一種適用于小型水輪機調速器的電液隨動系統

王印松，宋凱兵

(華北電力大學河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心，河北保定071003)

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一種適用于小型水輪機調速器的電液隨動系統

王印松，宋凱兵

(華北電力大學河北省發電過程仿真與優化控制工程技術研究中心，河北保定071003)

針對水輪機調速器電液隨動系統存在著結構復雜、體積大、標準化程度不高、可靠性較低和抗污染能力差等問題，提出了一種適用于小型水輪機調速器的電液隨動系統。該系統主要由液壓標準元件組成，具有結構簡單、工作可靠、價格便宜、抗污染能力強等特點；采用Bang-Bang控制和脈寬調制(PWM)控制構成的雙模控制算法，算法簡單，易于在PLC上實現。實驗證明了系統具有良好的動態、穩態性能。

水輪機調速器；電液隨動系統；Bang-Bang控制；PWM控制；PLC

0 引 言

水輪機調速器是水輪發電機組重要的自動控制設備之一，其調節品質的優劣和運行的可靠性直接關系到水輪發電機組的安全、穩定運行和電能質量。因此，對品質優良、可靠性高的水輪機調速器的研究一直是一個非常重要課題。

電液隨動系統作為水輪機調速器的執行機構，長期以來存在著系統結構復雜、體積大、標準化程度不高、可靠性低和抗污染能力差等現象[1]。其研究算法大多集中在包括模糊PID、自適應控制、人工神經網絡和遺傳算法等在內的復雜控制算法。因此造成了水輪機調速器電液隨動系統“大腦發達，四肢不靈”的現狀。近年來，隨著液壓標準元件在水輪機調速器領域中的使用，其標準化程度大大提高，結束了調速器長期游離于現代液壓技術之外，制約液壓新技術在水輪機調速器中應用的尷尬局面[2- 3]。針對于此，本文提出了一種適用于小型水輪機調速器的電液隨動系統。該系統主要由液壓標準元件組成，取消了主配壓閥結構，具有結構簡單、工作可靠、價格便宜、抗污染能力強等特點，而且控制算法簡單，易于在PLC上編程實現。

本電液隨動系統采用電磁換向閥控制替代傳統的伺服閥或者比例閥控制。電磁換向閥功耗較小，價格便宜，控制簡單，有效降低了系統的成本和簡化系統的結構。電磁換向閥工作在全開或者全關的狀態，與控制器之間連接為開關量連接，因此具有很強的抗污染能力和抗干擾能力，系統的環境適應性強。

可編程控制器(PLC)采用德國西門子公司的SIMATIC S7- 200，它具有功能強大，編程簡單，可靠性高，通用性強，擴展靈活等特點。本電液隨動系統的控制算法采用將Bang-Bang控制和脈寬調制(PWM)控制相結合的雙?？刂扑惴?。該控制算法復合了Bang-Bang控制的快速性和脈寬調制(PWM)控制精度高的優點，而且控制算法簡單，容易在PLC上編程實現。最后通過實驗驗證，證明了本電液隨動系統具有良好的動、穩態性能，具有一定的工程應用推廣價值。

1 電液隨動系統的組成及工作原理

電液隨動系統的主要功能是控制活塞的左右移動，達到位置控制的目的。本系統的結構組成如圖1所示。當活塞左移時，壓力油進入接力器油缸的右腔室，左腔室回油，當活塞右移時，壓力油進入接力器油缸的左腔室，右腔室回油；當油液壓力低于壓力設定值下限時，電機啟動，油泵開始加壓，油液壓力增大，當油液壓力達到壓力設定值上限時，電機停止工作，油泵加壓結束，其能量儲存在蓄能器中，用于驅動活塞左右移動。接力器油缸的活塞與水輪機的接力器相連，而接力器的轉動就會改變水輪機導葉的開度。

圖1 電液隨動系統組成示意

該系統分自動控制和手動控制兩種模式。自動控制時：3DT失電，1DT和2DT互鎖，能且只能一個帶電控制活塞左右移動，控制指令來自主控制器；手動控制時：3DT帶電，1DT和2DT失電，通過手動控制桿控制活塞左右移動。

