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1、赵斌娟 副教授,主 讲 人,流 体 机 械 自 动 控 制,目 录,第一章 概 述,第二章 机械液压调速器,第三章 电气液压调速器,第四章 微机调速器,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,水轮机调节系统,调速系统,调节对象,引水系统,水轮机,发电机,电网及负载,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,主要讨论以下几种典型结构： PI 辅接型 PI 中接型 软反馈+加速度辅接型 软反馈+加速度中接型 并联PID(电子调节器)型,一、数学模型,流
2、体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,测频环节,可近似认为是比例环节，增益为 ，有,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,综合放大环节,增益为 ，综合了频率测量信号，频率给定信号，永态反馈信号和暂态反馈信号，其输出信号为,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,电液转化器,可近似为比例环节，增益为 ，有,流体机械自动控制,江苏
3、大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,调节杠杆,将电液转换器输出传递至引导阀，为比例环节，增益为 ，有,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,引导阀和辅助接力器,引导阀近似为比例环节，辅助接力器为积分环节，有,主配压阀和主接力器,主配压阀近似为比例环节，主接力器为积分环节，有,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,局部负反馈环节,近似为比例环节，其运动方程为 ，传递函数为,永态反馈环节,为比例环节，其运动方程为 ，其传递函数为,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数
4、学模型,暂态反馈环节,为实际微分环节，其传递函数为,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,PI辅助接力器型调速系统图,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,一、数学模型,PI辅助接力器型调速系统简图,1,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,一、数学模型,1、PI 辅接型 框图如图所示。 其传递函数为：,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,2、PI 中接型 框图如图所示。其传递函数为： 所以， 令 ，则有：,一、数学模型,流体机
5、械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,3、软反馈+加速度 辅接型 框图如图所示。 其传递函数(忽略 )为：,一、数学模型,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,4、软反馈+加速度中接型 框图如图所示。其传递函数(忽略 )为：,一、数学模型,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,5、并联PID 框图如图所示其调节器部分传递函数为： 随动系统部分：,一、数学模型,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,二、动
6、态特性,（一）调节规律 对第1种调速器的数学模型，忽略 ， ，则有： 对第2种调速器的数学模型，忽略 ， ，也可得出与第1种模型相同的结论。,：具有PI型规律。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,二、动态特性,（一）调节规律 对第3种调速器的数学模型，忽略 ， ， ，则有 对第4种调速器的数学模型，忽略 ， ， ，也可得出与第3种模型相同的结论。,：具有PID规律。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,二、动态特性,（一）调节规律 对第5种调速器的数学模型，忽略 ， ，则有： 显然具有PI
7、D型规律。 与第3，4相比较，有,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,（二）频率特性 PI型调速器的频率特性,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,（二）频率特性 PID型调速器的频率特性,二、动态特性,由比较可见： PID型调速器的增益交界频率大于PI型调速器的。 故PID型的速动性较好，但其抗干扰性较差。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,（三）指令信号实现时间 机组并入大电网时，频率为常数，水轮机调节系统相当于一个开环系
8、统，输入信号为功给信号。此时(稳定性不成问题)，对功给信号指令信号的响应速度成为主要关心的问题。 对功给阶跃信号响应的调节时间即称为指令信号实现时间 。 其实质就是单位阶跃响应中最大时间常数的34倍。 影响它的主要因素有：调速器结构、校正装置参数和指令信号加入位置等。,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,（三）指令信号实现时间,二、动态特性,例：对辅接PI型调速器,其阶跃响应为：,故信号响应时间为：,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,（三）指令信号实现时间 1、结构对 的影响
9、 对中间接力器型和加速度+软反馈型(包括辅接、中接型)，均有： 对并联PID型，有： 考虑到 ， ， 则： 可见三种典型结构对常规方式输入， 表达式均相同。,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,（三）指令信号实现时间 2、校正装置对 的影响 由于PID比PI优越，在相同工况点，PID的参数可比PI的整定值小，故PID比PI的 小。 由于在并网后，调速器参数大都进行参数切换，无论是PID还是PI，参数均较小。 故 均较小，调节规律对 的影响实际上已不存在。,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特
10、性,第一节 调速器动态特性,（三）指令信号实现时间 3 、指令信号加入点对 的影响 对中接PI 型和加速度+软反馈型，输入点变为 。 则： 显然比常规方式下降了很多。,二、动态特性,（三）指令信号实现时间 3 、指令信号加入点对 的影响 对辅接PI 型和加速度+软反馈型，输入点变为 。 则： 显然比常规方式也下降了很多。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,（三）指令信号实现时间 3 、指令信号加入点对 的影响 对并联PID型，输入点变为 。
