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1、摘要在工业生产中，对于某些被控对象的结构及控制进程较复杂，影响因素多的复杂系统，常常难以建立精确的数学模型来描述系统的特性。在没有精确的数学模型的情况下，如何决定PID调节器的参数，使其控制品质较佳，是个关键问题，它关系到所要设计的控制系统的性能的优劣，对提高产品质量尤为重要。水轮机发电机组的调速系统就是一个这样的复杂系统，此系统具有非线性时变特性，其电力系统的稳定与调速器的有效和可靠的运行有关。迄今为止，目前的水轮机调速系统大多采用PID控制。此系统中的被控对象较复杂，且难以建立精确的数学模型，在对其进行PID调节器参数整定时，因采用常用工程整定方法限制条件多，整定结果不佳，所以本设计就选用
2、了一种基于规则的正交表进行参数整定的实验设计方法-正交优化设计法。首先，对选定的某水电站进行水轮机和调速器选型，再对其系统建立模型，然后利用正交优化设计法，通过仿真对水轮机调速系统进行数字PID调节器参数整定。整定结果表明该方法简单可行，性能指标选取方法法，CohenCoon整定法，稳定边界法等进行了对比分析，说明了正交优化设计在实际工程整定中的可行性和实用性。在此基础上，本设计还提出了正交优化法的改进研究，以提高正交优化法的精度。关键词：水轮机调速系统；正交优化设计；数字PID调节器；参数整定；仿真AbstractIn the industrial production process,fo
3、r some complex systems, the object structures and control processes are complicated,and many factors influence the systems,so it is often difficult to establish precise mathematical models to describe the characteristics of the systems.Without a precise mathematical model,how decide the PID controll
4、er parameters becomes a key problem.Which may influences the performance of the designing control system and the improvement of the quality of products.The speed governing system of the hydroturbine generator set is a complex system,which has nonlinear time-varying characteristics.The effective and
5、reliable operation of the speed governor decide the power system stability.So far,the hydroturbine governing systems always use PID controller.The controlled object of this system is more complicated,and it is difficult to establish a precise mathematical model.When set the systems PID parameters,th
6、e common tuning methods have some restrictions and poor setting results.Therefore, this design adopts an experimental design method with a rules-based orthogonal table for setting parameters-orthogonal optimal design method. Firstly,this design make a selection for the hydroturbine and speed governo
7、r of a hydropower station,and then build model of this system.Finally,the orthogonal optimal method and simulation are used to set the systems PID parameters.The results show that the method is simple and feasible,and have flexible indexs,Whats more, the setting results is accuracy and representativ
8、e.This method has already been compared with common methods,such as Ziegler-Nichols,Cohen-Coon,stabilize boundary tuning method etc.Which proves the optimization design has feasibility and practicality in actual project. On this base,this design also gives an improvement method to improve the accura
