水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器技術(shù)的優(yōu)化

1.微機(jī)調(diào)速器的特點(diǎn)

1.1調(diào)節(jié)規(guī)律的靈活實(shí)現(xiàn)

微機(jī)調(diào)速器通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)規(guī)律，這一特性使得它不僅能夠執(zhí)行傳統(tǒng)的比例（P）和比例一積分一微分（PID）調(diào)節(jié)，還可以實(shí)施更復(fù)雜的調(diào)節(jié)策略。例如，前饋控制、自適應(yīng)調(diào)節(jié)、預(yù)測(cè)控制以及最優(yōu)控制等高級(jí)調(diào)節(jié)方法都能夠被輕松地應(yīng)用，這種靈活性為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)造了良好的條件，有助于提升整體運(yùn)行效率。

1.2高性能的計(jì)算機(jī)硬件支持

微機(jī)調(diào)速器采用了性能優(yōu)越且可靠性高的計(jì)算機(jī)硬件，結(jié)合靈活的控制規(guī)律，從而確保了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性上均表現(xiàn)出色。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)顯著提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，為水力發(fā)電的穩(wěn)定性提供了有力保障。

1.3通信接口及遠(yuǎn)方控制的便利性

微機(jī)調(diào)速器易于實(shí)現(xiàn)與廠站級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口，支持遠(yuǎn)方控制功能，使得水電廠能夠?qū)崿F(xiàn)全面的綜合控制，在極端工況下也能保持穩(wěn)定的調(diào)節(jié)性能，從而提升了水電廠的綜合自動(dòng)化水平，這種高度的自動(dòng)化不僅提高了生產(chǎn)效率，還增強(qiáng)了對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力。

2.仿增量型數(shù)字PID微機(jī)調(diào)速器 設(shè)計(jì)

仿增量型數(shù)字PID微機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示，與傳統(tǒng)的位置型PID控制算法不同，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用數(shù)液伺服系統(tǒng)取代了原有的電液隨動(dòng)系統(tǒng)，而數(shù)字伺服系統(tǒng)是基于導(dǎo)葉接力器反饋信號(hào) Y^'（n） 和PID輸出 Y_PID（n） 之間的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的[。在該系統(tǒng)中，數(shù)字伺服系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的PID輸出Y^'（n） 與上一個(gè)采樣周期測(cè)得的導(dǎo)葉接力器反饋值 Y^'（n-1） 的差值進(jìn)行工作。

由于采樣周期T通常較短且遠(yuǎn)小于數(shù)字伺服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，因此在第 n 次采樣時(shí)刻，導(dǎo)葉接力器的反饋值 Y^'（n） 可能仍然是前一次PID的輸出Y_PID（n-1） 。盡管采樣周期很短，但由于導(dǎo)葉接力器的相對(duì)值變化很小，如果忽略伺服系統(tǒng)誤差，那么導(dǎo)葉接力器反饋值 Y^'（n） 與PID輸出 Y_PID（n-1） 值會(huì)近似相等。因此，在第 n 次采樣周期中，通過仿增量型算法計(jì)算得出的PID輸出ΔY_PID（n） 與實(shí)際增量型算法的PID 輸出ΔY_PID（n） 在數(shù)值上是近似相等，見公式（1）。

這種仿增量型數(shù)字PID微機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)方法，借助數(shù)液伺服系統(tǒng)和增量型控制策略，實(shí)現(xiàn)了更為精準(zhǔn)和靈活的調(diào)速控制，通過有效利用采樣周期內(nèi)的數(shù)據(jù)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)控制響應(yīng)，該系統(tǒng)能夠在保持穩(wěn)定性的同時(shí)還提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和響應(yīng)速度。

ΔY_PID（n）=Y_PID（n）-Y^'（n）≈Y_PID（n）-Y_PID（n-1）

3.微機(jī)調(diào)速器的軟件設(shè)計(jì)

水輪機(jī)調(diào)速器通過合理的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化編程方法，可以更好地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，并確保系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠穩(wěn)定高效地工作。根據(jù)水輪機(jī)調(diào)速器的工作狀態(tài)、過程任務(wù)要求及主要功能，調(diào)速器的軟件程序負(fù)責(zé)模擬量采集、數(shù)據(jù)處理、控制規(guī)律計(jì)算、控制命令發(fā)送以及限制、保護(hù)等功能，涵蓋頻率測(cè)量、模式切換、通信等子程序，完成頻率測(cè)量、調(diào)速器工作模式切換以及與其他計(jì)算機(jī)通信等任務(wù)[2]。

