逻辑插装式调速器随动系统的变参数调节

吴红光，杨峰雄，方永杰

（五凌电力挂治水力发电厂，贵州 锦屏 556700）

“标准化PLC微机调节器+电液随动系统”结构模式的调速器现已广泛应用于水轮机的调节与控制领域，该控制模式基本由微机调节部分完成信号传递、调节规律综合、调节参数切换、状态指示和控制量输出等功能，电液随动部分作为功率放大、进行随动控制的执行机构。当前，调速器的微机调节部分大多采用变参数PID调节，由于其参数设置对系统的调节品质影响极大，专业领域关注较多；而对电液随动系统的参数，一般很少单独研究。逻辑插装式调速器，其电液随动系统采用多通道控制，除了保证液压回路的冗余之外，每一个通道都有相应的特征参数，在微机调节器的参数整定好后，由于随动系统还受通道切换逻辑的影响，运行中依然会表现出不同的调节特性，因而，研究该类调速器随动系统的特征参数、分析相关参数的变化对系统调节品质的影响、进而开展针对性的优化调节，对于改善系统的调节品质、防范设备的运行异常，具有良好的实践应用价值。

1 逻辑插装式调速器的控制模型

某逻辑插装式调速器的控制模型如图1，该系统共有8路电液转换器（开阀/关阀），电气放大器输出接力器开度偏差的放大信号，通过导通的开阀/关阀将信号进一步传递和放大，作用于接力器的开启/关闭。

图1 某逻辑插装式调速器控制模型

以开启接力器为例，共有4种调节速度，分别对应第1路开阀导通、第1-2路开阀导通、第1-2-3路开阀导通、第1-2-3-4路开阀导通，调节任何一路的传递系数都可以相应地改变接力器的开启速度，该传递系数可以通过相应回路的液控阀进行调整，当传递系数过大时，则由插装阀的开度限制决定接力器的最大开启速度。

2 液压回路的不完全冗余模式

现今，水轮机调速器液压系统采用冗余控制的设计方案已成为共识，在某个液压回路出现故障的情况下，是否具备可靠的冗余回路直接关系到机组能否安全运行。逻辑插装式调速器的液压冗余模式与传统模式有着本质上的区别，如图2，主级放大元件的最大有效输入影响着执行机构的最快响应速度，由机组的调保计算要求决定，①中传统模式一般采用双电液转换回路冗余控制，任何一路的最大输出都大于主级放大元件的最大有效输入，系统的响应特性与主级放大元件的最大有效输入设置有关（如主配压阀开/关方向的极限位置），与电液转换回路的最大输出设置无关，因而，不同电液转换回路的功能特性完全一致；②中逻辑插装式调速器液压系统一般采用多冗余模式，且任何一路的最大输出都小于主级放大元件的最大有效输入，每一路电液转换回路的最大输出设置都影响系统的响应特性，不同的回路虽然可以实现替代控制但调节特性不完全一致。因此，在逻辑插装式调速器的随动系统中，每一个电液转换回路的参数设置都相当重要。

图2 液压回路的冗余模式

3 随动系统的可变参数调节

结合插装式调速器控制模型，简化随动系统的传递函数如图3，图中：KD为电气放大系数，Ki(s)为开阀/关阀逻辑通道的相关函数，Ty为插装阀时间常数，TY为接力器时间常数，Ky为插装阀的最大传递系数，KY为接力器的传递系数，Kf为接力器位移反馈系数。求系统的闭环传递函数为：

图3 随动系统的传递函数

结合图1的控制模型可以理解，逻辑通道函数Ki(s)为系统的可变参数，且有：

插装阀的最大传递系数Ky影响着调速器系统的最大放大系数，由机组的调保计算要求确定，其值取决于插装阀的开度限制。

3.1 逻辑通道的可变参数

对于控制插装阀的任一路逻辑通道，简化其传递函数如图4，图中ai取值为0或1，分别对应i通道断开或导通，Kkg表示开关阀电液转换系数，δi表示相应通道的液控阀传递系数，TCi表示液控阀的时间常数。

图4 任一通道的传递函数

液控阀流量信号的传递显然是有延迟的惯性环节，但由于在系统的正常运行中，该缓冲作用时间相比于接力器开度调节时间短得多，同时也为了简化分析，暂将TCi视为0。基于此，假设开启（或关闭）接力器有n个逻辑通道，逻辑通道传递函数简化如图5，则函数表达式为：

