水电机组pid型调速器设计(附件)
当今我国的能源结构在一天一天的改变，人类对能源的需求不断增加，水电业的发展将成为我国解决能源问题的一个根本方面。水轮机调节系统是一个综合系统，里面包含着机、电、液三部分。水轮机调速器在水电业扮演着一个重要的角色，是水电厂发电机组稳定运行的非常重要的控制设备，它是机组安全稳定的运行根本。了解掌握此系统的运行规律，提高水轮机的调节性能，一直关乎着水电领域的发展。 现阶段无论是国外还是国内绝大部分的水轮机调速器都依旧采用的是PID或PI型调节规律。能够有效合理的选择PID调节器的参数时，才能够使水轮发电机能够安全的稳定的运行，而且也会改善水电机组调节系统的动态品质。 本文在一开始主要阐述了水轮机的发展趋势、国内外的现状和调速系统的相关简介，分析了其调节特点。通过水电机组调速系统的简单模型能够让我们更加清楚地把握其大致的运行规律。本文我将在SIMULINK搭建水轮机调节系统，接着通过此软件建立其各个部件的模型结构，通过MATLAB平台得出一系列的仿真结果。关键词 水轮机调速器，PID调节，模型，仿真目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 水电机组PID型调速器的发展及现状 1
1.3 调节特点 2
1.4 本课题的研究任务及要求 3
1.5 本章小结 4
2 水电机组调速系统的分析与建模 4
2.1 水电机组调节系统各模块组成 4
2.1.1 液压随动系统 5
2.1.2 压力引水系统 6
2.1.3 水轮机 6
2.1.4 发电机 8
2.2 PID介绍 9
2.3 MATLAB平台简介? 10
3 水电机组调节系统PID控制原理及参数分析 12
3.1 PID控制原理 12
3.2 PID调节在水轮机调节系统中的作用 12
3.3 PID参数整定分析 13
3.4 本章小结 14
4 水轮机调速器的智能控制以及仿真设计 14
4.1 智能控制策略 14
4.2 基于MATLAB的仿真流程图 15
4.3
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制原理及参数分析 12
3.1 PID控制原理 12
3.2 PID调节在水轮机调节系统中的作用 12
3.3 PID参数整定分析 13
3.4 本章小结 14
4 水轮机调速器的智能控制以及仿真设计 14
4.1 智能控制策略 14
4.2 基于MATLAB的仿真流程图 15
4.3 基于MATLAB的仿真结果 16
4.3.1对PID增益环节进行调试调试 25
全文总结与展望 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
1 绪论
1.1 引言
我国有着大量的水资源, 因而我国有着得天独厚的水能资源条件。全面有效的利用好水能资源，为国家的水电业做出杰出贡献正是当前我国需要解决的。但是目前我国水能资源的利用率非常低,因而水力发电有着很大的前景。利用水力发电已经有着悠久的历史,其在建设技术、水力发电领域的技术和输电领域的技术已经慢慢趋于成熟,其中它的单位体积的容量也在不断增加。水力发电成本低,可靠性高,因而发展非常迅速。
将水能转化成电能的动力装置称为水轮发电机组。其有以下几点优点：低廉的成本、较高的效率、无污染以及便于高效的综合利用。其中，水轮机是将水能转化成机械能的，发电机是将机械能转化成电能的。在电站中水轮机是非常重要的，其通过发电机组使机械能转化为电能。将水轮机最优化，才会提高水电站的效率。水轮机的性能的优良,结构的完善,直接影响水电事业的发展。进行水轮机的论文研究，考虑水轮机性能、效率、成本等，对我们是一种重新学习和总结的过程。通过此课题的研究，能够使得我们更进一步的对以前所学的进行复习与巩固，然后将书本上的知识运用到到此次的课题研究中来，能够高效率的完成论文的书写，同时运用到实际的工况中，这就对我们将来走向工作岗位打下坚实的基础。
1.2 水电机组PID型调速器的发展及现状
实现水电机组的调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称为水轮机调速器。水轮机控制系统的核心是水轮机调速器，它可大致分为以下这几种：电气页压调速器、机械页压调速器和数字式电页调速器（微机调速器）等。
为了水电业的建设发展，水轮机调速器的发展是必不可少的。当时的调速器大多数都只是机械液压调速器，它只能够满足自带负荷的和在中型和小型电网中工作的水轮机发电机组调节的需要。机械液压调速器的静态特性较好，有着较好的动态品质，较高的可靠性。当机械液压调速器通过自有的方法进行测量、信号
