王順平

（福建省沙縣城關(guān)水電有限公司,福建　三明　365500）

解析水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器控制原理調(diào)試及故障處理

王順平

（福建省沙縣城關(guān)水電有限公司,福建三明365500）

摘要：水輪機(jī)調(diào)速器分為以下幾種類型：機(jī)械和電氣液壓型采用的是PID控制方式，但是常規(guī)的PID控制難以支持大型水輪機(jī)和電網(wǎng)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制要求，現(xiàn)在所采用的一般是變參數(shù)PID、自適應(yīng)控制盒模糊控制等高級(jí)且復(fù)雜的控制方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制。因此對(duì)水輪機(jī)的微機(jī)調(diào)速器的控制策略分析，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)具有非線性和變形的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；微機(jī)調(diào)速器；智能控制

1　水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是由調(diào)速器和被控對(duì)象組成。水輪機(jī)的調(diào)速器主要的作用是運(yùn)用電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的開度，從而使水輪機(jī)調(diào)整發(fā)電機(jī)的功率輸出，并使發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持在規(guī)定的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。水輪機(jī)的被控對(duì)象是由水輪機(jī)系統(tǒng)（包括水力系統(tǒng)，如調(diào)壓井和壓引水道等）和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（包括電氣、電壓和機(jī)械慣性調(diào)節(jié)三部分）組成。水輪機(jī)的控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，是集水力、機(jī)械和電氣一體化系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，建立系統(tǒng)化的數(shù)學(xué)模型需要忽略一些不必要的參數(shù)。

2　微機(jī)調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)

機(jī)械液壓型調(diào)速器、電氣液壓型調(diào)速器和微機(jī)調(diào)速器是調(diào)速器發(fā)展的3個(gè)階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的發(fā)展應(yīng)用也在不斷進(jìn)步。數(shù)字化PID技術(shù)可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行精度高，運(yùn)算速度快的測(cè)頻效，而且具有可靠性高的特點(diǎn)，可以它的控制方式可以由軟件編程控制，具有靈活多變的效果，容易對(duì)各種結(jié)構(gòu)的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更高級(jí)的控制算法的應(yīng)用與調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)的技術(shù)的不斷推進(jìn)也對(duì)微機(jī)調(diào)速器的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，先后也經(jīng)歷了以下的幾種類型：（1）最早的單板機(jī)和單片機(jī)8位數(shù)據(jù)傳輸調(diào)節(jié)，當(dāng)時(shí)的運(yùn)算速度還是比較慢。（2）STD總線工業(yè)控制機(jī)。（3）可編程控制器，現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用很廣泛，而且相應(yīng)的技術(shù)也比較成熟。（4）工業(yè)PC機(jī)。（5）可編計(jì)算機(jī)控制器（PCC）。現(xiàn)在工業(yè)中主流的調(diào)速器產(chǎn)品就是以PLC為控制器，由PLC圖形化編程和數(shù)學(xué)算法一起實(shí)現(xiàn)的，但是面對(duì)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的情況來(lái)看，它的運(yùn)算速度等一系列的方式都遠(yuǎn)不及PC機(jī)。因此，在現(xiàn)代工業(yè)中計(jì)算機(jī)控制器則是作為最合適的控制來(lái)控制實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜高級(jí)的控制方式。

現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中開始應(yīng)用了可編程控制調(diào)速器，其功能特點(diǎn)更為先進(jìn)：（a）可靠性。可編程調(diào)速器由可編程控制器，操作面板和功能模塊等構(gòu)成，穩(wěn)定性和操作安全都做到了最優(yōu)化。（b）測(cè)頻?？删幊陶{(diào)速器的測(cè)頻通道有四條，在機(jī)組PT、齒輪和電網(wǎng)的測(cè)頻上能夠更快及時(shí)的完成檢測(cè)任務(wù)。而且計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷優(yōu)化，運(yùn)行速度不斷提升，現(xiàn)在的可編程調(diào)速器的測(cè)頻精度也進(jìn)一步提升。而且現(xiàn)在的可編程調(diào)速器通過(guò)測(cè)量信號(hào)的上升沿的時(shí)間實(shí)現(xiàn)測(cè)頻，不在需要二分頻來(lái)測(cè)量周期脈寬時(shí)間，因此實(shí)時(shí)性增強(qiáng)。而且在測(cè)頻的應(yīng)用上，用戶可以根據(jù)自身要求任意選擇方式進(jìn)行測(cè)頻，既有單通道，也可用四通道或兩通道搭配使用等等。把他們結(jié)合起來(lái)使用更是增強(qiáng)了他們檢錯(cuò)和糾錯(cuò)效果，能夠快速找出錯(cuò)誤信息和愿意，并作出報(bào)警，且能夠排除故障通道影響，使得測(cè)頻有了高可靠性。

