一種適用于小型水輪機(jī)調(diào)速器的電液隨動(dòng)系統(tǒng)

王印松，宋凱兵

(華北電力大學(xué)河北省發(fā)電過(guò)程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心，河北保定071003)

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一種適用于小型水輪機(jī)調(diào)速器的電液隨動(dòng)系統(tǒng)

王印松，宋凱兵

(華北電力大學(xué)河北省發(fā)電過(guò)程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心，河北保定071003)

針對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高、可靠性較低和抗污染能力差等問(wèn)題，提出了一種適用于小型水輪機(jī)調(diào)速器的電液隨動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由液壓標(biāo)準(zhǔn)元件組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)；采用Bang-Bang控制和脈寬調(diào)制(PWM)控制構(gòu)成的雙模控制算法，算法簡(jiǎn)單，易于在PLC上實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。

水輪機(jī)調(diào)速器；電液隨動(dòng)系統(tǒng)；Bang-Bang控制；PWM控制；PLC

0 引 言

水輪機(jī)調(diào)速器是水輪發(fā)電機(jī)組重要的自動(dòng)控制設(shè)備之一，其調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣和運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量。因此，對(duì)品質(zhì)優(yōu)良、可靠性高的水輪機(jī)調(diào)速器的研究一直是一個(gè)非常重要課題。

電液隨動(dòng)系統(tǒng)作為水輪機(jī)調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)期以來(lái)存在著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高、可靠性低和抗污染能力差等現(xiàn)象[1]。其研究算法大多集中在包括模糊PID、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等在內(nèi)的復(fù)雜控制算法。因此造成了水輪機(jī)調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)“大腦發(fā)達(dá)，四肢不靈”的現(xiàn)狀。近年來(lái)，隨著液壓標(biāo)準(zhǔn)元件在水輪機(jī)調(diào)速器領(lǐng)域中的使用，其標(biāo)準(zhǔn)化程度大大提高，結(jié)束了調(diào)速器長(zhǎng)期游離于現(xiàn)代液壓技術(shù)之外，制約液壓新技術(shù)在水輪機(jī)調(diào)速器中應(yīng)用的尷尬局面[2- 3]。針對(duì)于此，本文提出了一種適用于小型水輪機(jī)調(diào)速器的電液隨動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由液壓標(biāo)準(zhǔn)元件組成，取消了主配壓閥結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而且控制算法簡(jiǎn)單，易于在PLC上編程實(shí)現(xiàn)。

本電液隨動(dòng)系統(tǒng)采用電磁換向閥控制替代傳統(tǒng)的伺服閥或者比例閥控制。電磁換向閥功耗較小，價(jià)格便宜，控制簡(jiǎn)單，有效降低了系統(tǒng)的成本和簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。電磁換向閥工作在全開(kāi)或者全關(guān)的狀態(tài)，與控制器之間連接為開(kāi)關(guān)量連接，因此具有很強(qiáng)的抗污染能力和抗干擾能力，系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

可編程控制器(PLC)采用德國(guó)西門子公司的SIMATIC S7- 200，它具有功能強(qiáng)大，編程簡(jiǎn)單，可靠性高，通用性強(qiáng)，擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)。本電液隨動(dòng)系統(tǒng)的控制算法采用將Bang-Bang控制和脈寬調(diào)制(PWM)控制相結(jié)合的雙模控制算法。該控制算法復(fù)合了Bang-Bang控制的快速性和脈寬調(diào)制(PWM)控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，而且控制算法簡(jiǎn)單，容易在PLC上編程實(shí)現(xiàn)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本電液隨動(dòng)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能，具有一定的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 電液隨動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理

電液隨動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是控制活塞的左右移動(dòng)，達(dá)到位置控制的目的。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。當(dāng)活塞左移時(shí)，壓力油進(jìn)入接力器油缸的右腔室，左腔室回油，當(dāng)活塞右移時(shí)，壓力油進(jìn)入接力器油缸的左腔室，右腔室回油；當(dāng)油液壓力低于壓力設(shè)定值下限時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，油泵開(kāi)始加壓，油液壓力增大，當(dāng)油液壓力達(dá)到壓力設(shè)定值上限時(shí)，電機(jī)停止工作，油泵加壓結(jié)束，其能量?jī)?chǔ)存在蓄能器中，用于驅(qū)動(dòng)活塞左右移動(dòng)。接力器油缸的活塞與水輪機(jī)的接力器相連，而接力器的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)改變水輪機(jī)導(dǎo)葉的開(kāi)度。

圖1 電液隨動(dòng)系統(tǒng)組成示意

該系統(tǒng)分自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式。自動(dòng)控制時(shí)：3DT失電，1DT和2DT互鎖，能且只能一個(gè)帶電控制活塞左右移動(dòng)，控制指令來(lái)自主控制器；手動(dòng)控制時(shí)：3DT帶電，1DT和2DT失電，通過(guò)手動(dòng)控制桿控制活塞左右移動(dòng)。

