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基于d s p 先进p i d 控制策略电子负荷调节器的研究 水利水电工程专业 研究生蒋强指导教师余波 目前，我国微型水力发电应用很广，主要应用在边远山区和经济较落后 的地方。据四川省有关政府部门2 0 0 3 年的统计，我省己建有的微型水电站就 有8 0 0 0 多座。同样，在东南亚经济落后的边远地区也是采用微型水力发电发 备进行电力供应。由于微型水轮机通常没有装活动导叶，其进水流量是刁；t 1 丁渊 的，要保证其供电质量，就需要电子负荷调节器( e l g ) 。 电子负荷调节器是一种稳速装鬓，通过调节发电机的平衡负载来实现机 组力矩平衡，从而达到稳定转速的目的。目前在我国生产微型整装水轮发l 毡机 组的厂家已有2 0 余家，但是，大部分厂家都没配最电子负荷调节器。困内进 行这方面研究的也很少，已经投放市场的是西华大学余波副教授研制的旗子单 片机的电子负荷调节器。所以进行此项研究具有很大的实际意义。 本文在余波副教授的指导下，以一混流式微型水轮发电机组为研究对象， 以美国t l 公司的t m s 3 2 0 1 2 4 0d s p 芯片作为处理器研究了电子负荷调节器的 软硬件控制系统。t m s 3 2 0 f 2 4 0 数字信号处理芯片具有d s p 内核和高性价比 的专用外设模块，是集d s p 高速处理能力和控制输出于一体的控制系统钳 芯片。本文以它作为硬件平台进行e l g 设计，采用先进的改进自适应遗传算 法进行p i d 优化，应用国际流行的m a t l a b 进行算法的仿真，证明算法的可 行。根据控制要求，本文采用频率环进行e l g 频率的实时监控。 关键词：微型水电站，d s p ，p i d ，改进自适应遗传算法，m a t l a b 仿真 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h e t e c h n i co fm i c r ow a t e rp o w e r p l a n t i s e x p e r i e n c i n g e x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni n c h i n a ，e s p e c i a l l yi ns o m er e m o t ev i l l a g e sa n ds o m e u n d e r d e v e i o p e da r e a s a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i cr e p o r t sm a d eb yt h er e l a t i v e d e p a r t m e n to fs i c h u a np r o v i n c ei n2 0 0 3 ，t h e r ea r e8 0 0 0m i c r ow a t e rp o w e r p l a n t si nu s i n gi ns i c h u a n a l s o ，t h e r ea r em a n ym i c r ow a t e rp o w e rp h m t s a p p l i e di nt h er e m o t ea n du n d e r d e v e l o p e dv i l l a g e so fs o u t h e a s ta s i ar e g i o n w i t h o u tm o v a b l eb l a d e ，t h ef l u xo fm i c r oh y d r a u l i ct u r b i n ed on o tu s u a l l y a d j u s t a b l e ，t h e r e f o r e ，t h ee l e c t r o n i cl o a dg o v e r n o r ( e l g ) i sn e e d e dt o e n s u r e t h eq u a l i t yo f p o w e rs u p p l y e l gi sad e v i c et os t e a d ys p e e db ya d j u s t i n gt h ed i r e c tc u r r e n th ) a dt o b a l a n c eu n i tk i n e t i cm o m e n t a n dt or e a l i z et h es t a b i l i z a t i o no ft h es p e e d 、o t h e r ea r ea b o u t2 0m a n n f a c t u r e r st op r o d u c em i c r ow a t e rp o w e r p l a n td e v i c e s i nd o m e s t i cm a r k e t ，b u tt h e yh a v em o s t l yn o te l g ，a tt