本設(shè)計(jì)中微機(jī)調(diào)速器的控制軟件按照模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行，即將相關(guān)工況控制和共用控制功能編寫成獨(dú)立的子程序模塊，然后通過主程序串接這些子程序模塊，該設(shè)計(jì)有利于提高軟件的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，使得不同功能模塊之間的耦合度降低，便于單獨(dú)測(cè)試和修改某一功能模塊而不影響其他功能模塊的運(yùn)行，基于 FX_2N 可編程控制器的微機(jī)調(diào)速器的程序框圖如圖2所示。

在微機(jī)調(diào)速器接通電源后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化處理，包括對(duì)各類特殊模塊的配置，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器以及定位模塊等，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定要求配置這些模塊的工作方式及相關(guān)參數(shù)。此外，輔助繼電器M的初始狀態(tài)也會(huì)被設(shè)定為默認(rèn)值，以確保系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)具備穩(wěn)定的基礎(chǔ)狀態(tài)。同時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器中某些特定單元，將被賦予默認(rèn)值，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和控制操作。頻差的變化會(huì)直接影響到水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，頻率測(cè)量子程序則負(fù)責(zé)根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果及選定的轉(zhuǎn)換系數(shù)Kf，對(duì)機(jī)組頻率、電網(wǎng)頻率及其頻差進(jìn)行計(jì)算。

A/D轉(zhuǎn)換子程序的主要將水頭、功率反饋、導(dǎo)葉反饋等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，使得這些信息可以在程序控制下進(jìn)行處理與分析，保證了調(diào)速器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并作出相應(yīng)調(diào)整。工況判斷模塊通過讀取機(jī)組運(yùn)行工況和狀態(tài)輸入開關(guān)信號(hào)，確定微機(jī)調(diào)速器所應(yīng)采取的工作模式，根據(jù)不同的工況設(shè)置相應(yīng)的工況標(biāo)志，以提供清晰的視覺反饋。PID調(diào)節(jié)程序是在各種工況下執(zhí)行導(dǎo)葉開度的PID運(yùn)算[3]，確保在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中實(shí)現(xiàn)有效的控制，以優(yōu)化機(jī)組的整體性能和穩(wěn)定性。電液伺服系統(tǒng)依賴于精確的模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而確保水輪機(jī)在不同工況下能夠迅速、準(zhǔn)確地響應(yīng)變化，通過D/A子程序?qū)⒏鞣N工況下運(yùn)算得到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流，以控制電液伺服系統(tǒng)。檢錯(cuò)及處理子程序主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)輸出調(diào)節(jié)信號(hào)的正確性，并對(duì)相關(guān)輸入量、輸出量及各個(gè)模塊進(jìn)行全面的檢錯(cuò)與診斷。通過實(shí)施有效的檢錯(cuò)機(jī)制，微機(jī)調(diào)速器能夠在高效控制水輪機(jī)的同時(shí)，降低潛在風(fēng)險(xiǎn)，微機(jī)調(diào)速器的檢錯(cuò)及處理子程序覆蓋多個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括頻率測(cè)量、功率反饋、導(dǎo)葉反饋以及水頭測(cè)量值等，不僅保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中能夠持續(xù)發(fā)揮最佳性能。

4.結(jié)束語(yǔ)

水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器通信優(yōu)化技術(shù)以調(diào)節(jié)器與電液隨動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行狀態(tài)切換、控制值輸出等功能。同時(shí)，還包括其他附加功能，將控制結(jié)果以特定方式輸出作為液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入，成為整個(gè)微機(jī)調(diào)速器的核心，有效提高水輪機(jī)性能、穩(wěn)定運(yùn)行和安全性，推動(dòng)水輪機(jī)行業(yè)朝著智能化、高效化的方向邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬成邦、劉世隆。基于自適應(yīng)模糊推理算法的雙微機(jī)水輪機(jī)穩(wěn)定性調(diào)速方法[J].微電機(jī)，2025，58（02）：69-74.

[2]魏昱、再?gòu)?qiáng)、張冬生?；贚ADRC的水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2024，（S1）：63-67.

[3]趙佳樂。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)與PID參數(shù)優(yōu)化[D].導(dǎo)師：周克良．江西理工大學(xué)，2023.作者單位：青海黃河水電公司拉西瓦發(fā)電分公司