1、目目 录录 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 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 一、数学模型一、数学模型 结构框图 调速器调速器调节对象调节对象Gr(s)Gt(s)Gg(s)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 这是一个三输入单输出系统(若无测频微分，实际上与c即为一回事)。 )(sXc一、数学模型一、
2、数学模型 一般主要关心的闭环传递函数为: 和 两种。 )()(sXsXc)()(0sMsXg对给定信号 ，闭环传递函数为:)(sXc0011)(GGGGGGGGsGgtrgtrc 式中 为调节系统开环传递函数。gtrGGGG 0对负荷扰动，闭环传递函数为: 0gm011)(GGGGGGsGgrtggc 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 一、数学模型一、数学模型1、对PI型(不含测频微分电路,即当 时) 式中为根轨迹增益： (只与工况有关) )(1)()()1)(1()(0anwqhytdtpdwdTesTes
3、TbsTbbsTseTsKsG dKyaqhydTTeeK 0 nnTT(P201 式式7-5)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 一、数学模型一、数学模型2、对PID型(含测频微分电路) 式中为根轨迹增益： (只与工况有关，因为 ，k由测频微分电路确定) )(1)()()(1()1)(1)(1()(0anwqhytdtpndwnnTesTesTbsTbbsTsTseTsTsKsG nKyaqhnynnTTeTeeTK kTTnn (P201 式式7-6)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章
4、水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹1、开环对数频率特性(以PI型为例) Matlab软件分析 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 能源与环境学院能源与环境学院水轮机调节水轮机调节及辅助设备及辅助设备二、频率特性与根轨迹二、频率特性与根轨迹1、开环频率特性(以PI型为例) -30-20-100102030Magnitude (dB)10-210-1100101-315-270-225-180-135-90-450Phase (deg)B
5、ode DiagramGm = 8.73 dB (at 1.11 rad/sec) , Pm = 51.6 deg (at 0.364 rad/sec)Frequency (rad/sec)dtpTbbweT1dT1anTewqhTe1ytTbgK 增益裕量增益裕量相位裕量相位裕量1、开环频率特性(以PI型为例) 校正装置参数，对，的影响（P203表表7-1）。 由表中数据前5列可见：增加，增加，增加，稳定性增强。 由表中数据后5列可见：增加，增加，增加，稳定性增强。 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对
6、数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹tb gKdT gKtbdTgK 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹2、根轨迹分析、根轨迹分析(以以PI型为例型为例) 根轨迹方程为：根轨迹方程为： 由于由于 所以，根轨迹方程变为：所以，根轨迹方程变为： 则有：则有： 所以：所以：0)(10 sG)()(1)()()1)(1()(00sGTesTesTbsTbbsTseTsKsGanwqhytdtpdwd 0)(10 sG1)(0 sG180) 12()(0ksG1)(
7、0 sG流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹2、根轨迹分析 (PI型)根轨迹如图所示： (a) -6-4-202-1.5-1-0.500.511.5Root LocusReal AxisImaginary Axis1ndaeTT 1ndaeTT 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹2、根轨迹分析 (PI型)根轨迹如图所示： (b) T
8、d 相当大，以致 -6-4-202-1.5-1-0.500.511.5Root LocusReal AxisImaginary Axis1ndaeTT 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹2、根轨迹分析 (PI型)根轨迹如图所示： (c) 但十分接近 dT1ndaeTT Root LocusReal AxisImaginary Axis-6-4-202-1.5-1-0.500.511.5流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性
9、及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹2、根轨迹分析 PI型根轨迹分析 水轮机调节系统是一个条件稳定系统，水轮机调节系统是一个条件稳定系统，K Kd d 增加可能导致系增加可能导致系统不稳定。统不稳定。 T Td d 的取值对根轨迹形状将产生影响，的取值对根轨迹形状将产生影响，T Td d 增加，越过虚轴增加，越过虚轴时的时的 K Kd d值变大。由于值变大。由于 K Kd d 仅取决于对象参数，故这样对系统稳定仅取决于对象参数，故这样对系统稳定有利。有利。 过分使过分使 T Td d 增加，可能在虚轴附近存在极点，动态品质变差。增加，可能在
10、虚轴附近存在极点，动态品质变差。流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹-6-4-202-1.5-1-0.500.511.5Root LocusReal AxisImaginary Axis(PID型)根轨迹如图所示： (a) Tn 较小qhneT11 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹(PID型)根轨迹如图所示： (b) Tn 较大q
