水电机组PID型调速器设计 毕业设计.docx

1、水电机组PID型调速器设计 毕业设计淮 阴 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者:张 伟学 号：学 院:自动化学院专 业:电气工程及其自动化题 目:指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2017年6月 毕业设计说明书（论文）中文摘要 当今我国的能源结构在一天一天的改变，人类对能源的需求不断增加，水电业的发展将成为我国解决能源问题的一个根本方面。水轮机调节系统是一个综合系统，里面包含着机、电、液三部分。水轮机调速器在水电业扮演着一个重要的角色，是水电厂发电机组稳定运行的非常重要的控制设备，它是机组安全稳定的运行根本。了解掌握此系统的运行规律，提高水轮机的调

2、节性能，一直关乎着水电领域的发展。 现阶段无论是国外还是国内绝大部分的水轮机调速器都依旧采用的是PID或PI型调节规律。能够有效合理的选择PID调节器的参数时，才能够使水轮发电机能够安全的稳定的运行，而且也会改善水电机组调节系统的动态品质。 本文在一开始主要阐述了水轮机的发展趋势、国内外的现状和调速系统的相关简介，分析了其调节特点。通过水电机组调速系统的简单模型能够让我们更加清楚地把握其大致的运行规律。本文我将在SIMULINK搭建水轮机调节系统，接着通过此软件建立其各个部件的模型结构，通过MATLAB平台得出一系列的仿真结果。 关键词 水轮机调速器，PID调节，模型，仿真毕业设计说明书（论文

3、）外文摘要Title Design of hydro turbine PID governor AbstractChinas energy structure in the changes from day to day, Human demand for energy is increasing today, the development of hydroelectricity will become a fundamental aspect to solve the problem of energy in our country.Hydraulic turbine regulating

4、 system is an integrated system of set machine, electricity and fluid.Hydraulic turbine governor plays an important role in the hydropower industry, and it is a very important control equipment for the stable operation of the hydropower station.Understanding of the operation of the system to improve

5、 the regulation of water turbine performance, has been related to the development of water and electricity. At present, most of the hydraulic turbine governor at home and abroad are still regulated by the PID or PI type.The PID regulator parameters can be effectively selected, which can make the hyd

6、ro generator operate safely and stably, and can improve the dynamic quality of the system. This paper mainly expounds the development trend of hydraulic turbine and the status quo of domestic and abroad and the speed regulating system.Through the simple model of the speed governing system of the hyd

7、ropower plant, we can grasp its general operating rules more clearly.In this paper I will in Simulink to build hydro turbine regulating system, then a governor, with the dynamic system, turbine, pressure water diversion pipeline, the generator and load model structure, through the MATLAB platform th

8、at a series of simulation results.Key words hydraulic turbine governor, PID regulation, model, simulation1 绪论1.1 引言我国有着大量的水资源, 因而我国有着得天独厚的水能资源条件。全面有效的利用好水能资源，为国家的水电业做出杰出贡献正是当前我国需要解决的。但是目前我国水能资源的利用率非常低,因而水力发电有着很大的前景。利用水力发电已经有着悠久的历史,其在建设技术、水力发电领域的技术和输电领域的技术已经慢慢趋于成熟,其中它的单位体积的容量也在不断增加。水力发电成本低,可靠性高,因而发展非

9、常迅速。将水能转化成电能的动力装置称为水轮发电机组。其有以下几点优点：低廉的成本、较高的效率、无污染以及便于高效的综合利用。其中，水轮机是将水能转化成机械能的，发电机是将机械能转化成电能的。在电站中水轮机是非常重要的，其通过发电机组使机械能转化为电能。将水轮机最优化，才会提高水电站的效率。水轮机的性能的优良,结构的完善,直接影响水电事业的发展。进行水轮机的论文研究，考虑水轮机性能、效率、成本等，对我们是一种重新学习和总结的过程。通过此课题的研究，能够使得我们更进一步的对以前所学的进行复习与巩固，然后将书本上的知识运用到到此次的课题研究中来，能够高效率的完成论文的书写，同时运用到实际的工况中，这