當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)控制模式下時(shí)，根據(jù)電磁鐵通斷電情況，分析活塞左移、右移和停止3種工作狀態(tài)。

左移工作狀態(tài)，電磁鐵2DT通電，1DT和3DT斷電，三位四通電磁換向閥12處于右位，壓力油通過(guò)電磁換向閥10和12進(jìn)入接力器油缸右腔室，活塞向左移動(dòng)。

右移工作狀態(tài)，電磁鐵1DT通電，2DT和3DT斷電，三位四通電磁換向閥12處于左位，壓力油通過(guò)電磁換向閥10和12進(jìn)入接力器油缸左腔室，活塞向右移動(dòng)。

停止工作狀態(tài)，電磁鐵1DT、2DT和3DT斷電，三位四通電磁換向閥12處于中位，壓力油被截止，活塞保持于當(dāng)前位置。

2 PLC控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

該電液隨動(dòng)系統(tǒng)采用SIMATIC S7- 200可編程控制器(PLC)作為主控制器，組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)控制電磁換向閥的電磁鐵通斷電情況，來(lái)控制活塞左右移動(dòng)，達(dá)到位置控制的目的。

圖2 PLC硬件組成示意

PLC控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示，其具體組成如下：CPU選用CPU 224XP CN，具有14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)；模擬量輸入模塊選用EM231，具有4個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，本系統(tǒng)輸入為4～20 mA直流電流信號(hào)；電源選用西門子S7- 200專用電源PS 207，最大輸出電流為2.5 A；位移傳感器選用LEC150拉線位移傳感器，輸出為4～20 mA直流電流信號(hào)，繼電器選用JZX- 22F/4Z，繼電器底座選用CZY14A。

PLC控制系統(tǒng)通過(guò)CPU、繼電器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及位移傳感器組成一個(gè)帶反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該閉環(huán)控制系統(tǒng)在人機(jī)界面輸入活塞位置設(shè)定值后，經(jīng)過(guò)PLC綜合計(jì)算處理給出相應(yīng)的控制指令，控制壓力油進(jìn)入接力器油缸的方向，進(jìn)而控制活塞的左右移動(dòng)，達(dá)到位置控制的目的。

3 控制算法的實(shí)現(xiàn)

本文提出的電液隨動(dòng)系統(tǒng)采用將Bang-Bang控制和PWM控制相結(jié)合的雙模控制算法，該控制算法復(fù)合了Bang-Bang控制的快速性和PWM控制的精度高的優(yōu)點(diǎn)，而且算法簡(jiǎn)單，容易在PLC上編程實(shí)現(xiàn)。該雙模控制的主要思想是：系統(tǒng)設(shè)置位置誤差閾值ξ，當(dāng)位置誤差e大于位置誤差閾值ξ時(shí)，為保證盡快減小位置誤差采用Bang-Bang控制算法；當(dāng)位置誤差e小于位置誤差閾值ξ時(shí)，為保證控制精度采用PWM控制算法；其控制算法的流程如圖3所示。

圖3 Bang-Bang+PWM控制流程

3.1 Bang-Bang控制算法

在電液隨動(dòng)系統(tǒng)的位置控制中，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)間最優(yōu)控制，首先考慮Bang-Bang控制。Bang-Bang控制的思想是在控制域內(nèi)，以最快的速度接近控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)或時(shí)間次優(yōu)，具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

Bang-Bang控制也稱為開(kāi)關(guān)控制或最小時(shí)間控制。設(shè)非線性時(shí)變系統(tǒng)的狀態(tài)方程可由下列微分方程描述

(1)

初始條件為X(t0)=X0

(2)

目標(biāo)集條件為S(t)，X(t)∈S(t)

(3)

(4)

控制u(t)是受限的，即

(5)

(6)

對(duì)象的狀態(tài)方程(1)滿足一定條件時(shí)，受限控制uj(t)的最優(yōu)解為

(7)

式中，Δ表示不確定；qj(t)為開(kāi)關(guān)函數(shù)，若qj(t)只在獨(dú)立的瞬間取零值，則稱這種時(shí)間最優(yōu)控制為平凡的，這就是Bang-Bang控制。

本電液隨動(dòng)系統(tǒng)中，采用的Bang-Bang控制策略為

(8)

