机转换装置作为其输入信号。 通道y l 是电机转换装置的前向输出通道，它的输出可以是机械位移，也可以是液 压信号，通道y l 的输出信号也是机械液压系统的输入控制信号。 通道y 是机械液压系统的输出通道，接力器的位移是它的输出信号，也是整个调速 器的输出信号。 2 反馈通道 反馈通道是指与前向通道信息传递方向相反的通道，它的作用是由右至左的传递反 馈信息。从图2 - 1 中可以明显的看出，可能的反馈通道有2 - 1 、3 - 1 、2 - 2 、3 - 2 和3 - 3 7 广西大学硕士学位论文p w m 方式控制的水轮机电液调逮器研究 等5 条。 3 综合比较点 综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点。图2 - 1 中， a 、a 1 、a 2 这3 个比较点分别位于微机调节器、电液转换装置和机械液压系统中。一般a 是数字量 综合比较点，a 1 是电气量综合比较点，a 2 是机械量综合比较点。 对前向通道( u n 、y l 、y ) 、反馈通道( 2 1 、3 一l 、2 2 、3 2 、3 3 ) 和综合比较点 ( a 、a 1 、a 2 ) 进行不同组合，可以构成各种不同总体结构的调速器。 2 2 基于p l c 的高速开关阀控制的调速器系统结构 本文研制了一种基于p l c 的高速开关阀控制的水轮机电液调速器，采用可编程序 控制器作为微机调节器，它具有可靠性高、使用和编程方便与其它装置接口和通信容易、 性能优良等优点腼7 1 。采用高速电磁球阀作为电机转换装置，它将电气信号直接转换成 断续的流量信号，取消了位移反馈，使系统结构进一步简化；同时采用高速开关阀作为 电机转换装置也克服了电液伺服阀、电液比例阀等其它流量输出型电机转换装置易发 卡的毛病，应用前景非常广阔引。 r 一一一一一一一一一一一一一_ 一一一一- 一一一一一一一1 一一一一一一一一一一一一一r 一一一一一一一一一- 一一一一一一一l llil ： p l c 调节器 ： 电机转换装置 ： 机械液压系统 l 图2 2 基于p l c 的高速开关阀控制的调速器结构框图 f i g 2 2t h es l x u c t u r ed i a g r a mo fh y d r o t u r b i n eg o v e r n o rb a s e do np l c 图2 - 2 为基于p l c 的高速开关阀控制的调速器系统框图，其工作过程为：测量的 机组频率信号跟给定的频率信号综合比较后，偏差值经过p l c 调节器进行p i d 运算， 然后输出p w m 脉冲信号，p w m 脉冲信号经过放大后作为高速开关阀的控制信号；高速开 关阀根据输入的脉冲控制阀的开启及持续时间，开关阀为带复位弹簧的两位三通电磁球 8 厂西大学硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 阀，它是由单电磁铁控制的，初始状态为常闭，当电磁铁通电时，主油路接通压力油进 入接力器油缸。从而控制接力器的位移输出。当电磁铁断电时阀芯在弹簧力作用下回到 初始位置，接通回油管路。反馈信号取自接力器位移，经过v f 转换成频率信号输入 p l c 与给定频率信号进行综合比较。 2 3 微机调速器p i d 控制算法 水轮机调节系统是一个复杂的非线性系统，要想保证系统的控制品质是非常困难 的。近年来，研究探讨较多的也是水轮机调速器的控制策略问题，但是主导的调节规律 仍然是p i d 调节规律，或者是在p i d 调节规律基础上加以改进的调节规律。自适应式 控制、模糊控制等新型调节规律的研究也在逐步进行，但迄今为止尚处在探索和初步仿 真研究阶段n 6 8 m 钔。本文采用常规的p i d 控制算法。 2 3 1p i d 控制规律 水轮机调速器调节规律一般可分为比例一积分( p i ) 控制、串联p i d 控制和并联p i d 控制三种【2 们乜。 由控制理论可知：比例控制信号相对于积分控制信号要快，在偏差刚出现时就能立 即给出控制信号。但是在偏差很小时，相应的控制信号也很小，从而导致调节过程很缓 慢。积分信号的存在可以防止小偏差的长期存在，并且能够实现无差调节，但是在偏差 出现初期，由于偏差比较小，此时无论是比例控制还是积分控制作用都比较小，调节缓 慢，所以p i 控制的速动性较差。微分控制信号反映的是偏差的变化速度，所以在偏差 刚刚形成时，就能有较大的控制作用，从而使调节过程大大加快。