水輪機(jī)調(diào)速器是水電站重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)備, 其質(zhì)量的好壞直接影響到電能品質(zhì)和電站安全及經(jīng)濟(jì)運行。目前市場上主要有基于單片機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)、可編程控制器等三種類型的微機(jī)調(diào)速器。雖然微機(jī)調(diào)速器的性能不斷得到改善, 但縱觀微機(jī)調(diào)速器的發(fā)展, 還存在以下問題[1 ] : (1) 基于單片機(jī)的微機(jī)調(diào)速器一般均采用單片機(jī)實現(xiàn), 其硬件多為自行設(shè)計制造, 元件檢測、篩選、老化處理、焊接及生產(chǎn)工藝等都受到限制, 造成調(diào)速器可靠性較低?；诠た貦C(jī)的微機(jī)調(diào)速器, 雖有一系列優(yōu)點, 但裝置訪問時間較長, 體積大, 且成本高, 僅適合大型機(jī)組?；诳删幊踢壿嬁刂破鞯奈C(jī)調(diào)速器, 雖然可編程邏輯控制器本身的可靠性很高, 但其測頻裝置一般由單片機(jī)實現(xiàn), 由于該類調(diào)速器的測頻裝置存在與基于單片機(jī)的微機(jī)調(diào)速器同樣的問題, 從而使其可靠性大大降低。(2) 通常PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對象的特征參數(shù), 利用推薦公式、仿真計算及實際經(jīng)驗, 先選擇PID參數(shù)初值, 然后進(jìn)行現(xiàn)場試驗并修改調(diào)節(jié)參數(shù)。這種方法只能根據(jù)當(dāng)時的工況選擇1～2 組較優(yōu)參數(shù),難以實現(xiàn)水力機(jī)組所有工況的最佳控制。(3) 電液隨動系統(tǒng)中現(xiàn)有的電液轉(zhuǎn)換元件的可靠性和技術(shù)性能與微機(jī)調(diào)節(jié)器的發(fā)展不協(xié)調(diào), 在運行過程中存在的堵塞發(fā)卡、漂移及對油質(zhì)的過高要求和較大的漏油量等問題還未得到很好解決, 從而降低了調(diào)速器整機(jī)的可靠性。本文提出的步進(jìn)式水輪機(jī)調(diào)速器是以可編程計算機(jī)控制器(PCC) 為控制核心, 采用基于模糊規(guī)則的適應(yīng)式參數(shù)自調(diào)整PID 控制策略,并配以高可靠步進(jìn)式電液隨動系統(tǒng)為功率放大單元的新一代步進(jìn)式微機(jī)調(diào)速器。實際運行結(jié)果表明,該調(diào)速器有效解決了現(xiàn)有調(diào)速器存在的問題, 具有良好的靜、動態(tài)特性和很高的可靠性。
1 步進(jìn)式水輪機(jī)PCC 調(diào)速器硬件[2 ,3 ]
步進(jìn)式水輪機(jī)PCC 調(diào)速器以奧地利B&R 公司的2003 系列可編程計算機(jī)控制器為硬件主體。2003系列可編程計算機(jī)控制器CPU 模塊采用多處理器結(jié)構(gòu), 其I/O 處理器主要負(fù)責(zé)獨立于CPU 的數(shù)據(jù)傳輸工作, 而雙口控制器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理, 它們既互相獨立, 又互相關(guān)聯(lián), 從而使主CPU的資源得到了合理使用, 同時又最大限度地提高了整個系統(tǒng)的速度。
1.1 硬件配置 針對目前調(diào)速器在測頻、人機(jī)接口上存在的問題, 在選擇可編程計算機(jī)控制器模塊時, 選用CP474 作為調(diào)速器的CPU 模塊, 高速數(shù)字量輸入模塊DI135 作為調(diào)速器測頻輸入模塊, 模擬量輸入模塊AI351 為接力器位移量輸入模塊, 數(shù)字量混合模塊DM438 作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖輸出和調(diào)速器開關(guān)量輸入輸出模塊, 緊湊型人機(jī)接口面板P120 作為調(diào)速器的人機(jī)接口, 使得系統(tǒng)更為緊湊、可靠。結(jié)構(gòu)見圖1。
1.2 步進(jìn)式電液隨動系統(tǒng) 液壓隨動系統(tǒng)采用步進(jìn)式電液隨動系統(tǒng), 其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。電液隨動系統(tǒng)為二級隨動系統(tǒng)。第一級為由脈沖分配器、功率放大回路、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的機(jī)電隨動系統(tǒng);第二級由二級液壓放大環(huán)節(jié)組成, 引導(dǎo)閥與輔助接力器構(gòu)成第一級液壓放大環(huán)節(jié), 主配壓閥與主接力器構(gòu)成的第二級液壓放大環(huán)節(jié)。由于液壓隨動系統(tǒng)中取消了傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器, 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的步進(jìn)式引導(dǎo)閥, 從根本上解決了由電液轉(zhuǎn)換器發(fā)卡引起的控制失靈等問題, 使電液隨動系統(tǒng)的可靠性大大提高。
2 步進(jìn)式水輪機(jī)PCC 調(diào)速器軟件
