第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三目錄第一章概述第二章機械液壓調(diào)速器第三章電氣液壓調(diào)速器第四章微機調(diào)速器第五章調(diào)速器與調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

一、數(shù)學模型結(jié)構(gòu)框圖

調(diào)速器調(diào)節(jié)對象Gr(s)Gt(s)Gg(s)第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

這是一個三輸入單輸出系統(tǒng)(若無測頻微分，實際上與c即為一回事)。一、數(shù)學模型

一般主要關(guān)心的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:和兩種。對給定信號

，閉環(huán)傳遞函數(shù)為:式中為調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)。對負荷擾動，閉環(huán)傳遞函數(shù)為:第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

一、數(shù)學模型1、對PI型(不含測頻微分電路,即當時)式中為根軌跡增益：(只與工況有關(guān))(P201式7-5)第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

一、數(shù)學模型2、對PID型(含測頻微分電路)式中為根軌跡增益：(只與工況有關(guān)，因為，k由測頻微分電路確定)(P201式7-6)第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡1、開環(huán)對數(shù)頻率特性(以PI型為例)Matlab軟件分析

第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

能源與環(huán)境學院水輪機調(diào)節(jié)及輔助設備二、頻率特性與根軌跡1、開環(huán)頻率特性(以PI型為例)第七章

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性增益裕量相位裕量第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三1、開環(huán)頻率特性(以PI型為例)校正裝置參數(shù)，對，的影響（P203表7-1）。①由表中數(shù)據(jù)前5列可見：增加，增加，增加，穩(wěn)定性增強。②由表中數(shù)據(jù)后5列可見：增加，增加，增加，穩(wěn)定性增強。流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡2、根軌跡分析(以PI型為例)根軌跡方程為：由于所以，根軌跡方程變?yōu)椋簞t有：所以：第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡2、根軌跡分析

(PI型)根軌跡如圖所示：

(a)

第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡2、根軌跡分析

(PI型)根軌跡如圖所示：

(b)Td

相當大，以致

第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡2、根軌跡分析

(PI型)根軌跡如圖所示：

(c)但十分接近

第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡2、根軌跡分析PI型根軌跡分析

①水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個條件穩(wěn)定系統(tǒng)，Kd

增加可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

②Td

的取值對根軌跡形狀將產(chǎn)生影響，Td增加，越過虛軸時的Kd

值變大。由于Kd

僅取決于對象參數(shù)，故這樣對系統(tǒng)穩(wěn)定有利。

③過分使Td

增加，可能在虛軸附近存在極點，動態(tài)品質(zhì)變差。第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡(PID型)根軌跡如圖所示：

(a)Tn

較小第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡(PID型)根軌跡如圖所示：

(b)Tn

較大第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡(PID型)根軌跡如圖所示：

(c)Tn

進一步增大

而且靠近第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

二、對數(shù)頻率特性與根軌跡PID型根軌跡分析①系統(tǒng)仍為條件穩(wěn)定系統(tǒng)。②Tn對根軌跡影響也較大。Tn增加，越過虛軸時的增益變大，因此對系統(tǒng)穩(wěn)定有利(因為Kn

也只與對象有關(guān))。③過分使Tn

增加，也可能在虛軸附近出現(xiàn)極點，使系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)變差。第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第一節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性

三、穩(wěn)態(tài)誤差由閉環(huán)傳遞函數(shù)知系統(tǒng)為零階無差度系統(tǒng)，則在階躍負荷擾動mg0作用下將有穩(wěn)態(tài)位置誤差。對階躍負荷擾動：顯然，若，則(無靜差)。

對轉(zhuǎn)速給定信號：即：顯然，若，則，。(P208式7-14)(P208式7-19)第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

一、穩(wěn)定域系統(tǒng)閉環(huán)特征方程對該方程應用代數(shù)判據(jù)——侯維智判據(jù)，可導出系統(tǒng)的穩(wěn)定域。第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定域1、PI型

可繪制穩(wěn)定域令(a)、額定工況第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定域1、PI型

可繪制穩(wěn)定域令(b)、最小水頭，限制出力工況第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定域1、PI型

可繪制穩(wěn)定域令(c)、最大水頭，額定出力工況第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定域1、PI型

可繪制穩(wěn)定域令(d)、額定水頭，部分負荷工況第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析1、PI型

