（模式识别与智能系统专业论文）汽轮机调速系统特性分析与模型辨识.pdf

华魏魄力大学疆圭学键论文持簧 摘要 零支慰嚣麓广泛采蠲豹数字毫滚调磐( d 鏊薹差) 系绕佟了魄较全嚣甏透镑魏分辑， 建立了汽轮机d e h 系统中电液转换器以及其他主要环节的数学模型。针对舆体模 型慰d e h 系统熬动态秘貉态特性进行了全嚣黪讨论，分板7 彩豌d e h 动态糁性戆 主要因素。同时讨论了d e h 系统中的非线性环节，分析了歹e 区、限幅和滞环特性 对系统的影响并避行了m 嬲曲傍真。分辑了a 饕常用瓣辨识爨法，并对d e l i 系统 的简化模激进行了辨识；通过编写m a t l a b 程序深化了对辨识算法的认识，仿真结 果表明，选用的几秘辨识方法都能褥到鞋：较擐：l 瞧的结豢。 关键词；谖速系统，特性分橱，模墼辨谖 a b s t r a c t t h i sp a p e rt h o r o u g h l ya n a l y s e st h es t e a mt u r b i n ed i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m ( d e h ) t h a t w i d e l ya p p l i e d a t p r e s e n l a n d e s t a b l i s h e s m a t h e m a t i c a l m o d e l o f e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oa n do t h e rc h i e fe q u i p m e n t so fs t e a mt u r b i n ed e h b a s e do ns p e c i f i cm o d e l ， t h i st h e s i sd i s c u s s e st h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e ro fd e h s y s t e ma n da n a l y s et h em a i n f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ed y n a m i cc h a r a c t e r a tt h es a m et i m ea n a l y s e st h en o n l i n e a r c o m p o n e n t so fd e hs y s t e m 。t h ei n f l u e n c eo fd e a d - t i m e , l i m i t i n ga n dh y s t e r e s io nd e h s y s t e mi sa n a l y z e da n de m u l a t e du s i n gm a t l a b a n a l y s e ss e v e r a l i d e n t i f i c a t i o n a 呈g o d t h m si nc o n n n o nu s e 。a n di d e n t i f i e st h ec o m p e n d i o u sm o d e lo fd e hs y s t e m 。t h e c o m p i l eo fm a t l a bp r o g r a m m ed e e p e nt h eu n d e r s t a n d i n gf o ri d e n t i f i c a t i o na l g o d t h m t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a ta ut h ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m sc h o s e nc a no b t a i n r e l a t i v e l yc l o s er e s u l t s 。 w a n gy i n g ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy i n s o n g k e yw o r d s ：s p e e da d j u s t m e n ts y s t e m ，p r o p e r t ya n a l y s i s ， m o d e li d e n t i f i c a t i o n 声明 本人郑麓声明；此处所提交的硕士学位论文汽轮机调速系统特性分析与 鞠强辨谖方法豹磷究，是零入褒零l 墓毫力大学玫褛疆圭攀经絮滴，在导痨援导 下进行的研究工作和取得的研究成槊。据本人所知，除了文中特别加以标淀和致 落之处终，论文孛誉包含其恁入已经发表或撰写过瓣獗究成果，也不包含为获褥 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志砖本硬究援徽的矮何贡献均已在论文串 譬了弱确的说明并表示7 谢意。 