h es a m et i m e ，t h e r e l a t e dr e s e a r c hi sa l s ov e r yl i m i t e di no u rc o u n t r y t h ee l gr e s e a r c h e db y y u b o a na d j u n c tp r o f e s s o ro fx i h u a u n i v e r s i t y , w a so nt h em a r k e t i n1 9 9 8 s oi th a s g r e a ti m p o r t a n c e t os t u d yt h i s i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee l gc o n t r o l l e rs y s t e m a r es t u d i e dw h i c hi st a k i n gal i t t l ef r a n c i st u r b i n ee l ga so b j e c tu n d e rt h e g u i d a n c e o f a d j u n c tp r o f e s s o r y u b o a m e r i c a nt i c o m p a n yp r o v i d e s t m s 3 2 0 f 2 4 0 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , w h i c hh a sd s pc o r e 。s p e c i a lm o d u l e w i t h h i g hr a t i oo fc a p a c i t ya n dp r i c e ，m a k e st h ee a p a e i t yo ft h ec a l c u l a t i o no fh i g h s p e e da n dh i g he f f i c i e n tc o n t r o li no n eb o d y i nt h i sp a p e r , e l g w a sd e s i g n e d b yu s i n g a d v a n c e d i m p r o v i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s ( a g a ) t oo p t i m i z e t h e p a r a m e t e r so fp i db a s e do i lt m s 3 2 0 f 2 4 0 i ti sp r o v e da v a i l a b i l i t yb yu s i n g m a t l a b 。w h i c hi st h ei n t e r n a t i o n a lp o p u l a rs o f t w a r e ，t os i m u l a t e0 1 1t h e o j i nt h i s p a p e rf r e q u e n c yl o o pw a sd e s i g n e d t ot r a i lt h er e a lt i m ec h a n g eo f f r e q u e n c y k e y w o r d s ：m i c r o w a t e r p o w e rp l a n t ，d s p ，p i d ，a g a ，m a t l a b s i m u l a t i o n 硬华大学硕士研究生学位论文 第章绪论 1 1 课题来源及名称： 本课题来源：四川省应用基础研究项目，项目编号0 0 2 4 7 7 9 。 课题名称：基于d s p 先进p i d 控制策略电子负荷调节器的研究。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 i 课题研究的意义 能源是人类社会赖以生存和发展的基础，而电力则是现代社会最重要的 二次能源形式，充分、可靠的电力供应是保证国民经济持续高速发展的最基本 前提。 我国是发展中国家，有很多人口密度小、经济发展落后的边远山区。这些 地区通常是电力供应严重短缺，既无力大规模开发和利用水力资源，也没有现 成的电力网可用，更无力新建电网，严重制约了当地经济的发展。然而，这些 地区一般都分布有小股的水能资源，可采用微型水轮发电机组提供人们生产和 生活所需的电能“。 微型水电机组是指额定容量小于1 0 0k w 的机组啪，这些机组常常不与电网 相连，而是孤立运行。应用这种设备的地区常常缺少资金和熟练工人进行设备 的运行维护，因此，电站的投资必须尽可能低，机组的安装、运行和维护必须 尽可能简单。在此条件下如何确保供电质量( 如频率) 尤为重要。 通常在水力发电的频率控制技术中，关键设备是调速器，通过调整导水机 构如针阀或导叶来控青4 水流量，达到机组力矩平衡从丽实现转速( 频率) 的恒 定。但是采样这种装置，微型水电站的结构复杂，维护困难，大大增加电站的 投资成本汹3 。