當系統處于自動控制模式下時，根據電磁鐵通斷電情況，分析活塞左移、右移和停止3種工作狀態。

左移工作狀態，電磁鐵2DT通電，1DT和3DT斷電，三位四通電磁換向閥12處于右位，壓力油通過電磁換向閥10和12進入接力器油缸右腔室，活塞向左移動。

右移工作狀態，電磁鐵1DT通電，2DT和3DT斷電，三位四通電磁換向閥12處于左位，壓力油通過電磁換向閥10和12進入接力器油缸左腔室，活塞向右移動。

停止工作狀態，電磁鐵1DT、2DT和3DT斷電，三位四通電磁換向閥12處于中位，壓力油被截止，活塞保持于當前位置。

2 PLC控制系統的硬件構成

該電液隨動系統采用SIMATIC S7- 200可編程控制器(PLC)作為主控制器，組成一個閉環控制系統，對被控參數進行實時測量，通過控制電磁換向閥的電磁鐵通斷電情況，來控制活塞左右移動，達到位置控制的目的。

圖2 PLC硬件組成示意

PLC控制系統的硬件組成如圖2所示，其具體組成如下：CPU選用CPU 224XP CN，具有14個數字量輸入點和10個數字量輸出點；模擬量輸入模塊選用EM231，具有4個模擬量輸入點，本系統輸入為4～20 mA直流電流信號；電源選用西門子S7- 200專用電源PS 207，最大輸出電流為2.5 A；位移傳感器選用LEC150拉線位移傳感器，輸出為4～20 mA直流電流信號，繼電器選用JZX- 22F/4Z，繼電器底座選用CZY14A。

PLC控制系統通過CPU、繼電器、執行機構及位移傳感器組成一個帶反饋的閉環控制系統。該閉環控制系統在人機界面輸入活塞位置設定值后，經過PLC綜合計算處理給出相應的控制指令，控制壓力油進入接力器油缸的方向，進而控制活塞的左右移動，達到位置控制的目的。

3 控制算法的實現

本文提出的電液隨動系統采用將Bang-Bang控制和PWM控制相結合的雙?？刂扑惴ǎ摽刂扑惴◤秃狭薆ang-Bang控制的快速性和PWM控制的精度高的優點，而且算法簡單，容易在PLC上編程實現。該雙模控制的主要思想是：系統設置位置誤差閾值ξ，當位置誤差e大于位置誤差閾值ξ時，為保證盡快減小位置誤差采用Bang-Bang控制算法；當位置誤差e小于位置誤差閾值ξ時，為保證控制精度采用PWM控制算法；其控制算法的流程如圖3所示。

圖3 Bang-Bang+PWM控制流程

3.1 Bang-Bang控制算法

在電液隨動系統的位置控制中，為實現系統的時間最優控制，首先考慮Bang-Bang控制。Bang-Bang控制的思想是在控制域內，以最快的速度接近控制目標，實現時間最優或時間次優，具有控制結構簡單，響應時間短以及可靠性高等優點。

Bang-Bang控制也稱為開關控制或最小時間控制。設非線性時變系統的狀態方程可由下列微分方程描述

(1)

初始條件為X(t0)=X0

(2)

目標集條件為S(t)，X(t)∈S(t)

(3)

(4)

控制u(t)是受限的，即

(5)

(6)

對象的狀態方程(1)滿足一定條件時，受限控制uj(t)的最優解為

(7)

式中，Δ表示不確定；qj(t)為開關函數，若qj(t)只在獨立的瞬間取零值，則稱這種時間最優控制為平凡的，這就是Bang-Bang控制。

本電液隨動系統中，采用的Bang-Bang控制策略為

(8)

式中，U為數字量輸出，e為位置誤差值，ξ為位置誤差閾值。

但是單一的Bang-Bang控制雖然控制時間最優，但是系統往往會在期望值的附近產生極限振蕩的現場，影響系統的穩定性，穩態誤差也較大，因此Bang-Bang控制一般不單獨使用，常和其他控制算法結合使用，以期望達到良好的控制效果和控制精度。本文將Bang-Bang控制算法和PWM控制算法綜合使用，經過多次試驗，系統的位置誤差閾值設為ξ=1.7 mm。

