水轮机调节系统动态特性及参数整定

Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,Click to edit Master title style,赵斌娟,讲师,主 讲 人,流 体 机 械 自 动 控 制,目 录,第一章 概 述,第二章 机械液压调速器,第三章 电气液压调速器,第四章 微机调速器,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,一、数学模型,结构框图,调速器,调节对象,G,r,(s),G,t,(s),G,g,(s),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,这是一个三输入单输出系统,(,若无测频微分，实际上与,c,即为一回事,),。,一、数学模型,一般主要关心的闭环传递函数为,:,和 两种。,对给定信号,，闭环传递函数为,:,式中 为调节系统开环传递函数。,对负荷扰动，闭环传递函数为,:,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,一、数学模型,1,、对,PI,型,(,不含测频微分电路,即当,时,),式中为根轨迹增益：,(,只与工况有关,),(P201,式,7-5),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,一、数学模型,2,、对,PID,型,(,含测频微分电路,),式中为根轨迹增益：,(,只与工况有关，因为,，,k,由测频微分电路确定,),(P201,式,7-6),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,1,、开环对数频率特性,(,以,PI,型为例,),Matlab,软件分析,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,能源与环境学院,水轮机调节及辅助设备,二、频率特性与根轨迹,1,、开环频率特性,(,以,PI,型为例,),第七章,水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节,水轮机调节系统动态特性,增益裕量,相位裕量,1,、开环频率特性,(,以,PI,型为例,),校正装置参数，对，的影响,（,P203,表,7-1,）,。,由表中数据前,5,列可见：增加，增加，增加，稳定性增强。,由表中数据后,5,列可见：增加，增加，增加，稳定性增强。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,2,、根轨迹分析,(,以,PI,型为例,),根轨迹方程为：,由于,所以，根轨迹方程变为：,则有：,所以：,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,2,、根轨迹分析,(PI,型,),根轨迹如图所示：,(a),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,2,、根轨迹分析,(PI,型,),根轨迹如图所示：,(b),T,d,相当大，以致,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,2,、根轨迹分析,(PI,型,),根轨迹如图所示：,(c),但十分接近,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,2,、根轨迹分析,PI,型根轨迹分析,水轮机调节系统是一个条件稳定系统，,K,d,增加可能导致系统不稳定。,T,d,的取值对根轨迹形状将产生影响，,T,d,增加，越过虚轴时的,K,d,值变大。由于,K,d,仅取决于对象参数，故这样对系统稳定有利。,过分使,T,d,增加，可能在虚轴附近存在极点，动态品质变差。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,(PID,型,),根轨迹如图所示：,(a),T,n,较小,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,(PID,型,),根轨迹如图所示：,(b),T,n,较大,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,(PID,型,),根轨迹如图所示：,(c),T,n,进一步增大,而且靠近,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,二、对数频率特性与根轨迹,PID,型根轨迹分析,系统仍为条件稳定系统。,T,n,对根轨迹影响也较大。,T,n,增加，越过虚轴时的增益变大，因此对系统稳定有利,(,因为,K,n,也只与对象有关,),。,过分使,T,n,增加，也可能在虚轴附近出现极点，使系统动态品质变差。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第一节 水轮机调节系统动态特性,三、稳态误差,由闭环传递函数知系统为零阶无差度系统，则在阶跃负荷扰动,m,g0,作用下将有稳态位置误差。,对阶跃负荷扰动：,显然，若,，则,(,无静差,),。,对转速给定信号：,即：,显然，若,，则,，,。,(P208,式,7-14),(P208,式,7-19),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,一、稳定域,系统闭环特征方程,对该方程应用,代数判据,侯维智判据,，可导出系统的稳定域。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,一、稳定域,1,、,PI,型,可绘制稳定域,令,(a),、额定工况,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,一、稳定域,1,、,PI,型,可绘制稳定域,令,(b),、最小水头，限制出力工况,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,一、稳定域,1,、,PI,型,可绘制稳定域,令,(c),、最大水头，额定出力工况,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,一、稳定域,1,、,PI,型,可绘制稳定域,令,(d),、额定水头，部分负荷工况,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,1,、,PI,型,结论,运行工况对稳定域影响很大。