11、hneT11 -8-6-4-202-1.5-1-0.500.511.5Root LocusReal AxisImaginary Axis流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹(PID型)根轨迹如图所示： (c) Tn 进一步增大 而且靠近qhneT11 dT1 -8-6-4-202-101Root LocusReal AxisImaginary Axis流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态
12、特性 二、对数频率特性与根轨迹二、对数频率特性与根轨迹PID型根轨迹分析 系统仍为条件稳定系统。系统仍为条件稳定系统。 Tn 对根轨迹影响也较大。对根轨迹影响也较大。Tn 增加，越过虚轴时的增益变大，增加，越过虚轴时的增益变大，因此对系统稳定有利因此对系统稳定有利(因为因为 Kn 也只与对象有关也只与对象有关)。 过分使过分使 Tn 增加，也可能在虚轴附近出现极点，使系统动态品增加，也可能在虚轴附近出现极点，使系统动态品质变差。质变差。流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第一节 水轮机调节系统动态特性 三、稳态误差三、稳态误差 由闭环传递函数
13、知系统为零阶无差度系统，则在阶跃负荷扰动mg0作用下将有稳态位置误差。 对阶跃负荷扰动： 显然，若显然，若 ，则，则 (无静差无静差) 。 对转速给定信号： 即： 显然，若 ，则 ， 。00)(gpgypnpmemebebx 0 pb0)( xcypnpncxebebexxe )()(cypnyxebeex )(0 pb0)( ecxx )(P208 式式7-14)(P208 式式7-19)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定第二节 水轮机调节系统稳定性分析 一、稳定域一、稳定域系统闭环特征方程 对该方程应用代数判据代数判据侯维智判据侯维智判
14、据，可导出系统的稳定域。 0)(10 sG流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析一、稳定域一、稳定域1、PI型 可绘制稳定域 waawddwTTTTTt 令(a)、额定工况012341234dtb en=1=0nebt=0.5nebt=2nebttba流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析一、稳定域一、稳定域1、PI型 可绘制稳定域 waawddwTTTTTt 令(b)、最小水头，限制出力工况tb en=2tb en=0.5tb
15、 en=0=1nebt432143210dtba流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析一、稳定域一、稳定域1、PI型 可绘制稳定域 waawddwTTTTTt 令(c)、最大水头，额定出力工况tbn=2tben=0.5tbn=0=1nbt432143210eeedtba流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析一、稳定域一、稳定域1、PI型 可绘制稳定域 waawddwTTTTTt 令(d)、额定水头，部分负荷工况eee012341
16、234tbn=1=0nbt=0.5nebt=2nbttbad流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析1、PI型 结论结论 运行工况对稳定域影响很大。在水轮机模型特性曲线上运行工况对稳定域影响很大。在水轮机模型特性曲线上靠左侧工况稳定域宽广，靠右侧工况稳定域变小。靠左侧工况稳定域宽广，靠右侧工况稳定域变小。 en 对稳定域影响很大。对稳定域影响很大。en 增加，则稳定域增大。增加，则稳定域增大。 bt 增加，增加，Td 增加，则坐标点离稳定边界越远，系统越增加，则坐标点离稳定边界越远，系统越稳定。稳定。 Tw 增加
17、，则增加，则a减小，减小， d 减小，坐标点靠近稳定边界，减小，坐标点靠近稳定边界，稳定性下降。稳定性下降。 Ta 增大，则增大，则a 增大，坐标点离边界远，稳定性增强。增大，坐标点离边界远，稳定性增强。一、稳定域一、稳定域流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析一、稳定域一、稳定域1、PI型 注意：注意： 前述讨论仅对单机带确定负荷有效。前述讨论仅对单机带确定负荷有效。 当机组运行于特性曲线靠左侧区域时，机组空载，尾水管水当机组运行于特性曲线靠左侧区域时，机组空载，尾水管水压脉动会导致机组转速摆动。压脉动会导致
18、机组转速摆动。 机组满载时，往往是并网运行，机组满载时，往往是并网运行，en较大，故稳定性增强。较大，故稳定性增强。流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析2、PID型 可绘制稳定域 结论：结论：Tn 在一定范围内增加，可扩展稳定域。在一定范围内增加，可扩展稳定域。n=0n=0.5tb en=0=1n432143210012341234n=1=0.5nebt=0.5n=0nddabtabt一、稳定域一、稳定域wnnwaawddwTTTTTTTt 令流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节
19、系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析一、稳定域一、稳定域3、弹性水击影响 考虑弹性水击的稳定域如图所示。 结论：结论：Tr 增加，稳定域减小。增加，稳定域减小。012341234r=255=1r刚性=4rdtbawrrTT流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析二、稳定余量域二、稳定余量域稳定余量定义：稳定余量定义：若闭环特征方程的根全部位于通过(-m，j0)点垂线的左边（m0）， 那末该系统在复平面上的稳定余量为m。 稳定余量域给出了闭环主导极点离虚轴的远近程度。 闭环主导极点离虚轴越远，则