3.2 PWM控制算法

當系統活塞的位置誤差e小于位置誤差閾值ξ時，為保證控制精度采用PWM控制算法，現分析雙?？刂浦械腜WM控制算法。

設脈寬信號的周期為T，T1為電磁換向閥的通電時間，T2為電磁換向閥的斷電時間，則T1+T2=T，定義τ=T1/T定義為脈寬信號的占空比[10]。電磁換向閥在脈寬信號的控制下做開關動作，在一個脈寬信號周期內，PWM控制策略可表示為

(9)

式中，U表示數字量輸出。

由式(9)可得，通過控制電磁換向閥通電時間T1的大小，即調節脈寬信號的占空比，可以實現活塞位置的微調，進而滿足電液隨動系統對控制精度要求，同時也在一定程度上減少了系統在期望值附近的劇烈的抖動，提高了系統的穩定性。

4 實驗驗證

本系統采用STEP7-Micro/WIN對PLC S7—200進行編程。本電液隨動系統活塞的最大行程為170 mm，根據系統控制精度的要求，活塞位置的最大允許誤差為δ=±0.2 mm。設系統活塞的位置設定值為r，位置測量值為y，則位置誤差的計算公式為

e=y-r

(10)

采用上述參數，對PLC S7—200進行編程，下載并運行程序，實時監控PLC內重要參數和活塞位置變化過程。通過數據采集，得到電液隨動系統活塞位置的實際響應曲線如圖4所示。測得其中4個時間點對應的位置設定值、測量值和偏差值如表1所示。從圖4和表1中可以看出，在自動運行模式下，輸入活塞位置的設定值后，活塞能快速到達指定位置并保持位置不變，同時也滿足電液隨動系統控制精度的要求，控制誤差在最大允許誤差范圍之內，系統具有良好的動態性能和穩態性能。該電液隨動系統的位置誤差最大值為±0.12%，再配上其他合理的裝置，完全能夠滿足小型水輪機調速器的國家標準。

圖4 位置響應曲線

時間/s設定值/mm測量值/mm偏差值/mm13808012012178080080042616015986-0143216015991-009

5 結 語

本文對電液隨動系統的結構組成及工作原理和PLC的硬件構成進行了介紹，系統具有結構簡單、工作可靠、價格便宜、抗污染能力強等特點。分析了電液隨動系統的Bang-Bang+PWM雙?？刂扑惴ǎo出了控制算法的流程圖，算法簡單，易于在PLC上編程實現，最后通過實驗驗證了控制算法的有效性和可行性。實驗表明，該電液隨動系統能夠快速跟蹤位置設定值，具有良好的動態性能和穩態性能，再配上其他合理的裝置，完全能夠滿足小型水輪機調速器的國家標準，具有一定的工程應用推廣價值。

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(責任編輯 高 瑜)

Study of Electro-hydraulic Servo System Suitable for Small Hydro Turbine Governor

WANG Yinsong, SONG Kaibing

(Hebei Engineering Research Center of Simulation & Optimized Control for Power Generation, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei, China)

In view of the complicated structure, large size, low standardization, low reliability and poor anti-pollution of electro-hydraulic servo system of hydro turbine governor, a kind of electro-hydraulic servo system suitable for small turbine governor servo system is put forward. The system is mainly consisted by standardizated hydraulic components, and has the characteristics of simple structure, reliable operation, low price and strong anti-pollution ability. The system uses a dual mode control algorithm of Bang-Bang control and Pulse Width Modulation (PWM) control, which is simple and easy to be realized in PLC. The experiments demonstrate that the system has good dynamic and steady performance．

hydro turbine governor; electro-hydraulic servo system; Bang-Bang control; PWM control; PLC

2016- 04- 06

國家電網公司科技項目資助(DWJS500060)

王印松(1967—)，男，河北河間人，教授，博士，主要從事清潔能源發電控制技術的研究．

TM312

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0559- 9342(2016)09- 0079- 04