11、 则： 显然比常规方式也下降了很多!,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,调速器子系统本身即为一闭环系统，故须考虑其自身的稳定性。 以PI 辅接型为例，考虑到小时间常数T1，开环传递函数为： 根轨迹增益,（四）调速器内环稳定性,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,可见，增加K 增加， 减小(前向通道各环节增益增加均可导致 减小)，至一定值后，调速器将不稳定。 所以，过分增加 和减小 将导致调速器本身不稳定。,（四）调速器内环稳定性,二、动态特性,流体机械自动控制,
12、江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,改善的方法为：将环节移出，变为中接型。此时开环传递函数由四阶型降为三阶0型根轨迹，根轨迹不会进入右半复平面。,（四）调速器内环稳定性,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,对电液随动系统，方框图为： 开环传递函数为三阶型系统，原则上可能造成不稳定，但 ， 相对较大，不易发生不稳定，但若增益过大( 过大)，则会产生振荡。,二、动态特性,（四）调速器内环稳定性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第一节 调速器动态特性,思考题,、绘制几种
13、典型调速器的结构框图，并进行等效变换，导出其基本调节规律。 、分析PI、PID两种调速器对输入 的阶跃响应的差别。 、当调速器作为随动系统使用时，信号响应时间 受哪些因素影响。 、简要分析调速器的内环稳定性。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第二节 水轮机动态特性,一、水轮机动态特性包括内容, 水轮机本身动态特性用稳态特性代替，本节讨论。 过水系统的水流惯性在第三节与引水系统一起分析。 转子部分及转轮区水体惯性与发电机机械惯性一并考虑(第四节) 。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第二节 水轮机动态特性,二、动态特性,借用水轮机稳
14、态特性（以混流式为例）： 在计算工况点附近作线性化处理：,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第二节 水轮机动态特性,引入基值(额定工况参数) ， ， ， ， , 取相对值：,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第二节 水轮机动态特性,令: 令：,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第二节 水轮机动态特性,令: 令：,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第二节 水轮机动态特性,对于转桨式机组还应考虑 对 ， 的影响。 令 得： 因此描述水轮机
15、动态特性主要就是确定六（八）个传递系数。,二、动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第二节 水轮机动态特性,三、传递系数计算方法,（仅以 为例进行介绍） (在稳态工况点附近) 由模型特性曲线，得： ， 根据以下公式计算： ， 由综合特性曲线查出。其它参数类推。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,在水轮机动态特性基础上考虑压力引水系统动态特性，即构成水轮机组段的动态特性。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,机组在动态过程中，压力引水系统中水流实际
16、为非恒定流。 动态特性有两种分析方法： 刚性水击理论 弹性水击理论,一、有压过水系统动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,一、有压过水系统动态特性,假定：水体与管壁均看作刚体； 工具：动量定理； 对象：全管路中水体。,1、刚性水击理论,L,引入H0， V0 ，Q0； 转换为相对偏差,传递函数：,令：,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,2、弹性水击理论 考虑水体与管壁弹性 运动方程,忽略,引入：,一、有压过水系统动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的
17、动态特性,2、弹性水击理论 连续性方程,考虑流体和管壁弹性，引入波速a,已忽略,一、有压过水系统动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,能源与环境学院,2、弹性水击理论 在弹性水击理论中，认为水击波以一定波速在管道中传播。 波速 a 计算： 式中：E0水的体积模量；E管壁材料的弹性模数；D管道内径；管壁厚度；a0声波在水中的传播速度。 水击波从导叶处传回水库，再从水库反射回导叶处所经历的时间，称为管道反射时间 , 亦称为相长:,一、有压过水系统动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节
18、 水轮机组段动态特性,2、弹性水击理论,归 纳：,L,经推导：,式中， 水管特征系数,一、有压过水系统动态特性,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,2、弹性水击理论,一、有压过水系统动态特性,对双曲正切展开成级数，并只计算前两项得： 若只计算一次项，可得： 可见刚性水击其实是弹性水击的一种近似！,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,二、水轮机组段的动态特性,1、水轮机组段方框图,2、ymt传递函数,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态
19、特性,二、水轮机组段的动态特性,3、xmt传递函数,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,二、水轮机组段的动态特性,4、zmt传递函数,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第三节 水轮机组段动态特性,二、水轮机组段的动态特性,5、传递函数Gt(s) 分析,在刚性水击假定下,在弹性水击假定下,这是一个非最小相位环节，其阶跃响应呈现出明显的反调现象，对整个系统的动态特性有重要影响。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第四节 发电机和负载动态特性,一、发电机动态特性,基本方程： 变 换：,
20、J 机组转动部分的转动惯量Mt水轮机主动力矩Mg阻力矩,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第四节 发电机和负载动态特性,一、发电机动态特性,引入基值 ， ，并令 得： 令 ，则传递函数为： 注意 不但应包括发电机转动部分机械惯性，而且应包括水轮机转动部分（包括大轴）机械惯性和水轮机转轮区水体的机械惯性。,惯性环节,：机组惯性时间常数,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,第四节 发电机和负载动态特性,二、负载动态特性,计入到 ， 中 为负载机械惯性。,流体机械自动控制,江苏大学,第五章 调速器与调节对象的动态特性,思考题,1、写出水轮机六(八)个传递系数，说明其定义。 2、写出压力过水系统传递系数。 3、绘制水轮机组段结构框图，并适当简化。 4、解释 ， ， ，hw，并写出计算公式。 5、写出发电机及负载的数学模型。,
