邏輯插裝式調速器隨動系統的變參數調節

吳紅光，楊峰雄，方永杰

（五凌電力掛治水力發電廠，貴州 錦屏 556700）

“標準化PLC微機調節器+電液隨動系統”結構模式的調速器現已廣泛應用于水輪機的調節與控制領域，該控制模式基本由微機調節部分完成信號傳遞、調節規律綜合、調節參數切換、狀態指示和控制量輸出等功能，電液隨動部分作為功率放大、進行隨動控制的執行機構。當前，調速器的微機調節部分大多采用變參數PID調節，由于其參數設置對系統的調節品質影響極大，專業領域關注較多；而對電液隨動系統的參數，一般很少單獨研究。邏輯插裝式調速器，其電液隨動系統采用多通道控制，除了保證液壓回路的冗余之外，每一個通道都有相應的特征參數，在微機調節器的參數整定好后，由于隨動系統還受通道切換邏輯的影響，運行中依然會表現出不同的調節特性，因而，研究該類調速器隨動系統的特征參數、分析相關參數的變化對系統調節品質的影響、進而開展針對性的優化調節，對于改善系統的調節品質、防范設備的運行異常，具有良好的實踐應用價值。

1 邏輯插裝式調速器的控制模型

某邏輯插裝式調速器的控制模型如圖1，該系統共有8路電液轉換器（開閥/關閥），電氣放大器輸出接力器開度偏差的放大信號，通過導通的開閥/關閥將信號進一步傳遞和放大，作用于接力器的開啟/關閉。

圖1 某邏輯插裝式調速器控制模型

以開啟接力器為例，共有4種調節速度，分別對應第1路開閥導通、第1-2路開閥導通、第1-2-3路開閥導通、第1-2-3-4路開閥導通，調節任何一路的傳遞系數都可以相應地改變接力器的開啟速度，該傳遞系數可以通過相應回路的液控閥進行調整，當傳遞系數過大時，則由插裝閥的開度限制決定接力器的最大開啟速度。

2 液壓回路的不完全冗余模式

現今，水輪機調速器液壓系統采用冗余控制的設計方案已成為共識，在某個液壓回路出現故障的情況下，是否具備可靠的冗余回路直接關系到機組能否安全運行。邏輯插裝式調速器的液壓冗余模式與傳統模式有著本質上的區別，如圖2，主級放大元件的最大有效輸入影響著執行機構的最快響應速度，由機組的調保計算要求決定，①中傳統模式一般采用雙電液轉換回路冗余控制，任何一路的最大輸出都大于主級放大元件的最大有效輸入，系統的響應特性與主級放大元件的最大有效輸入設置有關（如主配壓閥開/關方向的極限位置），與電液轉換回路的最大輸出設置無關，因而，不同電液轉換回路的功能特性完全一致；②中邏輯插裝式調速器液壓系統一般采用多冗余模式，且任何一路的最大輸出都小于主級放大元件的最大有效輸入，每一路電液轉換回路的最大輸出設置都影響系統的響應特性，不同的回路雖然可以實現替代控制但調節特性不完全一致。因此，在邏輯插裝式調速器的隨動系統中，每一個電液轉換回路的參數設置都相當重要。

圖2 液壓回路的冗余模式

3 隨動系統的可變參數調節

結合插裝式調速器控制模型，簡化隨動系統的傳遞函數如圖3，圖中：KD為電氣放大系數，Ki(s)為開閥/關閥邏輯通道的相關函數，Ty為插裝閥時間常數，TY為接力器時間常數，Ky為插裝閥的最大傳遞系數，KY為接力器的傳遞系數，Kf為接力器位移反饋系數。求系統的閉環傳遞函數為：

圖3 隨動系統的傳遞函數

結合圖1的控制模型可以理解，邏輯通道函數Ki(s)為系統的可變參數，且有：

插裝閥的最大傳遞系數Ky影響著調速器系統的最大放大系數，由機組的調保計算要求確定，其值取決于插裝閥的開度限制。

3.1 邏輯通道的可變參數

對于控制插裝閥的任一路邏輯通道，簡化其傳遞函數如圖4，圖中ai取值為0或1，分別對應i通道斷開或導通，Kkg表示開關閥電液轉換系數，δi表示相應通道的液控閥傳遞系數，TCi表示液控閥的時間常數。

圖4 任一通道的傳遞函數

液控閥流量信號的傳遞顯然是有延遲的慣性環節，但由于在系統的正常運行中，該緩沖作用時間相比于接力器開度調節時間短得多，同時也為了簡化分析，暫將TCi視為0。基于此，假設開啟（或關閉）接力器有n個邏輯通道，邏輯通道傳遞函數簡化如圖5，則函數表達式為：

