本科毕业论文(杨杰)

西北工业大学继续教育学院毕业论文第一章绪论1.1课题概述1.1.1课题来源本设计研究课题来自新疆沙尔布拉克水电站的工程项目《水轮机调速系统》。1.1.2提出问题随着科技特别是各种控制理论的发展，人们广泛地将各种控制理论用于工业控制，研究出了许多类型的控制系统[1]。水轮机调速器控制作为一种工业控制过程，逐步采用了基于PID算法的控制，本世纪七十年代以来在电液调速器的基础上，水轮机调速器有了很大的发展[2]。现阶段，主要以可编程控制器（PLC）和工业计算机为控制核心，以步进电机或伺服电机为执行机构取代电液转换器来构成水轮机调速系统。调速系统是水轮同步发电机的重要组成部分，调速系统用怎样的控制方式的问题，如果选择不当，不仅会提高事故的发生率，也必然影响电网运行的稳定性和可靠性。控制方式的选择又是一项复杂的、经验性很强的技术工作，加上水轮机调速系统故障的原因很多、具有很的大不确定性，难以预测，难以快速、有效、准确地识别故障并采取有效措施及时排除故障。水轮机及其调速系统属于大型的机电设备也很难进行系统地各种控制实验。目前，水电站的水轮机调速器依然采用保守的、原有的控制方式，这势必会造成水电站工作效率的降低。因此，对水轮机调速系统的控制方式进行技术研究具有重要意义[3]。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,从常规PID调节,有级变参数PID,发展到微机调速器时代连续变参数适应式PID,以及自适应变结构时变参数自完善控制、模型参考多变量最优控制、最优PID控制、人工神经网络控制、预测控制及基因控制等新型控制策略[4]。这些控制策略都是以经典PID控制为基础加以改进的,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。随着经济和科学技术的发展对电力系统的品质、费用效率、有效性、可靠性、安全性等提出了越来越高的要求，为了让控制方式最优化，需要进行一系列的工作，其中最重要和最困难的任务之一是对系统运行的遇见性诊断。模糊控制的基本思想是用计算机或其他装置模拟人对系统的控制过程。模糊控制的基本思想是用计算机或其他装置模拟人对系统的控制过程。通过精确的量测值经过输入的模糊化变成模糊集；利用控制规则进行推理，即模糊决策，得到控制作用的模糊集；再将控制作用的模糊集按照一定的规则转化成精确值，此为逆模糊化。在模糊控制中，实际系统的输入采样值一般总是精确量，要利用模糊逻辑推理方法，就必须首先把精确量进行模糊化，而模糊化过程实质上是使用模糊化算子来实现的。随着水轮机调速系统和各种控制理论的发展，将模糊控制的基本思想和先进的工业计算机系统结合起来，使水电站能够以最优的方式运行。因此，本文是以PID算法为基础，来研究水轮机调速器的控制方式，以提高高效的运行水平[5]。1.2技术发展综述1.2.1水轮机调速器的发展水轮机是将水能转变为旋转机械能水力原动机，是水电站厂房中主要的动力设备之一，用来带动发电机工作以获取电能。水轮机特性的优劣是影响水电站经济性的重要因素。水轮机调节系统是由调速系统和调节对象组成的闭环系统，其中，调速系统包括调速器电气部分、电液随动系统以及油压装置，调节对象包括水轮机及其有压过水系统、发电机及电网。水轮机调节系统是水电站重要组成部分之一，是具有开机、停机、并网等机组控制和转速、功率调节等功能的机电一体化系统[6]。水轮机调速器作为水电厂重要的自动控制设备，其性能、品质将直接影响水轮发电机组的安全运行和电能质量。中国从20世纪50年代初就开始设计生产调速器，经过3代人的努力，调速器技术获得了很大的发展，尤其是进入90年代后，随着计算机技术、控制技术和液压技术的高速发展，调速器技术也取得了极大的进步，在可靠性、调节功能、调节品质等方面都有很大的提高。解放初期，我国水轮机调速器事业一片空白，几乎从零开始，大部分产品从苏联购买，少量制造亦是照搬苏联图纸生产。50年代初期，哈尔滨电机厂先后仿制瑞士Z-75型及美国W-400型机械液压调速器，开创了我国生产调速器的历史。在50年代中期，仿制生产了CT-40型机械液压调速器。1962~1965年，名堂大电机研究所、天津电气传动设计研究所组织了小型机械液压调速器的联合设计，研制生产了TT-35、TT75、TT-150及TT-300特小型调速器，产品结构简单，价格便宜，满足农村小水电的配套要求。这一时期，在参考苏联、瑞典的电液调速器的基础上，哈尔滨电机厂和天津发电设备厂也分别研制生产大型电子管式电液调速器。70年代初，天津电气传动设计研究所、哈尔滨电机厂、天津水电控制设备厂、东方电机厂和杭州发电设备厂等单位先后研制生产出不同型号的晶体管电液调速器，并从分离元件发展到集成电路电液调速器。80年代初，天津电气传动设计研究所、华中科技大学（华中理工大学）和国网电力科学研究院（水电部南京自动化所）相继开展了微处理器为核心的微机调速器的研制。华中科技大学自1981年底开始研制适应性变参数并联PID微机调节器，并于1984在湖南欧阳海水电厂投入运行。1989年华中科技大学与天津传动设计研究所、湖南水科所、武汉水电控制设备公司及天津水电控制设备厂共同研制的WT-S双微机调速器通过产品鉴定，并投入小批量生产。国网电力科学研究院（水电部南京自动化所）研制的SJ-700系列微机调速器于1985年在富春江水电厂通过鉴定并获能源部科技进步一等奖；并于1999年在继承SJ-700系列微机调速器的双微机双通道系统结构基础上，研制开发了基于MC68332的32位微机调速器SAFR-2000，双微机系统互相冗余，并含有工业控制计算机液晶显示屏，应用伺服比例阀和脉宽调制式数字阀构成的液压容错控制，使电液随动系统也具有较高的可靠性。这些微机调节器多以单板机、自制电路板件为核心，结构式硬件，模块化软件，采用适应性变参数PID调节模式，双微机互为主备用，较好地满足了电站运行要求。但与国外产品相比，受我国基础工业的影响，这些调速器的硬件可靠性较低。90年代以来，随着可编程逻辑控制器（PLC）、可编程计算机控制器（PCC）技术的不断完善，各单位相继开展了将可靠性的PLC、PCC应用到调速器中的研究工作。国网电力科学研究院、华中科技大学、能达通用电气公司、天津电气传动设计研究所、长江控制设备研究所、武汉事达电气有限公司、武汉三联水电控制设备公司等单位都开发出不同品牌的PLC、PCC微机调节器。目前，PLC型、PCC型电液调速器已成为我国微机电液调速器的主导产品。在水轮机数字式(微机)电液调速器出现以前，水轮机调速器的主要作用是根据偏离机组频率(转速)额定值的偏差，调节水轮机导叶和轮叶机构，维持机组水力功率与电力功率平衡，使机组频率(转速)保持在额定频率(转速)附近的允许范围之内。这时水轮机调速器主要是一个机组频率(转速)调节器。现代水电厂和电力系统，对水轮机调速器的性能及功能提出了新的和更严格的要求。它除了具有调节水轮发电机组频率(转速)的功能之外，还可以具有功率控制、水位控制、流量控制、电网一次调频、二次调频和区域电网间交换功率控制(TBC)等附加的控制功能[7]。1.2.2人工智能与基于PID算法的模糊控制理论的发展“人工智能”一词最初是在1956年Dartmouth学会上提出的。从那以后，研究者们发展了众多理论和原理，人工智能的概念也随之扩展[8]。人工智能是计算机科学的一个分支，是研究使用计算机来完成能表现出人类智能的任务的学科，它涉及到控制论、信息论、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、心理学、思维科学和语言学等学科，是一门许多学科相互渗透而产生的边缘学科，总的目标是增强人的智能。人工智能系统是个知识处理系统，而知识表示、知识利用和知识获取则成了人工智能系统的三大基本问题。随着人工智能技术的发展，专家系统得到了应用。