基于此，在p i 调节 规律的基础上加上微分控制作用就构成p i d 调节规律，其控制的速动性能得到很大程度 的提高。 目前采用的p i d 调节规律一般又可分为串联p i d 和并联p i d 两种典型结构。在p i 调速器的调节输入通道上加上一个超前校正装置就构成了串联p i d 调速器，它既可以大 大提高系统的速动性，又可以增加系统的稳定性。但由于串联p i d 调速器的微分环节和 积分环节是串联的，这种结构形式必然会导致以下两方面的不足：首先，由于水轮机调 速器的比例、积分、微分参数是由永态转差系数b 。、缓冲时间常数t d 、加速度时间常数 t n 相互关联决定的，所以串联结构必然会导致参数调整起来比较复杂。第二，调节系统 9 广西大掌硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 既包含有机械部分也有电气部分，这样机械液压部分存在的非线性因素如死区就会影响 到调节规律的控制性能5 1 7 1 。 x 图2 3 水轮机调速器并联p i d 结构框图 f i g 2 3t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f p a r a l l e lc o n n e c t i o np i df o rh y d r o t u r b i n eg o v e r n o r 并联p i d 型水轮机调速器由实现p 、i 、d 调节规律的单元并联而成，其最大特点是 比例、微分、积分放大系数相互独立，因而参数整定比起串联p i d 来要容易很多，相互 之间没有干扰。如图2 - 3 所示就是水轮机调速器并联p i d 调节规律的结构框图。由于并 联p i d 调节克服了串联调节规律的不足，现在已经得到了非常广泛的应用。目前国内外 绝大多数的生产厂家均采用并联p i d 结构。图2 - 3 中b d 的存在有利于系统的稳定，但 是b 。的值一般比较小，因此在分析水轮机调节系统的动态特性时，都是令其等于零进行 分析的晗2 | 。 并联p i d 调节规律传递函数为： g o ) ： 整茎! ! 兰茎旦兰 ： 冬旦兰：整兰茎!( 2 1 ) 。 l + 6 p ( k p + k ，s + k d s )b p k d j2 + ( 6 p k d + 1 ) s + 6 p k ， 2 3 2 数字调节器p i d 算法 常规的p i d 算法分为位置式和增量式两种。位置式p i d 算法每次输出与整个过去状 态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，所以往往存在较大的累积误差。同时，由 于调节器输出的是对象调节机构的位置值，当微机意外断电时，将会产生误操作，甚至 导致调节系统严重的事故发生，所以必须采取断电保护措施。增量式数字p i d 算法很好 的克服了位置式p i d 算法的不足，这种方式的调节器输出的是调节对象结构的变化量， 只计算增量值，所以计算误差对控制量的影响不大，控制效果比位置式p i d 算法更好， 目前得到比较广泛的应用【1 5 】【2 l 】。 1 0 广西大学硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 a 位置式数字p i d 控制算法 数字调节器能够运算处理的是离散信号，为了在微机调节器上实现p i d 规律，当采 样周期t 很小时，对模拟p i d 进行离散化处理，现采用并联连续p i d 算式直接导出离散 化形式的数学表达式。连续p i d 算法的表达式如下 加) = 即蝎m 衍+ k 。警 ( 2 2 ) 式中：k p 、k i 、k d 分别为比例、积分和微分增益； ( y ) 卜连续p i d 调节器的输出值； ( e ) 卜连续p i d 调节器的输入偏差值。 由于采样周期t 很小，所以可以用差分来替代微分，用各个采样周期的和替代积分 ( 梯形法) ，将式( 2 2 ) 的微分方程直接转化为差分方程，就很方便的得到离散化的数字p i d 表达式，即 y 。( 七) ：k p e ( k ) + k ，- t kp ( f ) + p ( f 1 ) 】+ 争 p ( 后) - e ( k 一1 ) ( 2 3 ) 式中：t _ 一采样周期； e ( k ) 第k 次次采样周期的输入偏差值； e ( k 1 ) 第k 1 次采样周期的输入偏差值5 y n ( k ) 第k 次采样周期的输出量。 