随着电子技术的发展，涌现出了大量高性能的集成芯片，通过软 件的改变就可以实现不同的复杂控制算法，在不改变硬件电路情况下使控制更 具有灵活性。同时，电力电子技术和产品的发展使复杂灵活的伺服控制有了实 现的保障。所以可由电子元件构成性能优良、可靠性离、价格便宜的电子负荷 调节器 e l g 。它通过调节可控晶闸管的开通时间来调节发电机端的电气平衡 负荷，通过使总的电气负荷转矩与水轮机的输入转矩保持平衡来维持机组的转 速恒定，从而保证供电频率的质量。采样这种方式省去水轮机的水流调节设备， 机组结构简化维护方便，成本大大降低。同时一般e l g f 费用约为调速嚣的 l 西华犬学硕士研究生学位论文 1 1 0 。因此采用e l g 是确保微型水电站供电质量的最有效方法。 综上所述，水轮机电子负荷调节器在我国很有应用市场，也很有发展空 间。所以研究更新一代的电子负荷调节器是很有实际价值的。 1 2 2d s p 技术”1 随着微电子技术、信号处理技术、计算技术等学科的发展，一种体现这三 门学科综合科研成果的新器件一数字信号处理器( 简称d s p ) 问世了。特剐 是在2 0 世纪6 0 年代，随着计算机和信息技术的迅猛发展，进一步推动了d s p 技术的理论和应用领域的发展。它可以用于语言处理、图像处理、高速控制、 数字通讯、振动和噪声信号处理、声纳和雷达信号处理、仪器仪表、机器人等 多种领域。由于它能把数字信号处理的一些理论和算法实时实现，并迅速地推 广到应用方面，因此得到了学术界和工程界地高度重视，被认为是实现数字化 革命的催化荆。 d s p 是将模拟信号变换成数字信号，再用数学方法进行该信号处理的专用 处理器。在当今信息时代地数字化进程中，d s p 扮演着重要角色，特别使在通 信、计算机、消费类产品的融合过程中，起着粘合剂的作用。d s p 由于其内 部结构设计上采用了程序总线和数据总线分别独立地哈佛结构、高速的“与或” 运算器以及集成了适用于高速信号处理的许多硬件化特殊功能，可以同时分别 读出存储器和程序中的数据。d s p 芯片将c p u 和程序寄存器、数据寄存器及 硬件乘法器、累加器集成在一块芯片中，有专门的汇编语言，能执行复杂的数 字运算，每秒钟运算速度可以达到几千万次至1 0 余亿次，性能比一般电脑用 的c p u 高出1 0 3 0 倍。d s p 作为离科技产品的主要核心智能器件有着广泛的 用途，如通讯领域的手机、m o d e m 、交换机等，计算机领域的磁盘读写伺服控 制器、视频卡、声卡等，消费类的c d 、d v d 、电子乐器等。d s p 具有如此广 泛的用途使其不仅是一种器件，更是一种技术，随着d s p 技术的日益成熟， d s p 芯片的功能日益强大，性能价格比不断提高，开发环境日益完善，应用领 域不断扩大。d s p 未来的发展趋势，首先是针对某些量大的应用，开发专用的 d s p ；其次是开发混合d s p ，将a d ，d a 集成到d s p 中；第三是开发低电压、 低功耗的d s p ；第四是结合单片机功能，或将两者集成在一起完成如视频压缩 那样复杂的运算任务。在步入数字时代的进程中，数字信号处理器扮演着举足 2 西华大学硕士研究生学位论文 轻重的角色。 近年来，d s p 以其高速处理能力、高集成度、资源丰富、应用灵活等优点 而在许多领域中得到了越来越广泛的应用。在数字控制领域目前用得最多的是 t i 的c 2 0 0 0 系列d s p 。就本课题雨言，要求信号处理能力强，输出到执行部 分的控制信号容易实现。实时性要好弗有p w m 调制。考虑到这些方面，选择 t i 的2 0 0 0 系列d s p 芯片，并采用d s p 信号处理技术和先进的遗传算法进行 探索性的研究。 1 3 国内外现状和发展： i 3 1 微型水力发电的市场前景 根据对生产厂家、商家和有关政府部门的调查，目前微型水轮发电机组在 国内的销量较大，在国际市场方面，东南亚、欧洲均有需求。 1 3 2 d s p 在电子负荷调节器上的应用情况 目前，在我国生产微型水力发电设备的厂家已有2 0 余家，大部分厂家都 末配置电子负荷调节器。这就阻碍电子负荷调节器的发展。d s p 在国内是近几 年才推广应用的，尽管其性能优越，性价比较高，但由于技术人员缺乏其发展 受阻。所以近几年，在国内外已有几种不同的电子负荷调节器，如有级数控制、 无级数控制、电平分档控制、基于单片机的调节器等不同类型。但还没有基于 d s p 的电子负荷调节器的相关报道。本文研究的是以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 为中央处理器，采用频率负反馈跟踪负载变化，以实现微型水轮机组的负荷控 伟0 。 1 4 主要研究内容、途径及技术路线 由于目前关于电子负荷调节器研究的并不很多，所以有关电子负荷调节器 的文献不多。特别是关于基于d s p 的电子负荷调节器的文献几乎没有。故此， 在查阅了大量的相关文献后，并在导师指导下，总结电子负荷调节器的经验基 础上，对基于d s p 的p i d 控制器进行系统、深入的理论研究。