基于現場(chǎng)總線(xiàn)WWT型PLC水輪機微機調速器的設計

一、WWT微機調速器的數學(xué)模型

1.1控制規律的選擇

水輪機調節設備是通過(guò)調節導水機構的開(kāi)度來(lái)調節水輪機的流量及其流態(tài)的，這種調節需很大的推力，所以調速器的執行機構采用一級放大或二級放大的油壓裝置，從而利用其推力推動(dòng)接力器來(lái)實(shí)現。

從自動(dòng)控制原理的角度上講，控制水輪機流量存在著(zhù)水輪慣性，對調節系統的動(dòng)態(tài)穩定和響應特性帶來(lái)不利影響，水輪調速系統是一個(gè)復雜的、多變的、非線(xiàn)性的控制系統。

1.2 WWT型PLC微機調速器的控制過(guò)程

水輪機調速器由測量元件、放大校正元件、給定元件、執行機構、反饋元件等組成，發(fā)電機組作為構成閉環(huán)控制系統。它的控制過(guò)程是測量元件把機組轉速n(頻率)或其他被調參數測量出來(lái)，與給定信號和反饋信號綜合后，經(jīng)放大校正元件去控制水輪機組，同時(shí)反饋元件又把導葉開(kāi)度變化的信號返回給加法器。

1.3 PID調節的控制算法

上面說(shuō)到水輪調節系統是一個(gè)復雜的控制系統，因此選擇合適的控制規律是一個(gè)號的控制系統的關(guān)鍵因素之一。在設計WWT型微機調速器時(shí)我們選擇了PID調節規律，它的結構簡(jiǎn)單，并且提高控制系統的穩定性和可靠性。

PID控制規律在實(shí)際中是由PLC的 軟件程序來(lái)實(shí)現的，PID的輸入為測量的頻差，其運算結果YPID為對應的導葉開(kāi)度Y的數字量，YPID送入交流伺服電機驅動(dòng)器，以控制電機的運轉位置，電機的轉動(dòng)位置通過(guò)電液轉換器對應導葉接力器的開(kāi)到對應的開(kāi)度Y。

為實(shí)現有差調節，調差的反饋信號可取自位置環(huán)控制式PID運算結果，并與 功率給定信號的數字調節量相減，然后經(jīng)Bp后與頻差信號綜合，改綜合信號送入PID調節通道。

PID微機調節器的控制算法為：

將上式進(jìn)行拉氏變換得：

式中負號表示正的頻差對應負的接力器的開(kāi)度。

式中是PID調節的時(shí)間連續的傳遞函數表達式;若用PLC程序實(shí)現則必須進(jìn)行離散計算。

將式中的比例、積分、微分單獨的表達式寫(xiě)出來(lái)：

用PLC程序來(lái)實(shí)現則必須進(jìn)行PID調節計算，而采樣周期t式離散計算過(guò)程中極為重要的量。WWT型微機調速器是以種借助程序實(shí)現調節和控制功能的數字電子裝置，它是以巡回掃描的或定時(shí)處理的原理工作的。PLC完整的執行一次可編程器系統、用戶(hù)程序所占用的 時(shí)間為采樣周期。

二、WWT微機調速器的數學(xué)控制方案的設計

2.1 WWT型PLC微機調速器系統原理

由交流伺服電機(位置環(huán))及滾珠螺旋自動(dòng)復中裝置構成電液轉換器，由定位環(huán)控制PLC微機調節器的定位模塊，根據PID調節器輸出YPID與主接力器反饋(通道3-1)yf的差值，向交流伺服電機驅動(dòng)器送出與此差值成比例的有方向的定位信號N，交流伺服電機同軸的旋轉編碼器將實(shí)際轉角(位移)y1以脈沖數的形式Nf送回驅動(dòng)器，從而形成了以Ty1(交流伺服機構反應時(shí)間常數)為特征參數的小閉環(huán)。在調速器穩定狀態(tài)(靜態(tài))，y1使主配壓閥處于中間平衡位置。

YPID至y的傳遞函數為：

由于交流伺服電機具有很高的頻率響應特性，其反應時(shí)間常數可以忽略(取Ty1=0)不計，上式傳遞函數簡(jiǎn)化為

2.2 PLC系統結構

在調速器電氣部分的控制核心的PLC系統包括CPU模塊，數字量輸入模塊，數字量輸出模塊，模擬量輸入模塊，定位模塊、觸摸屏等。PLC系統采集現場(chǎng)數據，進(jìn)行PID運算及狀態(tài)控制，輸出控制信號。