冲击式水轮机多喷针同步控制系统研究

摘要

水电作为清洁能源，是使人与自然协调发展不可或缺的能源。我国水电开发逐步由低水头向高水头发展，冲击式水轮机因有适应高水头运行的特点而具有重大发展潜力。我国对冲击式水轮机的研究还属于起步阶段，冲击式水轮机也由单喷针逐渐向多喷针发展，多喷针位置控制系统更是处于起步阶段。由于多喷针在行进过程中的不同步会对水斗产生附加径向力，严重的影响机组运行的效率及寿命，造成很大的安全隐患。本课题利用液压系统来控制冲击式水轮机喷针的位移，实现对多喷针的同步控制，研究性能优良的喷针位移同步控制系统具有重要的指导意义。、本文通过查阅大量液压同步领域的文献，分析了多喷针冲击式水轮机的研究意义与方向，将多喷针的同步问题的研究转化为对多缸液压同步系统的研究，综述了液压同步系统的发展状况，总结了该领域的研究存在的问题并提出了多缸同步控制在未来的发展方向。
　　本研究主要内容包括：⑴设计了以阀控非对称缸为主体的冲击式多喷针同步控制系统，对系统的各组成部分进行理论分析并进行数学模型的建立，得出系统的状态方程组，利用LabVIEW中 Control and Simulation仿真模块建立了系统的仿真模型。⑵考虑到PID控制器的鲁棒性较差，缺乏自学习能力，采用了人工免疫算法作为单缸控制算法，给定系统负载类型为空载、恒定负载和变动负载并对阶跃信号、不同频率的正弦信号及斜坡信号进行仿真，分析了抗体抑制调节函数在系统响应中的作用，对比了系统在 PID控制和人工免疫控制中的动态响应性能，仿真结果表明系统在人工免疫控制下响应速度快、超调量小、鲁棒性强，整体控制性能优于PID控制，因此将人工免疫控制器作为系统的单缸控制器。⑶分析了主从同步、同等方式同步和偏差耦合同步的同步原理及特点，结合喷针同步系统的特点总结了这些同步方法的不足，提出了改进偏差耦合的同步方法即在偏差耦合同基础上引入 BP神经网络，对多缸的位移误差进行非线性映射，同时考虑各缸位移的相对误差和绝对误差。原始系统采用PID控制器，改进后的同步系统采用人工免疫控制和改进偏差耦合相结合的方式，对阶跃信号、不同频率的正弦信号及斜坡信号进行仿真，分析比较系统的同步精度和动态响应特性，仿真结果表明改进后的同步系统明显改善了系统的响应性能，很大程度上系统的同步精度。⑷完成了对哈尔滨电机厂水力特性试验台测控程序的改进，实现了对多喷针位移及同步误差的实时监测及数据后处理等功能。对原始系统单缸控制特性及多缸同步特性进行了理论分析，对人工免疫控制和改进偏差耦合控制同步方法进行实验验证，实验结果表明改进之后同步系统响应速度明显提升，超调量也显著降低，一定程度上减小了原始系统中出现的死区影响，系统的动态响应特性及同步精度均得到大幅改善。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外对液压同步技术的研究现状及简析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 喷针控制系统模型建立

2.1 多喷针同步控制系统介绍

2.2 系统模型的建立

2.3 本章小结

第3章 单喷针控制策略及仿真

3.1 单喷针控制器算法

3.2人工免疫控制的设计与仿真

3.3本章小结

第4章 多喷针同步控制策略及仿真

4.1 同步控制策略

4.2 PID控制系统仿真

4.3 BP神经网络偏差耦合同步仿真

4.4 仿真结果分析

4.5本章小结

第5章 多喷针同步控制系统实验研究

5.1 冲击式水轮机喷针同步试验台介绍

5.2 单喷针控制性能实验研究

5.3 多喷针同步控制性能实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