邏輯插裝式調(diào)速器隨動系統(tǒng)的變參數(shù)調(diào)節(jié)

吳紅光，楊峰雄，方永杰

（五凌電力掛治水力發(fā)電廠，貴州 錦屏 556700）

“標準化PLC微機調(diào)節(jié)器+電液隨動系統(tǒng)”結構模式的調(diào)速器現(xiàn)已廣泛應用于水輪機的調(diào)節(jié)與控制領域，該控制模式基本由微機調(diào)節(jié)部分完成信號傳遞、調(diào)節(jié)規(guī)律綜合、調(diào)節(jié)參數(shù)切換、狀態(tài)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(zhí)行機構。當前，調(diào)速器的微機調(diào)節(jié)部分大多采用變參數(shù)PID調(diào)節(jié)，由于其參數(shù)設置對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)影響極大，專業(yè)領域關注較多；而對電液隨動系統(tǒng)的參數(shù)，一般很少單獨研究。邏輯插裝式調(diào)速器，其電液隨動系統(tǒng)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(shù)，在微機調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定好后，由于隨動系統(tǒng)還受通道切換邏輯的影響，運行中依然會表現(xiàn)出不同的調(diào)節(jié)特性，因而，研究該類調(diào)速器隨動系統(tǒng)的特征參數(shù)、分析相關參數(shù)的變化對系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響、進而開展針對性的優(yōu)化調(diào)節(jié)，對于改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)、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(diào)速器的控制模型

某邏輯插裝式調(diào)速器的控制模型如圖1，該系統(tǒng)共有8路電液轉(zhuǎn)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(diào)速器控制模型

以開啟接力器為例，共有4種調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)任何一路的傳遞系數(shù)都可以相應地改變接力器的開啟速度，該傳遞系數(shù)可以通過相應回路的液控閥進行調(diào)整，當傳遞系數(shù)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(xiàn)今，水輪機調(diào)速器液壓系統(tǒng)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(xiàn)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(diào)速器的液壓冗余模式與傳統(tǒng)模式有著本質(zhì)上的區(qū)別，如圖2，主級放大元件的最大有效輸入影響著執(zhí)行機構的最快響應速度，由機組的調(diào)保計算要求決定，①中傳統(tǒng)模式一般采用雙電液轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)換回路的最大輸出設置無關，因而，不同電液轉(zhuǎn)換回路的功能特性完全一致；②中邏輯插裝式調(diào)速器液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)換回路的最大輸出設置都影響系統(tǒng)的響應特性，不同的回路雖然可以實現(xiàn)替代控制但調(diào)節(jié)特性不完全一致。因此，在邏輯插裝式調(diào)速器的隨動系統(tǒng)中，每一個電液轉(zhuǎn)換回路的參數(shù)設置都相當重要。

圖2 液壓回路的冗余模式

3 隨動系統(tǒng)的可變參數(shù)調(diào)節(jié)

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

圖3 隨動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

結合圖1的控制模型可以理解，邏輯通道函數(shù)Ki(s)為系統(tǒng)的可變參數(shù)，且有：

插裝閥的最大傳遞系數(shù)Ky影響著調(diào)速器系統(tǒng)的最大放大系數(shù)，由機組的調(diào)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(shù)

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

圖4 任一通道的傳遞函數(shù)

液控閥流量信號的傳遞顯然是有延遲的慣性環(huán)節(jié)，但由于在系統(tǒng)的正常運行中，該緩沖作用時間相比于接力器開度調(diào)節(jié)時間短得多，同時也為了簡化分析，暫將TCi視為0?；诖?，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(shù)簡化如圖5，則函數(shù)表達式為：

圖5 邏輯通道的傳遞函數(shù)

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(shù)可以寫為：

由此看出，邏輯通道函數(shù)Ki(s)可以看作是一個與復變量s無關但可調(diào)的參數(shù)。

考慮機組調(diào)保計算確定的插裝閥最大傳遞系數(shù)Ky，對于有n個邏輯通道的控制回路，在系統(tǒng)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(diào)保計算的最大速度；②少一路則達不到調(diào)保計算的最大速度；③因系統(tǒng)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(shù)δ的平均值越大，回路個數(shù)n越少，控制邏輯越簡單，但在系統(tǒng)運行中，參數(shù)的可調(diào)性也就越差。