圖5 邏輯通道的傳遞函數

對應于控制接力器的第i級速度，有：

則相應的邏輯通道函數可以寫為：

由此看出，邏輯通道函數Ki(s)可以看作是一個與復變量s無關但可調的參數。

考慮機組調保計算確定的插裝閥最大傳遞系數Ky，對于有n個邏輯通道的控制回路，在系統的設計中應滿足下列條件，以盡量簡化控制回路和液壓元件：①回路設置能達到調保計算的最大速度；②少一路則達不到調保計算的最大速度；③因系統最大速度由插裝閥開度限制確定，可以取消第n路的液控閥，相應表達式分別為：

顯然，在Kkg和Ky一定的前提下，液控閥傳遞系數δ的平均值越大，回路個數n越少，控制邏輯越簡單，但在系統運行中，參數的可調性也就越差。

3.2 可變參數隨動系統

由于Ki(s)與復變量s無關，式（1）調速器系統的閉環傳遞函數及特性方程可以寫為：

設：

結合前文，顯然有：

設系統前向通道的最大放大系數為K，即：

則阻尼系數為：

3.3 傳統不可變參數隨動系統

傳統調速器典型隨動系統的傳遞函數如圖6，求系統的閉環傳遞函數為：

則系統的閉環傳遞函數可以寫為：

上式可以推廣為傳統調速器隨動系統傳遞函數的一般簡化形式，其中：TY為大環時間常數，Ty為小環時間常數，Kf為大環反饋系數，Ka為小環反饋系數，K為大環前向通道傳遞系數，K0為小環前向通道傳遞系數。該傳遞函數的特征方程為：

求系統的阻尼系數：

3.4 隨動系統變參數調節的意義

阻尼是影響控制系統運行特性的關鍵因素，通過比較式（2）和式（3）可以看出，與傳統調速器的控制形式不同，邏輯插裝式調速器實質上是一種可變阻尼控制系統：雖然式（3）表明，傳統調速器的阻尼系數可以通過修改某些參數進行調整，但修改后相應的值也是唯一的；式（2）表明，邏輯插裝式調速器的阻尼系數可以按控制邏輯進行切換，其設置的n個邏輯通道對應系統的n種阻尼系數，當n個邏輯通道全部開啟時，對應的最小阻尼系數為：

在其它預置參數相當的情況下，該阻尼系數顯然比式（3）傳統調速器的小，因而邏輯插裝式調速器具有大流量、低液阻特性，其調節效率之高，是傳統調速器所無法比擬的。

系統的阻尼越小，超調的可能性也就越大，當系統的調節接近目標值時，為了減少系統的超調，則依次關閉部分邏輯通道，只開啟第1個邏輯通道時，對應的最大阻尼系數為：

其中：

由前文可知，邏輯通道個數n越多，δ的平均值越小，最大阻尼系數就越大，調節穩定性和精度越高。對比式（4）和式（3），求解邏輯插裝式調速器的最大阻尼系數比傳統調速器大的條件是：

即便在邏輯通道個數n一定的情況下，適當減小第1路液控閥的傳遞系數，使其滿足上述條件也相當容易實現。綜上：邏輯插裝式調速器具有阻尼系數低、響應速度快的特點，同時，其隨動系統基于邏輯通道控制的變參數調節性能，使系統在必要的時候能夠擁有較大的阻尼系數，保證執行機構具有足夠的到位緩沖能力，而不出現超調、振蕩的情況。

在傳統調速器完全液壓冗余的控制模式中，由于隨動系統的特征參數不具備自適應能力，其到位緩沖功能的實現更多地依靠電液轉換器輸入信號的變化，這就需要微機調節器不斷地進行PID運算并保持連續變化的輸出；與之不同，邏輯插裝式調速器基于機械液壓通道控制的到位緩沖功能，不完全依賴于輸入信號的連續變化，這也為該類調速器采用直接數字控制的方式提供了可能。

4 結語

以前，電氣放大理論和自動控制理論還是不相交的兩個分支，其后由于電子電路的引入，以自動控制理論為基礎的水輪機調速器技術得到了飛速發展，長期以來，調速器專業人員在控制系統的優化設計實踐中，一般考慮將隨動部分的調節功能全部交由電子調節器去完成，盡可能簡化機械液壓系統的結構，而微機控制策略則越來越復雜。與此相反，邏輯插裝式調速器的機械液壓系統被賦予了更多的調節功能，即提高了整體的設計水平，又適度減輕了微機控制環節的負擔，更提高了控制系統的互換性，這無疑在調速器產品的研發方面，提供了一種全新的設計思路，這種理念，也暗合當今數字化時代的發展趨勢。對于水電廠調速器維護人員而言，深刻地認識其隨動系統的調節功能，對于保障系統的正常運行、提高設備的管理水平，也具有重要的指導意義。