处理和平稳调节的功能面对大机组、大电网需要灵敏度高、性能高和便于实现水电站自动化等各项要求时就会露出各种缺点。所以现今往往只有中型机组和小型机组仍采用机械液压调速器。
于70年前在瑞士诞生了世界上第一台电气液压型调速器。大概10年以后，电气液压调速器逐渐成为各个机组应用的主流。一步一步的走来，光从采用的元件来看它又经历了大概四个发展阶段。现在它的调节规律基本上就是比例、积分、微分型(PID)比较普遍，而且实用、简单。随着计算机技术的大力发展，对各种性能、功能的硬性要求，在此的几十年后水轮机微机调速器已经开始得到广泛的应用，现在已经很少生产并且应用电气液压调速器了。
于20世纪70年代初第一台数字式调速器问世，相继此后10年后微机调速器已经成为世界各国开始研制的研究对象。当时国外微机调速器的发展水平可以用瑞典80年代中叶推出的HPC610／620调节器代表，此调速器功能强大。当时我国名校教授和水电控制设备厂合作，我国率先研制成功了适应式变参数微机调速器。此后此微机调速器运用于海水电站并投入运行，并且运行成功，过后又与其他单位一起着重研发生产了双微机单调节和双调节微机调速器。在此过后，微机调速器已经全面应用在各大、中型水电站中。所以在当时微机调速器是非常强大的。
当前全球的数字式电液调速器基本都是以 PID为基础的的调节规律。微机调速器调节规律从PID型过度到几种合并的PID改进型，其发展经历了大概五个阶段的微机系列的应用过程。在那个时候，占据市场的主要是总线和PLC。所以在那个时候数字式电液调速器有着举足轻重的地位。
20世纪80年代以来，我国研发的电液调速器的性能和各方面的功能都达到了水轮机调节技术的国际先进水平。我国在率先采用带功率开环增量环节的功率模式、水轮机调节系统的参数调节、步迸马达电机转换器等方面，有着更为独到的地方，也是处于世界领先水平的。现阶段我国几大高校科研团队和全国各地的大型水电控制设备企业的研究院对这方面正在进行更进一步的研究。其中更为出众是华中科技大学的魏守平教授所带领的团队。
1.3 调节特点
水轮机调节系统是自动调节的，它与一般调节系统有共性外，还有着以下五种特点：
1.水能发电机组是将水能转化为电能的系统，水能有时候会有自然条件的约束。需要与其他原动机有相同的功率，就要通过非常大的流量，因为单位水体中的能量是非常小的，所以就要求水轮机及其导水机构有较高的性能。因此往往就要求我们加一个多集液压放大元件，而有时候放大元件存在着非线性和时间滞后性，往往就有可能会使水轮机调速系统调节品质恶化。
2.水轮机调节系统的导水机构很难及时与负荷的变化同步，达到动力矩与外界的变化同步，会有一定的延时时间。所以很可能产
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 水电机组PID型调速器的发展及现状 1
1.3 调节特点 2
1.4 本课题的研究任务及要求 3
1.5 本章小结 4
2 水电机组调速系统的分析与建模 4
2.1 水电机组调节系统各模块组成 4
2.1.1 液压随动系统 5
2.1.2 压力引水系统 6
2.1.3 水轮机 6
2.1.4 发电机 8
2.2 PID介绍 9
2.3 MATLAB平台简介? 10
3 水电机组调节系统PID控制原理及参数分析 12
3.1 PID控制原理 12
3.2 PID调节在水轮机调节系统中的作用 12
3.3 PID参数整定分析 13
3.4 本章小结 14
4 水轮机调速器的智能控制以及仿真设计 14
4.1 智能控制策略 14
4.2 基于MATLAB的仿真流程图 15
4.3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
制原理及参数分析 12
3.1 PID控制原理 12
3.2 PID调节在水轮机调节系统中的作用 12
3.3 PID参数整定分析 13
3.4 本章小结 14
4 水轮机调速器的智能控制以及仿真设计 14
4.1 智能控制策略 14
4.2 基于MATLAB的仿真流程图 15
4.3 基于MATLAB的仿真结果 16
4.3.1对PID增益环节进行调试调试 25
全文总结与展望 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
1 绪论
1.1 引言