式( 2 3 ) 为位置型数字p i d 控制算式。由于调节器输出的是控制对象调节机构的位 置值，当微机发生意外断电故障或受到干扰时，将会产生错误操作，甚至导致调节系统 严重的事故或波动发生，所以必须采取断电保护措施或适当的抗干扰措施。 b 增量式数字p i d 控制算法 为了克服位置式数字p i d 控制算法存在的不足，研究人员在此基础上提出了目前应 用更为为广泛的增量式数字p i d 控制算法。 根据位置式数字p i d 控制算式可得第( k - i ) 次采样周期的输出表达式为： y 。( k - 1 ) ：k p e ( k - 1 ) + k ，- t k - ! ) + 砸一1 ) 】+ 争以后- 1 ) 一砸一2 ) 】( 2 4 ) 用式( 2 3 ) 减去式( 2 4 ) ，并化简后便得增量式数字p i d 控制算法的表达式： 广西大学硕士掌位论文 p i p v i 方式控制的水轮机电液调速器研究 缈。( 七) = y 。( 后) 一y 。( k 一1 ) = k p 【p ( 后) 一p ( 七一1 ) 】+ k ，寻 p ( 尼) + e ( k 1 ) + ( 2 5 ) 譬【p ( 尼) 一2 p ( 七一1 ) + p ( 七一2 ) 1 由于微机控制系统一般采用稳定的采样周期t ，所以在确定了k p 、k i 、l 白后，数 字p i d 调节器输出的增量便可根据前三次的测量值用式( 2 5 ) 求出来。 由式( 2 5 ) 可知，增量型数字p i d 调节器输出的是控制对象调节机构位置的变化量。 在实际控制中，由于增量型数字p i d 控制算法的控制效果更好，所以要比位置型数字p i d 控制算法应用得更加广泛2 3 m 引。 c 实用的水轮机微机调速器控制算法 目前，实际采用的水轮机调速器p i d 控制算法中，为了提高p i d 调节器的抗干扰能 力，都是用实际的微分环节取代理想微分环节，也就是用皂 取代k d s ，在实际的微 l + 1 s 分通道上输出y d ( t ) 和输入e ( t ) 的关系可用如下微分方程表示： 删+ 乃掣警 写成差分方程为： y 舶h 巡皆螋= k 。t e ( k ) - e ( k - 1 ) 经整理后，有 t d k d 以动。左y 胎一) + 惫m 垆嗽_ 1 ) (26)1 i d 1 + 一 + 丝 丁r 同理 t d k d y d ( 七一1 ) = 寺y d ( 后一2 ) + 七【p ( 尼一1 ) 一e ( 七一2 ) 1 + 鱼1 + 鱼 丁丁 因此 1 2 广西大掌硕士学位论文 p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 ) ，d ( 后) = y d ( 七) 一y d ( 七一1 ) = 矗t y d ( k - 1 ) - y d ( k - 2 ) + 。乏t m 护2 嘶叫州h ， 7 丁 丁 将式( 2 6 ) 取代式( 2 4 ) 中的微分分量，便得到实用的位置式数字p i d 控制算式 y 。( 后) = k 尸p ( 尼) + k ，了x e i ( f ) + e i ( f 一1 ) 堡互( 2 8 ) 下个 + 寺 p ( 尼) 一e ( k 1 ) + 七y d ( 后一1 ) 1 + 丝 1 + 一i d 将式( 2 7 ) 取代式( 2 5 ) 中的微分分量，便得到实用的增量式数字p i d 控制算式 少。( 后) = k p p ( 后) 一p ( 七一1 ) 】+ k ，吾 p ( 后) + p ( 尼一1 ) 】 生 + 七 p ( 尼) 一2 e ( k 1 ) + e ( 七一2 ) 】 ( 2 9 ) 1 - 丝 互 + 七【y d ( 尼一1 ) 一y d ( k 一2 ) 】 1 上丝 2 3 3p i d 调节在水轮机调节系统中的作用 当水轮机调节系统一旦产生误差，控制器立即就发挥控制作用，使被控制量朝着减 少误差方向变化。p i d 控制的作用是通过k p 、k 1 、k d 这三个系数起作用的。这三个系 数取值的大小不同，就是比例、积分、微分作用强弱的变化。下面从系统稳定性、响应 速度、超调量和控制精度等各方面特性来分析p i d 三参数对p i d 控制品质的影响。 ( 1 ) 比例系数k p 的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。