電液調速器的pid控制研究

1新型液壓隨動系統武漢三維電氣工程控制設備有限公司和武漢交通科技大學在幾年的科學研究合作下，突破了傳統調速器中幾十年的主壓縮式電液隨動系統結構，開發出了新型全數字機械調速器。該調速器采用了高可靠性、全標準液壓件單元組合的脈寬調制式全數字電液隨動系統,該系統符合當前國內外調速器的發展方向,已于1997年12月完成了調試廠內和電站的靜、動態性能試驗,各項特性指標達到了GB9652.1標準,現已投入電站運行。經過1年多運行證明,全數字式調速器的新型液壓隨動系統,克服了傳統結構抗油污能力差、易于發卡、從而造成控制失靈等弊端,完全可以取代傳統的電液轉換器,其可靠性、動態穩定性大大提高。根據該液壓系統的特點,對PID調節算法做了深入的研究,將傳統的增量式PID算法和位置式PID算法有機地結合在一起,形成了該系統所特有的綜合式PID算法,并運用了PWM脈寬調制控制技術,實現了調速器的全數字化。本文將對新型全數字式調速器電液隨動系統的構成,性能特點及其PID控制算法進行以下論述。2系統的組成和特點全數字式調速器主要由液壓隨動系統和電氣控制系統組成。2.1電磁密封件控制回路液壓隨動系統主要由電磁球閥和二通插裝閥組成,其系統主要原理如圖1所示。電磁球閥5和6控制二通插裝閥1,2,3,4的開啟和關閉,如微機控制電磁球閥5通電、6斷電,則插裝閥1,3的控制油路接通回油O,插裝閥2,4的控制油路接通壓力油P,此時,插裝閥1,3打開,使主接力器7右腔通壓力油P,左腔通回油O,從而驅動主接力器向左位移。若微機控制電磁球閥6通電,5斷電,則動作過程與上述相反。電磁球閥5,6采用PWM脈寬調制控制方式進行控制。機械手動控制時,由換向閥8直接控制主接力器7向左或向右移動,即可使機組穩定在額定轉速下運行。2.2導葉控制模塊d運算電氣控制系統原理框圖見圖2。機組頻率與電網頻率或頻率給定經高速計數模塊產生一個偏差信號,由TTL并行輸入模塊送至CPU進行PID運算,運算結果與經數字位移傳感器采集的導葉開度進行綜合,再經CPU計算得出一組為開、另一組為關的兩組脈寬調制(PWM)信號,通過大功率晶體管輸出模塊進行功率放大輸出,動作開、關高速電磁閥5,6,開或關導葉接力器7達到調節的目的。中控室下達的開、停機等指令信號,經開關量輸入模塊送入CPU。TTL并行輸出模塊用來完成人———機對話、指示、顯示機組運行工況、運行參數狀態情況3系統工作原理和pid算法3.1高速計數模塊由電網電壓互感器及發電機出口電壓互感器送來的機網頻信號,經過降壓、濾波、整形后變成方波信號,通過高速計數模塊對其上升沿按3MHz時鐘進行高速計數,則機、網頻一個周期的脈沖個數為N當兩個相鄰上升的一個周期脈沖個數N頻率f=3×103.2載荷變積分法PID控制模型原理框圖(見圖3)。高速計數模塊將從PT送來的機,網頻信號(f被控機組在空載工況下,網頻正常且為跟蹤狀態時的頻差為:Δf=f機組并網運行后,或者在空載無網頻,亦或在不跟蹤工況下,頻差為:Δf=f水輪機調節系統的工作點可以用水頭和接力器行程來確定,工況可以由工況回路來確定。在空載工況下,調節Δf=0;在負載開度調節時,調節開度差值ΔY=Y-Y通過對頻率差值,或開度差值或功率差值進行PID運算后,得到一個與該差值所對應的開度輸出信號,經過開度限制環節輸出到液壓隨動系統來控制導水葉的開度,則導水葉的開度經AD轉換后與PID調節器的輸出信號進行綜合比較,放大輸出,直到調整到PID調節器的輸出信號和導水葉開度所對應的信號之差為零。3.3量式pid控制(1)PID控制算法的數字實現(1)PID控制算法的模擬表達式如下:對式(1)離散化后得到第n次輸出值為:式中Y(t)為調節器輸出;e(t)為t為時刻的輸入偏差值;τ為采樣周期(τ=Δt);e(n)為第n次輸入偏差值;e(n-1)為第n-1次輸入的偏差值;n為采樣序號(n=0,1,2…);K第n-1次輸出值為:(2)位置式PID算法表達式為:將式(2)減去式(3)式整理后得將式(4)整理后得到位置式PID算法(位置輸出)關系式為(3)增量式PID算法表達式為:式中K(2)用計算機實現位置式和增量式控制算法位置式PID及增量式PID控制框圖見圖4。比較位置式PID及增量式PID控制框圖可以看出,位置式PID數字調節器的輸出Y(n)為全量輸出,每次輸出與過去的狀態無關,因此造成計算機運算工作量大,需要對e(i)進行累加(見式(5)),而且,計算機的任何故障都會使Y(n)作大幅度的變化。而對增量PID控制算法而言,雖然在算法上改動不大,卻帶來不少優點,當計算機只輸出增量時,計算機誤動作造成輸出變化也小,控制狀態的切換沖擊也小,算式中不作累加運算,增量只跟最近的幾次采樣有關,所以非常容易獲得很好的控制效果。但增量式算法的理想微分環節容易引進高頻干擾,導致調節性能不穩,為此,在研制過程中,曾采用在微分環節中串聯一個低通濾波器以用來抑制高頻干擾,也就是實際微分環節。其關系式為:式中T為微分時間常數。用實際微分代替理想微分的關系為:則調節器增量算式式中τ為采樣周期。采用以上方法在水電機組仿真時,曾出現了投入微分后調節時間反而變長的現象,其動態品質有時比不加微分作用還要差,特別是有時出現輸出異常,輸出方向相反即反跳現象。實踐證明,用計算機可以實現增量算法和位置算法,但單純采用PID增量式算法或位置式算法均不是理想的控制算法。(4)全數字式水輪機調節器綜合算法綜上所述,PID調節采用增量式控制算法,能在控制系統中避免一般常規PID算法中存在的問題,然而就微分項而言,增量算法顯然不能滿足水電機組調節控制的要求,而位置式算法又帶來計算復雜和抗干擾能力差的缺陷。所以,我們將位置式、增量式算法結合起來,取長補短,組成全數字調速器的PID綜合算法,即微分環節采用位置式算法,即對全量直接作衰減運算,所以不存在增量PID微分算法中所存的反跳問題。比例和積分環節則采用增量式算法,可避免位置式算法中積分環節的累加計算,以減少計算機運算工作量。經電站運行證明,采用綜合算法的調速器,大大地改善了動態調節器品質,特別是在大擾動情況下其過度調節時間短超調量小等優點就體現出來了綜合算法的PID表達式為:其中ΔY3.4葉開度yn-yn-yn-yn式脈寬調制(PWM)輸出波形見圖5。PID運算結果Y(n)與導葉開度YY(n)-YY(n)-Y式中Kμ在圖4中,T脈寬調制(PWM)是根據Y(n)與Y根據電站實際運行經驗得知,相對不同的閥,其反應速度、彈簧力各不相同,在實際調試過程中,對T4壓縮式調速器綜合式PID控制算法是在長期現場實際運行的基礎上,在傳統PID控制理論的指導下總結出來的一套控制方法。它與數字式液壓系統相結合,