9、cy of the orthogonal optimal method.Keyword: hydroturbine governing system;orthogonal optimization design;digital PID regulator;tuning parameter;simulation 目录1 绪论11.1 控制系统参数整定优化的目的和意义11.2 数字PID调节器的发展及应用概况21.3 本设计的研究方法和任务22 某水电站水轮机、调速器选型及建模32.1 水轮机调速系统概述32.2 水轮机选型32.3 调速器选型72.4 水轮机调速系统模型的建立103 正交优化设计
10、法133.1 PID调节器参数的工程整定方法133.2 本设计方案的选择143.3 正交优化设计法的可行性分析154 仿真设计174.1 正交优化法优化整定PID参数的具体实现174.2 正交优化法整定PID参数的仿真实验194.2.1 SIMULINK建模194.2.2 正交实验法的MATLAB仿真实验程序204.2.3 与常用整定方法的比较224.3 实验结果和比较分析224.4 正交优化设计的改进研究245 结论28谢辞29参考文献30附录1 水轮机调速系统选型表格31附录2 仿真程序34数字PID调节器的正交优化设计1 绪论1.1 控制系统参数整定优化的目的和意义(1) 调节器参数对系
11、统控制质量的影响当构成一个控制系统的被控对象、测量变送环节和控制阀都已经确定以后，控制器参数是决定控制系统的唯一因素。控制系统的控制质量，包括系统的稳定性、系统的静态误差和系统的动态误差三个方面。通用的工业控制器通常是PID控制器，它有三个可调整的参数，即比例放大系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td。参数对系统控制质量的影响见表1-1所示。表1-1 PID控制器参数对系统控制质量的影响影响KpTiTd稳态性能Kp增大，可以减少静差，但不能消除静差Ti减小，积分作用增强，可消除静差，但不能太小Td增大，可以减小静差，但不能消除系统静差，且不能单独使用动态性能无延时环节，加快系统速度，响应快，但会
12、引起振荡，造成系统稳定性下降有延时环节，快速性下降，太小会引起振荡增强，稳定性下降，甚至不稳定系统振荡减弱，稳定性增强，但太大和太小会引起超调量变大，过渡时间变长(2) 控制系统参数整定优化的目的和意义控制系统的整定，就是对一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数（Kp、Ti、Td）的调整，使得系统的过渡过程达到最满意的质量指标要求。受控工业对象的数学模型常常因工业现场环境不确定的因素而难以准确描述，而工业控制要求又常常很苛刻和矛盾，基于此，在选择算法参数时，既必须根据具体的控制要求以满足主要方面并兼顾其它，又必须根据P、I、D参数对系统性能作用为指导，合理地在线调整定参数。控制系统的
13、质量取决于对象特性、控制方案、干扰的形式和大小，以及控制器参数的整定等各种因素。一旦系统按所设计的方案安装就绪，对象特性与干扰位置等基本上都已固定下来，这时系统的控制质量主要就取决于控制器参数的整定了。合适的控制器参数会带来满意的控制效果，不合适的控制器参数会使系统质量变坏。虽然，我们不能因此就认为控制器参数的整定是“万能”的，对于一个控制系统来说，如果对象的特性不好，控制方案选择得不合理，或是仪表选择和安装不当，那么无论怎样整定控制器参数，也是达不到质量指标要求的。然而在一定范围内（方案设计合理、仪表选型安装合适），控制器参数整定的合适与否，对控制质量却是具有决定性作用的。1.2 数字PID
14、调节器的发展及应用概况据不完全统计，在工业控制、航空航天控制等领域中，PID控制的应用占80%以上。在计算机用于生产过程以前,过程控制系统中的PID调节器几乎一直占垄断地位。它适应性好，鲁棒性强，能适应不少工业对象的控制要求,故至今仍然是一种最基本的控制方式。计算机的出现和它在过程控制中的应用，使得数字PID控制的应用得到发展和推广。目前,即使在过程计算机控制中,PID控制仍然是应用最广泛的控制方法之一。经过长时间的探索与研制，PID控制器的功能与优点得到充分的揭示，PID控制开始向智能化、自适应化、最优化方向发展。1.3 本设计的研究方法和任务随着各种参数优化方法的完善和相应的专业软件强大功
15、能的支持（如基于MATLAB的对PID参数进行优化设计的方法），对系统进行优化整定使其达到满意的控制效果，已经成为了工业生产过程中的一个重要课题。本设计首先选择工程实例（某水电站的水轮机调速系统），再对其进行选型和系统建模，然后针对PID调节器参数的整定，探讨各种工程整定法（试凑法、稳定边界法等）的不足之处，选用一种优化方法（正交优化法）加以解决，并对此方法进行仿真分析，得出实验结果，最后阐明该方法的实际意义。2 某水电站水轮机、调速器选型及建模2.1 水轮机调速系统概述水轮机调速器的作用是保证水轮发电机的频率稳定、维持电力系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种自动化操作，是水电站的重要基础控制设备。水轮机调节系统是由调节控制器、液压随动系统和调节对象组成的闭环控制系统，其框图如图 2-1所示114。其中，引水系统的作用是将上游水库或河道中的水引入水轮机，作功再排至下游；水轮发电机组的作用是由水轮机将水流能量转化为旋转的机械能，再经过发电机将机械能转换为电能并输出到电力系统；电力系统也称电网，其作用是将发电机输出的电能输送给用户；调节器的作用是根据电网频率的变化和用户的给定值调节进入水轮机的水能2。图 2-1 水轮机调节系统构成图调速器的发展趋势：(1) 随着计