10、就对我们将来走向工作岗位打下坚实的基础。1.2 水电机组PID型调速器的发展及现状实现水电机组的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为水轮机调速器。水轮机控制系统的核心是水轮机调速器，它可大致分为以下这几种：电气页压调速器、机械页压调速器和数字式电页调速器（微机调速器）等。为了水电业的建设发展，水轮机调速器的发展是必不可少的。当时的调速器大多数都只是机械液压调速器，它只能够满足自带负荷的和在中型和小型电网中工作的水轮机发电机组调节的需要。机械液压调速器的静态特性较好，有着较好的动态品质，较高的可靠性。当机械液压调速器通过自有的方法进行测量、信号处理和平稳调节的功能面对大机

11、组、大电网需要灵敏度高、性能高和便于实现水电站自动化等各项要求时就会露出各种缺点。所以现今往往只有中型机组和小型机组仍采用机械液压调速器。于70年前在瑞士诞生了世界上第一台电气液压型调速器。大概10年以后，电气液压调速器逐渐成为各个机组应用的主流。一步一步的走来，光从采用的元件来看它又经历了大概四个发展阶段。现在它的调节规律基本上就是比例、积分、微分型(PID)比较普遍，而且实用、简单。随着计算机技术的大力发展，对各种性能、功能的硬性要求，在此的几十年后水轮机微机调速器已经开始得到广泛的应用，现在已经很少生产并且应用电气液压调速器了。于20世纪70年代初第一台数字式调速器问世，相继此后10年后

12、微机调速器已经成为世界各国开始研制的研究对象。当时国外微机调速器的发展水平可以用瑞典80年代中叶推出的HPC610620调节器代表，此调速器功能强大。当时我国名校教授和水电控制设备厂合作，我国率先研制成功了适应式变参数微机调速器。此后此微机调速器运用于海水电站并投入运行，并且运行成功，过后又与其他单位一起着重研发生产了双微机单调节和双调节微机调速器。在此过后，微机调速器已经全面应用在各大、中型水电站中。所以在当时微机调速器是非常强大的。当前全球的数字式电液调速器基本都是以 PID为基础的的调节规律。微机调速器调节规律从PID型过度到几种合并的PID改进型，其发展经历了大概五个阶段的微机系列的应

13、用过程。在那个时候，占据市场的主要是总线和PLC。所以在那个时候数字式电液调速器有着举足轻重的地位。20世纪80年代以来，我国研发的电液调速器的性能和各方面的功能都达到了水轮机调节技术的国际先进水平。我国在率先采用带功率开环增量环节的功率模式、水轮机调节系统的参数调节、步迸马达电机转换器等方面，有着更为独到的地方，也是处于世界领先水平的。现阶段我国几大高校科研团队和全国各地的大型水电控制设备企业的研究院对这方面正在进行更进一步的研究。其中更为出众是华中科技大学的魏守平教授所带领的团队。1.3 调节特点水轮机调节系统是自动调节的，它与一般调节系统有共性外，还有着以下五种特点：1.水能发电机组是将

14、水能转化为电能的系统，水能有时候会有自然条件的约束。需要与其他原动机有相同的功率，就要通过非常大的流量，因为单位水体中的能量是非常小的，所以就要求水轮机及其导水机构有较高的性能。因此往往就要求我们加一个多集液压放大元件，而有时候放大元件存在着非线性和时间滞后性，往往就有可能会使水轮机调速系统调节品质恶化。2.水轮机调节系统的导水机构很难及时与负荷的变化同步，达到动力矩与外界的变化同步，会有一定的延时时间。所以很可能产生过度调节，产生不稳定。3.在水电站中往往需要加一个比较长的压力饮水管道，是因为会有恶劣的自然环境的影响。如果引水管道越长，水流中会产生强大的惯性，而导水机构会有压力产生，当压力经

15、过水管内时会引起水击。此机构与水管里的水击有着相反的调节作用，所以会使调节系统不稳定，因而使调节系统的动态品质恶化。4.有些水轮机还具有双向调节机构，因而使其调速器复杂化。5.现阶段电力系统的大力发展对自动化要求的提高，从而对水轮机调速器的控制功能和自动操作有了越来越多的要求。因而在水电厂中水轮机调速器扮演着一个十分重要的角色。综上言之，水轮机的调速系统极易不稳定，结构复杂化，那就需要它拥有较强的调节控制功能。1.4 本课题的研究任务及要求内容：该课题要求利用MATLAB仿真平台对水电机组PID型调速器进行设计研究。通过完成本课题，学生将熟悉PID控制器的结构，以及优化控制的基本原理；同时，在