学位论文作者签名：壅翘 e t期；兰! 鲨：! ! ：强 关于学位论文使用授权的说明 奉入完余了瓣肇l 电力犬学鸯关徐簦、使瑁学锭论文豹烧定，鼯：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 窜或菸它复溯手段笺涮著绦存学位论交； 学校霉灸诲学键论文被粪阕或薅凌； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论义：f 闭意学校可以用不同方 式褒不嗣媒髂上发袭、赞攮学整论文爨全部凌熬分逡容。 ， 、o 。 眵 多矿 k j c ，r 口 最口( ) = i 大 ”八以、 ；心t 根曲线所示) ，则这个调节系 图2 4 机组甩负荷全过程( a ) 稳定过程( b ) 不稳定过程 统就是稳定的。 生产土艺要求调节系统必须是稳定的，但其过渡过程可以是单调的，也可以是 衰减振荡的，但是在调整时间t 内，明显的振荡不能超过2 3 次。 ( 2 ) 精确性( 转速动态偏差) 1 0 t 华北电力大学硕士学位论文 图2 5 为甩负荷时一种典型的转速过渡过程曲线。在转速调节过程中，最大动 态转速，2 嘣与最后的静态稳定转速啊( 吩= ( 1 + 嘞) 之差幽一被称为转速动态偏差， 或称为转速动态超调量。最大动态转速为= ( 1 + 艿) ，l o + 细。，式中( 1 + 占) 讳为机组 的最后稳定转速，它取决于占的大小。可见在占一定的情况下，其大小就由瓴。值 决定，要控制，k 值，就必须控制血一值。 为保证汽轮机甩负荷时不致引起停机，要求汽轮 机甩负荷时，动态最大转速。必须低于超速保安器占 的动作转速，并留有足够的余量。机械超速遮断装置 的动作转速为( 1 1 0 一1 1 2 ) g 希望最大动态转速 。不超过( 1 0 7 一1 0 9 ) n o ，要减小疆。，则：一方面 万不宜选得过大；另一方面要提高调节性能，例如减小 l 刀_ 伊， | 、一 忍m 图2 - 5 甩全负荷 时转速过渡过程 系统的迟缓，努力减小动态超调量，l 一。此外，在甩全负荷时，若设有自动信号，驱 使同步器快速退向空负荷位置，也将有利于减小最大动态转速，l 一，一般低于3 n u ( 3 ) 快速性( 过渡过程时间t ) 调节系统受到扰动后，从原来的稳定状态过渡到新的稳定状态所需要的最少时 间被称为过渡过程时间。在调节过程中，当被调量与新的稳定值之差小于静态偏 差的5 时，就可以认为系统已达到新的稳定状态。图2 - 5 中址为机组甩全负荷时 的过渡过程时间，过渡过程时间f 不宜过长，一般要求小于5 5 0 s 。 2 3 2 影响动态特性的一些主要因素 经过不断的理论研究和实际试验，一般可用下式来估算甩负荷过程汽轮发电机 组的动态最大飞升速度( 见图2 6 ) 呱大= 外( 五+ 萼) + 弓 ( ，叫 浯4 ， 式中：一汽轮机额定转速 五一甩负荷的百分比 瓦= 卺一转子飞升时间常数 其中，j 一汽轮发电机组转子的转动惯 量( k g m s 2 ) 一额定角速度( r a d s ) 图2 - 6 动态估算曲线 霉耗电力大学疆圭学位论文 蝎。汽轮机额定转矩( k g f m ) 墨，互一油动机的滞后时间和关闭时间( s ) x t 筇2 l l 0 2 帆l , k 一蒸汽容积时间常数( s ) 其中，五一调节闽着锫容积的蒸汽膨胀功( k g f - m ) 地汽轮枫额定功率( k w ) ( 1 ) 转予飞升时问常数瓦 转子飞舞对潮常数燕指转予在额宠功率孵鹣蒸汽燕力矩麓。俸蠲下，转速由霉 升高至额定转速时所需的时间。甩负荷时，越小，转予的最大飞升转速越赢，而 墓避渡邋程振荡加裁。影璃转予飞秀嚣重溺常数豹主要菇素有汽轮发亳梳缀转子转囊 惯量，及汽轮机的额定主力矩m 。，越小、m 。越大，即，越小，越容易加速，随 罄汽轮援容量越来越大，缘或嵇缝增勰，餐转子熬转动馁煮毛却增宓蠡鹣不多，蠢 1 耐瓦越来越小。例如，小功率机组瓦约为1 1 - 1 4 s ，高压机组瓦为7 一l o s ，中间再热 撬维双菇5 - 8 s 。爨戳辊缝功率越丈，超速熬霹能毪墩越太，嚣瑟悉受蔫籍，控秘 动态超速的难度也越大。 ( 2 ) 蒸汽容积辩阖常数嚣 蒸汽容积时间常数嚣是指蒸汽以额定流量，以多变过程充满整个中间容积，并 达到额定王况下的密度所需要的对问，嚣表示中间容积贮存蒸汽能力的大小。当中 闻容积越小、中间容积压力越低时，蒸汽容积时间常数0 越小；反之，乃越大，表 明中闻容积中储存的蒸汽量越火，其徽功能力麓 大，甩负衙时，虽然主蒸汽调节汽阀已迅速关小， 僮中簿客积的蒸汽仍继续漉迸汽轮梳，篷力势麓 在释放，使汽轮机转速额外飞升也就越大 ( 3 ) 转速不等率6 艿丈孵，动态稳定瞧好，调麓速度快，毽淤 淼偏差与静态偏簸均较大，其对动态过程的影响如 翻2 - 7 黪示。 ( 4 ) 油动机时间常数咒 滚动祝露闻常数聋惩指当漓动税淆阕为聚大 时，油动机处在最大进油量条件下走完籀个工作行 程掰需静时闼。 1 2 图2 7 转速变动率对动态过程的影响 鹜2 - 8 油动视时间常 数对动态过稔的影响 华北电力大学硕士学位论文 图2 8 为不同油动机时间常数乙甩负荷过渡过程曲线。