在世界范围内，专家系统也得到了深入的研究[9]。专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。在控制系统里，如果难以获得被控制对象的数学模型，或者被控对象是个比较复杂而且又有大的滞后系统，一般的PID控制难以达到预期的效果，而模糊控制技术在复杂、大滞后、难以建立精确数学模型的非线性控制过程中表现出了优越的性能。模糊控制是以模糊数学为理论基础，它根据实验测得的数据或者工程科技人员的经验概括抽象成一系列的模糊规则，并借助于计算机来完成过程控制的方法。模糊控制具有不依赖被控对象的数学模型、超调小、动态性能好、鲁棒性强等优点，被广泛应用于工业中[10]。水轮机调节系统是一个非线性、时变、非最小相位的系统,其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的多变性等增加了控制的难度。目前,国内外的水轮机调节规律还是采用常规控制方式。然而，对于这类系统,常规的控制方式由于采用固定的参数难以保证系统在任何工况下始终具有最佳的控制性能,因而没有较好的控制效果；随着新一代智能控制器的出现并逐步被应用到各类控制系统中，大大改善了控制系统的性能。为此，本文将设计一种基于模糊PID算法控制系统,并通过仿真研究,证明其优越性,为改善水轮机调节系统的性能提供理论上的支持。文中首先论述了水轮机调节系统的组成、结构等基本情况,介绍了水轮机调节系统的工作原理及工作过程。然后分析了模糊PID控制的理论基础,介绍了模糊控制的原理及模糊PID控制在本设计中的应用。基于模糊PID控制的频率调节过程,所得到的系统响应曲线过冲极小,具有较强的抗扰动能力,调节速度快且调节过程平稳,具有良好的调节品质,与传统方法相比表现出更强的鲁棒性,是一种行之有效的控制方法。由于该控制方式在微机控制系统中比较容易实现,该控制方式在工业控制系统中将会有非常广阔的应用前景。1.3设计主要工作由于水轮机调节系统的复杂性、非线性特性，数字式电液调速采用适应式变结构、变参数的控制策略，已为国内调速器生产厂家所采用。为了在水轮发电机组的可能运行工况下，实现功率调节过程的快速跟踪和收敛性，必须采用适应式变参数控制策略。本文的主要研究工作体现在以下三个方面：1.对水电站的水轮机等设备进行选型；2.在设备选型的基础上对水轮机调速器进行最优配置；3.用模糊PID算法控制方式对水轮机调速器进行最优控制。本文共分五章，内容安排如下：第一章，绪论；第二章，水电站主、辅机及微机调速器选型；第三章，水轮机微机调速系统；第四章，频率测量和机电转换部件；第五章，微机调速器的硬件和软件。第二章水电站主、辅机及微机调速器选型2.1水电站概述水力发电是利用江河水流在高处与低处之间存在的位能差进行发电的。它的基本过程是：从河流较高处或水库引水，利用水的压力或流速冲动水轮机转动，将水能转变成机械能，然后水轮机带动发电机旋转，将机械能转化为电能[11]。水电站具有以下优点：（1）利用循环不息的水能发电，可节省大量燃料，而且没有环境污染。（2）生产过程较简单，所需的运行维护人员较少，容易实现电能生产自动化。（3）生产效率高，发电成本低，大中型水电厂的发电效率约为80%～90%，成本约为火电厂的1/3～1/4。（4）水电机组从静止状态启动到满负荷运行，正常时只需4～5分钟，事故时可以缩短到1分钟左右。而火电厂则需数小时，故水电厂能适应负荷的急剧变化，宜于承担系统的峰荷及作为备用。在水电机组快速开机、停机以及灵活调节负荷的过程中，水轮机调速器作为执行及控制设备有着至关重要的作用。沙尔布拉克水电站工程位于喀拉额尔齐斯河下游，为喀拉额尔齐斯河规划的最后一个梯级电站,电站装机3台，总装机容量为45MW。该水电站是坝式水电站，在河流峡谷处，拦河筑坝，在坝址处集中落差形成水头。2.2水电站关键设备介绍（1）主机：包括水轮机、发电机。水能作用在水轮机的导叶和桨叶上，带动转轮转动，从而带动发电机旋转产生电能。（2）主机辅助系统：有一些必要的系统是水轮机组运行所必需的，以保证它安全可靠地运行，包括水、油、气系统。水系统一般指冷却水系统，它保证水轮机组的各个推力瓦以及水导瓦的温度不超过规定的安全运行范围；油系统来保证轴瓦之间的润滑；气系统一般用于刹车装置，使机组尽可能在额定转速下运转，避免在关机过程中长时间的低速运转。（3）直流屏和UPS：电站的后备电源。（4）励磁装置：调节励磁电流改变磁场，调整机端电压、配合调速器改变发电机的输出功率。（5）水机保护和线路保护：水机保护主要监视水轮机组运行中各辅助系统的状况以及各辅助设备的工作状态，当某环节出现故障时根据实际情况来进行相应的动作；线路保护监视电网的状况以及监测电网的各种参数，判断是否正常工作状态，发生状况时及时把水轮机发电机的输出端和电网断开。（6）调速器：调节水流量以调节空载机组的转速和负载时机组的负荷。辅助设备包括油压装置和自动补气装置（常规油压）。（7）监控系统：整体统筹各个设备的运行，监视各设备的运行情况和参数，根据各种需要对各个设备发送控制关命令。2.3水轮机的选型水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。由于河川水能的具体开发条件不同，出现了各种不同类型的水轮机。根据能量转换特征不同，近代水轮机可分为两大类：1.反击式水轮机、2.冲击式水轮机。2.3.1初选水轮机型号根据已知的水能参数初选水轮机型号最大工作水头：Hmax=Z上max-Z下min-△h=609.86-573.12-1.732=35m最小工作水头：Hmin=Z上min-Z下max-h=607.78-574.27-1.732=31.77m平均水头：Ha=1/2(Hmax+Hmin)=1/2(35.85+31.35)=33.4m查水电站机电设备手册根据我国小型反击式水轮机适应范围参考表初选水轮机型号。（如图2.1）初选水轮机型号：HL240-LJ-140水轮机类型:混流式；转轮型号:HL240；最大水头:35m；最小水头:31.77m；设计水头:33m；出力:3400KW；校核机组的稳定性。图2.1水轮机系列应用范围图2.3.2水轮机主要参数的计算转轮直径计算Nr=3400/0.95=3368.42kw,Hr=33.4m(2.1)式中：Nr--为水轮机的额定出力（kw）；D1--为水轮机的转轮直径（m）；ηM--为水轮机的效率；Hr--为设计水头（m）；Q1´--为水轮机的单位流量（m³/s）。已知Q1´=12.4L/s=1.24m3/s,水轮机模型在限制工况下的效率ηM=90.4%，由此可初步假定水轮机在该工况的效率为92.0%。将Nr=3400kw,Q1´=1.24m3/s,Hr=33.4m,ηM=92%带入得：(2.2)选择与之接近而偏大的标准直径D1=1.40m。2.3.3效率的修正值计算水轮机模型在最优工况下的效率ηMmax=89.6%,模型转轮直径D1M=0.46m,则原型水轮机的最高效率ηmax，即：(2.3)式中：ηmax--为原型水轮机的最高效率；ηMmax--为水轮机模型在最优工况下的效率；D1M--为模型转轮直径（m）；D1--为原型转轮直径（m）。将ηMmax=91.0%，D1M=0.46m,D1=1.4m带入(2.4)得:=1-（1-0.91）=92.8%考虑到制造工艺水平的情况取ε1=1%由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为ε2=0，则效率修正值Δη为：(2.4)式中：Δη--为效率修正值；ηmax--为原型水轮机的最高效率；ηMmax--为水轮机模型在最优工况下的效率。