16、编程调试方面得到训练和提高，为以后的工作打下坚实的基础。具体设计要求包括以下几个方面： （1） 水电机组调速系统模型研究。 （2） 控制规律与控制品质的关系研究。 （3） 仿真模型搭建与参数优化研究。 要求： （1） 各种渠道收集相关资料，掌握该系统的各项要求。 （2） 合理的构思系统的仿真思路。 （3） 熟悉编程软件、学会怎么使用MATLAB仿真。 （4） 结束MATLAB仿真，输出仿真结果。 （5） 按照学校对大学生毕业设计论文的要求，最终完成论文的书写。1.5 本章小结本章节主要针对水轮机的调节特点和现阶段水轮机的发展趋势，目的及研究的使用的价值进行简要介绍。水轮机调速器经历了三个发展阶

17、段，现在国内外都在致力于基于现场总线的数字式电液调速器的研究，那么其将是调速器今后主流的发展趋势。我们国家的数字式电页调速器的技术性能和各方面的功能都与水轮机系统的调节技术的国际先进水平保持同步，当前国内外研究的重点就是水轮机调速器的智能控制策略，现阶段国内外的数字式电液调速器都是采用以HD为基础的参数调节规律。所以接下来我要重点研究水电机组调速系统的简单模型，水轮机调节系统PID控制原理以及它的智能控制策略。2 水电机组调速系统的分析与建模2.1 水电机组调节系统各模块组成水轮机调速系统主要由以下几部分组成的：扰动环节、压力引水系统、调速器电气部分、液亚随动系统、发电机、水轮机、电网组成。如

18、图1所示： 图1 水电机组调节系统 水电机组调速系统是一个综合控制系统，包含着水、机、电三部分。 （1）调节器电气部分：当遇到不同的过程，合理有效的选择不同的控制策略，也就是实现调节系统的控制规律和控制算法。他们主要在不同的控制规律和不同的控制参数上得到体现，控制参数主要包含比例系数( Tp )、积分系数( Ti )、微分系数( Td )以及永态转差系数( Tp )。 （2）液压随动系统：主要实现电气信号向机械液亚信号的转变，然后使其放大。实质包括电气页压信号转换装置、液压放大元件、(导叶操作)机械手臂和位置反馈等，如图2所示。 （3）水轮机：是将其中的水能转换为机械能的装置。 （4）发电机：

19、是将其中的机械能转换为电能的装置。 （5）电网：为用电部门或用户提供能量。 2.1.1 液压随动系统机械液压随动系统的作用首先是把电气信号转换，然后将电气信号放大成带有较强操作力的机械位移信号，有着以下特点：较大的功率放大系数、较大的负载力。 图2 液压随动系统原理框图电液伺服阀是将电气信号转换成具有一定操作能力的机械液压信号，它是液压随动系统的关键部件。电液伺服阀是一个带有死区、饱和、间隙的一阶惯性环节。电液转换器的时间常数是非常小的，基本压根儿就没有，所以可以不考虑它的常数，因而可以将其当成一个比例环节。主配压阀直接控制导叶接力器，是一个一阶惯性环节，包含一个死区环节。主接力器作为驱动机构

20、，它将调速器输出的控制信号直接作用在水轮机的导叶上，控制导叶的开与关，是一个积分环节。2.1.2 压力引水系统水电站的引水系统有以下几部分组成：水轮机过水管道、压力引水系统、蜗壳、尾水管道等。当它处在一个极其不稳定的工况中时，管道内的流量发生变化的时候，水流的惯性会产生水锤现象。在水轮机系统的调节过程中，一旦导页开度产生一定的变化时，单位水体中的水流流量也会随之发生变化，单位水体中的水流流量的变化将会给引水系统带来水击，接着水击又会反过来影响单位水体中的水流流量，将会引起单位水体中的水流流量的进一步变化，所以引水系统对水轮机调节特性的影响是非常大的。当在小范围的波动起伏范围内，那么就可以认为水

