水輪機調速器PID調節規律研究

胡千佳 羅慶躍 鄒長春

（邵陽學院 湖南邵陽 422000）

1 引言

在水輪機運行過程中，數字PID可對機組轉速進行調節，與傳統的機調和電調相比維護難度較小，同時可實現綜合自動化控制，應用優勢明顯。因此，對水輪機調速器PID調節規律進行詳細探究具有重要的現實意義。

2 水輪機調節的任務和特點

水輪機調速器是由多個元件組成的，包括測量、放大、執行元件等，其調節對象為水輪機、發電機、引水系統等。在調速器PID的實際應用中，水輪機發電機組首先將轉速信號傳遞至需被測量的元件上，然后對元件的頻率信號進行測量，將其轉化為電壓信號，最后將該信號傳遞與給定信號進行比較，確定頻率偏差實際情況，并就此進行調節。調節指令被放大后，即可傳送至執行機構中，推動導水機構，與此同時，反饋元件還可將導葉開度的變化情況傳遞至加法器中。水輪機調節系統結構形式如圖1所示。

圖1 水輪機調節系統方塊圖

3 水輪機調節系統PID控制原理

在水輪機運行過程中，調速器PID是一種常見控制方式，常規PID控制系統原理如圖2所示。

圖2 PID控制系統原理框圖

PID控制器是一種線性控制器，根據給定值r（t）以及實際輸c（t），即可確定偏差：

對于偏差比例（P）、積分（I）以及微分（D），可以根據線性組合形成控制量，然后對被控對象進行控制，其控制規律如下：

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、微分的作用強弱也有區別。其中，KP能夠決定水輪機系統控制作用強弱，如果KP較小，則系統所需時間也較長，如果KP較大，系統相應所需時間較短，這樣很難保證系統運行穩定。有些被控對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，則動態性也會降低，進而影響閉環系統穩定性。另外，若KI過小，則會造成系統相應變慢，KI增大，則系統相應效率比較高，同時還可以對記憶誤差積分，進而消除靜差。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節的影響下，反調節也會隨之增加。水輪機微分控制的優勢在于可對誤差進行微分處理，同時，對誤差變化的敏感度較強。

4 PID參數整定方法

4.1 基于對象參數辨識的整定方法

在被控過程對象參數的辨識和整定過程中，需采用辨識方法對數學模型進行計算，再應用整定算法確定控制器參數。如果辨識方法、整定算法不同，整定方案也會有所不同。參數模型辨識法、非參數模型辨識法是兩種常用的辨識辦法，其中，在對象參數模型辨識方法的應用中，首先需假定一種模型結構，然后根據極小化模型，確定函數模型參數。若事先無法確定模型結構，則首先需要采用結構辨識的辦法確定模型結構參數，然后再應用參數整定辦法實現參數優化。

4.2 基于抽取過程對象輸出響應特征值的控制器參數整定方法

基于對象模型辨識的參數整定操作便捷，由于對象模型中冗余信息量較大，因此，可能會對控制器參數整定造成不良影響，同時控制器參數并不是確定的，對此，首先需要對控制器進行整定處理，這樣才能夠包容對象模型，保障系統穩定性。根據對象輸出相應特征值來實現PID參數整定的辦法眾多，比如閉環Z-N方法、繼電整定法等等。

4 .3參數優化方法

從運籌學角度而言，控制器參數整定指的是在一定的條件約束下，對控制器參數進行調整，從而使得某個目標函數能夠達最優值。在實際應用中，首先需提出合適的目標函數，采用尋優策略，對控制器參數進行整定，這樣才能夠反映出系統的調節情況：，式中，ts-指定過渡過程時間，ts0-參數x下系統過渡過程時間。，式中，Mp-指定超調量，M0p-參數X下系統超調量。

另外，還有一種目標函數是誤差目標函數：

在參數優化方面，主要有兩種方法，間接與直接優化。間接優化指的是首先寫出目標函數，然后根據函數取值的充分條件和必要條件，計算最優參數；直接優化指的是首先對參數空間進行分析，根據一定的規律尋找最優參數，據此所獲得的目標函數即為最小參數點。在參數優化時，無需被控對象的數學模型，只需采用試驗辦法，結合目標函數，即可獲得相關系統動態特征量。

但是，參數優化也有局限性，具體體現在尋優目標函數的提取和確定方面。在選擇目標函數過程中，無論是應用直接指定調節品質指標的方式，還是誤差積分型指標，都有一定的局限性。除此以外，由于控制系統具有多值性特征，因此，在參數優化方面也有不足。對此，還應該積極研究相關優化方式，妥善解決參數整定問題。

5 結語

綜上所述，水輪機調速器PID技術發展迅速，在水電站機組調節控制中廣泛應用，微機調速器調節參數的整定難度較大，同時，不同水電站和機組的微機調速器參數整定方式都有所不同。對此，為了實現參數優化目標，要求水輪機發電機組工作人員學習先進技術，掌握調節辦法，充分發揮水輪機調速器的應用優勢。

[1]方紅慶，陳龍，李訓銘.基于線性與非線性模型的水輪機調速器PID參數優化比較[J].中國電機工程學報，2010，30（5）：100～106.

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