第五章 調速器及調節(jié)對象的動態(tài)特性

趙斌娟

副教授主講人流體機械自動控制目錄第一章概述第二章機械液壓調速器第三章電氣液壓調速器第四章微機調速器第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第六章水輪機調節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性及參數整定流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性

水輪機調節(jié)系統(tǒng)調速系統(tǒng)調節(jié)對象引水系統(tǒng)水輪機發(fā)電機電網及負載流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

主要討論以下幾種典型結構：PI輔接型PI中接型

軟反饋+加速度輔接型軟反饋+加速度中接型并聯(lián)PID(電子調節(jié)器)型一、數學模型

PID型流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性基值的選擇建立調速系統(tǒng)數學模型時，基值的選擇很重要。接力器位移基值

——接力器最大行程頻率基值

——額定頻率電壓基值

——測頻回路在頻率變化100%時的-

輸出電壓配壓閥位移基值

——頻率變化100%時的配壓閥-

位移值一、數學模型

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

測頻環(huán)節(jié)可近似認為是比例環(huán)節(jié)，增益為，有流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

綜合放大環(huán)節(jié)增益為，綜合了頻率測量信號，頻率給定信號，永態(tài)反饋信號和暫態(tài)反饋信號，其輸出信號為流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

電液轉化器可近似為比例環(huán)節(jié)，增益為，有流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

調節(jié)杠桿將電液轉換器輸出傳遞至引導閥，為比例環(huán)節(jié)，增益為，有流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

引導閥和輔助接力器引導閥近似為比例環(huán)節(jié)，輔助接力器為積分環(huán)節(jié)，有主配壓閥和主接力器主配壓閥近似為比例環(huán)節(jié)，主接力器為積分環(huán)節(jié)，有流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

局部負反饋環(huán)節(jié)近似為比例環(huán)節(jié)，其運動方程為，傳遞函數為永態(tài)反饋環(huán)節(jié)為比例環(huán)節(jié)，其運動方程為，其傳遞函數為流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

暫態(tài)反饋環(huán)節(jié)為實際微分環(huán)節(jié)，其傳遞函數為流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

PI輔助接力器型調速系統(tǒng)圖流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性一、數學模型

PI輔助接力器型調速系統(tǒng)簡圖1流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性一、數學模型

1、PI輔接型框圖如圖所示。其傳遞函數為：

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

2、PI中接型框圖如圖所示。其傳遞函數為：

所以，令

，則有：一、數學模型

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

3、軟反饋+加速度輔接型

框圖如圖所示。

其傳遞函數(忽略

)為：

一、數學模型

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

4、軟反饋+加速度中接型

框圖如圖所示。其傳遞函數(忽略

)為：

一、數學模型

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

5、并聯(lián)PID框圖如圖所示其調節(jié)器部分傳遞函數為：

隨動系統(tǒng)部分：一、數學模型

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

二、動態(tài)特性

（一）調節(jié)規(guī)律對第1種調速器的數學模型，忽略

，

，則有：

對第2種調速器的數學模型，忽略

，

，也可得出與第1種模型相同的結論。

：具有PI型規(guī)律。流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

二、動態(tài)特性

（一）調節(jié)規(guī)律對第3種調速器的數學模型，忽略

，

，

，則有對第4種調速器的數學模型，忽略

，

，

，也可得出與第3種模型相同的結論。：具有PID規(guī)律。流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

二、動態(tài)特性

（一）調節(jié)規(guī)律對第5種調速器的數學模型，忽略

，

，則有：顯然具有PID型規(guī)律。與第3，4相比較，有

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

（二）頻率特性PI型調速器的頻率特性

二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

（二）頻率特性PID型調速器的頻率特性二、動態(tài)特性

由比較可見：

PID型調速器的增益交界頻率大于PI型調速器的。

故PID型的速動性較好，但其抗干擾性較差。

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

（三）指令信號實現時間

機組并入大電網時，頻率為常數，水輪機調節(jié)系統(tǒng)相當于一個開環(huán)系統(tǒng)，輸入信號為功給信號。此時(穩(wěn)定性不成問題)，對功給信號—指令信號的響應速度成為主要關心的問題。

對功給階躍信號響應的調節(jié)時間即稱為指令信號實現時間

。

其實質就是單位階躍響應中最大時間常數的3~4倍。

影響它的主要因素有：調速器結構、校正裝置參數和指令信號加入位置等。二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

（三）指令信號實現時間

二、動態(tài)特性

例：對輔接PI型調速器C其階躍響應為：故信號響應時間為：流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

（三）指令信號實現時間1、結構對

的影響對中間接力器型和加速度+軟反饋型(包括輔接、中接型)，均有：對并聯(lián)PID型，有：

考慮到

，

，

則：可見三種典型結構對常規(guī)方式輸入，

表達式均相同。二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性（三）指令信號實現時間2、校正裝置對

的影響①由于PID比PI優(yōu)越，在相同工況點，PID的參數可比PI的整定值小，故PID比PI的

小。②由于在并網后，調速器參數大都進行參數切換，無論是PID還是PI，參數均較小。

故

均較小，調節(jié)規(guī)律對

的影響實際上已不存在。二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

（三）指令信號實現時間3

、指令信號加入點對

的影響①對中接PI型和加速度+軟反饋型，輸入點變?yōu)?/p>

。

則：

顯然比常規(guī)方式下降了很多。二、動態(tài)特性

（三）指令信號實現時間3

、指令信號加入點對

的影響②對輔接PI型和加速度+軟反饋型，輸入點變?yōu)?/p>

。

則：

顯然比常規(guī)方式也下降了很多。流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

（三）指令信號實現時間3

、指令信號加入點對

的影響③對并聯(lián)PID型，輸入點變?yōu)?/p>

。

則：

顯然比常規(guī)方式也下降了很多!二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

調速器子系統(tǒng)本身即為一閉環(huán)系統(tǒng)，故須考慮其自身的穩(wěn)定性。以PI輔接型為例，考慮到小時間常數T1，開環(huán)傳遞函數為：根軌跡增益（四）調速器內環(huán)穩(wěn)定性二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