由图可见，油动机时间 常数乙越大，则调节汽阀关闭的时间艺越长，调节过程的动态偏差越大，转速过渡 过程摆动幅度越大，过渡过程时间五越长，因而调节品质越差。但另一方面，l 大 可削弱油压波动对调节系统的影响。 ( 5 ) 迟缓率 由于迟缓存在，甩负荷时不能及时是调节汽阀动作，动态偏差要加大。 总之，从定性的角度分析各种因素对动态特性的影响，可知道：在调节对象方 面，转予转动惯量越小( 汽轮机转子飞升时间常数也越小) 以及蒸汽容积时间常数越 大，均会使动态超速增加；从调节元件方面考虑，转速不等率、油动机时间常数以 及系统迟缓率越大，均会使油动机的滞后时间和关闭时间增长，从而使动态超速增 加。此外，转子飞升时间常数小，局部不等率小以及迟缓率大等因素，均会导致系 统振荡和转速产生波动，因此，从这些主要因素考虑，是改善动态特性的途径。 2 4 小结 本章主要讲述了汽轮机自动调节系统的组成、动静态特性，以及表征动静态特 性的指标，详细的论述了影响动态特性的一些主要因素，已经对调节系统的静态特 性的要求。汽轮机自动调节系统是关系到汽轮发电机组安全经济运行的关键所在， 所以掌握其动静态特性以及影响因素有着非常重要的意义。 华魏毫为大学颈圭擎逝沦文 第三章汽轮机数字电液调节系统的特性分析 汽轮极数字魄滚调节系统( d i g i t a le l t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ) ，饕豁d e h 。 在本章中，简要介绍了汽轮机数字电液调节系统的基本工作原理和特点，重点分析 帮建立了曦液转羧器的数学模型，扶嚣褥到了数字电渡调节系绞敦数学模型。详缨 的论述了d e h 的特性，对其中的非线性环节以及对系统的影响进行了m a t l a b 仿真。 3 ， 汽轮棍数掌电滚调蒂系统( d 嚣h ) 麓会 图3 - 1 为汽轮枧数字瞧滚调节系统黪方握辫，它是一羲秘率一频褰调节系统， 与模拟电调相比较，其给定、综合比较部分和p i d ( 或p i ) 的运算部分，都悬在数 字计霎枫内进行鲍。 霆3 - 1 汽轮撬数字毫滚调繁系统懿蠢捱蓬 汽轮梳d e h 系统弱时弓| 进功率、籁率两释反馈，并加入p i d 调节器，不仅能 改簧中间稃热机缌的负荷适应性，还使其具有良好的抗内扰能力。汽轮机d e h 系 统胃褫为巍转速调节、翡率诱节、功率一频率调节等鏊本霞路缀成，鞠应有三静( 调 频方式、簇本负衙方式或单向调频方式) 不同的运行方式。 l 转速调节西路 转速调节圄鼹应震予寒共两运行王涎，鼯农撬缝薅动至势阙窝程筹撬( 馁摇篷 负荷) 过程中控制转速。其简化方框图如图3 2 所示： 嗣3 - 2 转速调节霜路篱纯方框翻 1 4 华北电力大学硕士学位论文 转速反馈信号由装于汽轮机轴端的磁阻发讯器测取并经测速装置转换成与转 速h 成正比的直流电压巩。磁阻发讯器是目前国内外广泛应用的将转速信号变换成 为交流电压信号的元件，除齿轮外没有运动部分，它的每个组成部分都不易损坏， 因此可靠性很高。把磁阻发讯器输出信号的频率变化转换成为电压信号，目前应用 最广泛的是单稳开关电路。转速定值器用来设定机组的转速，转速给定电压【，：正 比于转速给定值h 。巩与【，：同时送给频差放大器进行比较。若两者相平衡，则转 速将维持在给定值，即疗一以+ 。当需要升速时，就将定值器输出增加【，：，频差放 大器将此偏差信号放大为u 然后送至p i d 调节器。p i d 输出信号经功率放大器 放大后，控制电液转换器滑阀的运动，使电液转换器输出油压增大。油动机向开启 阀门的方向运动，调节阀门开度增大，进汽量增加，使机组转速甩增高；与此同时， 转速反馈信号电压u 。也增加u 。由于p i d 调节的作用，最终必将使得己，。与以 平衡，p i d 的输入为零。这时，调节器中p ( 比例) 和d ( 微分) 的输出回到零，而由i ( 积分) 保持输出电压不再变化，转速蚪维持在新的稳定值n 。 2 ) 功率调节回路 当机组在电网中不承担调频任务时，转速回路切除，频差放大器无输出信号， 机组仅由功率回路控制。功率调节回路简化方框图见图3 3 。由于汽轮机功率的测 取困难，一般都以发电机功率来代替汽轮机的实发功率。发电机功率是通过测量发 电机电压产生的控制电流和测量电流产生的磁通量，经霍尔测功器输出的霍尔电势 来量度的。由于电势与发电机的功率成正比，因此它能准确地代表发电机的功率。 测功装置测得发电机三相有功功率后输出与功率成正比的直流信号电压u 。功率 定值器用来给定机组的功率，功率给定信号电压u ；正比于要求的功率值。u 。与u ： 同时送到功差放大器进行比较。 图3 - 3 功率调节回路简化方框图 当机组并网后，开始时功率定值器在空负荷位置，即u 。= o ，测功器输出亦 为零，功差放大器无输出。若要增加负荷，则操作定值器使输出增加u i ，此偏差 信号经过p i d 、功率放大和电液转换，从而开大调节汽阀，增加机组的进汽量，使 机组的功率增加。与此同时，功率反馈信号u 也随之增加u ，当u 二r 与u 相平衡时，调节系统便处于新的稳定状态。 3 ) 功率一频率调节回路 l s 华北电力大学硕士学位论文 当汽轮机组参与一次调频时，调节系统构成了功率一频率调节回路。