k p 越大，系 统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此k p 值不能取的过 大；如果k p 值取较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使 系统动、静态特性变坏。 ( 2 ) 积分环节作用系数k l 的作用在于消除系统的稳态误差。k i 越大积分速度越快， 系统静差消除越快，但k i 过大在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱 广西大学硕士掌位论文p 1 j | m 方式控制的水轮机电液调逮器研究 和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；若k i 过小，使积分作 用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长，不能较快的达到稳定状态，影 响系统的调节精度和动态特性。 ( 3 ) 微分环节作用系数k d 的作用在于改善系统的动态特性。因为p i d 控制器的微分 环节只影响系统偏差的变化率，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变 化，对偏差变化进行提前制动，降低超调，增加系统的稳定性。但k d 过大，则会使响 应过程过分提前制动，从而拖长调节时间，而且系统的抗干扰性较差。 根据不同的被控对象适当地整定p i d 的三个参数，可以获得比较满意的控制效果。 这种整定参数的过程，实际上是对比例、积分、微分三部分控制作用的折中心副。 2 4 本章小结 本章介绍了通用的水轮机微机调速器总体结构，分析了各组成部分的工作原理，在 此基础上给出了基于p l c 的高速开关阀控制的微机调速器总体结构框图。此外，本章 还介绍了p i d 控制算法及其在水轮机调节系统中的作用，当前国内外水轮机调速器基本 上都是采用p i d 调节。 1 4 厂西大掌硕士掌位论文p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 第三章基于p w m 控制的电液随动系统的分析与设计 近年来，采用p w m 控制的高速开关阀技术逐渐发展成熟，高速开关阀具有结构简 单、高可靠性、低成本、耐油污能力强、计算机相连方便、可以直接接收脉冲控制信号 等优点。目前高性能的高速开关阀的操作频率和切换时间完全可以满足水轮机导叶开度 调节的要求，以高速开关阀为核心部件构建的水轮机调速器电液随动系统将具有广阔的 应用前景和很强的市场竞争力。 3 1 1微机调速器的机械液压系统概述 在微机调速器中，机械液压部分的主要功能是将微机调机器的输出信号成比例地转 换成调速器接力器位移，从而控制水轮机导叶的开度。接力器是微机调速器的执行机构。 它的控制信号一般比较弱、功率比较小，但是它的输出功率一般要求很大，因此要求系 统有非常大的功率增益。要精确控制增益如此大的系统，开环控制是不太可能的，必须 采用闭环控制，所以微机调速器机械液压系统是必然一个闭环伺服系统。 当前，微机调速器机械液压系统根据反馈信号物理性质的不同可分为电液随动系 统和机械液压随动系统两类。图3 - 1 和图3 2 所示分别是电液随动系统和机械液压随动 系统的原理框图。电液随动系统的反馈量为电气信号，机械液压随动系统的反馈量是机 械位移。 电液转换部件是整个机械液压系统的关键元件，微机调节器的输出信号或电液随动 系统的差值信号通过电液转换部件转换并放大成具有机械位移或者流量信号，因而电液 转换部件也分为位移输出和流量输出两种类型，相应地也就构成了两种不同的系统原理 框图【1 5 j 。 图3 - 1 电液随动系统原理框图 f i g 3 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fe l e c t r oh y d r a u l i cs e r v os y s t e m 1 5 广西大掌硕士掌位论文 p w m 方式控制的水轮机电液调速器研究 u 图3 2 机械液压随动系统原理框图 f i g 3 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fm e c h a n i c a lh y d r a u l i cs e i v os y s t e m 3 2 高速开关阀控制的电液随动系统 高速开关阀具有成本低，