可見，增加K—

增加，

減小(前向通道各環(huán)節(jié)增益增加均可導致

減小)，至一定值后，調速器將不穩(wěn)定。所以，過分增加

和減小

將導致調速器本身不穩(wěn)定。（四）調速器內環(huán)穩(wěn)定性二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

改善的方法為：將環(huán)節(jié)移出，變?yōu)橹薪有汀４藭r開環(huán)傳遞函數由四階Ⅰ型降為三階0型根軌跡，根軌跡不會進入右半復平面。（四）調速器內環(huán)穩(wěn)定性二、動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性對電液隨動系統(tǒng)，方框圖為：

開環(huán)傳遞函數為三階Ⅰ型系統(tǒng)，原則上可能造成不穩(wěn)定，但

，

相對較大，不易發(fā)生不穩(wěn)定，但若增益過大(過大)，則會產生振蕩。二、動態(tài)特性

（四）調速器內環(huán)穩(wěn)定性流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第一節(jié)調速器動態(tài)特性

思考題

１、繪制幾種典型調速器的結構框圖，并進行等效變換，導出其基本調節(jié)規(guī)律。

２、分析PI、PID兩種調速器對輸入

的階躍響應的差別。

３、當調速器作為隨動系統(tǒng)使用時，信號響應時間

受哪些因素影響。

４、簡要分析調速器的內環(huán)穩(wěn)定性。流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第二節(jié)水輪機動態(tài)特性一、水輪機動態(tài)特性包括內容

⑴

水輪機本身動態(tài)特性—用穩(wěn)態(tài)特性代替，本節(jié)討論。⑵

過水系統(tǒng)的水流慣性—在第三節(jié)與引水系統(tǒng)一起分析。⑶

轉子部分及轉輪區(qū)水體慣性—與發(fā)電機機械慣性一并考慮(第四節(jié))。流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第二節(jié)水輪機動態(tài)特性二、動態(tài)特性借用水輪機穩(wěn)態(tài)特性（以混流式為例）：在計算工況點附近作線性化處理：

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第二節(jié)水輪機動態(tài)特性引入基值(額定工況參數)，

，

，

，

,取相對值：二、動態(tài)特性流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第二節(jié)水輪機動態(tài)特性令:

令：

二、動態(tài)特性流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第二節(jié)水輪機動態(tài)特性令:

令：

二、動態(tài)特性流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第二節(jié)水輪機動態(tài)特性對于轉槳式機組還應考慮

對

，

的影響。令得：因此描述水輪機動態(tài)特性主要就是確定六（八）個傳遞系數。二、動態(tài)特性流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第二節(jié)水輪機動態(tài)特性三、傳遞系數計算方法（僅以

為例進行介紹）

(在穩(wěn)態(tài)工況點附近)由模型特性曲線，得：

，

根據以下公式計算：

，

由綜合特性曲線查出。其它參數類推。流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性

在水輪機動態(tài)特性基礎上考慮壓力引水系統(tǒng)動態(tài)特性，即構成水輪機組段的動態(tài)特性。

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性機組在動態(tài)過程中，壓力引水系統(tǒng)中水流實際為非恒定流。動態(tài)特性有兩種分析方法：剛性水擊理論彈性水擊理論一、有壓過水系統(tǒng)動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性一、有壓過水系統(tǒng)動態(tài)特性

假定：水體與管壁均看作剛體；工具：動量定理；對象：全管路中水體。1、剛性水擊理論

L引入H0，

V0

，Q0；

轉換為相對偏差傳遞函數：令：流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性2、彈性水擊理論考慮水體與管壁彈性運動方程

忽略

引入：一、有壓過水系統(tǒng)動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性2、彈性水擊理論連續(xù)性方程

考慮流體和管壁彈性，引入波速a已忽略一、有壓過水系統(tǒng)動態(tài)特性

第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性能源與環(huán)境學院2、彈性水擊理論在彈性水擊理論中，認為水擊波以一定波速在管道中傳播。波速a計算：

式中：E0—水的體積模量；E—管壁材料的彈性模數；D—管道內徑；δ—管壁厚度；a0—聲波在水中的傳播速度。

水擊波從導葉處傳回水庫，再從水庫反射回導葉處所經歷的時間，稱為管道反射時間

,亦稱為相長:

一、有壓過水系統(tǒng)動態(tài)特性

第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性2、彈性水擊理論

歸

納：L經推導：式中，——水管特征系數

一、有壓過水系統(tǒng)動態(tài)特性

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性2、彈性水擊理論

一、有壓過水系統(tǒng)動態(tài)特性

對雙曲正切展開成級數，并只計算前兩項得：

若只計算一次項，可得：可見剛性水擊其實是彈性水擊的一種近似！流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性二、水輪機組段的動態(tài)特性

1、水輪機組段方框圖2、y→mt傳遞函數

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性二、水輪機組段的動態(tài)特性3、x→mt傳遞函數

流體機械自動控制江蘇大學第五章調速器與調節(jié)對象的動態(tài)特性第三節(jié)水輪機組段動態(tài)特性二、水輪機組段的動態(tài)特性

4、z→mt傳遞函數

流體機械