将ηmax=0.928，ηMmax=0.91，ε1=0.01带入上式得：=0.928-0.91-0.01=0.008由此求得水轮机在限制工况的效率为：η=ηM+Δη=0.904+0.008=0.912（与原来假定的数值相近）2.3.4转速的计算(2.5)式中：N--为水轮机的转速（r/min）；--为最优单位转速（r/min）；Ha--为加权平均水头（m）；D1--为原型转轮直径（m）。(2.6)式中：--为最优单位转速（r/min）；--模型水轮机的最优单位转速（r/min）。=72r/min，同时由于=-1(2.7)式中：n´10M--模型水轮机的最优单位转速（r/min）；ηmax--为原型水轮机的最高效率；ηMmax--为水轮机模型在最优工况下的效率。将ηmax=0.95，ηMmax=0.92，带入式（2.7）得：则以=72r/min代入式(2.5)得：n==304r/min选与之接近而偏大的标准同步转速n=300r/min。2.3.5工作范围验算在选定的D1=1.4m、n=300r/min的情况下，水轮机的Q1´max和各种特征水头的下的相应的n1´值分别为:(2.8)式中：Nr--为水轮机的额定出力（kw）；D1--为水轮机的转轮直径（m）；η--为水轮机的效率；Hr--为设计水头（m）；Q1´max--为水轮机最大单位流量（m³/s）。将Nr=3940kw,Q1´=1.24m3/s,Hr=35m,η=92%，D1=1.4m带入式（2.8）得：==1.07m³/s<1.24m³/s则水轮机的最大引用流量Qmax为:Qmax=Q1´maxD1²（2.9）式中：Qmax--为水轮机的最大引用流量（m³/s）；Q1´max--为水轮机最大单位流量（m³/s）；D1--为水轮机的转轮直径（m）；Hr--为设计水头（m）。将Q1´max=1.07m³/s，D1=1.4m，Hr=35m带入式（2.9）得：Qmax=Q1´maxD1²=1.07×1.42×=12.4m³/s对于n1´值，在设计水头Hr=35m时，（2.10）式中：n1r´--为水轮机设计单位转速（r/min）；n--为水轮机的转速（r/min）；D1--为水轮机的转轮直径（m）；Hr--为设计水头（m）。将n=300r/min,D1=1.4m，Hr=30.71m带入式（2.10）得：n1r´===71r/min式中：n´1min--为水轮机最小单位转速（r/min）；n--为水轮机的转速（r/min）；D1--为水轮机的转轮直径（m）；Hmax--为最大水头（m）。在最大水头=35.85时在最小水头=31.35时式中：n´1max--为水轮机最大单位转速（r/min）；n--为水轮机的转速（r/min）；D1--为水轮机的转轮直径（m）；Hmin--为最小水头（m）。将设计水头Hmin=35m,n=300r/min,D1=1.4m带入式得:n´1max===71r/min2.3.6水轮机吸出高计算由水轮机的设计工况查得相应的汽蚀系数σ=0.2，则可求得水轮机的吸出高为：（2.11）式中：Hs--为水轮机的吸出高度（m）；▽--为水轮机安装处的海拔高程（m）初步计算时采用下游平均水位高程；K--为安全系数K取1.1至1.2；σ--为水轮机的汽蚀系数；Hr--为设计水头（m）。将▽=571.48m,K=1.2,σ=0.2，Hr=35m带入式（2.11）得：(2.12)Hs=1.39-1=0.39，取最大值Hs=0.39m。本设计中采用单机容量15MW，功率因数0.8，与水轮机HL240-LH-140配套水轮发电机参数选择如下：型号：TSL154/36-20，容量N=15MW。对立轴混流式水轮机，安装高程由下式确定：(2.13)查表知，，取=571.48+0.39+1+0.511/2=574.28m故机组安装高程为574.28m。2.4水电站辅助设备2.4.1水轮机进水阀水轮机进水阀是为了保护机组的安全、减轻导叶间隙磨蚀破坏、缩短引水钢管的充水时间而设置。蝶阀：用于水头在200m以下的水电站。球阀：用于水头在200m以上的水电站闸阀：用于小管径(D<1m)、高水头的水电站。筒形阀：装在固定导叶与活动导叶之间。由于该水电站水头的设计高度为33m，即选择蝶阀。2.4.2油系统1．油系统的作用接收新油、储备净油、给设备充油、向运行设备添加油、从设备中排出污油、油的监督、维护和取样化验、油的净化处理、废油的收集及处理。2．透平油与绝缘油的功用及其用户透平油：供给机组轴承的润滑油和操作用的压力油，称为透平油。其作用是润滑、散热及传递能量。绝缘油：供给变压器、油开关等电气设备的绝缘油，其作用是绝缘、散热及灭弧。两种油的性质不同，应有两套独立的油系统。3．油系统的组成油系统由：油罐、油处理设备、油化验设备、油吸附设备、管网、测量及控制元件。4．管路的编号及颜色：编号为：“1#

”为油系统管路及设备。供油管或高压油管：Red。回油管或低压排油管：Yellow。2.4.3气系统1．压气系统的用途压缩空气分为低压压缩空气和高压压缩空气。(1)低压压缩空气系统。机组制动；调相运行压水；蝶阀关闭时，将压缩空气通入阀上的空气围带，使其膨胀而减少漏水；检修时清扫设备，供风动工具使用；通向拦污栅，防冻清污。额定气压为0.5～0.8MPa。(2)高压压缩空气系统。厂房中所有调速器油压装置的压力油箱充气，调速器压力油箱中约有2/3的体积为压缩空气，以保证调速器用油时无过大的压力波动，额定气压为2.5MPa及4MPa。配电装置如空气断路器的灭弧和操作的用气，以及开关和少油断路器的操作用气，额定气压为2～5MPa。2．压缩空气系统主要设备有：空压机、过滤器、储气罐、油水分离器、冷却器。由于该水电站选择的控制阀为蝶阀，即选择低压压缩空气系统。2.4.4水系统1．供水系统水电站厂房内的供水系统包括技术供水、生活供水、消防供水。技术供水包括冷却及润滑用水，如发电机的空气冷却器、机组导轴承和推力轴承的油冷却器、水润滑导轴承、空气压缩机气缸冷却器、变压器的冷却设备等。水电厂的供水系统由水源、供水设备、水处理设备、管网和测量控制元件组成。水电厂排水的内容：生产用水的排水、机组和厂房水下部分的检修排水及渗漏排水。4．检修排水的两种方式：直接排水和廊道排水。5．排水系统的主要设备：排水阀和排水泵。6．水力参数测量的目的是为了保证水电站的安全运行和实现经济运行；考查已投入运行机组的实际性能，为科研、设计提供和积累资料。水力监测的内容：拦污栅前后的压力差，电站上下游水位，水轮机装置水头，工作水头，引用流量，水轮机引，排水系统的监测、辅助设备系统的监测等。2.5微机调速器选型2.5.1BW(S)T系列步进式微机调速器图2.2BW(S)T系列大型步进式微机调速器型号定义BW(S)T系列步进式可编程微机调速器型号的定义如下：B：步进式无油电-位移转换装置。W(S)T：微机单（双）调节调速器。单调节没有桨叶调整部分；双调节具有导叶调整和桨叶调整两部分，二者之间由电气协联，机械部分不设协联装置，二者原理和结构基本相同；其中导叶调整部分设置紧急停机装置，而桨叶调整部分没有紧急停机装置和分段关闭装置。80/100/150——主配压阀直径，单位为mm。2.5/4.0/6.3——油压等级（单位：MPa）。BW（S）T系列步进式微机调速器由微机调节器、机械液压系统二大部分构成，实现对水轮机的调节控制功能。微机调节器以可编程控制器（PLC）作为调节控制核心，外围配以进口元器件，置于电气柜内。机械液压系统是整个调速器的执行机构，它接受微机调节器发出的控制信号，控制接力器的开、关机，并接受上位机控制信号实现紧急停机，置于机械柜内。本文采用微机双调节调速器。2.5.2调节器系统组成及工作原理微机调节器采用操作终端（HMI）加可编程控制器的构成模式，可编程控制器选用进口可编程控制器作为调节控制核心，其硬件构成如图2.3。整个调节器采用多模块构成模式，每个模块完成不同的任务，结构上采用“积木”式模块结构，这种将复杂的任务分成多任务的分开处理的方式，大大提高了系统的可维护性能及可靠性，不但有利于单个模块“软升级”，还能实现整个调节器系统的“升级”，并保持了良好的兼容性。