拟采取如下的 研究方法、技术路线： ( 1 ) 针对微型水轮发电机组的特点和控制要求，分析其控制和保护的重点： 西华大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 在总结归纳前面分析成果的基础上，提出基于d s p 的控制系统的总体 方案； ( 3 ) 对控制系统控制板进行各个功能模块硬件电路设计； ( 4 ) 对被控对象进行数学建模，设计控制系统算法，并利用m a t l a b 对其 进行数字仿真； ( 5 ) 在硬件设计基础上，根据t m s 3 2 0 f 2 4 0 设计规范进行软件流程开发的研 究； ( 6 ) 整理资料，撰写论文。 1 5 本人在该课题中所做的工作 该课题涉及范围宽，研发时间比较紧，任务很重，是由本课题组成员共同 完成。本人在该课题中主要承担控制器部分的研究。主要工作如下： ( 1 ) 对采用t i 公司的t m $ 3 2 0 f 2 4 0 作为控制器的硬件支撑平台的研究。主要 用其实现信号的采集，存储空间的扩展，机组负载状态的监视，输出控制 脉冲，实现人机接口，从而最终完成实现控制负荷的硬件平台： ( 2 ) 对先进p i d 算法的研究。p i d 控制是个组合寻优的问题，单纯的p i d 控制器的控制参数是根据经验获得，通常很难找到最优组合。遗传算法是 当今发展很快的专用于组合参数寻优的先进算法，其寻优效率高，应用方 便，故本人采用遗传算法对p i d 参数进行优化： ( 3 ) 对频率、电压、电流采样的研究。本文通过d s p 芯片特有的c a p 端来 捕捉输入方波的上升沿触发的时间，两次捕捉上升沿的时间差就是周期。 再根据周期和频率的关系算出频率。因是低压，所以直接利用隔离变压器 获取电压，用电流互感器采集电流信号，并经过处理电路得到满足d s p 输入要求的信号送到d s p 的a d 口，从而实现电压和电流的采样。 4 西华大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案拟定 系统总体方案是后续研究的开端，它的拟定包括系统构成要实现的功能 和需要达到的目标，以及采取何种方式来实现这些功能。本文以单机运行进行 研究。 2 1 控制系统的功能 电子负荷调节器作为系统平衡负荷的自动调控设备，主要有下面一些功 能： l 采集电压、电流、频率和温度信号； 2 系统能进行电源监视，如电源低于某个阀值能使系统复位； 3 能实现p i d 算法，并采用遗传算法优化p i d 参数； 4 能有效地保护i g b t ，当i g b t 过热时控制器能停止输出p w m 信号： 5 有人机接1 2 1 ，能通过键盘进行参数设置、修改，能进行机组重要参数 如频率、电压电流等的显示； 6 频率调控范围在4 5 h z - - 5 5 h z ，有机组发电频率过高和过低报警。 这些功能模块地有机组合就构成电子负荷调节器。 2 2 控制系统结构和工作原理。 控制系统的总体结构框图见图2 1 。其中的d s p 控制器、p w m 接口和i g b 1 1 以及系统用电源共同构成电子负荷调节器。它反映了电子负荷调节器的工作原 理和控制思想。由于实际负载是变化的，而微型水轮机的动力矩是不可调的， 为了确保发电频率满足要求，必需通过调节平衡负载来达到水轮发电机组的力 矩平衡。平衡负载的电源是由发电机出口电源经整流器变成直流，再经过功率 因数校正( p f c ) 后由i g b t 供给。其控制基本原理是d s p 控制器根据其检测 到的频率变化发出相应的p w m 波来控制i g b t 的占空比，从而改变平衡负载 的投入多少，实现机组力矩平衡，保证机组转速及电压稳定。 电子负荷调节器的平衡负载是采用单相直流负载，它是将发电机三相输出 电压经过a c d c 的转换后供给。电子负荷调节器采取频率环的闭环控制。f 2 4 0 检测到的电压和电流信号只用于计算出电网实际负载，再送到l c d 显示，同 时进行控制器复位。频率环将f 2 4 0 测得的频率值与给定值比较，将偏差信号 5 西华大学硕士研究生学位论文 进行先进p i d 运算后，送出控制信号p w m 来调节平衡负载的投a t ”。控制系 统原理见图2 2 。 f i g u r e2 - 1t h es c h e m es t r u c t u r e o f c o n t r o ls y s 图2 1 控制系统总体结构框图 2 3 各主要部分介绍 2 3 1p w m 接口 d s p 控制板输出的p w m 波的幅值0 一s v ，电流值0 - - 5 m a 【3 8 】，这样的驱 动能力是不够的，无法驱动大功率的晶闸管，必须对其进行放大才能满足后续 电路的需要。同时为了防止后续模拟、强信号对控制板的干扰，必须首先对 p w m 信号进行隔离。所以p w m 接口实际是一个隔离、驱动电路。 2 3 2i g b t i g b t 是实现平衡负载功率的可调控部件。其实现方法是采用p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 方式。作为执行器中最重要的器件，其动作的可靠与否，动 作频率是否准确直接决定了整个控制系统的准确性和稳定性。 6 话华大学硕士研究生学位论文 f i g u r e2 - 2c o n t r o ls y sw o r k 图2 - 2 控制系统原理图 2 3 3d s p 控制器 d s p 控制器是电子负荷调节器的核心。