水轮机调节系统动态特性及参数整定.pptVIP

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,Gr(s),Gt(s),Gg(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)Td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，Kd增加可能导致系统不稳定。Td的取值对根轨迹形状将产生影响，Td增加，越过虚轴时的Kd值变大。由于Kd仅取决于对象参数，故这样对系统稳定有利。过分使Td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)Tn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)Tn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)Tn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。Tn对根轨迹影响也较大。Tn增加，越过虚轴时的增益变大，因此对系统稳定有利(因为Kn也只与对象有关)。过分使Tn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mg0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。en对稳定域影响很大。en增加，则稳定域增大。bt增加，Td增加，则坐标点离稳定边界越远，系统越稳定。Tw增加，则a减小，d减小，坐标点靠近稳定边界，稳定性下降。Ta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，en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：Tn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：Tr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,Zi,Zi=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。en对稳定余量域有明显影响。en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mg0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mg0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