在水轮机模型特性曲线上靠左侧工况稳定域宽广，靠右侧工况稳定域变小。,e,n,对稳定域影响很大。,e,n,增加，则稳定域增大。,b,t,增加，,T,d,增加，则坐标点离稳定边界越远，系统越稳定。,T,w,增加，则,a,减小，,d,减小，坐标点靠近稳定边界，稳定性下降。,T,a,增大，则,a,增大，坐标点离边界远，稳定性增强。,一、稳定域,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,一、稳定域,1,、,PI,型,注意：,前述讨论仅对单机带确定负荷有效。,当机组运行于特性曲线靠左侧区域时，机组空载，尾水管水压脉动会导致机组转速摆动。,机组满载时，往往是并网运行，,e,n,较大，故稳定性增强。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,2,、,PID,型,可绘制稳定域,结论：,T,n,在一定范围内增加，可扩展稳定域。,一、稳定域,令,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,一、稳定域,3,、弹性水击影响,考虑弹性水击的稳定域如图所示。,结论：,T,r,增加，稳定域减小。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,二、稳定余量域,稳定余量定义：,若闭环特征方程的根全部位于通过,(-m,，,j0),点垂线的左边（,m0,）， 那末该系统在复平面上的稳定余量为,m,。,稳定余量域给出了闭环主导极点离虚轴的远近程度。,闭环主导极点离虚轴越远，则系统越稳定，调节时间减小。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,二、稳定余量域,设原特征方程为：,为该方程特征根。,若将,s,平面虚轴向左平移,m,距离，则,s,平面变为,s,平面，,在,s,平面内的坐标变为：,即：,将,(2),带入,(1),后得：,对,(3),式利用代数判据,侯维智判据可推出,z,的稳定域,实际上就是,具有,m,稳定余量的稳定域，称为,的稳定余量域。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,m,二、稳定余量域,Re,Im,0,Im,i,Z,i,Z,i,=,i,-,(,-m,),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,二、稳定余量域,稳定余量域图,结论：,m,不可能无限增大，必然出现极值。,e,n,对稳定余量域有明显影响。,e,n,增大，则,m,增大。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,三、水轮机调节系统动态品质,考核指标有,：转速过渡过程的调节时间,，最大相对转速偏差,，振荡次数。,（一）阶跃响应分析,1,、对,m,g0,的阶跃响应,表现：曲线,2,较佳。,其闭环主导极点为,3,个：,显然：,(P217,图,7-10),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,三、水轮机调节系统动态品质,（一）阶跃响应分析,1,、对,m,g0,的阶跃响应,结论：对于,PI,型调节系统，使动态品质最佳的参数取值是使闭环主导极点满足：,(P218,图,7-11),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,三、水轮机调节系统动态品质,（一）阶跃响应分析,2,、对的阶跃响应,阶跃响应图：,结论：,阶跃响应出现了反调现象，这是由水流惯性带来正零点引起的，对稳定极为不利。,，,动态品,质最佳。,(P218,图,7-12),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,三、水轮机调节系统动态品质,（三）对过渡过程的影响,右图示出对过渡过程的影响。,(a),中，,(b),中，,(,最佳,),(c),中，,可见：取得适当，过渡过程较佳，过大使振荡加剧。,推荐值：,(P220,图,7-15),流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第三节 水轮机调节系统参数整定,（基本仅对,PI,型调速器而言）,最佳准则：经理论分析，利用系统开环频率特性，使最小的,，,为：,一、极点配置法,（仅对,PI,型调速器有效）,基本准则：,，,基本原理：寻求一组适当的参数整定值,(,，,),，使在满足根轨迹方程的条件下，闭环极点的分布满足最佳准则。,二、利用开环对数频率特性确定校正环节参数最佳整定,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第三节 水轮机调节系统参数整定,三、斯坦因和克里夫琴柯推荐公式,（一）,斯坦因推荐公式：,PI,型,;,PID,型,;,;,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第三节 水轮机调节系统参数整定,三、斯坦因和克里夫琴柯推荐公式,（二）,克里夫琴科推荐公式：,PI,型,当,; ; ;,这时,当,; ; ;,这时,当,; ; ;,这时,PID,型,; ;,;,这时,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第三节 水轮机调节系统参数整定,四、其它方法,查论文，规范！,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第三节 水轮机调节系统参数整定,思考题,、说明，对系统稳定性的影响。,、分析水轮机几种典型工况对系统稳定性的影响。,、对含有,PI,型调速器的水轮机调节系统，其闭环主导极点分布在什么情况下可获得较好的动态品质？,、系统对转速给定信号,的阶跃响应，与的大小有何联系？,、校正装置参数整定方法有哪些？,、写出斯坦因和克里夫琴柯的推荐公式，并说明其应用条件。,流体机械自动控制,江苏大学,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,第二节 水轮机调节系统稳定性分析,三、水轮机调节系统动态品质,（二）稳定余量域分析,显然，,m,增加，则,T,p,减小。,e,n,增加，则,m,增加，,T,p,减小。,下图表明：,