完成信号采集，信号处理，信号输 出，机组监视，控制算法的实现和人机接口等功能。 ( 1 ) 电源 根据控制器所采用芯片的情况，所需电源电压的种类分析如下：f 2 4 0 需 要5 伏电压供电，比较器需要双极性1 5 伏电压的电源，其它的芯片也是5 伏 电压供电。整个控制器所需电压是5 伏和双极性1 5 伏，并且5 伏是负荷较为 集中的电压。所以电源设计如框图2 3 。图中各部分的作用分析如下： 隔离变噩器有两个作用，是实现变压和高低压的隔离，以保证低压设备 的安全，二是根据后续电路的要求实现电压的转变。 整流的作用就是将隔离变送来的低压交流电源转变成直流电源。 滤波的作用是将整流后的直流中的离次谐波过滤掉，以获得较好的电源波 形，满足d s p 芯片对电源的要求。该部分见执行器设计。 西华大学硕士研究生学位论文 摩嘭陬呜 医墨露曩 l j 稳鹰墓i t 一# 、n 1 + 5 伏际伫愿瓣 f i g u r e2 - 3p o w e rd e s i g nt h e o r y 阔2 3 电源设计原理框图 ( 2 ) d s p 控制器 图2 - 4 是d s p 控制器的总体结构框图。主要包含四个部分，一是数据采集 模块，用以实现信号的获取。在该控制系统中，主要需要采集的电信号有机端 出口电妇三、电流及频率，还需采集一路执行器内部的温度。二是存储器扩展， 以满足控制器对存储空间的要求。三是人机接口，童接用d s p 的i o 口外加锁 存器来实现。四是机组频率监视，该模块主要实时反映机组频率情况，发出相 应的预警信号保证其安全运转。 l 、数据采集。根据控制系统要求，本控制器需要采集交流电压、电流、 频率，直流电压和电流和执行器温度。通过隔离变压器、电流互感器从配电柜 出口采集交流电压、电流信号，并将其变成d s p 能接受的标准信号送到d s p 的a d 端。直流电压和电流以及执行器内温度的采集点在驱动板上。由霍尔传 感器获取后送到控制板的a d 端。频率测量的原理是根据频率和周期互成反比 关系，通过计数器计算出一个周期内的脉冲数从而得到其周期。通过周期再计 算出频率。具体计算方法是，设时钟频率为k ，计数器的读数为n ，则周期t = = n k 频窒f = k n 。 雾 西华大学硕士研究生学位论文 盛四 f i g u r e2 - 4c o n t r o l l e rs t r u c t u r eb l o c kd i a g r a m 图2 4 控制器结构框图 传统的测频方法是采用传感器如光示盘、磁性拾波器、测速发电机来直接 测转速。这种方法精度低、成本高、安装不便并且使用寿命不长【2 “。目前用得 最多的是采用电子测频。理论上讲，电力系统的电压( 或电流) 的正半波和负 半波是对称的，这样电压比较器的输豳即可为门控信号，计数器的输出也即是 半周期。然而，在实际系统中并不完全具备这样的条件。因为发电机电枢本身 可能是非对称的电力系统中性点也可能发生漂移。所以，在整形后加了二分 频环节。它采用的计数方式是在上升沿开始计数，下降沿停止计数。这种方法 能较好的满足电力系统的转速控制要求【2 6 】。但该方法也存在周期损失，因为低 于整形器件门槛电压的部分波形将丢失。 经过仔细研究该方法后提出了如下的测频方法。发电机出口电压经过经隔 离变降压得到l o v 的交流电压信号。再经滤波、限幅、过零比较器和钳位后得 到波形很好的4 v 方波1 5 5 】，送到d s p 的c a p 脚。采用过零触发的方式进行波 形整形，截去负半波，通过软件设计计数周期来确保测量的准确。利用f 2 4 0 c a p 捕获两次上升沿触发的时间t l 、t 2 ，t 2 一t 1 即是周期。这样就省去了二分频器， 又保证了周期不损失，提高了测量准确性。见图2 5 。测量范围和精度见第四 9 婴器 盛 磷嚼 岔裔渣 曲圈器囡 西华大学硕士研究生学位论文 章测频部分。 2 、显示驱动和人机接口。该模块的主要功能就是实现人机交互。其实现 的原理如图2 - 6 所示。显示有静态和动态两种方法，这里采用l c d 动态显示， 轮流点亮显示器的个位，通过调整电流和时间参数就可实现亮度较高稳定的显 示。键盘有编码和非编码之分，此处采用非编码键盘。这种键盘靠软件实现其 功能，可以节省硬件投资i l “。 l c d 液晶显示器采用1 5 2 3 2 点阵的模块。其内部自带驱动和控制电路， 使用方便，只需做一个接口与其相连即可。 3 、s r a m 的扩展。s r a m 扩展是为了满足系统对存储空间的要求。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 内部有1 6 k 的r o m ，5 4 4 字的数据存储器。而它的寻址空间却 是很大的，数据存储器、程序存储器和i o 存储器分别可寻址6 4 k 。为了满足 程序对空间的需要，将其均扩展到最大寻址空间。扩展方式，采用4 片3 2 k 的 c y 7 c 1 9 9 1 5 p c 进行程序和数据存储器的扩展。c y 7 c 1 9 9 1 5 p c 是一种离性能 高速度的s r a m ( 静态存储器) ，其存取速度达1 5 n s ，完全满足f 2 4 0 的5 0 n s 要求。