我国有着大量的水资源, 因而我国有着得天独厚的水能资源条件。全面有效的利用好水能资源，为国家的水电业做出杰出贡献正是当前我国需要解决的。但是目前我国水能资源的利用率非常低,因而水力发电有着很大的前景。利用水力发电已经有着悠久的历史,其在建设技术、水力发电领域的技术和输电领域的技术已经慢慢趋于成熟,其中它的单位体积的容量也在不断增加。水力发电成本低,可靠性高,因而发展非常迅速。
将水能转化成电能的动力装置称为水轮发电机组。其有以下几点优点：低廉的成本、较高的效率、无污染以及便于高效的综合利用。其中，水轮机是将水能转化成机械能的，发电机是将机械能转化成电能的。在电站中水轮机是非常重要的，其通过发电机组使机械能转化为电能。将水轮机最优化，才会提高水电站的效率。水轮机的性能的优良,结构的完善,直接影响水电事业的发展。进行水轮机的论文研究，考虑水轮机性能、效率、成本等，对我们是一种重新学习和总结的过程。通过此课题的研究，能够使得我们更进一步的对以前所学的进行复习与巩固，然后将书本上的知识运用到到此次的课题研究中来，能够高效率的完成论文的书写，同时运用到实际的工况中，这就对我们将来走向工作岗位打下坚实的基础。
1.2 水电机组PID型调速器的发展及现状
实现水电机组的调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称为水轮机调速器。水轮机控制系统的核心是水轮机调速器，它可大致分为以下这几种：电气页压调速器、机械页压调速器和数字式电页调速器（微机调速器）等。
为了水电业的建设发展，水轮机调速器的发展是必不可少的。当时的调速器大多数都只是机械液压调速器，它只能够满足自带负荷的和在中型和小型电网中工作的水轮机发电机组调节的需要。机械液压调速器的静态特性较好，有着较好的动态品质，较高的可靠性。当机械液压调速器通过自有的方法进行测量、信号
处理和平稳调节的功能面对大机组、大电网需要灵敏度高、性能高和便于实现水电站自动化等各项要求时就会露出各种缺点。所以现今往往只有中型机组和小型机组仍采用机械液压调速器。
于70年前在瑞士诞生了世界上第一台电气液压型调速器。大概10年以后，电气液压调速器逐渐成为各个机组应用的主流。一步一步的走来，光从采用的元件来看它又经历了大概四个发展阶段。现在它的调节规律基本上就是比例、积分、微分型(PID)比较普遍，而且实用、简单。随着计算机技术的大力发展，对各种性能、功能的硬性要求，在此的几十年后水轮机微机调速器已经开始得到广泛的应用，现在已经很少生产并且应用电气液压调速器了。
于20世纪70年代初第一台数字式调速器问世，相继此后10年后微机调速器已经成为世界各国开始研制的研究对象。当时国外微机调速器的发展水平可以用瑞典80年代中叶推出的HPC610／620调节器代表，此调速器功能强大。当时我国名校教授和水电控制设备厂合作，我国率先研制成功了适应式变参数微机调速器。此后此微机调速器运用于海水电站并投入运行，并且运行成功，过后又与其他单位一起着重研发生产了双微机单调节和双调节微机调速器。在此过后，微机调速器已经全面应用在各大、中型水电站中。所以在当时微机调速器是非常强大的。
当前全球的数字式电液调速器基本都是以 PID为基础的的调节规律。微机调速器调节规律从PID型过度到几种合并的PID改进型，其发展经历了大概五个阶段的微机系列的应用过程。在那个时候，占据市场的主要是总线和PLC。所以在那个时候数字式电液调速器有着举足轻重的地位。
20世纪80年代以来，我国研发的电液调速器的性能和各方面的功能都达到了水轮机调节技术的国际先进水平。我国在率先采用带功率开环增量环节的功率模式、水轮机调节系统的参数调节、步迸马达电机转换器等方面，有着更为独到的地方，也是处于世界领先水平的。现阶段我国几大高校科研团队和全国各地的大型水电控制设备企业的研究院对这方面正在进行更进一步的研究。其中更为出众是华中科技大学的魏守平教授所带领的团队。
1.3 调节特点
水轮机调节系统是自动调节的，它与一般调节系统有共性外，还有着以下五种特点：
1.水能发电机组是将水能转化为电能的系统，水能有时候会有自然条件的约束。需要与其他原动机有相同的功率，就要通过非常大的流量，因为单位水体中的能量是非常小的，所以就要求水轮机及其导水机构有较高的性能。因此往往就要求我们加一个多集液压放大元件，而有时候放大元件存在着非线性和时间滞后性，往往就有可能会使水轮机调速系统调节品质恶化。
2.水轮机调节系统的导水机构很难及时与负荷的变化同步，达到动力矩与外界的变化同步，会有一定的延时时间。所以很可能产
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