基于現(xiàn)場總線WWT型PLC水輪機微機調速器的設計

一、WWT微機調速器的數學模型

1.1控制規(guī)律的選擇

水輪機調節(jié)設備是通過調節(jié)導水機構的開度來調節(jié)水輪機的流量及其流態(tài)的，這種調節(jié)需很大的推力，所以調速器的執(zhí)行機構采用一級放大或二級放大的油壓裝置，從而利用其推力推動接力器來實現(xiàn)。

從自動控制原理的角度上講，控制水輪機流量存在著水輪慣性，對調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定和響應特性帶來不利影響，水輪調速系統(tǒng)是一個復雜的、多變的、非線性的控制系統(tǒng)。

1.2 WWT型PLC微機調速器的控制過程

水輪機調速器由測量元件、放大校正元件、給定元件、執(zhí)行機構、反饋元件等組成，發(fā)電機組作為構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的控制過程是測量元件把機組轉速n(頻率)或其他被調參數測量出來，與給定信號和反饋信號綜合后，經放大校正元件去控制水輪機組，同時反饋元件又把導葉開度變化的信號返回給加法器。

1.3 PID調節(jié)的控制算法

上面說到水輪調節(jié)系統(tǒng)是一個復雜的控制系統(tǒng)，因此選擇合適的控制規(guī)律是一個號的控制系統(tǒng)的關鍵因素之一。在設計WWT型微機調速器時我們選擇了PID調節(jié)規(guī)律，它的結構簡單，并且提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

PID控制規(guī)律在實際中是由PLC的 軟件程序來實現(xiàn)的，PID的輸入為測量的頻差，其運算結果YPID為對應的導葉開度Y的數字量，YPID送入交流伺服電機驅動器，以控制電機的運轉位置，電機的轉動位置通過電液轉換器對應導葉接力器的開到對應的開度Y。

為實現(xiàn)有差調節(jié)，調差的反饋信號可取自位置環(huán)控制式PID運算結果，并與 功率給定信號的數字調節(jié)量相減，然后經Bp后與頻差信號綜合，改綜合信號送入PID調節(jié)通道。

PID微機調節(jié)器的控制算法為：

將上式進行拉氏變換得：

式中負號表示正的頻差對應負的接力器的開度。

式中是PID調節(jié)的時間連續(xù)的傳遞函數表達式;若用PLC程序實現(xiàn)則必須進行離散計算。

將式中的比例、積分、微分單獨的表達式寫出來：

用PLC程序來實現(xiàn)則必須進行PID調節(jié)計算，而采樣周期t式離散計算過程中極為重要的量。WWT型微機調速器是以種借助程序實現(xiàn)調節(jié)和控制功能的數字電子裝置，它是以巡回掃描的或定時處理的原理工作的。PLC完整的執(zhí)行一次可編程器系統(tǒng)、用戶程序所占用的 時間為采樣周期。

二、WWT微機調速器的數學控制方案的設計

2.1 WWT型PLC微機調速器系統(tǒng)原理

由交流伺服電機(位置環(huán))及滾珠螺旋自動復中裝置構成電液轉換器，由定位環(huán)控制PLC微機調節(jié)器的定位模塊，根據PID調節(jié)器輸出YPID與主接力器反饋(通道3-1)yf的差值，向交流伺服電機驅動器送出與此差值成比例的有方向的定位信號N，交流伺服電機同軸的旋轉編碼器將實際轉角(位移)y1以脈沖數的形式Nf送回驅動器，從而形成了以Ty1(交流伺服機構反應時間常數)為特征參數的小閉環(huán)。在調速器穩(wěn)定狀態(tài)(靜態(tài))，y1使主配壓閥處于中間平衡位置。

YPID至y的傳遞函數為：

由于交流伺服電機具有很高的頻率響應特性，其反應時間常數可以忽略(取Ty1=0)不計，上式傳遞函數簡化為

2.2 PLC系統(tǒng)結構

在調速器電氣部分的控制核心的PLC系統(tǒng)包括CPU模塊，數字量輸入模塊，數字量輸出模塊，模擬量輸入模塊，定位模塊、觸摸屏等。PLC系統(tǒng)采集現(xiàn)場數據，進行PID運算及狀態(tài)控制，輸出控制信號。