（1）测频模块由高性能CPU构成，仅完成频率的测量任务，实现“软升级”。（2）由导叶反馈装置的导叶位置传感器（电位器）或直线位移变送器，将导叶位置电信号送至A/D模块，经A/D模块转换环节取得导叶位置信号。图2.3调节器硬件构成图（3）由开关量输入模块采集开机、停机、开度增、开度减等外部输入命令。（4）以上所有输入信号送至CPU模块，由CPU按调节规律分析计算出相应的导叶控制信号及状态信号（包括故障等），控制开关量输出模块完成控制输出和状态输出。（5）开关量输出模块按计算控制值输出等宽脉冲的开或关信号，通过驱动器控制步进电机带动接力器动作，使导叶按照调节规律的要求动作，并在调速器故障时，送相应故障报警信号。（6）通讯单元负责与上位机通讯，发送或接受上位机的命令。（7）操作终端作为人机交互界面，完成调速器的现场操作命令、状态数据及实时动态曲线显示等功能。从以上功能可知该调节器与一般可编程调节器相比，具有以下特点：a.测频模块与可编程控制器是通过总线直接连接，区别于通过一个并行口与可编程控制器的连接。b.控制输出为数字式方式，无D/A转换环节，实现直接数字控制。2.5.3调节器主要功能模块（1）频率测量的原理测频模块采用先进的数字式脉冲测频方式，设计为三路测频，两路机频，一路网频。两路机频其中一路为机组PT残压信号，另一路为齿盘信号。测频模块硬件构成如图2.4所示：（2）残压测频残压信号经隔离、整形成同频率的方波信号后，直接送至单片机的引脚，由单片机记录两个上升沿之间经过的基准脉冲个数，即可测得方波信号的周期，从而得到频率。测得的频率通过总线送至可编程控制器。由以上频率测量的原理可知：数字式脉冲测频方式的精度取决于基准脉冲的频率，基准脉冲的频率越高，对同一频率测的数据精度就越高。残压测频电压范围为：0.3V～300V，残压测频精度：0.0009Hz。总线总线机频信号机频残压输入网频信号网频信号输入光耦合光耦合校正校正光耦合光耦合齿盘信号1机频齿盘信号1光耦合光耦合齿盘信号2机频齿盘信号2单片机可编程控制器12M晶振12M晶振复位芯片复位芯片滤波整形光耦合滤波整形光耦合图2.4测频原理图齿盘信号测频接口为测频模块预留的接口，一般中小型调速器不采用，大型调速器按电站需要接入。通常接入工作的为机组残压PT信号和网频PT信号。若齿盘测频采用时，残压测频经与齿盘测频进行比较验证无误后，供调速器程序计算使用。当残压测频故障或比较结果超出范围时，齿盘测频信号供调速器程序计算使用。调速器在并网后，网频仍可作调速器的测频后备。（3）测频模块特点a.数据方式独特：采用一个单片机完成机、网频的测量，以16Bit带符号数据的形式，通过一个数字量输入模块供CPU采集后换算得到机组频率和系统频率。测量精度高：基准脉冲由单片机晶振产生，基准脉冲为12MHz，对于50Hz的频率信号测量精度为1/60000。b.集成度高、抗干扰性能力强：该单片机电路板设计采用优化布线，使整个测频模块结构紧凑，体积小。芯片选用进口原装产品，采用超大规模的CHMOS工艺制造，内部集成WatchDog，抗干扰性能极强，且内部集成了FlashRam，进一步减少了外部硬件构成，增强了可靠性和抗干扰能力，并具有“软升级”能力，测频模块程序软件内部设有严格的抗干扰措施，从而在软件上保证了测频模块运行的可靠性和抗干扰性。c.运算速度快：测频模块采用最新型高档单片机，集成了时钟倍频电路，采用6时钟周期时频率可高达20MHz,采用12时钟周期时频率可高达33MHz,是同类型单片机中运算速度最快的单片机。2.5.4PLC控制模块微机调节器以可编程控制器（PLC）作为硬件平台构成，除了测频模块、彩色触摸屏以外，还有CPU模块、输入模块、输出模块、A/D转换模块、通讯模块。通常在BW（S）T系列调节器中，采用日本欧姆龙或三菱公司高性能PLC或采用奥地利B&R公司PCC。本文采用三菱公司系列调速器。三菱公司系列调速器能满足处理速度、尺寸、信息传送等性能的各种高要求。除了提供输入输出16点的独立用途外，还可以适用于设备之间的无间隙数据交换，模拟控制，定位控制等特殊场合，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。2.5.5触摸屏人机界面是操作人员和机器设备之间沟通的桥梁，BW（S）T系列步进式微机调速器为了便于人机交流，采用256色彩色中文触摸屏作为人机交换界面。触摸屏采用台湾EView品牌。触摸屏选用中文显示，能很明确的指示并告知操作人员调速器当前的工况,手动触控操作，使操作变得简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个设备。EView彩色中文触摸屏作为BW（S）T系列步进式微机调速器的人机操作界面，具有以下几个特点：直接手动触摸彩色屏的表面操作，非按键操作，操作简单直观，大大避免按键操作时容易引起的误操作。可以显示实时动态曲线和报警。可以显示各种图表。触摸屏可显示调速器数据和当前状态，可进行设备的多种操作，比如增减开度、开限及试验功能、设置参数。触摸屏主要操作画面有：主画面、密码设置、系统设置、参数设置、动态试验过程、静特性参数设定、空载频率摆动试验、空载频率扰动试验、甩25%负荷试验、甩100%负荷试验等。2.5.6微机调速器的通讯接口水电站监控组网的结构决定了微机调速器的通讯接口方式。总体上水电站的通讯组网结构来看，水电站在实际的组建中一般为：分层分布式和对等网式。分层分布式大致结构如图2.5所示：图2.5分层分布图它的组成结构可分为：第一层（信息网），第二层（控制网）和第三层（设备网）。三层之间可互相独立、使用不同的通讯协议。第一层与第三层的通讯，必须由第二层作为中间“翻译”使之连接（所谓“翻译”是指通过一定的技术手段、找到双方的共同点，达到不同的协议进行通信的工作）。在硬件上第二层与第三层采用标准的串行通讯口（如RS232，RS485，RS422等），在通讯协议上第三层可以使用不同的协议（有Profibus,Modibus等）来跟第二层进行通讯。调速器串行通讯口通讯的主要内容有：调速器向上位机传送运行的数据、状态和故障信号，并接受上位机下发的各种操作指令。2.6机械液压系统原理说明：系统可将微机调节器输入的电气信号通过电、机、液放大而形成巨大的操作力，用以控制水轮机的导叶开度和桨叶转角，从而实现水轮发电机组的调速和负荷控制。通过PID计算输出值与接力器位置反馈值进行比较，得到的差值使电－位移转换器产生与其成比例的位移输出。由于引导阀始终与电－位移转换器接触，因此引导阀同时也产生相应位移，并通过辅助接力器使主配压阀活塞产生随动位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与微机信号数值相等为止。同理在电手动操作时，对于综合开度信号（电、机、液随动系统的输入信号），电液随动系统同样可将此电信号线性地转换成主接力器的位移。机械液压系统的主要特点：（1）采用无油步进式电-位移换器，该转换装置具有独特的自动复中装置，能够精确定位且无需调整。（2）在步进电机故障退出工作时，能保证引导阀、辅助接力器、主配压阀迅速回复中位，从而使主接力器保持在故障前开度。（3）电－位移转换器根本不用油，因此抗油污能力大大增强，无油耗，性能稳定，频率响应快，灵敏度高，线性度好，输出力矩大。2.7主要零部件电－位移转换器：由步进电机、滚珠丝杆副、定位复中弹簧等组成的步进式电－位移转换器构成第一级放大。自动复中无油步进式电－位移转换器，是采用步进电机和高精度大导程滚珠丝杆副来完成电－机转换任务的。该转换器用一根压缩弹簧和两个环垫来执行在异常情况下，当供电电源消失或控制信号消失时，转换器自动准确地回到中间位置，并带动引导阀活塞复中，从而使水轮机微机调速器的长期、安全、稳定运行得到充分保证。