20、系统越稳定，调节时间减小。流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析二、稳定余量域二、稳定余量域设原特征方程为：设原特征方程为： 为该方程特征根。为该方程特征根。 若将若将s平面虚轴向左平移平面虚轴向左平移m距离，则距离，则s平面变为平面变为s平面，平面， 在在s平面内的坐标变为：平面内的坐标变为： 即：即： 将将(2)带入带入(1)后得：后得： 对对(3)式利用代数判据式利用代数判据侯维智判据可推出侯维智判据可推出z的稳定域的稳定域 实际上就是实际上就是 具有具有m稳定余量的稳定域，称为稳定余量的稳定域，称为 的
21、稳定余的稳定余量域。量域。(1) 0012233 CCCC i mzii (3) 0012233 DzDzDzD )2( mzii i 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析m二、稳定余量域二、稳定余量域ReIm0Im iZiZi=i-(-m)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析二、稳定余量域二、稳定余量域稳定余量域图 结论： m不可能无限增大，必然不可能无限增大，必然出现极值。出现极值。 en对稳定余量域有明显对稳定余量域有
22、明显影响。影响。en 增大，则增大，则m增大。增大。b t am=0.5m=0.4m=0.2m=0.12468101214(a) 14121086421086421086420m=0.35m=0.3m=0.2m=0m=0.1dcam=0.3en=0bt at b dbt en=1(b) 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析三、水轮机调节系统动态品质三、水轮机调节系统动态品质考核指标有：转速过渡过程的调节时间 ，最大相对转速偏差 ，振荡次数。 （一）阶跃响应分析 1、对mg0的阶跃响应 表现：曲线2较佳。 其闭
23、环主导极点为3个： 显然： pTmaxx 40. 052. 042. 032, 1pjp3p(P217 图图7-10)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析三、水轮机调节系统动态品质三、水轮机调节系统动态品质（一）阶跃响应分析 1、对mg0的阶跃响应 结论：对于PI型调节系统，使动态品质最佳的参数取值是使闭环主导极点满足： 73. 1/3 p(P218 图图7-11)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析三、水轮机调节系统动态品
24、质三、水轮机调节系统动态品质（一）阶跃响应分析 2、对的阶跃响应 阶跃响应图： 结论： 阶跃响应出现了反调现象，这是由水流惯性带来正零点引起的，对稳定极为不利。 ， 动态品质最佳。 cx 3p73. 1/ (P218 图图7-12)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析三、水轮机调节系统动态品质三、水轮机调节系统动态品质（三）对过渡过程的影响（三）对过渡过程的影响 右图示出对过渡过程的影右图示出对过渡过程的影响。响。 (a)中，中， (b)中，中， (最佳最佳) (c)中，中， 可见：取得适当，过渡过可见：取得
25、适当，过渡过程较佳，过大使振荡加剧。程较佳，过大使振荡加剧。 推荐值：推荐值：nTnTsTn71. 0 sTn25. 1 sTn67. 1 nTwnTT)15 . 0( (P220 图图7-15)流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第三节 水轮机调节系统参数整定（基本仅对PI型调速器而言） 最佳准则：经理论分析，利用系统开环频率特性，使最小的 ， 为：一、极点配置法一、极点配置法（仅对PI型调速器有效） 基本准则： ， 基本原理：寻求一组适当的参数整定值( ，)，使在满足根轨迹方程的条件下，闭环极点的分布满足最佳准则。 3p73. 1/ *
26、dT*tbdBKg 87 27 .233 .503 .38ggKK 二、利用开环对数频率特性确定校正环节参数最佳整定二、利用开环对数频率特性确定校正环节参数最佳整定 gKpT流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第三节 水轮机调节系统参数整定三、斯坦因和克里夫琴柯推荐公式三、斯坦因和克里夫琴柯推荐公式（一）斯坦因推荐公式：斯坦因推荐公式： PI型 ; PID型 ; ;awtpTTbb/8 . 1 awtpTTbb/5 . 1 wdTT4 wdTT3 wnTT5 . 0 流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态
27、特性及参数整定 第三节 水轮机调节系统参数整定三、斯坦因和克里夫琴柯推荐公式三、斯坦因和克里夫琴柯推荐公式（二）克里夫琴科推荐公式：克里夫琴科推荐公式： PI型 当当 ; ; ; 这时这时 当当 ; ; ; 这时这时 当当 ; ; ; 这时这时 PID型 ; ; ; 这时这时 awtTTb/)43( awtTTb/)5 . 35 . 2( awtTTb/)5 . 22( wdTT)54( wdTT)32( wdTT)2 . 175. 0( awtTTb/)5 . 22( wdTT)5 . 11( wpTT)108( wnTT wpTT)54( wpTT5 wpTT)75( 0 nteb3 nt
28、eb1 nteb流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第三节 水轮机调节系统参数整定四、其它方法四、其它方法 查论文，规范！查论文，规范！流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第三节 水轮机调节系统参数整定、说明，对系统稳定性的影响。 、分析水轮机几种典型工况对系统稳定性的影响。 、对含有PI型调速器的水轮机调节系统，其闭环主导极点分布在什么情况下可获得较好的动态品质？ 、系统对转速给定信号 的阶跃响应，与的大小有何联系？ 、校正装置参数整定方法有哪些？ 、写出斯坦因和克里夫琴柯的推荐公式，并说明其应用条件。tbdTnTaTwTwTcx流体机械自动控制流体机械自动控制江苏大学江苏大学第六章 水轮机调节系统动态特性及参数整定 第二节 水轮机调节系统稳定性分析三、水轮机调节系统动态品质三、水轮机调节系统动态品质（二）稳定余量域分析 显然，m 增加，则Tp 减小。 en 增加，则 m 增加，Tp 减小。 下图表明：