調(diào)速器軟件分為PCC 部分和人機(jī)接口面板部分。PCC 部分采用B&R 公司獨特的PL2000 高級語言編制, 編程更方便, 更利于描述復(fù)雜的控制思想。人機(jī)接口面板P120 部分采用PCS 軟件編制。
2.1 頻率測量 PCC CPU 模塊CP474 內(nèi)部具有時間處理單元TPU , 該處理單元利用其內(nèi)部4MHz 的計數(shù)時鐘測量輸入脈沖的頻率, 而DI135 的作用就是將整形后的機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號傳至TPU。PCC 測頻的基本思路是: 先將機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號整形為同頻率的方波信號, 該方波信號經(jīng)DI135 送入CP474 的TPU 輸入通道, TPU 讀取方波信號兩相鄰上升沿之間的計數(shù)值N , 則所測頻率為:
f = f c/N
式中: f c 為PCC 內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)頻率。
由于頻率測量是影響調(diào)速器可靠性的關(guān)鍵因素之一, 因此, 除了采用波形整形和采用高速計數(shù)器外, 還特別增加軟件和硬件的容錯及故障自診斷能力。在設(shè)計時按以下原則考慮: (a) 發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍為零到飛逸轉(zhuǎn)速; (b) 連續(xù)兩個采樣時刻頻率差值應(yīng)小于Δ= 50 T/Ta , 其中50 為額定頻率, T 為采樣周期, Ta 為機(jī)組慣性時間常數(shù)。若本次頻率值與上次頻率值之差的絕對值大于Δ,則對機(jī)頻錯誤計數(shù)器加1。若錯誤計數(shù)小于某一定值, 則用上次頻率值作為本次頻率值。如果錯誤計數(shù)連續(xù)大于某一定值, 則承認(rèn)本次頻率值。(c) 對網(wǎng)頻或機(jī)組并入大網(wǎng)時的機(jī)頻, 若頻率值不在一定的頻率范圍內(nèi), 且達(dá)到一定次數(shù), 則認(rèn)為測頻出錯。(d) 如果連續(xù)一段時間內(nèi)沒有機(jī)頻網(wǎng)頻信號, 則認(rèn)為機(jī)頻網(wǎng)頻消失, 且發(fā)出相應(yīng)的報警信號。
2.2 智能PID 算法 頻率給定與機(jī)組頻率比較, 其偏差E 輸入PID 調(diào)節(jié)器, 形成與偏差相對應(yīng)的調(diào)節(jié)規(guī)律。機(jī)組并網(wǎng)前, 頻率給定等于電網(wǎng)頻率, 從而使機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率使機(jī)組迅速并網(wǎng)。為提高機(jī)組并網(wǎng)后增減負(fù)荷的速度, 增加了功率給定( Pg) 的前饋環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外的微機(jī)調(diào)節(jié)器所采用的調(diào)節(jié)規(guī)律大多數(shù)是PID 型, 而且參數(shù)基本是固定的, 這樣, 當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生變化時, 調(diào)節(jié)系統(tǒng)就不能很好隨系統(tǒng)工況的變化改變策略, 因此, 調(diào)節(jié)效果將受影響。本文所提出的基于模糊規(guī)則的智能PID 能夠隨系統(tǒng)的變化而自動調(diào)整PID 參數(shù)。離散化后計算公式為:
式中: kp 、kI 、kD 分別為比例增益、積分增益、微分增益, T 為采樣周期, TD 為實際微分環(huán)節(jié)時間常數(shù), e (k) 為第k 個采樣周期的偏差。
模糊PID 就是在上述常規(guī)PID 的基礎(chǔ)上, 采用模糊推理規(guī)則逐漸地修改PID 參數(shù), 以改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)[4 ,5 ] 。其參數(shù)調(diào)整規(guī)則如下: 規(guī)則1 : 如果系統(tǒng)輸出大于給定值, 減少kI ; 規(guī)則2 : 如果系統(tǒng)上升時間大于所要求的上升時間, 且無超調(diào), 增大kI ; 規(guī)則3 : 如果在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)輸出有波動,適當(dāng)增大kD ; 規(guī)則4 : 如果系統(tǒng)輸出對干擾信號反應(yīng)敏感, 適當(dāng)減小kD ; 規(guī)則5 : 如果系統(tǒng)上升時間過大, 且kI 較大, 增大kp ; 規(guī)則6 : 規(guī)則2 的優(yōu)先級高于規(guī)則5 , 即當(dāng)上升時間過大時, 先調(diào)整kI ,再調(diào)整kp ; 并考慮控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)和算法的執(zhí)行時間。根據(jù)以上規(guī)則, 設(shè)計出如下用于修改kI, kp 和kD 的Fuzzy 參數(shù)調(diào)整矩陣表。
表1 qp 調(diào)整表
式中: Cp 、CI 、CD 為比例系數(shù); qp 、qI