3　微機(jī)調(diào)速器控制策略

（1）PID調(diào)節(jié)PID控制的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)容易整定和適應(yīng)能力強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)此PID控制成為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種很實(shí)用控制方式。目前，我國(guó)大部分水輪調(diào)節(jié)均是采用PID控制。同時(shí)，應(yīng)用PID的增量型控制算法配合步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用，采用增量型PID控制比較適合與步進(jìn)電機(jī)配合使用，使得系統(tǒng)工作運(yùn)行更加穩(wěn)定。

（2）變參數(shù)PID調(diào)節(jié)控制策略水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)具有時(shí)變與不確定特性的非線性系統(tǒng)。目前我國(guó)大部分調(diào)速器都采用變參數(shù)PID控制,通過(guò)水頭、導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的運(yùn)行情況來(lái)確定PID參數(shù)。變參數(shù)算法主要分為模糊變參數(shù)PID控制、自適應(yīng)變參數(shù)PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制和遺傳算法PID控制等,這些控制都是以PID為主體框架,通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)來(lái)調(diào)整,使系統(tǒng)在不同的運(yùn)行情況下可以更優(yōu)化運(yùn)行。

a.模糊控制，是一種非線性不需要被控對(duì)象的控制模型,對(duì)于處理非線性、時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)的控制具有良好的控制效果,對(duì)于純模糊控制,會(huì)存在靜差,所以要結(jié)合積分環(huán)節(jié)來(lái)消除靜差。模糊控制對(duì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化較大的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng),其控制性能并不能達(dá)到最優(yōu)。

b.自適應(yīng)控制，是按照系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)變化的PID調(diào)節(jié)器。對(duì)于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如果采用自適應(yīng)控制。不僅具有較強(qiáng)的參數(shù)自適應(yīng)性,而且能使調(diào)節(jié)系統(tǒng)獲得更優(yōu)良的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

c.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，是模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行信息的存儲(chǔ)，檢索和處理，它對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性，但是由于這種控制的決策時(shí)間比較長(zhǎng)的原因，所以并不能滿足實(shí)時(shí)性控制。

4　故障處理

對(duì)于一些常見故障的診斷方法：

（1）網(wǎng)頻故障：首先要去檢查網(wǎng)頻保險(xiǎn)是否熔斷，接線是否虛斷；

（2）導(dǎo)葉隨動(dòng)系統(tǒng)故障：要先檢查電位器是否松動(dòng)，其次反饋打壓有沒(méi)有輸入，然后看電位器的工作電源是否正常；

（3）水力故障：有時(shí)可能是由于引水系統(tǒng)的水流壓力振動(dòng)導(dǎo)致水輪機(jī)的齒輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)；

（4）電氣故障：可能是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和釘子的間隙不均勻。

在日常的生產(chǎn)工作中，遇到的問(wèn)題往往是想不到的，產(chǎn)生的原因更是出乎意料，所以要對(duì)調(diào)速器的基本原理有很詳細(xì)的掌握。

5　總結(jié)

在我國(guó)，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)還有待提高，因?yàn)槲覈?guó)控制學(xué)科的研究起步比較晚，對(duì)于控制的策略還有待精進(jìn)和研究，目前我國(guó)大部分的調(diào)速器生產(chǎn)還是采用的PID調(diào)節(jié)。采用PID，一是PID調(diào)節(jié)的魯棒性很強(qiáng)，二是我國(guó)PID技術(shù)還是比較成熟，三是對(duì)于其他方法計(jì)算方式過(guò)于復(fù)雜，四是其他控制策略的理論研究還是比較少的?，F(xiàn)在由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的采用，PLC作為控制器的使用方式也比較少用。因此對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的研究更多的應(yīng)采取對(duì)控制學(xué)科的深入研究，將更多更好的控制策略有效的結(jié)合在一起，發(fā)揮出更優(yōu)化的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］俞亞新,金波.一種模糊變系數(shù)PID控制器及其在水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程.2007（08）.

［2］梁宏柱,葉魯卿,孟安波.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器及其在水電機(jī)組調(diào)速器中的應(yīng)用［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè).2003（06）.