21、体以及管道基本上是刚性的。这样一来我们就可以利用平时学的刚性水击理论的一些原理来概括定义压力引水系统的动态特性。刚性水捶的压力引水系统的传递函数为： (1)式中为水流惯性时间常数。刚性水锤压力引水系统建模如图3：图3 压力引水系统模型2.1.3 水轮机水轮机的非线性比较复杂、时变性也比较的复杂，大概有六个参数可以表示水轮机的动态特性，分别是：水轮机转矩T、流量G、水头K、机组转速N，输出频率（转速）F以及导叶开度B（近似用接力器位移表示）等。水轮机的传递函数为： (2) (3)以下是当中一些参数的介绍：Eh:水轮机的转矩偏差的值对水头的偏差的值的传递系数。Ex:水轮机的转矩偏差的值对转速的偏差

22、的值的传递系数。Ey:水轮机的转矩偏差的值对接力器行程的偏差的值的传递系数。Eqh:流量的偏差的值对水头偏差的值的传递系数。Eqx:流量的偏差的值对转速偏差的值的传递系数。Eqy:流量的偏差的值对接力器行程偏差的值的传递系数。水轮机系统的建模图如下图4：图4 水轮机系统的建模图 一般理想的水轮机的传递函数的系数ey = 1，eh = 1.5，eqy = 1.0，eqh = 0.5，e qx= 0。ex与负载eg可以使其归纳到水轮机的数学模型中。综合考虑到引水系统和水轮机的模块，那么传递函数为： (4)将理想状态下的水轮机的传递函数的值代入式（4），则得水轮机组段传递函数： (5)则理想水轮机组

23、段建模如图5：图5 理想水轮机组段模型2.1.4 发电机当水轮发电机在运行的时候，在微小的变化的情况下，水轮发电机组运行方程式为： (6) (7)在此公式中：ex为水轮机的力矩对转速的偏导数，即水轮机自调节系数；eg为它的发电机负荷的力矩对转速的偏导数，即发电机负荷的自调节系数；en称水轮发电机的全面的自调节系数；Ta为水轮发电机组惯性时间常数。在此当中，mg是负荷的组成，也可以说是负荷大小的变化，我们这个课题着重是探讨水轮机调节系统的动态特性，也就是说一般是探讨mg不变的一些情况，也可以是有一定变化规律的水轮机调节系统的过渡过程，因而我们往往把mg的一些变化当作是对水轮机调节系统的一种扰动，

24、称之为负荷扰动（ mg0 ）。依据上面的内容，我们可以得出水轮机力矩对发电机转速的传递函数： (8)机组运行时发电机及负荷模型如图6：图6 发电机及负荷模型2.2 PID介绍在许多的工业生产过程中，对生产设备上的各项变量有着硬性的要求，比如温度、压力、流量、液位等变量都必须要求维持在一定的数值上，也可以有一定的变化规律，从而来满足生产工艺的各项要求。PID控制器的原理是通过偏差调节，通过PID控制对整个控制系统的偏差调节，就可以迫使被控变量的实际值与工艺品需要的预定值一样。对于不同的生产过程，我们必须合理选用不一样的适合它的控制规律，否则PID控制器就达不到自己想要的有效的控制效果。PID控制

25、器由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 三个部分组成的。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定实现控制的。比例（P）参数的功效：就是控制系统产生了了偏差，然后通过比例这个参数来得出系统的偏差，那么此比例调节就会立马发生调节作用来减小偏差。比例作用越大时，调节速度就会越快，从而大大的减小了误差，但是比例也不能太过大，过大的比例就可能会让控制系统不稳定，甚至也可能会使系统产生大的波动。 积分（I）参数的功效：是消除控制系统稳态误差，使其甚至没有误差。一旦控制系统产生误差，那么积分调节就会工作，直到误差完全消除时，系统的积分调节才会停止，接着然后积分调节就会得出一个常值。系统中有一个时间常数ti

26、，时间常数ti的值越小时，积分作用就会越强；相反的，那么时间常数ti越大，积分作用就会越弱。但是积分调节也有缺点，当有积分调节时，可能系统会不稳定，系统稳定性会下降，动态响应也会变慢。微分（D）参数的功效：微分一般是表现控制系统偏差信号的变化率的，有着预见的能力，可以直观的看出偏差往哪个方向变化，所以它能够产生超前的控制作用，可以直接在偏差还没有到来之前扼杀在摇篮里。从而使系统的动态性能够得到进一步的改善。那么一来在微分时间选择合适状况下，可以减少调节的时间来减少超调。微分调节也有一点的缺陷，微分调节会使噪声放大，所以过多的增加微分调节，对对系统产生一定的干扰性。同时微分调节是表现的变化率，一

