基于PID算法的水轮机调速器毕业设计.docx

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基于PID算法的水轮机调速器毕业设计

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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