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    水輪機(jī)調(diào)速器PID調(diào)節(jié)規(guī)律研究

    2018-01-25 05:38:48胡千佳羅慶躍鄒長(zhǎng)春
    建材與裝飾 2018年3期
    關(guān)鍵詞:調(diào)速器水輪機(jī)調(diào)節(jié)

    胡千佳 羅慶躍 鄒長(zhǎng)春

    (邵陽(yáng)學(xué)院 湖南邵陽(yáng) 422000)

    1 引言

    在水輪機(jī)運(yùn)行過程中,數(shù)字PID可對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),與傳統(tǒng)的機(jī)調(diào)和電調(diào)相比維護(hù)難度較小,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化控制,應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。因此,對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器PID調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)探究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

    2 水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)和特點(diǎn)

    水輪機(jī)調(diào)速器是由多個(gè)元件組成的,包括測(cè)量、放大、執(zhí)行元件等,其調(diào)節(jié)對(duì)象為水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、引水系統(tǒng)等。在調(diào)速器PID的實(shí)際應(yīng)用中,水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組首先將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞至需被測(cè)量的元件上,然后對(duì)元件的頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),最后將該信號(hào)傳遞與給定信號(hào)進(jìn)行比較,確定頻率偏差實(shí)際情況,并就此進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)指令被放大后,即可傳送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)中,推動(dòng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu),與此同時(shí),反饋元件還可將導(dǎo)葉開度的變化情況傳遞至加法器中。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

    圖1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方塊圖

    3 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID控制原理

    在水輪機(jī)運(yùn)行過程中,調(diào)速器PID是一種常見控制方式,常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

    圖2 PID控制系統(tǒng)原理框圖

    PID控制器是一種線性控制器,根據(jù)給定值r(t)以及實(shí)際輸c(t),即可確定偏差:

    對(duì)于偏差比例(P)、積分(I)以及微分(D),可以根據(jù)線性組合形成控制量,然后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,其控制規(guī)律如下:

    在上述公式中,KP、KI、Kd-比例、積分、微分增益。

    PID控制方式可充分發(fā)揮KP、KI、Kd作用,由于其取值有所不同,比例、積分、微分的作用強(qiáng)弱也有區(qū)別。其中,KP能夠決定水輪機(jī)系統(tǒng)控制作用強(qiáng)弱,如果KP較小,則系統(tǒng)所需時(shí)間也較長(zhǎng),如果KP較大,系統(tǒng)相應(yīng)所需時(shí)間較短,這樣很難保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。有些被控對(duì)象具有自平衡特性和靜差,通過增加KP,可減少靜差,但是若KP較大,則動(dòng)態(tài)性也會(huì)降低,進(jìn)而影響閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外,若KI過小,則會(huì)造成系統(tǒng)相應(yīng)變慢,KI增大,則系統(tǒng)相應(yīng)效率比較高,同時(shí)還可以對(duì)記憶誤差積分,進(jìn)而消除靜差。如果Kd比較小,則微分效果比較差,隨著Kd增加,在受到非最小相位環(huán)節(jié)的影響下,反調(diào)節(jié)也會(huì)隨之增加。水輪機(jī)微分控制的優(yōu)勢(shì)在于可對(duì)誤差進(jìn)行微分處理,同時(shí),對(duì)誤差變化的敏感度較強(qiáng)。

    4 PID參數(shù)整定方法

    4.1 基于對(duì)象參數(shù)辨識(shí)的整定方法

    在被控過程對(duì)象參數(shù)的辨識(shí)和整定過程中,需采用辨識(shí)方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,再應(yīng)用整定算法確定控制器參數(shù)。如果辨識(shí)方法、整定算法不同,整定方案也會(huì)有所不同。參數(shù)模型辨識(shí)法、非參數(shù)模型辨識(shí)法是兩種常用的辨識(shí)辦法,其中,在對(duì)象參數(shù)模型辨識(shí)方法的應(yīng)用中,首先需假定一種模型結(jié)構(gòu),然后根據(jù)極小化模型,確定函數(shù)模型參數(shù)。若事先無(wú)法確定模型結(jié)構(gòu),則首先需要采用結(jié)構(gòu)辨識(shí)的辦法確定模型結(jié)構(gòu)參數(shù),然后再應(yīng)用參數(shù)整定辦法實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。