f 2 4 0 通过p s 脚、d s 脚来分别对程序s r a m 和数据s r a m 进行访问。 4 、机组监视。机组监控主要是在机组输出端出现过载、轻载时，由f 2 4 0 的i o 口输出报警信号。通过对直流信号的检测，当直流过载时d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 将设置比较控制寄存器( c o m c o n ) 的s c o m p o e ( 简单功能比 较器输出响应) 位为0 ，即关断t m s 3 2 0 f 2 4 0 的p w m 输出，从而保护i g b t 。 f i g u r e2 - 5s a m p l et h e o r yo ff r e q u e n c y 阁2 5 频率采集原理框图 j u 西华大学硕士研究生学位论文 臼斟臼因 f i g u r e2 - 6t h e o r yo f h m i b l o c kd i a g r a m 图2 - 6 人机接口原理框图 电子负荷调节器的各个电路的详细设计原理，见第四章。 西华大学硕士研究生学位论文 第三章基于遗传算法的控制系统优化设计 3 1 控制系统被控对象模型建立【2 5 脚】【2 7 1 本文研究的电子负荷调节器，它的被控对象是微型水轮发电机组。本文在 研究了通用水轮机调节系统建模的基础上，根据微型水轮机的特点，通过数学 分析，公式推导，并结合工程实际得出微型水轮机调节系统的数学模型。 通用水轮机调节系统是由压力管道、水轮机、发电机和调速器等单元组成 的复杂非线性反馈控制系统。微型水轮机调节系统不调节水轮机导叶的开度， 而是采用电子调节平衡负载。其余部分和通用水轮机调节系统相似。所以其数 学模型应该是由水轮机( 含压力管道) 的数学模型、发电机的数学模型和电子 调节器构成。见对比图3 1 和3 - 2 。 f i g u r e3 - lg e n e r i cb y d r a u l i c a lt u r b i n ec o n d i t i o n i n gs y s 图3 1 通用水轮机调节系统方框图 f i g u r e3 - 2m i n i t y p eh y d r a u l i c a l t u r b i n ec o n d i t i o n i n gs y s 图3 - 2 微型水轮机调节系统方框图 由图可知，通用水轮机的调节原理是通过调速器改变导叶接力器行程y 西华大学硕士研究生学位论文 来实现改变水轮机的出力m 。从而使机组的力矩平衡。基于电子负荷调节器的 微型水轮机组的调节原理是，机组启动后它的m ；( 即开度1 2 ) 是不变的，而是 通过电子负荷调节器改变平衡负载m 。的大小来实现机组的力矩平衡。因此， 建立数学模型时系统结构是不一样的。 3 1 1调节对象的数学模型 1 、微型水轮机数学模型的建立( 本文以混流式水轮机为例进行建模) 。从一 般混流式水轮机的特性方程入手进行推导。一般混流式水轮机的特性方程可表 示为： m r2 mr ( 日，”， f 3 - 1 ) q = q ( h ，”，口) 、 。 式中： m 一水轮机的主动力矩； q 水轮机的过流量： h 工作水头； ”水轮机转速； 口一导叶开度。 式：3 - 1 ) 方程的函数呈非线性关系，当水轮机在某一稳定工况点附近小 范围内的变动时，则可将其线性化，即将式( 3 - 1 ) 用泰勒级数展开后只取第 一项，得 埘，= 等心+ 警姗警衄 ：， q = 丽o q h + 詈甩+ 詈口 式中：州，= m t m ，o ，q = q q o ，曲= n 一 o ，口= 口一口o 。符号下脚 标“ 、”表示某一稳定工况点的数值( 初始值) 。由于微型水轮机的导叶开度是 固定的，即d 为常数，a c t = o 。再用相对基准值( 可取额定值) 的标么量来代替 西华大学硕士研究生学位论文 逍 即m t - 警开等，h = 等，x - 等。符号下脚标“r ”表示额媳所 以上式可写成： 式中，e 一、e x 、表示水轮机转矩对水头、对转速的传递系数。e q h 、e q x 、分别表 示流量对水头、对转速的传递系数。这4 个传递系数严格而言应该根据水轮机 的动态特性得出，考虑到在调节过程中水轮机工况变化的角频率一般出 2 r a d s ， 根据实验和理论分析，在此范围内用静态特性求取传递系数，其误差在工程允 许范围内，因此常用水轮机的综合特性曲线近似求得。另外需指出，这些传递 系数是随工况而变化的，在小范围内可作为常数处理。 2 、压力引水管道 压力引水管道的运动方程由水击方程描述。一般在小扰动情况下，且管道 长度小于6 0 0 8 0 0 m 时，可认为是刚性水击。用流量和水头变化量的标么值h ， q 表示的刚性水击方程( 时域表示) 为 h ：一r ，塑， ( 打 从而得出其传递函数为 g h ( s ) ；掣：一o s ( 3 - 4 ) q t s ) 式中，k 2 考警为水流惯性时间常数c 它表示在额定水头下，管道中流量 由零增加到额定流量所需的时间。t w 越大，水流惯性越大，同样的流量变化 时，水击压力变化就越显著。l 、f 分别代表管道的长度和截面积。 