主配压阀：主配压阀用于直接控制和操作导叶接力器或桨叶接力器。目前我公司生产主配压阀直径为80、100、150mm三种；如果是双重调节，桨叶的主配压阀直径可小于或等于导叶主配压阀直径。主配压阀采用新式流道和锻钢加工结构，它由阀体、活塞（辅助接力器活塞和主配压阀活塞在结构上做成一体）、引导阀及开、关机时间调整螺栓等所组成。引导阀和辅助接力器构成第二级液压放大：引导阀活塞上升时，辅助接力器上腔的控制窗口接通排油，辅助接力器差压活塞在下腔油压作用下随之上升，固定在差压活塞上的引导阀衬套也一起上升，直到控制窗口被引导阀活塞下阀盘重新封闭，辅助接力器差压活塞便稳定在一个新的平衡位置；引导阀活塞下降时，辅助接力器上腔控制窗口接通压力油，由于辅助接力器差压活塞上部面积大于下部面积，所以差压活塞在油压作用下下降，直到控制窗口被引导阀活塞下阀盘重新封闭为止，即差压活塞稳定在另一新的平衡位置。可见差压活塞始终随动与引导阀活塞。由于经过液压放大后的操作力有8000N－20000N（相应油压为2.5MPa）。故能可靠地带动和它做成一体的主配压阀活塞上下运动。主配压阀和主接力器构成第三级液压放大：当主配压阀活塞自中间位置上升时，接力器关机侧油腔便与压力油接通，接力器活塞向关机方向运动；反之，接力器活塞向开机方向运动。开关机时间调整：采用在主配压阀上部用调整螺栓限制主配压阀活塞行程的方式。紧急停机装置：紧急停机装置由电磁换向阀和液动换向阀组合而成，控制辅助接力器上腔处于截止状态或直接通排油。机组正常运行时，电磁换向阀及液动换向阀活塞处于复归位置。辅助接力器上腔处于截止状态而不通排油，紧急停机装置向引导阀活塞供压力油。引导阀活塞始终与电－位移转换器伸出杆直接接触，达到电－位移转换器直接操作引导阀目的。当紧急停机装置接受紧急停机指令时，电磁换向阀活塞换向到紧停位置，同时控制液动换向阀也换向到紧停位置；供给引导阀活塞的压力油瞬时截止，辅助接力器上腔接通排油，在下腔压力油作用下，（此力大于1200Kg。）主配压阀活塞迅速上升以实现紧急停机。必要时，也可手按紧急停机电磁阀的按钮以实现紧急停机。区别于常规紧急停机方式的是：采用排油法实现紧急停机。这种方法的显著优点是，紧急停机操作力大小仍保持不变，但紧急停机时由于采用大腔排油方法，集成阀盖上绝对没有油渗漏。紧急停机电磁阀为双电磁铁脉冲式阀，该阀有两个工作位置，两个电磁铁和一个定位器。因为两个工作位置均可固定，所以电磁铁不需要长期通电，该阀可远方控制或现场手按，型号均为4WE6。电磁铁的工作电压一般为DC220V。电气反馈机构：采用输出电压为直流0～10V的精密电位器，构成有效行程为0～200mm的电气反馈机构。该装置通过钢丝绳与接力器伸出杆直接相连，调整极其方便（电气反馈机构有效行程可按要求配置）。双联滤油器：该滤油器有两个滤网，运行时可快速切换，滤油器上装有滤后压力表，可观测滤后油压。滤油器滤芯可以在线卸下清洗，滤油精度高。经过滤后的压力油供引导阀、辅助接力器和紧急停机装置。分段关闭装置：当电站引水管道较长且未设置调压井，压力钢管的允许压力又不能满足调保计算的压力上升时，调速器应设置分段关闭装置。分段关闭装置由分段阀、先导行程阀和分段凸轮装置等部件所组成。分段凸轮固定在接力器传动机构回复轴上。在分段之前，先导行程阀下部滚轮不和凸轮接触；当接力器关闭到回复轴上的凸轮顶住滚轮并上升时，先导行程阀换向，分段阀控制腔压力油来油瞬时截断，腔内积油通排油，分段阀节流活塞迅速上升至其上方调整螺钉整定的位置，于是接力器在关闭过程中开始分段实行慢关机。调整分段阀上方的调整螺钉，可以改变节流活塞与阀体之间的节流面积，从而可以改变分段后的慢关机速度。转动凸轮，改变它和回复轴的相对位置，就可以改变分段关闭的拐点位置。2.8参数及标准2.8.1机械基本参数1.额定油压：2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa；2.主配压阀活塞双向最大行程：17mm；3.步进式电－位移转换器行程：±10mm；4.主配压阀活塞单边搭叠量：0.35mm；5.引导阀活塞单边搭叠量：0.15mm。2.8.2水轮机调速系统的标准1．《电气与电气工程师协会标准》IEEE/IEC60362-1998；2．《水轮机电液调节系统及装置技术规程》DL/563-1995；3．《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》GB/T9652.2－1997；4．《水轮机调速器与油压装置技术条件》GB/T9652.1－1997；5．《大中型水轮机组自动化元件及系统基本技术条件》GB/T11805-89；6．IEC308《水轮机调速系统试验国际规程》；7．NEMA《美国电气制造商协会标准》。2.8.3调速系统的可靠性自动工况可利用率：>99.99%；自动＋手动可利用率：100%；首次无故障间隔时间（自现场验收起）不小于35000小时；大修间隔时间：10年。

第三章水轮机微机调节系统3.1调速器在水电站的作用和地位电能是一种特殊的商品，电能是一种能量形式的转换，它要求生产与消费同时完成，从这个特点出发，在运行时就要求经常保护电源和负荷之间的平衡。另外保证电能的良好质量也是电能生产过程中的重要任务。通常衡量电能质量的主要指标是电压和频率，其次是波形。频率的偏差将严重影响电力用户的正常工作。对电动机来说，频率降低将使电动机的转速下降，从而使生产率降低，并影响电动机的寿命；反之，频率增高将使电动机的转速上升，增加功率消耗，使经济性降低。特别是某些对转速要求较严格的工业部门（如纺织、造纸等），频率的偏差将大大影响产品质量，甚至产生废品。另外频率偏差将对发电厂本身造成更为严重的影响。例如，在火电厂对锅炉的给水泵和风机之类的离心式机械，当频率降低时其出力将急剧下降，从而迫使锅炉的出力大大见小，甚至引起紧急停炉，这样势必进一步减少系统电源的出力，导致系统频率进一步下降。另外，在频率降低的情况下运行时，汽轮机叶片将因震动加大而产生裂纹，以至缩短汽轮机的寿命。因此，如果系统频率急剧下降的趋势不能及时制止，势必造成恶性循环以致整个电力系统发生崩溃[13]。按我国电力部门的规定，电网的额定频率为50Hz，大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其总容量的5%～10%；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2%～3%。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动，因此不断得调节水轮机发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。总之，水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路以及计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以去其他装置一起完成自动发电控制、成组控制、按水位调节等任务。另外在电网发生故障时，配合断路器跳闸快速稳定完成甩负荷过程，保护水轮机组使其尽快恢复额定转速[14]。3.2水轮机双调整调节系统水轮机双调整调节系统是由水轮机控制设备和被控系统组成的闭环系统。转桨式水轮发电机组、引水及泄水系统及其所并入的电网称为水轮机双调整调节系统中的被控系统；用来检测被控参量与给定值的偏差，并将其按一定特性转换成接力器开度偏差的一些装置组合，称为水轮机控制设备。为了提高机组效率，采用转桨式双重调节的水轮机，对这类水轮机的调速器来说，它需要两套控制系统，一套用于控制导叶开度，另一套用于控制桨叶开度，在正常运行时，两者按照一定协联关系协同动作，使系统始终工作在高效率区。而在开机、停机以及甩大负荷时，由于轴向水推力的原因,需要破坏这种协联关系，从而保证系统的安全运行。