27、旦输入没有变化时，微分调节就会是零。2.3 MATLAB平台简介此课题所需要我们研究的工作是在MATLAB软件平台上操作的。MATLAB是一种面向科学计算与工程的高级语言，使用方法简单而被大众所喜欢。MATLAB软件可以将难度大的数值计算和可视化联系在一起，可以更加直观的看出各个细节的变化，而且能够提供大量的有效的内置函数，从而在很多方面MATLAB软件都在被广泛应用被广泛的应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。 Simulink是在MATLAB的基础上的一个框图设计的环境，它可以对各种动态系统建立模型、分析数据以及仿真，也可以处理各种复杂的系统。那么就为我们提供了许

28、多方便实用的处理工具，使一些初学者可以简单地学习和掌握。Simulink由于其能用最低的人工来比拟真实动态系统的运行，有着几百种预先定义系统环节模型、最先进有效地积分算法和直观的图形化工具，Simulink有着很强的交互式仿真能力，可以简单方便地调整模型参数设置。 MATLAB用户界面Simulink用户界面3 水电机组调节系统PID控制原理及参数分析3.1 PID控制原理在许多的工厂的生产过程中应用最为广泛的系统调节器的控制规律为比例、积分、微分控制，即称PID调节。早在75年前人类就研制成了第一个PID控制器。它的结构简单、稳定性好、工作安全可靠、调整方便等一些优点，在许多工业控制有着举足

29、轻重的地位。PID控制器的原理是通过偏差调节，通过PID控制对整个控制系统的偏差调节，就可以迫使被控变量的实际值与工艺品需要的预定值一样。有的时候对被控对象的结构和参数掌握模糊，或者在此过程中得不到准确的数学参考模型时，那就会非常困难地采用控制理论的其它技术，这样一来我们必须依靠现场调试和经验来确定系统控制器的结构和参数，理所当然，这时最简单方法是应用PID控制技术。也就是说在我们不完全了解一个系统和被控对象的结构和参数，或者没有有效的测量手段来获得系统参数时，那么PID控制技术最为合适。PID控制在实际中有PI和PD两种控制。PID控制器就是依据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进

30、行控制的。PID控制的好处： （1）原理非常简单，易于掌握，而且使用起来十分方便。 （2）有着强大的适应能力，可以广泛应用于各个领域。 （3）它的鲁棒性非常的强，也就是控制品质对被控制对象特性的变化没有什么反应。 （4）对模型依赖少。3.2 PID调节在水轮机调节系统中的作用以上我们有很多介绍了PID控制原理，以及它是具体怎么样通过比例、积分、微分来进行对系统的有效控制的。即在水电机组的调节系统产生一定的误差时，PID控制器就是产生作用，然而就会使得被控制的对象朝着误差减少的方向改变。PID控制的作用通过Kp、Ki、Kd这三个系数来实现的。从这三个系数来看，比例、积分、微分作用的强弱就取决于它

31、们数值的多少。比例系数Kp决定着控制器对水轮机控制作用的强弱。按照它的比例来反应系统的偏差，当控制系统一出现了偏差，比例调节就会立马对偏差产生调节作用来减小偏差。当比例作用大时，可以加快对系统的调节来减小误差，但是有时候过大的比例会大大降低系统的稳定性，甚至可能使系统极其不稳定。相对于自身带有自平衡性的被控制对象会存在静差。适当的增加Kp,可以有效的减小静差，但是过大时，它的动态性能就会变差，从而会对闭环系统有一定的影响，使之不稳定。当积分增益Ki非常小时，系统的响应的速度就会非常慢，但没有超调现象；当积分增益Ki变大时，就会加快系统的响应速度，从而可以有效的对误差进行记忆，然后积分，从而可以更好地消除静差。但它也是有缺点的，存在着滞后性，当作用太强时，就会使控制的动态特性变差，那么一来系统的响应就是变慢。当微分增益Kd非常小时，微分的作用不是特别明显；当微分增益变大时，非最小相位环节可能对此会有一定的影响，就会出现反调节增大。微分控制对误差的变化趋势有着十分敏感的感知，能够有效的对误差进行分析，当你增大微分控制时，可以使系统的响应变快，使得超调量变小，从而会使系统更加稳定。但它也是有缺点的，在对误差非常敏感的同时，也对干扰有着十分敏感的感知，然而使系统的抗干扰能力下降。了解这么