3.2 可變參數(shù)隨動系統(tǒng)

由于Ki(s)與復變量s無關，式（1）調(diào)速器系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)及特性方程可以寫為：

設：

結合前文，顯然有：

設系統(tǒng)前向通道的最大放大系數(shù)為K，即：

則阻尼系數(shù)為：

3.3 傳統(tǒng)不可變參數(shù)隨動系統(tǒng)

傳統(tǒng)調(diào)速器典型隨動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖6，求系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以寫為：

上式可以推廣為傳統(tǒng)調(diào)速器隨動系統(tǒng)傳遞函數(shù)的一般簡化形式，其中：TY為大環(huán)時間常數(shù)，Ty為小環(huán)時間常數(shù)，Kf為大環(huán)反饋系數(shù)，Ka為小環(huán)反饋系數(shù)，K為大環(huán)前向通道傳遞系數(shù)，K0為小環(huán)前向通道傳遞系數(shù)。該傳遞函數(shù)的特征方程為：

求系統(tǒng)的阻尼系數(shù)：

3.4 隨動系統(tǒng)變參數(shù)調(diào)節(jié)的意義

阻尼是影響控制系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)速器的控制形式不同，邏輯插裝式調(diào)速器實質(zhì)上是一種可變阻尼控制系統(tǒng)：雖然式（3）表明，傳統(tǒng)調(diào)速器的阻尼系數(shù)可以通過修改某些參數(shù)進行調(diào)整，但修改后相應的值也是唯一的；式（2）表明，邏輯插裝式調(diào)速器的阻尼系數(shù)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(tǒng)的n種阻尼系數(shù)，當n個邏輯通道全部開啟時，對應的最小阻尼系數(shù)為：

在其它預置參數(shù)相當?shù)那闆r下，該阻尼系數(shù)顯然比式（3）傳統(tǒng)調(diào)速器的小，因而邏輯插裝式調(diào)速器具有大流量、低液阻特性，其調(diào)節(jié)效率之高，是傳統(tǒng)調(diào)速器所無法比擬的。

系統(tǒng)的阻尼越小，超調(diào)的可能性也就越大，當系統(tǒng)的調(diào)節(jié)接近目標值時，為了減少系統(tǒng)的超調(diào)，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(shù)為：

其中：

由前文可知，邏輯通道個數(shù)n越多，δ的平均值越小，最大阻尼系數(shù)就越大，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和精度越高。對比式（4）和式（3），求解邏輯插裝式調(diào)速器的最大阻尼系數(shù)比傳統(tǒng)調(diào)速器大的條件是：

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

在傳統(tǒng)調(diào)速器完全液壓冗余的控制模式中，由于隨動系統(tǒng)的特征參數(shù)不具備自適應能力，其到位緩沖功能的實現(xiàn)更多地依靠電液轉(zhuǎn)換器輸入信號的變化，這就需要微機調(diào)節(jié)器不斷地進行PID運算并保持連續(xù)變化的輸出；與之不同，邏輯插裝式調(diào)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(xù)變化，這也為該類調(diào)速器采用直接數(shù)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(diào)速器技術得到了飛速發(fā)展，長期以來，調(diào)速器專業(yè)人員在控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計實踐中，一般考慮將隨動部分的調(diào)節(jié)功能全部交由電子調(diào)節(jié)器去完成，盡可能簡化機械液壓系統(tǒng)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(diào)速器的機械液壓系統(tǒng)被賦予了更多的調(diào)節(jié)功能，即提高了整體的設計水平，又適度減輕了微機控制環(huán)節(jié)的負擔，更提高了控制系統(tǒng)的互換性，這無疑在調(diào)速器產(chǎn)品的研發(fā)方面，提供了一種全新的設計思路，這種理念，也暗合當今數(shù)字化時代的發(fā)展趨勢。對于水電廠調(diào)速器維護人員而言，深刻地認識其隨動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，對于保障系統(tǒng)的正常運行、提高設備的管理水平，也具有重要的指導意義。