它与其它调节系统相比较具有以下特点：(1)调节器的操作功必须足够，所以需要液压系统驱动；(2)水轮机调节系统易产生过调节，所以不易稳定：(3)水击的反调效应使系统的动态特性更加恶化，使系统更难以控制；(4)具有导叶和桨叶两套控制系统，系统控制更加复杂。本文所设计的基于PLC双调整调速器在控制器、随动系统等方面进行一些改进，使得该调速器具有操作可靠性高，在各种工况下系统易于稳定等特点。3.2.1PLC水轮机微机调速器的总体结构图3．1PLC水轮机微机调速器的总体框图PLC水轮机微机调速器的总体结构框图见图3．1，原则上它也适用于一般的水轮机微机调速器。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。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的装置，称为机电转换装置。它在很大程度上影响到调速器的性能和可靠性。在图3．1中，将机电转换装置单独表示出来，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，双调整调速器具有两套电/机转换装置和机械液压系统，一套用于导叶控制，一套用于桨叶控制。其框图结构特点如下：(1)前向通道如图3．1所示，前向通道是图中由左至右的控制信息的传递通道，是任何一种结构的调速器必须具备的主通道，它包括通道u/N、通道yl和通道y。通道u/N是微机调节器的输出通道，它的输出可以是电气量u，也可以是数字量N。u/N信号送到电/机转换装置作为其输入信号。通道yl是电/机转换装置的前向输出通道，它输出的主要是机械位移，也可以是液压信号，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，它输出的是接力器的位移，也是调速器的输出信号。(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，由图3．1可以清楚地看出，可能的反馈通道有2—1、3—1、2—2、3—2和3—3。例如，反馈通道3一l是接力器位移y经过电/机转换装置转换为电气量或数字量，再送给微机(PLC)调节器作为反馈信号的通道。(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3．1绘出了分别位于微机(PLC)调节器、机/电转换装置和机械液压系统中的3个比点：Al、A2、A3。在一般情况下Al是数字量综合比较点，A2是电气量综合比较点，A3是机械量综合比较点。(4)微机调节器这部分是实现基本控制和先进控制算法的核心，一般为单片机、PLC、PCC、IPC等，其输出信号为控制机械液压系统的控制量。本文采用以三菱公司的FX2N-64MT型号的微机调节器为控制核心，输出控制量是伺服电机的旋转方向和控制伺服电机的旋转速度的控制信号。(5)机电转换装置机电转换装置主要有以下两种情况：将电气或者数字信号转换成机械液压信号的装置；将机械液压信号转换成电气或者数字信号的装置。本论文主要涉及到的是通过伺服电机将电气和数字信号转换成机械位移量和通过旋转编码器将机械位移量转换成电气信号和数字信号反馈给可编程调节器。(6)机械液压系统图3．2机械液压系统原理图3.2.2典型PLC水轮机微机调速器结构按照图3．1所示，采用不同的机电转换装置，可以构成多种调速器。但大体上主要有以下两种经典机构：(1)电液转换器/电液随动系统型图3．3电液转换器/电液随动系统型调速器框图该系统结构图见图3．3，它具有以下几个特点：具有PLC微机调节器输出模拟电压O～10V，在图3．3中以U表示，U是PLC微机调节器的电气接力器的符号。转换驱动环节是数/模转换(D/A)。具有机电转换装置。这种装置可完成电气信号至机械信号的转换，称为电液转换器。常用的有环喷式电液转换器和双锤式电液转换器等。其控制参数为：±10V和200mA；有专用的交流震荡线圈，介入交流信号后，可使死区减少；可以完成机械液压信号到电气信号的转换。(2)电液转换器/电液执行机构型图3．4电液转换器/电液执行机构型调速器框图该型号的结构图见图3．4，该型号的结构图与上一种的结构图3．3最大的区别是：图3．4所示的系统结构图采用数字综合比较点Al作为系统的主要综合比较点。因此，系统的机电转换装置与机械液压系统一起，是电液执行机构。PLC微机调节器中的“放大和数/模转换"环节起着选择放大系数和数模转换作用。当调速器处于稳定状态时，PLC微机调节器输出信号的数值为零。机电转换装置中的“放大器”仅对U信号起功率放大作用。3.2.3本文采用的水轮机微机调速器结构形式伺服式水轮机双调整调节系统是一个计算机闭环控制系统，它通过两套步进式自复电液随动系统分别控制导叶和桨叶两个执行机构，从根本上解决了电液转换器发卡引起的控制失灵等问题，简化了液压随动系统与微机调速器的接口，使调速器整机简单可靠。对转桨式水轮机来说，桨叶调节比导叶调节较慢，桨叶调节随动于导叶调节，因此可先根据被控参量与给定值的偏差，利用控制算法求出导叶输出量，然后利用协联关系输出桨叶开度值，其中协联关系是有生产厂家设定的。其调节模式有3种：频率调节模式、开度调节模式和功率调节模式，运行期间可自动或手动进行切换。基于PID控制算法的伺服式水轮机双调整系统结构图见图3．5所示。3.3PLC微机调节器的动态特性3.3.1微机调速器PID调节系统的传递函数微机调速器的基本功能为自动控制功能和自动调节功能。作为自动控制功能，调速器应能根据运行人员的指示，方便及时地实现水力发电机组的自动开机、发电和停机等操作；作为自动调节功能，调速器应能根据外界负荷的变化，及时调节水轮机导叶开度，改变水轮机出力，使机组出力与负荷平衡，维持机组转速在50Hz附近。图3．5水轮机双调整调节系统结构框图由图3．5所示，若永态差值系数，则得到PID调节器输出对其输入频差的传递函数为：(3.1)式中：的拉普拉斯变换；的拉普拉斯变换；式中等式右边的负号表示正的频差信号对应于负的接力器开度偏差；比例增益，它是，的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y与阶跃被控参量相对偏差x之比的负数；积分增益，它是的水轮机调节系统的接力器速度咖出与给定被控参量相对偏差之比的负数；微分增益，它是、的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y，与给定的被控参量相对变化率出出之比的负数。3.3.2微机调速器PID调节的离散算法若用、、分别表示比例作用、积分作用和微分作用分量，则有：(3.2)、(3.3)、(3.4)、(3.5)式(3.2)、(3.3)、(3.4)和(3.5)都是传递函数，若要将其用软件实现，则必须进行离散计算。采样周期根据经验取：=(8～28)ms。其PID调节传递函数的离散表达式：比例作用分量由式(3.2)得：（3.6）式中：K--采样序号，表示第K次采样，这里指正在进行的采样；K-1--采样序号，表示第K次采样的上一次。即：(3.7)所以得：(3.8)式(3.8)就是比例作用分量的迭代计算公式，该式表明，比例作用分量是与采样周期无关的。(2)积分作用分量由式(3.3)得：(3.9)从几何意义上来说，式(3.9)是用采样周期为、高度为的长方形面积，逼近与横轴包围的面积。(3.10)(3.11)式(3.11)就是积分作用分量的迭代计算公司。显然，其计算中包含了采样周期的因子。微分作用分量用增量表达式来表示式(3.4)得：（3.12）整理上式得微分作用分量的表达式：（3.13）式(3.13)是全量表达式，而式(3.8)和(3.11)是增量表达式。也就是说，比例和积分作用分量，只是每个采样周期仅计算其增量，再与相应的上一次采样周期的值相加就可以求出。