此时功率调节 回路和转速调节回路均参与工作，是一种功率跟随频率的综合调节系统。此时，两调节 回路既有自身的动作规律，又有协调动作的过程，频差信号u 6 ，和功率偏差信号u 叫在 综合放大器内进行比较。由于积分环节的存在，稳态时频差输出和功率偏差信 号u 。应大小相等，极性相反，所以综合放大器输出为龟并保持下述频率一功率静 态特性： 了a n ：一艿等( 3 - 1 ) 刀v 式中，细= 一一万表示转速偏差值，a n = n n 表示功率变化值；万表示转速不等率。 其调节回路简化方框图见图3 4 图3 4 功率一频率调节回路简化方框图 当频率变化玎时，按照静态特性关系式( 3 一1 ) ，机组功率的变化 a ：一占乓血( 3 - 2 ) d甩 在功频调节回路中，频差放大器的输出电压反映了调频功率的大小，因 此，频差输出也就是调频功率的指令。回路中无论是功率通道不平衡，还是 频率通道不平衡，整个功率一频率调节回路都要动作，直到综合放大器的输出为零， 系统趋于稳定为止。 3 2d e h 系统的数学模型 为了进一步研究汽轮机d e h ，预测系统性能变化，实现优化控制和状态监测， 首先必须建立起该系统的数学模型。建立汽轮机调速系统的运动方程式或数学模 型，必须根据物理过程的内在联系进行，通常根据力学定律、流体物质守恒定律建 立原始运动方程式。由于实际物理过程复杂，影响运动特性的因素很多，所建立的 数学模型往往很复杂，很难求解，因此在建立过程中可以做如下假定： ( 1 ) 小偏差线性化 t 6 华北电力大学硕士学位论文 在整个调节过程中，各部件都是在平衡位置的附近作微幅变化，在这种情况下， 可以将非线性方程在工作点进行泰勒级数展开线性化 ( 2 ) 运动部分的质量不计 在现代汽轮机调节系统中，由于动力油压力的提高，使得运动部件的尺寸减小、 质量减轻，因而运动部分质量相对较小，可以不予考虑。 ( 3 ) 液态摩擦力不计 当部件的运动速度不是很高时，液态摩擦力相对于静态摩擦力来说要小得多。 由于汽轮机调节系统各环节的运动速度都不是很高，因此，不考虑液态摩擦阻力的 影响，而将干摩擦阻力按照典型非线性来进行处理。 3 2 1 电液转换器及其特性 电液转换器将电的部分和液压执行机构联系起来，同时又把微弱的电信号放大 为液压信号，由具有强大动力的液压执行机构去控制调节阀，实现自动调节。因此， 电液转换器是数字电液调节系统中的最关键的部件之一。 3 2 1 1 电液转换器的工作原理 电液转换器的任务，是把电气量转换为液压量去控制油动机。图3 5 是其工作 1 线圈2 磁铁3 芯杆4 喷嘴挡板机构5 滑阀6 活塞7 行程发送器8 放大器 图3 - 5 电液转换器结构图 1 7 华魏电力大举疆圭学位论文 原理图，它由磁铁、线圈芯杆、喷嘴挡板机构、滑阀、油动机和行程发送器等缀成。 崮数字调节器绘鑫酌控翻信号经过d a 转换看澈过放火器输入翻线潮中，楚予磁场 中的线圈在通电殿受到电磁力的作用而产生位移，通过芯杆带动挡板上下运动，改 交t - f 碛糖静密懿闻豫，获焉改变喷鬻豹赉霉瑟积，便淆阀上下整室酌油压稠应瑰 发擞变化，产生联差使滑阀移动。压力油通过滑阀凸肩控制的油口进入油动机活塞 煞一铡，笏一翻接搀漓，镬褥溃渤魏滔寨在其上下涵逢差赘律糟下运动，酞蔼改变 调节系统执行机构控制油压只的排油口颇积，由只的变化控制后续液压执行机构的 动幸棼，缝麓改交诞节溺赘开发，这嚣鑫葫谖节懿蟊豹。在酒懿謇 活塞运动豹瓣对， 通过行程发送器感应其行程的大小，将行程值转换成电信号反馈到放大器的输入 端，与控剿嫠号邃蠢跑较，当穗麓统豹纷程篷冬控恚l 臻号要求熬篷辐簿霹，线霾孛 输入信号为零，其中没有电流流过，受判的电磁力为零。在上下弹簧的作用下，芯 耱豢动挡叛回到淼来戆孛瓣谴鬟，麸瑟傻潺湄秘到暴寒豹孛溺位置，美凌逶後洼动 机的油口。此时，电液转换器达剥新的平衡工况。 3 2 。1 ，2 藏滚转换器煞数攀镤鳖 ( 1 ) 线圈芯杆 对于线圈芯秆运动缀件来说，在不计惯性力时，幽静态和动态时的力平衡关系 可得增量方程为； 玉 啦。焘彤( 3 - 3 ) 式中：k ，、幻一上下弹簧的刚度；u - 输入电压；a k 一线圈芯杆能移：k - 常数， 输入电基转伲鸯滚磁力懿跑铡系数。爨鞠对量袭示褥； 心= ”( 3 4 ) 胃觅，线溺葱稃叠每运动方程舞一毙镶环麓。 ( 2 ) 错油门滑阀。 错酒门淆褥简称谤瀚，其邋流漓籍翔圈3 6 j 舞示，对予锚油门滑阀上整窥，按 照流量平衡有： 菇_ ：p 立池 图3 - 6 锚油门滑润通流油路图 1 8 兰! ! 皇垄查兰塑主兰堡垒奎 静态：q l o q = 0 ( 3 5 ) 动态：f 。a a 出巧= q l q 2 ( 3 6 ) 上两式相减得增量方程为： 乃警= q i 一q 2 ( 3 - 7 ) 式中：q 1 - q f f p u ) ，q 2 = q 2 ( p u ，d ，其中昂表示错油门滑阀上腔量的压力，s ；玢一 x a ，表示错油门滑阀位移，s 表示上喷嘴的出口间隙。将q 卜q 2 展开取线性项代 入流量平衡关系式得： f 。, d 西a 匕= c 薏一静峨一警船 同理，对于其下腔室有： f 。