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

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.

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