    4.2 基于抽取過程對(duì)象輸出響應(yīng)特征值的控制器參數(shù)整定方法

    基于對(duì)象模型辨識(shí)的參數(shù)整定操作便捷,由于對(duì)象模型中冗余信息量較大,因此,可能會(huì)對(duì)控制器參數(shù)整定造成不良影響,同時(shí)控制器參數(shù)并不是確定的,對(duì)此,首先需要對(duì)控制器進(jìn)行整定處理,這樣才能夠包容對(duì)象模型,保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)象輸出相應(yīng)特征值來實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定的辦法眾多,比如閉環(huán)Z-N方法、繼電整定法等等。

    4 .3參數(shù)優(yōu)化方法

    從運(yùn)籌學(xué)角度而言,控制器參數(shù)整定指的是在一定的條件約束下,對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,從而使得某個(gè)目標(biāo)函數(shù)能夠達(dá)最優(yōu)值。在實(shí)際應(yīng)用中,首先需提出合適的目標(biāo)函數(shù),采用尋優(yōu)策略,對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定,這樣才能夠反映出系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況:,式中,ts-指定過渡過程時(shí)間,ts0-參數(shù)x下系統(tǒng)過渡過程時(shí)間。,式中,Mp-指定超調(diào)量,M0p-參數(shù)X下系統(tǒng)超調(diào)量。

    另外,還有一種目標(biāo)函數(shù)是誤差目標(biāo)函數(shù):

    在參數(shù)優(yōu)化方面,主要有兩種方法,間接與直接優(yōu)化。間接優(yōu)化指的是首先寫出目標(biāo)函數(shù),然后根據(jù)函數(shù)取值的充分條件和必要條件,計(jì)算最優(yōu)參數(shù);直接優(yōu)化指的是首先對(duì)參數(shù)空間進(jìn)行分析,根據(jù)一定的規(guī)律尋找最優(yōu)參數(shù),據(jù)此所獲得的目標(biāo)函數(shù)即為最小參數(shù)點(diǎn)。在參數(shù)優(yōu)化時(shí),無(wú)需被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,只需采用試驗(yàn)辦法,結(jié)合目標(biāo)函數(shù),即可獲得相關(guān)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征量。

    但是,參數(shù)優(yōu)化也有局限性,具體體現(xiàn)在尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的提取和確定方面。在選擇目標(biāo)函數(shù)過程中,無(wú)論是應(yīng)用直接指定調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)的方式,還是誤差積分型指標(biāo),都有一定的局限性。除此以外,由于控制系統(tǒng)具有多值性特征,因此,在參數(shù)優(yōu)化方面也有不足。對(duì)此,還應(yīng)該積極研究相關(guān)優(yōu)化方式,妥善解決參數(shù)整定問題。

    5 結(jié)語(yǔ)

    綜上所述,水輪機(jī)調(diào)速器PID技術(shù)發(fā)展迅速,在水電站機(jī)組調(diào)節(jié)控制中廣泛應(yīng)用,微機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定難度較大,同時(shí),不同水電站和機(jī)組的微機(jī)調(diào)速器參數(shù)整定方式都有所不同。對(duì)此,為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo),要求水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組工作人員學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù),掌握調(diào)節(jié)辦法,充分發(fā)揮水輪機(jī)調(diào)速器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

    [1]方紅慶,陳龍,李訓(xùn)銘.基于線性與非線性模型的水輪機(jī)調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化比較[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(5):100~106.

    [2]曹程杰,莫岳平.基于現(xiàn)代智能控制技術(shù)的水輪機(jī)自適應(yīng)工況PID調(diào)速器研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(3):81~85.

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