，d a 廊y # = c 薏一静峨一等笛 按照力平衡关系，不计运动部分质量，滑阀运动时有： f u 。p u f d 世d f f = 0 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 式中：b 为干摩擦力；当滑阀向上运动时取“+ ”，当滑阀向下运动时取“一”。 从流量平衡方程( 3 8 ) 、( 3 9 ) 中求出蜴、叱代入( 3 一l o ) ，且各变量用相对 量表示得： 坐巧一霹匕。 塑一诅。蚴尥 噶蜴编 亟 出 旦釜一生翌 盟一a 0 2 丝一塑 蜴 a s + 昂= 0 ( 3 - 1 1 ) 由于而一如，即滑阀上下腔通流油路的进油节流口和喷嘴的出口面积都相等， 且由于s = 场一j 因此有： x d y d f 辑 一 社s x d y ds垴-12) x d y d 一，甜 1 9 厶 厶 一 + 妇o 蜥 一 一 h h ，tj_l_ill = 煎出 中式 华托电务大学硬老学链论文 & = 卺 a s ( 3 ) 行耩发送器与放大器 经避d a 转换来瓣控制僚号为玩，行纛发送器反馈珏张豹售学为 u f * k 蜮 帮输出电器与经移威歪魄，雯| l 线嚣孛豹簸入耄送失： u = 玑一坼= 玑| i a z ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) 目前，电液转换器髓前应用最多的是用一个一阶惯性环节米近似，相应传递函数为： 职d 。e 音 ( 3 1 5 ) 其中；正一电液转换器时间常数。 3 2 2d e h 系统中其它环节的数学模鍪 汽轮辊d e h 系绕孛除? 龟滚转换器戳终，逐毯捃溺速菠凌、溯功爱馕、频羞 放大器、p i d 调节器、油动机、蒸汽室容积、中间再热式汽轮机功率特性和汽轮发 电飘转子等臻苓。经过接导，它织鹣数学摸整分裂必： ( 1 ) 测速反馈 传递函数为矿( d = z 丢石，因测速装置时闻常数巧很小，可将该惯悔环节近似 为比例环节，即形o ) = l ( 2 灏魂反续 该环节传递函数也可近似为矽( s ) = 1 。 ( 3 ) 频羞放大舔 传递函数为伪= 1 ，式中，艿一转 逮不等率 ( 4 ) 油动机 油动机用作调节信号的最后一级放 大，濑动枧活塞位移用来控制调节汽婀的 回油 i _ 一 压力油 卜 迸浦 图3 7 油动机结构示意图 颦蔻电力大学矮士擎整论文 开度，要求输出功率大，其活寨杆上装有线性位移传感器( l v d t ) ，将阀像反馈信 弩送圄翱电滚镯黻阕，使窀液镯服阀的活塞嚣到中闻位重，鞠断油动机的遴油或澄 油，使油动机稳定在新的位置，停止调节汽阁动作，系统在新的工作位置达到平衡。 涵动橇羧迸酒方式分为两耱：一稃是黻镶进酒式；舅一静是肇饲逶演式。瓷现代大 功率机缎中。多应用单侧进油斌油动机单侧进油式油动机结构示意图如豳3 7 所 烬，演溪撬溪塞主下嚣令薤室每毫滚绢缀褥羧懿洼毯穗逶，翔采d e h 控制系统豹 阀位指令为开阀，则油动机活塞上腔接通排油，下腔接通压力油，推动油动机活塞 翔主运动，强辩，毽移德惑器l v d t 将淘经僚号爱镶至滚悉绢驻子揆决h s s ，与褥 位指令信号相比较，平衡后油幼机即稳定在新的位鬣。 溜动撬活塞运动媾凝决定孳：活塞土下灌藤及涵羹戆交纯。漓嚣俸蠲要党鼹澜门 的提升力和自身运动时的惯性力，假患上下面积相等且为f 。油动机活塞往上运动， 凝据牛赣第二怒律霹戮建立了爨方程式： 燧竽镛f 一趣“震 式巾：必一活塞及连杆威量； 缸一滑阀俄移： a ，段一进嘲油作鼷在活塞上的压强： r 一提升阀门力。 蠢糕经捶警袭筵绽藩褥； 瓦i d u = 盯 式巾乙一油动机时间常数，它的物理意义是在滑阀位移为衄。情况下，油动 规滠塞扶一端移裂另一蠛所器融闯。 油动机传递函数为： 矽( 0 2 云南( 3 - 1 6 )。 ( 5 ) 蒸汽室容积 蒸汽室容积的传递函数为惯性环节： s ) = i ( r ：+ 1 ) ，戏中，嚣一蒸汽蜜积时 间常数，它代表在迸汽阀门全开，蒸汽充满容积v 并使密度为p o 时需用时问。 ( 6 ) 中闻再热式汽轮枧功率特性 中闻再热式汽轮机的功率特性可以视为沈倒与惯性环节的并联，即 2 1 肇扰电力犬学颈圭学位论文 妒o ) = + 蒜，( 3 - 1 7 ) j 。葶+ l 式中，c 一中闻秀热钒缀商匿蜒功率蠢惑功攀的傍鬏，取e 0 = 1 3 。 c k 一再热机组中低压缸功率占总功率的份额，取气= 2 1 3 ( c a + ；1 ) 。 ( 7 ) 汽轮发毫撬转子 单枫运行时，如忽噱自平鲐能力，转子为积分环节：矽( 砖。去 式中，l 一转予时间常数，也叫转子飞升时间，它的物理意义是：它的大小童要决 定于结构和力筢随着汽轮祝容量增麴和参数的提高，乏的德随之减少乃大小对调节 系统动态特性影响报太，瓦小在突然甩去全负荷时容易超速，霸此机组越大超遴危险越犬。所以 大祝组辩调节系统撬密受高静簧求。 并行运行时，转子与电网频率同步，其特性近似为惯性环节：o ) = 职露s + 日) ， 式中：扣蒸汽容积时间常数；卜考虑电网频率变化时负荷的自平衡能力和电网中 备并列机组调节系统动作对电网频率影响的系数。 ( 8 ) p i d 调节器 猁。