式中，U為數(shù)字量輸出，e為位置誤差值，ξ為位置誤差閾值。

但是單一的Bang-Bang控制雖然控制時(shí)間最優(yōu)，但是系統(tǒng)往往會(huì)在期望值的附近產(chǎn)生極限振蕩的現(xiàn)場(chǎng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差也較大，因此Bang-Bang控制一般不單獨(dú)使用，常和其他控制算法結(jié)合使用，以期望達(dá)到良好的控制效果和控制精度。本文將Bang-Bang控制算法和PWM控制算法綜合使用，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，系統(tǒng)的位置誤差閾值設(shè)為ξ=1.7 mm。

3.2 PWM控制算法

當(dāng)系統(tǒng)活塞的位置誤差e小于位置誤差閾值ξ時(shí)，為保證控制精度采用PWM控制算法，現(xiàn)分析雙模控制中的PWM控制算法。

設(shè)脈寬信號(hào)的周期為T，T1為電磁換向閥的通電時(shí)間，T2為電磁換向閥的斷電時(shí)間，則T1+T2=T，定義τ=T1/T定義為脈寬信號(hào)的占空比[10]。電磁換向閥在脈寬信號(hào)的控制下做開(kāi)關(guān)動(dòng)作，在一個(gè)脈寬信號(hào)周期內(nèi)，PWM控制策略可表示為

(9)

式中，U表示數(shù)字量輸出。

由式(9)可得，通過(guò)控制電磁換向閥通電時(shí)間T1的大小，即調(diào)節(jié)脈寬信號(hào)的占空比，可以實(shí)現(xiàn)活塞位置的微調(diào)，進(jìn)而滿足電液隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)控制精度要求，同時(shí)也在一定程度上減少了系統(tǒng)在期望值附近的劇烈的抖動(dòng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)采用STEP7-Micro/WIN對(duì)PLC S7—200進(jìn)行編程。本電液隨動(dòng)系統(tǒng)活塞的最大行程為170 mm，根據(jù)系統(tǒng)控制精度的要求，活塞位置的最大允許誤差為δ=±0.2 mm。設(shè)系統(tǒng)活塞的位置設(shè)定值為r，位置測(cè)量值為y，則位置誤差的計(jì)算公式為

e=y-r

(10)

采用上述參數(shù)，對(duì)PLC S7—200進(jìn)行編程，下載并運(yùn)行程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC內(nèi)重要參數(shù)和活塞位置變化過(guò)程。通過(guò)數(shù)據(jù)采集，得到電液隨動(dòng)系統(tǒng)活塞位置的實(shí)際響應(yīng)曲線如圖4所示。測(cè)得其中4個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置設(shè)定值、測(cè)量值和偏差值如表1所示。從圖4和表1中可以看出，在自動(dòng)運(yùn)行模式下，輸入活塞位置的設(shè)定值后，活塞能快速到達(dá)指定位置并保持位置不變，同時(shí)也滿足電液隨動(dòng)系統(tǒng)控制精度的要求，控制誤差在最大允許誤差范圍之內(nèi)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。該電液隨動(dòng)系統(tǒng)的位置誤差最大值為±0.12%，再配上其他合理的裝置，完全能夠滿足小型水輪機(jī)調(diào)速器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 位置響應(yīng)曲線

時(shí)間/s設(shè)定值/mm測(cè)量值/mm偏差值/mm13808012012178080080042616015986-0143216015991-009

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)電液隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理和PLC的硬件構(gòu)成進(jìn)行了介紹，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)。分析了電液隨動(dòng)系統(tǒng)的Bang-Bang+PWM雙模控制算法，給出了控制算法的流程圖，算法簡(jiǎn)單，易于在PLC上編程實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制算法的有效性和可行性。實(shí)驗(yàn)表明，該電液隨動(dòng)系統(tǒng)能夠快速跟蹤位置設(shè)定值，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，再配上其他合理的裝置，完全能夠滿足小型水輪機(jī)調(diào)速器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Study of Electro-hydraulic Servo System Suitable for Small Hydro Turbine Governor

WANG Yinsong, SONG Kaibing

(Hebei Engineering Research Center of Simulation & Optimized Control for Power Generation, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei, China)

In view of the complicated structure, large size, low standardization, low reliability and poor anti-pollution of electro-hydraulic servo system of hydro turbine governor, a kind of electro-hydraulic servo system suitable for small turbine governor servo system is put forward. The system is mainly consisted by standardizated hydraulic components, and has the characteristics of simple structure, reliable operation, low price and strong anti-pollution ability. The system uses a dual mode control algorithm of Bang-Bang control and Pulse Width Modulation (PWM) control, which is simple and easy to be realized in PLC. The experiments demonstrate that the system has good dynamic and steady performance．

hydro turbine governor; electro-hydraulic servo system; Bang-Bang control; PWM control; PLC

2016- 04- 06

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助(DWJS500060)

王印松(1967—)，男，河北河間人，教授，博士，主要從事清潔能源發(fā)電控制技術(shù)的研究．

TM312

A

0559- 9342(2016)09- 0079- 04