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基于PID算法的水轮机调速器毕业设计 目 录 摘要 I 目录 II 第一章 绪论 1 1.1 课题概述 1 1.1.1 课题来源 1 1.1.2 提出问题 1 1.2 技术发展综述 2 1.2.1 水轮机调速器的发展 2 1.2.2 人工智能与基于PID算法的模糊控制理论的发展 4 1.3 设计主要工作 5 第二章 水电站主、辅机及微机调速器选型 7 2.1 水电站概述 7 2.2 水电站关键设备介绍 7 2.3 水轮机的选型 8 2.3.1 初选水轮机型号 8 2.3.2 水轮机主要参数的计算 9 2.3.3 效率的修正值计算 10 2.3.4 转速的计算 11 2.3.5 工作范围验算 12 2.3.6 水轮机吸出高计算 14 2.4 水电站辅助设备 15 2.4.1 水轮机进水阀 15 2.4.2 油系统 15 2.4.3 气系统 16 2.4.4 水系统 16 2.5 微机调速器选型 17 2.5.1 BW(S)T系列步进式微机调速器 17 2.5.2 调节器系统组成及工作原理 17 2.5.3 调节器主要功能模块 19 2.5.4 PLC控制模块 20 2.5.5 触摸屏 20 2.5.6 微机调速器的通讯接口 21 2.6 机械液压系统 22 2.7 主要零部件 22 2.8 参数及标准 25 2.8.1 机械基本参数 25 2.8.2 水轮机调速系统的标准 25 2.8.3 调速系统的可靠性 25 第三章 水轮机微机调节系统 26 3.1 调速器在水电站的作用和地位 26 3.2 水轮机双调整调节系统 27 3.2.1 PLC水轮机微机调速器的总体结构 28 3.2.2 典型PLC水轮机微机调速器结构 30 3.2.3本文采用的水轮机微机调速器结构形式 31 3.3 PLC微机调节器的动态特性 31 3.3.1 微机调速器PID调节系统的传递函数 31 3.3.2微机调速器PID调节的离散算法 32 3.3.3 PLC微机调节器PID响应特性 34 3.4 Fuzzy-PID复合控制在微机调速系统中的应用 35 3.4.1 PID参数Fuzzy自整定控制原理 36 3.4.2 PID参数Fuzzy整定模型 37 3.4.3 模糊PID控制器 38 3.5 导叶和桨叶控制 40 3.5.1 协联关系 40 3.5.2 导叶开度的控制 41 3.5.3桨叶开度求取 42 3.6 微机调节器的自动调节模式 43 第四章 频率测量和机电转换部件 45 4.1 测频基本原理 45 4.1.1 动态频差和静态频差的原理 46 4.2 PLC测频单元 47 4.2.1 FX2N-64MT测频原理 47 4.2.2 减少误差的措施 48 4.2.3 精度分析 49 4.3 基于电机的电气/位移转换装置 49 4.3.1 微机调节器+电气/位移转换+机械液压随动系统 50 4.3.2 微机调节器+电液随动系统 51 4.4 伺服电机在电气／位移转换部件上的应用 52 4.4.1 MINASA系列交流伺服电机介绍 52 4.4.2 交流伺服电机选择 53 4.4.3 基于交流伺服电机位置环控制的调速器 54 第五章 微机调速器的硬件和软件 56 5.1 可编程控制器简介 56 5.2 调速器中可编程控制器硬件构成 56 5.3 微机调速器工作状态转换 57 5.4 微机调速器PID调节 61 5.4.1 PID调节 62 5.5 基于模糊控制的PID调节 65 5.5.1 模糊控制器的输入量变和输出变量 66 5.5.2 各量化因子、比例因子与隶属度函数的选择 67 5.5.3 建立模糊控制系统的控制规则 68 5.5.4 精确量的模糊化与模糊推理 68 5.5.5 模糊控制系统的清晰化 69 5.6 协联关系在PLC中的实现 69 5.7 操作终端常用画面、参数修改 70 5.7.1 触摸屏画面操作流程 70 结论 75 参考文献 77 致谢 79 第一章 绪论 1.1 课题概述 1.1.1 课题来源 本设计研究课题来自新疆沙尔布拉克水电站的工程项目《水轮机调速系统》。 1.1.2 提出问题 随着科技特别是各种控制理论的发展，人们广泛地将各种控制理论用于工业控制，研究出了许多类型的控制系统[1]。水轮机调速器控制作为一种工业控制过程，逐步采用了基于PID算法的控制，本世纪七十年代以来在电液调速器的基础上，水轮机调速器有了很大的发展[2]。现阶段，主要以可编程控制器（PLC）和工业计算机为控制核心，以步进电机或伺服电机为执行机构取代电液转换器来构成水轮机调速系统。调速系统是水轮同步发电机的重要组成部分，调速系统用怎样的控制方式的问题，如果选择不当，不仅会提高事故的发生率，也必然影响电网运行的稳定性和可靠性。控制方式的选择又是