所以将引水管道与水轮机结合起来考虑就可以得到如下方程组： p 麓 = ，卸 西华大学硕士研究生学位论文 m = e h h + e x x q 2 e q h h + e q x x 舞一瓦鲁 ( 3 5 ) 混流式机组可将水轮机的自调节系数e x 移到发电机处考虑。所以联立方程 可简化为： m f2e h h q = e q h h 十p “x ：一瓦粤 c 打 对上式在零初始条件下作拉氏变换后，等效出如下方框图： f i g u r e3 - 3m a t h e m a t i cm o d e lo fh y d r a u l i c a lt u r b i n e 图3 - 3 水轮机数学模型框图 f 3 6 1 3 、发电机传递函数的确定 水轮机的主动力矩与发电机负载力矩坞之间的动平衡关系，由机组运 动方程描述。 j 孥= m e mg(3-7) d 8 式中： ，一机组转动部分的转动惯量； 一角速度； 西华大学硕士研究生学位论文 必一水轮机主动力矩； 媳一发电机负载力矩。 同前处理方法一样，采用相对于初始稳定工况( 用下标“0 ”表示) 的偏 差量来代替，即a m t 2 m t - m t o ；a m g = m g - m g o ；a c o = 珊一再用除以额定值之 后的标么值来表示，可改写运动方程为 d o o ，d c 等a m 一，a a 4 。，r，# m ，d tm ，m ， 令a c o c o ，= x ；a m g m ，= m g ；a m r m ，= ，；j c o ，m ，= 疋：得 死拿= m t ，m 。 d t 。 ( 3 8 ) 机组惯性一间常数咒= 亩g d 2 n 2 ，s ：g 机组转动部分飞轮转矩， k n m 2 ；珥机组额定转速，i m i n ；p r 发电机的额定功率，m w 。 l 是指额定工况下，机组由静止加速到额定转速所需时间。它表征枫组 本身惯性的大小。辅入量和输出量间的传递函数为g ( s ) = i j 2 7 】。实际上负 载也有转动惯量，所以还应考虑到负载转动惯量死的影响。考虑到发电机负 载的自调节系数e ，水轮机转矩对转速的传递系数6 ，忽略电网负荷投入和切 除所导致的影响，可以得出发电机组最后的模型方框图 f i g u r e3 - 4g e n e r a z o ra n dl o a dm a t h e m a i cm o d e l 图3 4 发电机及负载数学模型框图 e n = 8 r 岛，m g o 为负载扰动量。由发电机及负载的数学模型框图可以得出其传 1 6 西华大学硕士研究生学位论文 递函数为： g = 瓦番而 ( 3 9 ) 3 2 电子负荷调节器p i d 控制的分析1 2 2 j 【2 5 通用的p i d 控制原理框图如下： f i g u r e3 - 5p i de o n t r o lt h e o r y 图3 5p i d 控制系统原理框图 这是典型的p i d 控制原理图，采用串联p i d 调节。图中r i n 给定输入量， y o w 被控输出量。 结合该课题，被控对象就是水轮机引水部分和发电机负载部分组成。给定 为x 。频率，输出是x 转速。根据系统要求设计出系统p i d 控制系统仿真图见图 3 - 5 。由仿真图可以得到在x c 输入和x 输出的p i d 控制系统图，见图3 7 。 为了了解p i d 控制器的调节性能，我1 】采用国际流行的仿真软件 m a r l a b 6 0 对其进行了模拟仿真试验。对于微型水电站流量扰动主要存在开 关机的暂态过程中，所以只以负荷的扰动为研究的出发点和参数整定的依据。 s t e p 加在负荷侧用以模拟机组正常运行时，发电桃负荷突然出现扰动o 时， 系统的抗扰情况。仿真结论见3 5 。 西华大学硕士研究生学位论文 f i g u r e3 - 6p i d c o n t r o ls y ss i m u l a t e 图3 6p i d 控制系统仿真方框图 厂 尘篓! ! 童墨r r 墅f r 一 + i ，。， t ，则以进化过程中；行得 到的具有最大适应度的个体作为最优解输出，终l 计算。 3 、遗传算法的特点。 2 0 西华大学硕士研究生学位论文 随着需研究问题种类的不同以及问题规模的扩大，要寻求一种以有限的代 价来解决搜索和优化的通用方法，遗传算法正是为我们提供了一个有效的途 径，它不同于传统的搜索和优化方法。这正是它的特点所在。遗传算法同其它 的算法相比主要有以下一些特点： 遗传算法是对参数的编码进行操作，而非参数本身： 遗传算法是从许多点开始并行操作： 遗传算法的寻优规则是由概率决定的，而非确定性的； 遗传算法在解空间进行商效启发式搜索，而非盲目地穷举或完全随机 搜索； 遗传算法对于待寻优的函数基本无限制，它既不要求函数连续，也不 要求函数可微，既以是数学解析式所表示的显函数，又可以是映射矩阵甚至是 神经网络等隐函数，因而应用范围较广； 遗传算法具有并行计算的特点，因而可通过大规模并行计算来提高计 算速度； 遗传算法更适合大规模复杂问题的优化； 遗传算法计算简单，功能强。 4 、遗传算法的基本操作 遗传算法的基本操作包括复制( r e p r o d u c t i o no p e r a t o r ) 、交叉( c r o s s o v e r o p e r a t o r ) 、变异( m u t a t i o no p e r a t o r ) 。 