3.3.3PLC微机调节器PID响应特性PI调节的阶跃响应特性若取，则微机调节器就是一个PI调节器，下图是输入值为阶跃信号的微机调节器的响应特性，图3．6中OBC折线为响应过程曲线，将直线CB延长与横轴交与A点，则有下列关系式(3.14)：(3.14)(2)PID调节的响应特性图3.6所示是阶跃输入信号为的PID调节的响应特性，图中ODEC为响应过程曲线，曲线将直线OE延长与纵轴交与B点，与横轴交与A电，则有关系式(3.15)。图3．6PI调节器的阶跃输入响应特性(3.15)如果从微机调节器输出一个频率阶跃信号相对值，测量其经过数/模转换(D/A)的输出，并用相对值表示y，则PID调节响应特性曲线如图3．6所示，其表达式只是将式(3.15)中的替代，替代y即可。3.4Fuzzy-PID复合控制在微机调速系统中的应用在工业控制过程中经常会碰到大滞后、时变的、非线性的复杂系统，其中有的参数未知或缓慢变化；有的带有延时和随机干扰；有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。对上述这些系统，如果使用常规的PID控制器，则较难整定PID参数，因而比较难达到预期效果。在复杂控制系统和高精度伺服系统中，采用Fuzzy-PID控制器等复合型控制器，可以达到理想的控制效果，它对各种被控对象，不同的控制指标均能实现PID最佳调整[17]。模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。将模糊控制和PID控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活，适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。3.4.1PID参数Fuzzy自整定控制原理常规PID控制算法为:（3.16）、和分别为其输入变量偏差、偏差和与偏差变化,、及分别为表征其比例(P)、积分(I)及微分(D)作用的参数。Fuzzy自整定PID参数控制器是一种在常规PID控制器的基础上，应用Fuzzy集合理论建立参数、和同偏差绝对值和偏差变化绝对值间的二元连续函数关系:(3.17)并根据不同的、在线自整定参数、和的Fuzzy控制器。PID参数Fuzzy自整定控制原理如图3.7所示。图3.7PID参数Fuzzy自整定控制原理3.4.2PID参数Fuzzy整定模型一般情况下,在不同、下被控过程对参数、和的自整定要求可归结为:(1)当较大时,为使系统具有良好的快速跟踪性能,应取较大的与较小的,同时为避免响应出现较大超调,对积分作用加以限制,通常取=0。表3.1整定Fuzzy规则集模型ECKPENBNMNSOPSPMPBPBOONSNMNMNBNBPMOONSNMNMNBNBPSPMPMONSNMNBNBOPBPBPMONMNBNBNSPBPBPMPSONMNMNMPBPBPMPMPSOONBPBPBPMPMPSNMNM(2)当处于中等大小时,为使系统响应具有较小的超调,应取得小些；在这种情况下,的取值对系统响应的影响较大,的取值要适当。表3.2整定Fuzzy规则集模型ECK1ENBNMNSOPSPMPBPBPBPBPBPBPBPBPBPMPBPSPSPSPSPSPSPSOOOOONSNSONSNSNSNSNSOONSOOOOONSNSNMPBPSPSPSPSPSPSNBPBPBPBPBPBPBPB(3)当较小时,为使系统具有较好的稳态性能,与均应取得大些,同时为避免系统在设定值附近出现振荡,值的选择是相当重要的。表3.3整定Fuzzy规则集模型ECK1ENBNMNSOPSPMPBPBPSPSOOOPSPSPMNBNBNMNSNMNBNBPSNBNBNMNSNMNBNBONSNSNSNSNSNMNMNSNBNBNMNSNMNBNBNMNBNBNMNSNMNBNBNBPSOOOOPSPS对于Fuzzy自整定PID参数控制器,在具体作法上,根据语言变量偏差E及偏差变化EC,应用Fuzzy集合理论总结出一套、和的Fuzzy整定模型,如表3.1、表3.2和表3.3所示。3.4.3模糊PID控制器（1）模糊控制器模糊控制器(FC—FuzzyController)也称为模糊逻辑控制器(FLC—FuzzyLogicController)，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此，模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器(FLC—FuzzyLanguageController)[18]。模糊控制器的组成框图如图3.8所示。它包括有：输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机和输出解模糊接口5个部分。图3.8模糊控制器的组成框图a.模糊化接口模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。b.知识库由数据库和规则库两部分组成。①数据库数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等级的离散化以后对应值的集合)，若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。②规则库模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then、also、or、and，等。关系词必须经过“翻译”，才能将模糊规则数值化。例：假设有控制规则ifAandBthenC，其中，A是论域U上的一个模糊子集，B是论域V上的一个模糊子集。根据人工试验，我们可离线组织其控制决策表R，R是笛卡尔乘积集U×V上的一个模糊子集。则某一时刻，该控制的控制量由下式得出：C=(A×B)·R规则库是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为“推理机”提供控制规则。c.推理与解模糊接口推理是模糊控制器中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，它包含有正向推理和逆向推理两类。正向推理常被用于模糊控制中，而逆向推理一般用于知识工程学领域的专家系统中。推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊。通常把输出端具有转换作用的功能部分称为解模糊接口。综上所述，模糊控制器实际上就是一个微机系统。它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成，随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组成单元的软件功能。（2）模糊PID控制器在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。而这类控制器都是以系统误差E和误差变化EC为输入语句变量，因此它具有类似于常规PD控制器的作用。由线性控制理论可知，采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，但无法消除静态误差。为了改善模糊控制器的稳态性能，通常在模糊控制器中引入模糊积分。混合型模糊PID控制器，是由W.L.Bialkowski于1983年提出的，它是由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器相并联而成的。常规PI控制器输出为和二维模糊控制器输出控制量相叠加，作为混合型模糊PID控制器的总输出，即，可使系统成为无差模糊控制系统。