电网频率一次调节.doc
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上海电力学院课程设计报告
课名:
控制原理应用实践
题目:
倒立摆控制装置
院系:
电自学院信控系
专业:
自动化(电站方向)
班级:
2010034
姓名:
朱从政
学号:
20101576
时间:
上海电力学院
课程设计(大型作业)任务书
(2012/2013学年第1学期)
课题名称控制原理应用实践
院(系)电自学院信控系
专业自动化(电站方向)
班级2010034
学生20101576
时间2012-1-9
老师签名:
教研室主任(系主任)签名:
一、设计目的
本课程设计是《自动控制原理》课程的具体应用和实践,是自动化、测控技术与仪器专业的专业基础课知识的综合应用,其重点在于将理论知识应用于一个具体的控制系统。
通过控制对象特性研究、控制规律选择、控制系统设计、控制系统仿真试验、控制参数整定、控制方法改进和控制效果分析等活动,加强对控制理论的理解,锻炼控制理论实践能力,学会控制工程师的基本技能。
二、设计内容、要求及组织形式
本课程设计的主要内容有:
控制对象特性研究、控制规律选择、控制系统设计、控制系统仿真试验、控制参数整定、控制方法改进、控制效果分析
本课程设计的基本要求:
1、了解控制系统的基本概念,初步具备设计控制系统的能力;
2、掌握基本控制规律的应用方法和步骤;
3、掌握基本控制参数的整定方法和步骤;
4、具备分析控制品质的能力和初步改进控制方案的经验。
本课程设计的组织形式:
分组进行,每组人数不超过6人。
每组人员合作进行控制对象特性研究、控制规律选择、控制系统设计、控制系统仿真试验,但独立进行控制参数整定、控制方法改进、控制效果分析。
实践报告独立撰写,答辩也分别按每个人进行。
三、设计进度安排(时间及地点)
天
工作内容
地点
检查
1
开题集中指导及控制对象特性研究和控制规律选择
教室、机房
选题和分组
2
控制系统设计、编程和仿真试验
机房、教室
设计方案
3
控制参数整定、控制方法改进
机房、教室
实验操作
4
控制效果分析和实践报告撰写
教室
报告撰写
5
汇报与答辩
教室
综合
四、考核形式及成绩评定办法
1.考核方法:
考勤、设计方案与实验操作检查、报告撰写评阅、汇报与答辩。
2.成绩评定:
考勤10%、、设计方案与实验操作检查20%、报告撰写评阅30%、答辩40%。
一、设计背景:
倒立摆控制装置被公认是自动控制理论中的典型教学实验设备,也是控制理论应用的一种典型演示物理模型。
通过对它的实验研究可以示范控制理论中的许多关键问题的解决方法,如非线性问题、鲁棒性问题、随动问题、镇定问题以及跟踪问题等。
此外,多种控制理论与方法在倒立摆控制中应用得到的有效经验可推广应用到许多实际工程中,如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直控制和微型飞行中的姿态控制等。
所以倒立摆控制的应用实践是很有理论和实际意义的。
二、设计要求:
1、实际控制过程
一个孤立的电力网络的频率是可以通过汽轮机调速控制系统来调整的。
这个调整被称为电网的一次调频。
相对于一次调频,还有通过自动调整短期发电功率计划的二次调频和通过调整中期发电功率计划的三次调频。
下图所示某电网频率一次调节系统的框图。
其中,为网内负荷扰动量;R为稳态速度调节系数();J是等效旋转惯量,J=4000;b=0.75,是摩擦系数;是电网角频率偏差;速度偏差参考值。
题图电网频率一次调节系统
2、控制设计要求
试用反馈控制器,在前提下使系统的阻尼比。
三、设计内容:
1、设计理论:
方案一:
根轨迹法设计
通过选择控制器的零点和极点来满足预定的系统性能要求。
方案二:
状态反馈法设计
将系统的状态变量乘以相应的反馈系数,然后反馈到输入端与参考输入叠加形成控制量,作为受控系统的输入,实现闭环系统的极点的任意配置。
采用状态反馈不但可以实现闭环系统极点的任意配置,而且也是实现解耦和构成线性最优调节器的主要手段。
2、设计步骤:
计算系统对应传函:
设计要求:
,取R=0.1
,假设系统调整时间:
,取
方案一:
根轨迹法
(1)在Simulink中搭建原系统模型(图1),并得到系统加控制器前的响应曲线(图2):
图1原系统模型
图2原系统响应曲线
(2)画出原系统根轨迹(图3),调整Gc使根轨迹改变,达到系统性能要求(图4):