k p ( 1 十去+ 扫 硒 或孛：式，一览恻渡大倍数：霉积分辩翔常数；露微分露羯常数。 3 3d e h 系统特性分析 国电濮阳热电有限公司的汽轮机控制系统采用的是东方汽轮机厂和上海 f o x b r o 公司生黟豹数字毫滚谖第系统，郄d e h 。该系统采篾数镞楚瑾爨隽核心弱 数字电路，集成化高，硬件系统清晰简单，模块化软件组态灵活，故障率低，抗干 扰毙力强，霹与全厂集数控制系统方毽连接，实现全厂熬蛰诞控剑。 3 3 1d e h 控制主逻辑 d e h 首先确定控制目标德，目标值可为撩作员输入值、自启动逻辑确定值和 炉控制( 方式) 输入值等。目标傻根据机组运行状态和变化攀要求确定控制给定值 s e t p o i n t ，最爝由控制逻辑完成控制目标。d e h 控铡的主逻辑见圈3 8 。 汽轮机按发电机主断路器怒否闭念可分为两种控制状态，即转速控制_ 葶鞋受荷控 制，这样一来控制指令d e m a n d 的形成也分为两种情况。 在发电机主断路器断开时，系统处于转速控制方式。转遴绘定馕与机缝转速反 牮忿电力大学硬圭学位论文 馈信号的比较偏差送入转速控制器，缀运算输如相应的控制搬令，即d e m a n d 。 警判断转速信号系统敖漳辩，逻辑将使梳组遮断( 在负荷控制方式辩逻辑将发出超 遮防护o s p 指令，关闭所有调汽门) 主断路器的闭会信号使d e h 主逻辑切为负 阕3 8d e h 控制生逻辑框图 2 3 肇魏电力大学疆士擎往论文 荷控制方式。负荷控制窍两种负荷反馈信号，即代表汽机即时功率的调节级压力信 警和代表发电梳嶷发功率的发龟辊功率信号，遮两个蔽馈回掰不能弼对投入。当调 节级压力反馈回路投入时，负荷给定值和调节级压力反馈值均为与额定负荷时调节 缀蘧秀乏玩豹吾分数，窀销两者院较弱偏差送入调节缀压力藏制器运算，结桑帮为 控制指令d e m a n d ；巍发电机功率反馈回路投入时，发电机功率与给定值单位均 兔醚w ，它翅弱豹镶羞送入发壤梳功率( m w ) 羟裁器遮雾，稔疆蓬与受蘅绘定僮求 和得到d e m a n d ；当两反馈网路未投入时，d e m a n d 即为给定值。控制指令 d e m a n d 在形戏溺链攒令r e f 骜，还簧经过澜整限镧、鑫动手韵r e f 帮抉箨受 荷r b 逻辑阀位限制假可由操作员设定，目的是在炉控等方式时防止汽机超过其 灸诲受棼。自动手蘸r e f 戆麓爨篷淼系统燕动方式瓣蠹d e m a n d ；手动方式嚣 操作员手动输出以每秒o 5 6 的变化率限制的值；当脊遮断或超速防护o s p 动作信 琴瓣，其篷走0 。r b 逻辑可焱爨缝郝分辏援救障或瞧鼹怒郯分受耱瓣，馕溺整指 令r e f 以每秒1 的速率减小。负荷减小的最终值根据故障程度分为3 档，r b 动 髂孵，等动输入值跟踪d e m a n d ，班爨障r b 结紊孵控割切换无找旗。 阀位指令r e f 根据操作员选择的阀控方式控制各调节阀的开度。阀控方式分为 c v ( 蹇蓬调节姻) 攀阕方蕊、c v 蹶序瓣方式鹅孛压酝癌囊i v ( 中压璃节溺) 控制方 式。这三种方式均有自融的阀掇曲线，以根据指令确定各阀的开度。为了安全性和 经济悭，d e h 逻辑规定c v 只黢鼓擎潮方式舞瘸进汽，枧缓鬻到一是负蕊爱方可甥 为顺序阀方式。 孛嚣簸寝动瓣，凌经据令r e f 经l v 舞夔线确定爨i v sr e f ，势形成i v s 潺挝 指令d e m a n d 当机组为非中压启动绒中压缸启动绪束时，豳阀切换逻辑控制i v s 豹平均溺健始终簿予c v s 豹3 鲣，以减小i v s 节滚损失。蠲经指令与润韬换乘法 器相乘厝，才根据c v s 单阀曲线确定出单阀c v 阀位指令。中压缸扁动时，乘法器 耱出值为0 ，墩即 l l 锻c v s 弹癀。巾匿缸启动繁一定负费麓( 低旁巴关) ，磐毫篷 _ 瓤温度和主汽参数匹配，可进行阀切换，此时乘法器输出由0 以每秒0 1 6 7 的速率 舞至l ，郏阕切换为c v 单阀撩截的用时1 r a i n ，此后，可进褥单阀尚蹶序阀控制盼 转换。润转换时，转换变量s 3 ( 见图3 。8 ) 由单阀时的“l ”以0 0 1 6 7 s 雷臼速率减至0 。 因变量s 4 = i - s 3 ，所以s 同步嬲“0 ”变为“l ”。这样经过1 0r a i n ，单顺阀位指令之和 矗由单周阀位指令变为顺序阀阀位指令，也即系统转为顺序阀控制方式，润位指令 r e f 根搬c v s 顺序阀曲线分别确定出四个c v 的不丽阀位攒令。 各阀位指令d e m a n d 均对应输出给各液压伺服予模件h s s 汽轮机备阀门墩 终由h s s 来控制。姆能指令d e m a n d 与阀位反馈髂号在h s s 内棚比较，遥过分 析运算麓向电液伺服阍输出控铡信号，电液伺服润将电信号转换为液压控制信号， 擞终使务阀门定位在指令位置。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 2d e h 静态特性分析 d e h 的静态特性反映了转速和功率的关系，可分为3 种情况。 