误差e模糊积分的PID模糊控制器，1988年由M.Basseville提出的又一种PID模糊控制器。它是一种对误差e的模糊值进行积分的PID模糊控制器。3.5导叶和桨叶控制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套装置的总称，当前主要应用和研制的是微机调速器。本课题采用的是转浆式结构，它可以同时控制导叶和桨叶两个机构的动作，并且在数字协联装置的作用下，使水轮机的导叶和桨叶始终工作在高效率区域。3.5.1协联关系转浆式水轮机采用双重调节，它能使水轮机的导叶开度和桨叶开度随着电力系统外负荷的增减而变化，并使导叶开度和桨叶开度之间形成最优协联关系，使得水轮机内水力损失最小，经常运行在最优工况或最优工况附近，而这种保持导叶和桨叶开度之间最优协联关系工况就称为协联工况。图3．9协联关系曲线在双调整调节系统中，协联关系是其主要组成部分之一。转浆式水轮机每个桨叶开度都有与之相配合、较窄的效率曲线高效率区；而且每个桨叶开度的高效率，都有对应的导叶开度，即导叶开度和桨叶开度之间是一个一一对应的协调关系。反映不同的水头下，导叶开度和桨叶开度之间存在不同的协调关系。反映不同水头下导叶开度和桨叶开度之间协调关系的组合，称为协联关系。即：Z=f（Y,H）(Z：桨叶开度；Y：导叶开度；H：水头)。其协联关系曲线如图3．9所示。3.5.2导叶开度的控制在转浆式调速器中作为主导控制量的导叶采用并联PID控制规律，其结构如图3．10所示。图3．10并联PID调节结构图中：X--测量信号；--永态转差系数；--微分时间常数；、、--比例、积分、微分增益。当导叶桨叶反馈有较小漂移后进入本页对其零点满度修正。零点满度修正方法：设定导叶（桨叶）零点：先将导叶（桨叶）切换至机手动状态，手动使导叶（桨叶）全关。进入本页面后点击导叶零点输入框，输入显示的导叶（桨叶）采样值即可。设定导叶（桨叶）满度：先将导叶（桨叶）切换至机手动状态，手动使导叶（桨叶）全开，同理输入显示的导叶（桨叶）采样值为相应满度。零点满度的推荐范围和初始值如下表3.4：表3.4零点满度的推荐范围和初始值反馈单元零点满度推荐范围初始值推荐范围初始值导叶80～200mV1199.9V～10.0V7950桨叶80～200mV1199.9V～10.0V7950由图3．10可得PID调节器的输出(增量式)为：(3.18)(3.19)(3.20)(3.21)当调节模式为频率时采用PID调节，否则为PI调节。3.5.3桨叶开度求取桨叶调节随动于导叶调节，根据PID输出的导叶开度值和测量所得水头信号通过协联装置即可实现其调节，调节品质的好坏直接与协联装置的优劣相关。当前普遍使用的是插值算法，插值计算步骤如下：（1）找出导叶开度所属的区域，（2）找出水头所属区域，（3）根据导叶开度和水头找出对应的桨叶开度，对水头求插值：（3.22）（3.23）(4)对导叶开度求插值：（3.24）该算法简单、易实现，求取的协联数据的精度与协联数据表格所取数的密度有关，取得越密则精度越高。在开机、停机以及甩负荷等工况下，为了减小开停机时间以及保证水轮机机械部分安全稳定，需要破坏协联关系，等机组状态稳定以后，再回到协联关系，停机以后，桨叶保持在启动开度位置。3.6微机调节器的自动调节模式水轮机微机调速器有三种主要的调节模式：频率调节模式、开度调节模式和功率调节模式，其功能及其相互之间的转换都是由微机调节器完成的。这就要求对这三种调节模式的之间的转换有比较详细的了解，以便于软件的编程实现它们之间自动转换。图3．1l调节模式之间的转换关系频率调节模式是机械液压调速器和大多数电气液压调速器采用的调节模式，它又称转速调节模式。它适用于机组空载运行、机组并网或孤立电网运行、机组在并入电网以调频方式运行等方式；开度模式是一种在控水轮发电机组并入电网后采用的调节模式，它适用于机组并网运行、带基本负荷的工况；功率调节模式也是一种在被控水轮发电机组并入电网后采用的调节模式，它适用于机组并网运行、受水电站AGC系统控制工况。它们之间的相互转换见图3．11。机组开关进入“空载"工况运行时，调速器在频率调节模式下工作：机组油压开关投入，并入电网工作时，调速器自动进入功率调节模式工作；机组在并入电网工作的工况下，可以人为的使用调速器工作于三种调节模式中的任一模式；调速器工作在功率调节模式时，若检查出机组功率传感器有故障，则自动切换至开度调节模式下工作；编程时可以按照表3.5所列内容编写各种模式下的参数跟踪程序，以保证PLC微机调速器在三种调节模式之间切换时，实现平滑无扰动切换。表3.5水轮机微机调速器的基本调节模式项目调节规律参数跟踪自动进入条件故障推出条件调节模式符号频率调节PID机组空载/FM功率调节PI并网功率传感器故障PM电网频率超差开度调节PI/电网频率超差YM

第四章频率测量和机电转换部件按照我国电力部的规定，大电网频率为500.2Hz，中小电网频率为500.5Hz。要满足以上规定，必须调节系统中各有关机组，使它们的频率稳定在规定的范围内。水轮机调速器正是用来维持水轮发电机组频率稳定的重要控制装置，而测频环节是调速器的重要组成部分，它的精度决定整机的控制精度。4.1测频基本原理机组频率和电网频率是调速器的主要输入变量，对频率测量的基本要求是满足一定的精度，同时具有较好的实时性[19]。频率的测量一般有两种方法；一种是测频法，在固定的测量时间内，对转换为方波的被测信号计数，设测量时间为T，对被测信号的计数值为N，则被测信号的频率为：（4.1）测频法的基本误差为±1个计数脉冲，为了提高测量精度，可以延长测量时间，但是过长的测量时间不能满足系统对测量数据的实时性要求。在相同的测量时间内，被测信号的频率越高计数值越大，相对误差越小，所以测频法适用于高频信号。然而由于它在实时性上的缺陷，其多用于高频信号的测量，因此电力系统的测频装置一般不采用测频法。发电机频率和电网频率的测量一般采用测周法。它的基本原理是通过测量信号波形相继过零点的时间宽度来计算频率。这种方法物理概念清晰，易于实现，得到广泛的应用。其具体原理图见图4.1。被测机组的频率f和周期T有如下关系：（4.2）如果通过一定的方法，能够准确而迅速地测量出被测信号的周期T，那么对于PLC来说，通过简单的运算就可以求出频率。被测机组的频率信号经过放大整形、八分频后得到方波信号。N为高频时钟信号，它提供一个稳定的振荡信号。N和信号经过与门得到信号。如果能对信号的半波脉冲串进行计数，并记其值为S，则S数值正比于被测信号的周期T。现在运行的PLC水轮机微机调速器测频环节的实现不外乎两种方式：利用单片机测频，如80C51FA单片机测频模块；利用PLC的高速计数模块测频，如用PLC自带的高速计数模板。前者由于其测频模块是用户自己设计的电路，在生产工艺、元器件选择、可靠性等方面难免存在一些不足：后者因高速计数模块价格高达数千元，这对调速器，特别是中小型调速器而言，很不经济。图4．1测周法原理图4.1.1动态频差和静态频差的原理由于比例环节和微分环节对频率的实时性要求较高，而积分环节对频率的精度要求高，对实时性要求稍低，因此对不同环节可依据各自特点采用不同的测量周期获得频率，进而获得频差，这样既满足了精度的要求，也满足了实时性的要求。实现这种测频方法的理论称为动态频差和静态频差。动态频差和静态频差具体原理如下，在条件下的微机调节器PID传递函数为：（4.3）影响调速器动态响应性能的主要因素是PID调节中的比例分量(P)和微分分量(D)，调速器的PID调节静态精度是由积分(I)环节来保证的，积分的过程是一个相当缓慢的过程。以式(4.3)的概念为基础建立的表达式如下：（4.4）式中：静态频差的拉普拉斯变换，对其主要要求是：测频精度高，但动态响应可以稍微慢一些；动态频差的拉普拉斯变换，对其主要要求是：测频精度可以较静态频差低，但应有快的动态响应特性。静态频差是