結(jié)論

①運行工況對穩(wěn)定域影響很大。在水輪機模型特性曲線上靠左側(cè)工況穩(wěn)定域?qū)拸V，靠右側(cè)工況穩(wěn)定域變小。②en

對穩(wěn)定域影響很大。en

增加，則穩(wěn)定域增大。③bt

增加，Td

增加，則坐標點離穩(wěn)定邊界越遠，系統(tǒng)越穩(wěn)定。④Tw

增加，則θa減小，θd減小，坐標點靠近穩(wěn)定邊界，穩(wěn)定性下降。⑤Ta

增大，則θa

增大，坐標點離邊界遠，穩(wěn)定性增強。一、穩(wěn)定域第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定域1、PI型注意：①前述討論僅對單機帶確定負荷有效。②當機組運行于特性曲線靠左側(cè)區(qū)域時，機組空載，尾水管水壓脈動會導致機組轉(zhuǎn)速擺動。③機組滿載時，往往是并網(wǎng)運行，en

較大，故穩(wěn)定性增強。第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析2、PID型可繪制穩(wěn)定域結(jié)論：Tn

在一定范圍內(nèi)增加，可擴展穩(wěn)定域。一、穩(wěn)定域令第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析一、穩(wěn)定域3、彈性水擊影響考慮彈性水擊的穩(wěn)定域如圖所示。結(jié)論：Tr

增加，穩(wěn)定域減小。第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定余量域穩(wěn)定余量定義：若閉環(huán)特征方程的根全部位于通過(-m，j0)點垂線的左邊（m>0），那末該系統(tǒng)在復平面上的穩(wěn)定余量為m。穩(wěn)定余量域給出了閉環(huán)主導極點離虛軸的遠近程度。閉環(huán)主導極點離虛軸越遠，則系統(tǒng)越穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時間減小。第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定余量域設原特征方程為：為該方程特征根。若將s平面虛軸向左平移m距離，則s平面變?yōu)閟’平面，在s’平面內(nèi)的坐標變?yōu)椋杭矗簩?2)帶入(1)后得：對(3)式利用代數(shù)判據(jù)——侯維智判據(jù)可推出z的穩(wěn)定域——

實際上就是具有m穩(wěn)定余量的穩(wěn)定域，稱為的穩(wěn)定余量域。第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析m二、穩(wěn)定余量域ReIm0Im’

λiZiZi=λi

-

(-m)第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析二、穩(wěn)定余量域穩(wěn)定余量域圖結(jié)論：①m不可能無限增大，必然出現(xiàn)極值。②en對穩(wěn)定余量域有明顯影響。en

增大，則m增大。第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析三、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)考核指標有：轉(zhuǎn)速過渡過程的調(diào)節(jié)時間，最大相對轉(zhuǎn)速偏差，振蕩次數(shù)。（一）階躍響應分析1、對mg0的階躍響應表現(xiàn)：曲線2較佳。其閉環(huán)主導極點為3個：顯然：

(P217圖7-10)第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析三、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)（一）階躍響應分析1、對mg0的階躍響應結(jié)論：對于PI型調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使動態(tài)品質(zhì)最佳的參數(shù)取值是使閉環(huán)主導極點滿足：(P218圖7-11)第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析三、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)（一）階躍響應分析2、對的階躍響應階躍響應圖：結(jié)論：①階躍響應出現(xiàn)了反調(diào)現(xiàn)象，這是由水流慣性帶來正零點引起的，對穩(wěn)定極為不利。②，動態(tài)品質(zhì)最佳。

(P218圖7-12)第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第二節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析三、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)（三）對過渡過程的影響右圖示出對過渡過程的影響。(a)中，(b)中，(最佳)

(c)中，可見：取得適當，過渡過程較佳，過大使振蕩加劇。推薦值：(P220圖7-15)第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第三節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定（基本僅對PI型調(diào)速器而言）

最佳準則：經(jīng)理論分析，利用系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，使最小的，為：一、極點配置法（僅對PI型調(diào)速器有效）

基本準則：，基本原理：尋求一組適當?shù)膮?shù)整定值(，)，使在滿足根軌跡方程的條件下，閉環(huán)極點的分布滿足最佳準則。二、利用開環(huán)對數(shù)頻率特性確定校正環(huán)節(jié)參數(shù)最佳整定第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第三節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定三、斯坦因和克里夫琴柯推薦公式（一）斯坦因推薦公式：

PI型

;

PID型

;

;第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期三流體機械自動控制江蘇大學第六章水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數(shù)整定

第三節(jié)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定三、斯坦因和克里夫琴柯推薦公式（二）克里夫琴科推薦公式：

PI型當

;;;這時

當

;