如前述逻辑分析，在转速调节过程中，负荷控制回路被切除，转速控制器采用p i ( 比 例积分) 调节，由于其中i 对偏差的时间积分作用，控制器输出最终要使汽机转速与给 定值( 也即稳态时的目标值) 的偏差为0 ，即消除静差。 d e h 进行负荷调节时，若调节级压力和发电机功率反馈之一投入，而频率校正 器逻辑未投入时，因发电机功率( m w ) 控制器和 调节级压力控制器均采用p i 调节，因而其调节 过程也为一无差调节 无差调节可直观地改变目标值以达到希望 的转速或负荷无差调节静态特性如图3 - 9 中 曲线l 所示。从图中可看出，机组负荷不随电 网频率波动而变化，因而可使机组不参加一次 调频而始终带经济或安全负荷。对于传统的( 有 差) 液压调节系统，其一次调频时，需通过转速 信号来调节负荷，若要稳定地带基本( 或某一安 全) 负荷，其局部转速不等率必须增加，若出于 0( m v o 图3 9d e h 控制系统的静态特性 为避免中部不等率小而造成控制波动大，增加整个不等率，又会增加甩负荷时超速 的危险。因而这类机组若要稳定在某一负荷，将需根据电网周波手动经常调节同步 器( 图2 中曲线2 ) 。 当d e h 系统投入频率校正器逻辑时，即为功频调节过程。频率校正器通过对 功率偏差和转速偏差的综合运算，输出控制指令，其调节静态特性为传统的有差特 性。根据转速不等率公式可推出功频调节的转速与功率关系式：耸竽：一i 1 坠堕 v o d n o d e h 系统通过修改功能块的定值可在3 6 内任意调整转速不等率6 ，以满足 机组在电网一次调频中负荷分配的要求。 从式中可以看出，若改变给定值o ，可调整静态特性曲线，能够实现二次调 频。但其作用不同于同步器，因为0 的改变会相应改变实际的转速不等率磊由 于艿的设定值一般考虑的是o 为额定值时的大小，因此o 减小时，实际的万将增 大。 3 3 3d e h 动态特性分析 d e h 系统中的转速控制器、调节级压力控制器和发电机功率( m w ) 控制器均为 p i 调节器，未采用“d ”( 微分) 以根据偏差变化速度来进行抑制动态偏差的调节。 肇乾惑鸯大学联士学捷谂文 这主要悬考虑正常情况下，嘲予逻辑( 炎化率限制及备用跟踪和无扰功换等) 的限定 藕瓿缀对衙常数裰对较太，给定篷稻黎羞不会蠢太大突变，褥蘧懿蓊等熊赫不平褥 情况浆用专门逻辑控制幼态飞辨，因此加入微分调节反而会使系统的抗千扰能力碑 鼹。势了减冬调苓过渡辩淘，鬟奏磷悫稳囊控，炅瓣积毙镄帮积矜常数璃整套透瓣 可。常数太大会加剧波动的频率和懒度，太小义会使过渡时闻增长，甚至发生失控 努井，瓿缀在受蘅爱镄髑赣搴校燕器投入避群凌壤调节砖，游彘蕊受荷淫魏， 频率降低，发电机功率增大，负荷也随之增犬，引起机维转速降低，通过频率梭诋 器毽受穑羟潮嚣瓣输入镶蓑增大。森乎控戮嚣靛魄测移积分诵肇俘耀，霹镶离聪壤 节汽门动态越开，增加进汽慧，当机缎总负荷达到一次调频需要白勺最大德时，煎荷 按裁嚣辏天臻蓑炎0 ，之嚣隧羲孛、鬣垂觳凌率势辩蓬寒，慧功察满足蠛籁要求。 由此研见，农无微分调节的情况下，控制系统仍可使褥热机组有良好的次调频能 宓。 系统中液联伺服子模件h s s 采用的悬p i d 联合调节，藏臻是为了邋成控制澍 象彀渡黉鞭淹黧濑凌爨瓣蓠常数小、装旗交稼欹瓣特煮，筏务阏麓反废嚣壤、莰 速到位，减小系统的迟缓率。 d e h 系统袋用灞麓缀隧秀终您汽轮瓤实茇魂率抟爱馕痿号幂会窭瑷爱诿瑰象， 恩当汽轮机新汽参数波动时，调节级压力信号反应迅速，抗内扰和外扰能力强， 骥繁箍鬟较辩。整鑫予潺繁缳鬟力髂每豹测爨鬻转换蕤霞举囊，瓣嚣楚涮续累翁褊 麓。 在爱毫戳鲶手飚部努躐全帮受精瓣，汽耱爱暾撬缢懿凌泰过程建考验诱苇繁缝 调节品质的最羹要指标之。d e h 系统磁改善机组的甩负荷动态特性方耐主要采 取了羰下蔻静臻蓬。 在藏断路器未断汗的情况下，糟出现中压缸排汽压力超出当时靛电机功率 乏警 可见刁越小时，稳定性越离，同时弓在方程中与瓦有相网的作用，由此可知， 嚣越夺系统越稳定。容积对漓常数弓不但与汽轮机汽簸内容积有关，褥虽氇与相连 通的蒸汽管道容积有关。现在大慰机组雾数采用中间再热器，除了中间再热容器外， 箕连同警遴孛毽蠢穰大容积，侵容狡辩闻常数嚣大丈增加，觚丽大大怒纯了其动态 特性 3 4d 嚣辑系统毒# 线憾环节及影璃 在汽轮橇灞繁系绫巾存在着廷速、限禳、毵区燕羧赣班获摩擦与阕豫等嚣线毪 因素。而猩其中电液伺服系统可以认为是最主瘸最典烈的非线性系统，因为器种机 援豹、滚援蕊秘奄予戆嚣线性豢予一髂。鑫予备耱嚣线性懿存在，一方瑟对系统豹 分析和研究带来了困难，另一方面则严黛影响了系统的精度和稳定性。 毫滚德鼹系统孛的装鼙菲线缝翔表3 一l 掰琴，圭要镪菇骧下类墅： 表3 - 1 电液伺服系统中的主要典型非线性环节 名称及特性图 数学表达式 液压元件 ji 厶 嚣 厶= o 辫 正遮盏滑阀、检测 + _ b i 元馋的不灵敏区等 死区特性 jk z 羔：善，滏。s f 岛 s 万 气 一岛 x = s ，当f 如液压马达 l 了 一一s x 2 詈净f o 蔓忡 饱和特性 昂 事7 l o “ 鬈= 置：慧幻 液压执行器，如液 2 d 一 扣一 压缸、液压马达 摩攘瞎梭 华憩电力大学硕士学位论文 名称及特性圈数学表达式 波压元件 ji u c ，小稍警加 恚 ，。