图3原系统根轨迹
图4控制器下的根轨迹
(3)根据根轨迹调整中Gc,在Simulink中搭建加控制器的系统模型(图5),得到系统响应曲线(图6):
图5加控制器的系统模型
如右图6,此时系统响应超调:
,系统响应稳定,稳态值为0.1,根轨迹图中反应出阻尼比大于0.6,达到设计要求。
得到:
Gc=300,为比例控制器,稳定时间是3.5s。
图6控制器系统响应曲线
方案二:
状态反馈法
(1)根据系统传函转化为能控型状态空间表达式:
根据设计性能,计算出反馈矩阵:
(2)在Simulink中搭建系统模型(图7):
图7状态反馈空间系统模型
右图为原系统响应曲线与状态反馈空间系统响应曲线,系统响应稳态值为0.00975,超调量:
稳定时间为10s,性能达到设计要求。
图8状态反馈空间系统响应
3、优化设计
我国电网工频为50Hz,电网上供电总功率与用电总负荷的平衡直接影响频率变化。
因此,控制系统对扰动量相应的快慢是反映系统好坏的重要标志。
在以上设计的两个方案中,明显根轨迹法反映速度快,稳定时间短,但还可以对系统控制器进行优化,进一步改善系统响应时间。
PID控制能加快系统响应速度。
(1)搭建PID模型
图9理想PID控制器
(2)整定参数
A、单独比例调节。
调节比例环节至基本出现两个波,前后高低比接近4:
1;
B、加入积分环节,观察积分环节参数对系统的影响,保证系统稳定,稳定误差为零,振荡较小;
C、加入微分环节进图10PID控制器三步骤的整个响应曲线
一步减小超调量。
此时,PID控制器参数如下图(图11)所示:
图11PID参数图12加入PID控制器的系统模型
通过在比例控制器之前增加PID控制器,由响应曲线表明:
系统响应速度加快,但系统响应超调量大大增加,超出了系统性能要求。
为此,减少比例控制器系数,使Gc=100,继续调节PID控制器系数,到得下图所示响应曲线(图13):
图13改变比例控制器和PID控制器系数后系统响应曲线
上图响应曲线表明:
超调量,稳定时间。
通PID控制器加比例控制器,达到设计性能要求,稳定误差为零,加快了系统响应速度,优化了系统性能。
此时,PID系数为:
Kp=13,Ki=0,Td=0.25;比例控制器系数为:
Gc=100。
系统模型与参数设定如下图所示(图14):
图14系统优化后的模型与参数设定
四、设计总结:
1、设计控制器方法对系统性能的影响:
A、根轨迹法。
本次设计是运用常规很轨迹设计方法,把开环系统的放大系数k从零变到无穷进行调节,系统根轨迹有一部分落在左半平面,调节k值就能达到设计要求。
根据设计性能要求进行时域分析,可从根轨迹图上分析出控制系统的动态和稳态特性;
B、状态反馈法。
用状态反馈控制系统设计的方法,是将系统的状态变量乘以相应的反馈系数,然后反馈到输入端与参考输入叠加形成控制量,作为受控系统的输入,实现闭环系统的极点的任意配置,能使系统具有较好的控制性能和鲁棒性,能任意调整设计系统参数,更好的满足实验性能要求;
C、PID控制器。
PID控制器中Kp、Ki、Td分别产生的作用:
P控制器Kp能调节上升时间和稳态偏差,Kp越大,上升时间越小,稳定偏差越小;I控制器Ki应该取合适的值,这样才能得到稳定的衰减振荡过程;D控制器中Td能调节系统的超调量,可以调节kd使超调量达到实验要求。
2、电网一次调频的意义:
A、电网频率高(高于标准的50Hz),即电网上总的供电功率大于总的用电负荷,机组关小高压进气调节门、提高主汽压力、增加锅炉蓄热、减少机组发电功率,缓解电网供需矛盾;
B、电网频率低(低于标准的50Hz),即电网上总的供电功率小于总的用电负荷,机组开大高压进汽调节门、降低主汽压力、释放机组蓄热、增加机组发电功率,减缓电网供需矛盾。
五、设计心得
参考文献
[1]自动控制原理——理论篇杨平、翁思义、郭平中国电力出版社
[2]自动控制原理——实验与实践篇杨平、余洁、徐春梅、徐晓丽中国电力出版社
[3]自动发电控制及一次调频控制系统张斌中国电力出版社
[4]发电厂动力部分关金峰中国电力出版社
[5]MATLAB在控制系统中的应用张静等电子工业出版社
[6]线性控制系统理论与方法李俊民、李靖、杜彩霞西安电子科技大学出版社
[7]自动控制系统廖晓钟、刘向东北京理工大学出版社
[8]自动控制原理学习辅导杨平、翁思义、王志萍中国电力出版社
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