图5 逻辑通道的传递函数

对应于控制接力器的第i级速度，有：

则相应的逻辑通道函数可以写为：

由此看出，逻辑通道函数Ki(s)可以看作是一个与复变量s无关但可调的参数。

考虑机组调保计算确定的插装阀最大传递系数Ky，对于有n个逻辑通道的控制回路，在系统的设计中应满足下列条件，以尽量简化控制回路和液压元件：①回路设置能达到调保计算的最大速度；②少一路则达不到调保计算的最大速度；③因系统最大速度由插装阀开度限制确定，可以取消第n路的液控阀，相应表达式分别为：

显然，在Kkg和Ky一定的前提下，液控阀传递系数δ的平均值越大，回路个数n越少，控制逻辑越简单，但在系统运行中，参数的可调性也就越差。

3.2 可变参数随动系统

由于Ki(s)与复变量s无关，式（1）调速器系统的闭环传递函数及特性方程可以写为：

设：

结合前文，显然有：

设系统前向通道的最大放大系数为K，即：

则阻尼系数为：

3.3 传统不可变参数随动系统

传统调速器典型随动系统的传递函数如图6，求系统的闭环传递函数为：

则系统的闭环传递函数可以写为：

上式可以推广为传统调速器随动系统传递函数的一般简化形式，其中：TY为大环时间常数，Ty为小环时间常数，Kf为大环反馈系数，Ka为小环反馈系数，K为大环前向通道传递系数，K0为小环前向通道传递系数。该传递函数的特征方程为：

求系统的阻尼系数：

3.4 随动系统变参数调节的意义

阻尼是影响控制系统运行特性的关键因素，通过比较式（2）和式（3）可以看出，与传统调速器的控制形式不同，逻辑插装式调速器实质上是一种可变阻尼控制系统：虽然式（3）表明，传统调速器的阻尼系数可以通过修改某些参数进行调整，但修改后相应的值也是唯一的；式（2）表明，逻辑插装式调速器的阻尼系数可以按控制逻辑进行切换，其设置的n个逻辑通道对应系统的n种阻尼系数，当n个逻辑通道全部开启时，对应的最小阻尼系数为：

在其它预置参数相当的情况下，该阻尼系数显然比式（3）传统调速器的小，因而逻辑插装式调速器具有大流量、低液阻特性，其调节效率之高，是传统调速器所无法比拟的。

系统的阻尼越小，超调的可能性也就越大，当系统的调节接近目标值时，为了减少系统的超调，则依次关闭部分逻辑通道，只开启第1个逻辑通道时，对应的最大阻尼系数为：

其中：

由前文可知，逻辑通道个数n越多，δ的平均值越小，最大阻尼系数就越大，调节稳定性和精度越高。对比式（4）和式（3），求解逻辑插装式调速器的最大阻尼系数比传统调速器大的条件是：

即便在逻辑通道个数n一定的情况下，适当减小第1路液控阀的传递系数，使其满足上述条件也相当容易实现。综上：逻辑插装式调速器具有阻尼系数低、响应速度快的特点，同时，其随动系统基于逻辑通道控制的变参数调节性能，使系统在必要的时候能够拥有较大的阻尼系数，保证执行机构具有足够的到位缓冲能力，而不出现超调、振荡的情况。

在传统调速器完全液压冗余的控制模式中，由于随动系统的特征参数不具备自适应能力，其到位缓冲功能的实现更多地依靠电液转换器输入信号的变化，这就需要微机调节器不断地进行PID运算并保持连续变化的输出；与之不同，逻辑插装式调速器基于机械液压通道控制的到位缓冲功能，不完全依赖于输入信号的连续变化，这也为该类调速器采用直接数字控制的方式提供了可能。

4 结语

以前，电气放大理论和自动控制理论还是不相交的两个分支，其后由于电子电路的引入，以自动控制理论为基础的水轮机调速器技术得到了飞速发展，长期以来，调速器专业人员在控制系统的优化设计实践中，一般考虑将随动部分的调节功能全部交由电子调节器去完成，尽可能简化机械液压系统的结构，而微机控制策略则越来越复杂。与此相反，逻辑插装式调速器的机械液压系统被赋予了更多的调节功能，即提高了整体的设计水平，又适度减轻了微机控制环节的负担，更提高了控制系统的互换性，这无疑在调速器产品的研发方面，提供了一种全新的设计思路，这种理念，也暗合当今数字化时代的发展趋势。对于水电厂调速器维护人员而言，深刻地认识其随动系统的调节功能，对于保障系统的正常运行、提高设备的管理水平，也具有重要的指导意义。