基于現(xiàn)場(chǎng)總線WWT型PLC水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)

一、WWT微機(jī)調(diào)速器的數(shù)學(xué)模型

1.1控制規(guī)律的選擇

水輪機(jī)調(diào)節(jié)設(shè)備是通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的流量及其流態(tài)的，這種調(diào)節(jié)需很大的推力，所以調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用一級(jí)放大或二級(jí)放大的油壓裝置，從而利用其推力推動(dòng)接力器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從自動(dòng)控制原理的角度上講，控制水輪機(jī)流量存在著水輪慣性，對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和響應(yīng)特性帶來(lái)不利影響，水輪調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、多變的、非線性的控制系統(tǒng)。

1.2 WWT型PLC微機(jī)調(diào)速器的控制過(guò)程

水輪機(jī)調(diào)速器由測(cè)量元件、放大校正元件、給定元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋元件等組成，發(fā)電機(jī)組作為構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的控制過(guò)程是測(cè)量元件把機(jī)組轉(zhuǎn)速n(頻率)或其他被調(diào)參數(shù)測(cè)量出來(lái)，與給定信號(hào)和反饋信號(hào)綜合后，經(jīng)放大校正元件去控制水輪機(jī)組，同時(shí)反饋元件又把導(dǎo)葉開(kāi)度變化的信號(hào)返回給加法器。

1.3 PID調(diào)節(jié)的控制算法

上面說(shuō)到水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，因此選擇合適的控制規(guī)律是一個(gè)號(hào)的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。在設(shè)計(jì)WWT型微機(jī)調(diào)速器時(shí)我們選擇了PID調(diào)節(jié)規(guī)律，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)際中是由PLC的 軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，PID的輸入為測(cè)量的頻差，其運(yùn)算結(jié)果YPID為對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度Y的數(shù)字量，YPID送入交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)位置，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置通過(guò)電液轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉接力器的開(kāi)到對(duì)應(yīng)的開(kāi)度Y。

為實(shí)現(xiàn)有差調(diào)節(jié)，調(diào)差的反饋信號(hào)可取自位置環(huán)控制式PID運(yùn)算結(jié)果，并與 功率給定信號(hào)的數(shù)字調(diào)節(jié)量相減，然后經(jīng)Bp后與頻差信號(hào)綜合，改綜合信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)通道。

PID微機(jī)調(diào)節(jié)器的控制算法為：

將上式進(jìn)行拉氏變換得：

式中負(fù)號(hào)表示正的頻差對(duì)應(yīng)負(fù)的接力器的開(kāi)度。

式中是PID調(diào)節(jié)的時(shí)間連續(xù)的傳遞函數(shù)表達(dá)式;若用PLC程序?qū)崿F(xiàn)則必須進(jìn)行離散計(jì)算。

將式中的比例、積分、微分單獨(dú)的表達(dá)式寫(xiě)出來(lái)：

用PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)則必須進(jìn)行PID調(diào)節(jié)計(jì)算，而采樣周期t式離散計(jì)算過(guò)程中極為重要的量。WWT型微機(jī)調(diào)速器是以種借助程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)和控制功能的數(shù)字電子裝置，它是以巡回掃描的或定時(shí)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(shí)間為采樣周期。

二、WWT微機(jī)調(diào)速器的數(shù)學(xué)控制方案的設(shè)計(jì)

2.1 WWT型PLC微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)原理

由交流伺服電機(jī)(位置環(huán))及滾珠螺旋自動(dòng)復(fù)中裝置構(gòu)成電液轉(zhuǎn)換器，由定位環(huán)控制PLC微機(jī)調(diào)節(jié)器的定位模塊，根據(jù)PID調(diào)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(jī)驅(qū)動(dòng)器送出與此差值成比例的有方向的定位信號(hào)N，交流伺服電機(jī)同軸的旋轉(zhuǎn)編碼器將實(shí)際轉(zhuǎn)角(位移)y1以脈沖數(shù)的形式Nf送回驅(qū)動(dòng)器，從而形成了以Ty1(交流伺服機(jī)構(gòu)反應(yīng)時(shí)間常數(shù))為特征參數(shù)的小閉環(huán)。在調(diào)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(shù)為：

由于交流伺服電機(jī)具有很高的頻率響應(yīng)特性，其反應(yīng)時(shí)間常數(shù)可以忽略(取Ty1=0)不計(jì)，上式傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為

2.2 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在調(diào)速器電氣部分的控制核心的PLC系統(tǒng)包括CPU模塊，數(shù)字量輸入模塊，數(shù)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(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行PID運(yùn)算及狀態(tài)控制，輸出控制信號(hào)。