复制是从一个旧种群中选择生命力强的个体产生耘种群的过程。根据个体 的适配值拷贝个体。也就是指，具有高适配值的个体更有可能在下一代中产生 一个或多个予孙。它模仿了自然现象，应用了达尔文的适者生存理论。复制操 作可以通过随机方法来实现。若用计算机程序来实现，可考虑首先产生0 l 之 间均匀分布的随机数。若某个体的复制概率为4 0 ，则当产生的随机数在0 - - 0 4 之间时该个体被复制，否则被淘汰。此外，还可以通过计算方法实现，其 中较典型的几种方法为适应度比例法、期望值法、排位次法等。适应度比例法 较为常用。它是利用比例于各个个体适应度的概率决定其子孙遗留的可能性。 若某个个体i ，以各自的选择被选取的概率p 。表示为p ；= ，其中，_ ，：为个 体l 的适应度。 交叉( c r o s s o v e ro 口e r a t o r ) 复制操作能从旧种群中选择出优秀者，但不能 2 1 两华大学硕士研究生学位论文 创造新的染色体。而交叉模拟了生物进化过程中的繁殖现象，通过两个染色体 的交换组合，来产生新的优良品种。它的过程为：在匹配池中任选两个染色体， 随机选择一点或多点交换点位置l ：交换双亲染色体交换点右边的部分，即可 得到两个新的染色体数字串。交换体现了自然界中信息交换的思想。交又有一 点交叉、多点交叉、还有致交叉、顺序交叉和周期交叉。一点交叉是最基本 的方法，应用较广。它是指染色体切断点有一处，例： a：1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 _ + 1 0 1 l o o0 1 0 l b ：0 0 1 0 1 00 1 0 1 _ 0 0 1 0 1 01 1 1 0 变异( m u t a t i o n o p e r a t o r ) 变异运算用来模拟生物在自然的遗传环境中由 于各种偶然因素引起的基因突变，它以很小的概率随机地改变遗传基因( 表示 染色体的符号串的某一位) 的值。在染色体以二进制编码的系统中，它随机的 将染色体的某个基因由0 变为1 ，或由l 变为0 。若只有选择和交叉，而没有 变异，则无法在初始基因组合以外的空间进行搜索，使进化过程在早期就陷入 局部解而进入终止过程，从而影响解的质量。为了在尽可能大的空间中获得质 量较高的优化解，我们采用了变异操作。 3 3 2 基于标准遗传算法的电子负荷调节器p i i ) 优化设计 1 、基于标准遗传算法的p i d 优化模型建立 基于标准遗传算法的p i d 优化控制系统构成见图3 8 。 电子负荷调节器p i d 设计的三个参数为比例放大增益k p ，积分增益k i 和微分增益k d 。遗传算法的任务是性能指标j 最小，本文中j 采用i t a e ( 时 间乘绝对偏差的乘积积分) 性能指标：j - f f 陋o ) 印。于是本系统的优化模型如 下：【其中k 。、k ，、k 。按工程设计标准要求所得的值】 m j nj 约束条件 ( 1 - 0 ) k p k p ( 1 + 0 ) k ， ( 1 - 0 ) t + k ，( 1 + 0 ) t + 0e 0 ，1 】( 3 1 0 ) ( 1 - 0 ) k d k ds ( 1 + 0 ) k d + 2 2 西华大学硕士研究生学位论文 f i g u r e3 - 9s g a o p t i m i z ep t dp a r m e t e r sc o n t r o ls y s 图3 9 基于标准遗传算法的p i d 参数优化控制系统框图 2 、寻优参数的编码、译码 遗传算法不能直接表示问题空间中的参数，必须把它们转换成遗传空间 中一定基因结构的染色体，该过程就是编码。所以，首先对p i d 的三个参数 k d 、k i 、k d 分别进行随机二进制编码。然后，再将三个参数的映射码串成一 条完整的染色体，从而构成遽传空间中的个体。根据g b t 9 6 5 2 对调速器主要 动态参数的要求有，k 。“0 3 ，1 0 】，k 【0 5 ，5 】，k 。e 0 ，5 。于是可以 算出各个参数的范围。通常k 。的取值范围是 o ，1 0 ，k ，的取值范围是 o ，5 】，屹是 【0 ，5 1 2 8 j 。并且，根据精度要求k 。保留小数点后两位，k ，k 保留两位小数。由 此可以算出参数编码所需二进制位数，即k 。：1 0 = 1 0 1 0 2 2 1 1 0 2 4 ，所以最 少需要l o 位。同理可算出k ，嚣要9 位，颤需要9 位。然后，再将三个参数的 映射码串成一条完整的染色体，从而构成遗传空间中的个体 ( t 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 ) 。具体对应的参数编码形式如下： l k p k i k d l1 0 付二讲制9 付二讲削9 付二j 井制 i1 0 1 0 1 0 0 1 1 0n 1 1 0 11 0 0 1 1 1 】1 0 0 1 0 1 西华大学硕士研究生学位论文 解码时需要先将二进制编码依次切成3 个二进制串，然后分别将他们转 换为对应的十进制数。解码公式为： x 2 x m m + i 产了( x 。一x 。) ( 3 - 1 1 ) 二一j 式中：6 为二进制代码；