t 1 一 z o u 承梢豢 o 力矩马达 l 一魄 面d u = o , n v 一水磊 滞研特性 3 4 1 非线性环节 3 4 1 1 髭区特性 死区特性表零输入傣号在零经隧近变锯时，元终或繇节无馕号辕滋，廷考警辕入 信号大于某一数值( 死区) 时，才窬输出信号，且与输入信号呈线性关系。滑阀的正重 叠量和系统的库伦摩擦均会弓l 越死区特性。死隧对控制系统霹毙产叟缀多影响。最 常见的影响是降低了系统的稳态输出精度，由习：在死隧中没有系统响应，死区可能 导致极限环或系统的不稳定。然两，在某些场会，它们实际土能健系统稳定。或者 能抑制自待振荡。死区非线性对系统的静差有较大影响，而对系统的稳定性影响不 大。另外，死区还会对系统产生一个延滞特性。由于在运行过程中，死区范围是时变 和非对称的，而传统的补偿方法是在控制放大器中设疑阶跃黼数发擞器，产绽继电 型非线性控制信号，跳过死区，嘲于补偿信号的幅值在调定后保持不变，所以对于时 交和菲对称的死飘补偿效果有戳，对位鬻控制系统的定位精度不高。 3 4 1 。2 饱和特性 饱和特性是措当输入信号超出线性范围后，输出信号就不再随输入信号的变化 瓣交化，藤保持为莱一常僮。镱秘对控豫系统褥性能努复杂黪影响。耀略遮滋，当 输入信号增大时，饱和的存在相当于减小了器件( 如放大器) 的增益。因此，若系 绕在其线性范围内是不稳定的，雯l l 由予系统信号中饱秘分量产生豹按铡作鼹，使系 绕的发散憔被抑制而变为自持攘荡。另一方面，在线性稳定系统中，由于饱和减小 了膏效增靛，使系统的响应变缓。此时露传或环节的传递系数将睫之惫剧下降。在 液压系统中的饱和非线性出现猩阀和力矩马达上，饱和特性的存在，降低了系统的 增益，能改善系统的稳定性，两且能起到限幅和防止过载的作用，但使系统的过渡时 阊鸯大，影响了快速往。一般在使用过裰中，谴系统工作在线髋范围肉。 3 。4 1 。3 艨擦特性 在液聪系统中的摩擦力主鞭包括粘性摩擦力( v i s c o u s - f r i c t i o n ) 和库伦摩擦力 ( c o u l o m b f r i c t i o n ) ，它们郯是隧建物体熬运动载运动戆势。麟擦嚣线链对系统熬影 2 9 肇建电力大学矮士学经论文 响很复杂，根据实验和仿真研究，库伦摩擦会引起死区特性，可改善系统的稳定性， 毽霹髭氇会产生镶置静麓。丽赣往摩擦敬决予执行器豹速度，巍速度较高对，糕桎摩 擦的影响可忽略，而库伦摩擦会使系统的动态反应滞臌：在低速情况下，粘性摩擦会 产生黪热豹菲线往翔滞环等，使渤态毪熊变坏，褥痒伦簿獠羹| j 延长了调整对鬻 3 4 1 4 滞环特性 这类特性表示，在元件开始正向运动而输入信号小于间隔时，元件无输出信 号只有当输入傣号大予后，元件的输出信号才随输入信号的变化褥线性变化，当 冗件开始反商运动对，毙件的输出保持为运动方向发生交纯瞬间的输出值t ，直到 输入信号反向变化2 1 后，输出傣号才随输入信号的变化而线性变化。 在龟液伺服系统中，滞环主舞是力斑马达产生的，这类非线性主簧影晌系统的灵 敏度和静差，它对动特性的影响只产生一个蹋定的相醪，而对系统的稳定性不构成 严重影螭。 另外，在电液俑服系统中还会出现游隙非线性、交放大系数特性、继电嚣特性等 稚线性以及上述非线性躺不同缀合，如死区一线性一饱和特饿、死区继电线性 特性等。 鉴于非线性存在对系统控制性能的不良影响，可以采用具体的方法，来校正非线 性系统，如改变线性部分的特性、进行j e 线性校正( 人为地弓l 入新的非线性环节，以 抵消或减少原有稚线性的影响) 等等。当前，由于计算梳技术茅日传感器技术程液压系 统中的广泛应用，通过爨适应和自学习算法，对电液侧服系统中的非线性可以进行 安时补镶，麸丽驻著提商系统的性能。 3 4 。2 系统仿真 3 0 0 m w 机组调节系统液压部分的周部系统示意圈如图3 一1 0 ，图中环节( 3 ) 为 绢黢敖大器，臻肇( 4 ) 为毫滚镯派阕，嚣苓( ) 为濑麓褪环蕊，环节( 6 ) 隽l v d t ( 即油动机反馈环节，用来测缀油动机阀位，控制伺服阀位鬣，使得油动机进、排 演平餐，系绕达鲻稳定) 。 m l 阕3 - 1 0 理想状况下，d e h 伺服系统方稻图 华l 奄力大学硬士学夔论文 由于存在非线性因素影响，实际调节系统可能有不灵敏区。一般认为油幼机油 繇离，撵羯力大，卡淫搿能经，j 、；l v d t 密酒渤机主秆直接逡接带动，卡涩可能往 也不大。因此，童要卡涩源表现为电液伺服阀和调节阀卡涩机组控制系统该部分 懿筠部挺强麴图3 一l l 。 t 擎d l 豳3 - 1 1 实际情况下，d e h 伺服系统方框图 各种非线性环节如图3 1 2 所示： 髭区 帛书 限辐 鞭3 - 1 2 惫魏l 线牲巧苇 计算机仿真模型如豳3 1 3 所示： 港环 圈3 一1 3 系统蕊冀模型耩翻 系统仿真模凝采用： g = 莓丽2 9 6 赢7 0 4 ( 3 - 2 0 ) 在下藤鲍益线图中含非线性环节仿舆结果髑实线表示，不会 线性仿真结祭鼹虚线 牮悲毫尚夫学酸士学经论文 袭示。 3 ，4 ，2 。i 弼区黪蠖霹系绫翡彰龌 系统存猩死区特搜的溅弦晚威圈如凰3 - 1 4 ： 蹬 嚣 u _ 甥 越 饕 峨 鬟3 - 1 4