水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1、摘 要 本文所描述的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是以水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型為基礎(chǔ)，根據(jù)對(duì)matlab的相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算過程的編程并應(yīng)用simulink對(duì)小波動(dòng)過渡過程進(jìn)行了仿真。本文的主要內(nèi)容有 1. 就水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本知識(shí)理論水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理和定義，水輪機(jī)組調(diào)速器的結(jié)構(gòu)組成及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹 2對(duì)matlab/simulink 進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，使用matlab編程將水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算過程編寫成M文件，通過交互式的界面輸入相應(yīng)的參數(shù)從而快速完成調(diào)節(jié)保證計(jì)算任務(wù)并給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間及轉(zhuǎn)速和壓力的最大上升值。 3使用matlab/simulink對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)過程進(jìn)

2、行仿真,建立仿真模型并利用仿真模型對(duì)水輪機(jī)大波動(dòng)過渡過程進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果響應(yīng)曲線說明調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響因素。 4. 指出本設(shè)計(jì)在實(shí)施過程中應(yīng)該注意的問題，總結(jié)了本程序相對(duì)于常規(guī)計(jì)算過程的一些優(yōu)點(diǎn)和局限性及可以提高和改進(jìn)的地方提出了作者的幾點(diǎn)想法 。關(guān)鍵字 ：水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算 simulink仿真模型 M文件 PID控制 VAbstractThe simulate model of hydro turbine governing system in this article is based on the mathematics model and the deliverin

3、g function according to internal mold pieces of the system .According to relevant knowledge of matlab application so as to realize the calculation process of water turbine regulation guarantee the programming and application of simulink of big fluctuation transient process are simulated. The main co

4、ntent is as follows: 1. The theory of hydro turbine governing system has been introduced, such as its definition, the principle of governing, the basic structure of the speed governor and the characteristics of the governor system. 2.Of matlab/simulink to carry on the simple introduction, the use of

5、 matlab programming to turbine regulating guarantee calculation process writing into M file, through the interactive interface parameters with the corresponding input to rapidly complete adjustment guarantee computing tasks and give the corresponding adjustment time and pressure and maximum rising s

6、peed. 3.Using matlab/simulink simulation, the process of turbine regulating simulation model is set up and use the simulation model of hydraulic turbine big fluctuation transient simulation. According to the results of response curve shows that the influence factors of regulating system.4.Pointed ou

7、t that the design problems should be noticed in the process of implementation, summarizes the program relative to the some advantages and limitations of the conventional calculation process.the places need to be improved were discussed and some authors ideas were presented too. Key words: Hydro turb

8、ine governing system PID control law Simulate model dependability calculation of water turbine regulation M- file摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1 引言11.2 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器工作原理11.3水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)11.4 水輪機(jī)調(diào)速器的發(fā)展歷史與趨勢(shì)21.5 本文研究任務(wù)3第二章 MATLAB/SIMULINK42.1Matlab4圖 2.1 matlab工作界面42.1.1 matlab簡(jiǎn)介42.2本文所用matlab知識(shí)62.2.1 循環(huán)語句for62.2.

9、2 if語句62.2.3 關(guān)系表達(dá)式62.2.4 輸入數(shù)值72.2.5 輸入字符串72.2.6 線性插值72.2.7 matlab引用excel表格中的數(shù)據(jù)72.2.8 變量及其賦值82.2.9.矩陣及其元素的賦值82.2.10 M函數(shù)和M文件92.3 本章小結(jié)9本章主要闡述了matlabsimulink 的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)及在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)際應(yīng)用的重要地位。matlab作為一門實(shí)用的計(jì)算工具在一定程度上減少了工程人員的計(jì)算任務(wù)，復(fù)雜的計(jì)算過程往往只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的語句就可以實(shí)現(xiàn)，大大提高了工作的效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性；simulink自帶的仿真模塊大大減少了控制人員建模的工作量，只需要簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)拖動(dòng)和操作就可

10、以改變控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，使控制人員把更多的精力放在仿真結(jié)果的分析上而不是模型的建立上。不僅如此，simulink的大量應(yīng)用，減少了產(chǎn)品研發(fā)和科學(xué)研究的經(jīng)費(fèi)預(yù)算，縮短了研發(fā)和研究的周期，避免了人力物力財(cái)力的浪費(fèi)。Matlab編程有其特有的語言結(jié)構(gòu)，邏輯，及符號(hào)運(yùn)算法則，本章的最后就這些知識(shí)進(jìn)行了充分的講解，使讀者更容易接受下一章的程序代碼。9第三章 水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算103.1水電站的不穩(wěn)定工況103.1.1不穩(wěn)定工況表現(xiàn)103.1.2水擊的危害103.2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算103.2.1調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)103.2.2調(diào)節(jié)保證計(jì)算的目的及意義103.3計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)113.3.1 壓力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)113.3.2

11、 轉(zhuǎn)速變化計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)113.4 本章小結(jié)11第四章 調(diào)節(jié)保證計(jì)算書124.1 確定計(jì)算工況124.2各工況下的和124.2.1 尾水管的和124.2.2 尾水管數(shù)據(jù)計(jì)算程序代碼144.2.3 蝸殼的和154.2.4 蝸殼數(shù)據(jù)計(jì)算代碼164.3 水流慣性時(shí)間常數(shù)184.3.1 程序代碼184.4 機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)184.4.1程序代碼194.5 水擊波速214.5.1程序代碼214.6 初選導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間224.7 判斷水擊類型224.8 進(jìn)行水擊計(jì)算234.9計(jì)算最大轉(zhuǎn)速上升率254.9.1 程序代碼264.10 按最大水頭計(jì)算蝸殼內(nèi)的最大壓力上升值264.10.1 程序代碼274.11 主程

12、序代碼 （部分)284.12計(jì)算書說明304.13部分程序運(yùn)行結(jié)果31第五章 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)線性仿真365.1 用simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真的步驟365.2 基于線性傳遞函數(shù)模型的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真365.2.1 Simulink 環(huán)境下的系統(tǒng)線性仿真模型365.2.2 帶有非線性環(huán)節(jié)的隨動(dòng)系統(tǒng)仿真395.2.3 子系統(tǒng)及子系統(tǒng)封裝405.3 本章小結(jié)41第六章 結(jié)論42考慮到matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能，對(duì)編寫的調(diào)保計(jì)算程序的計(jì)算步驟做了一些改動(dòng)，使得計(jì)算過程相對(duì)于常規(guī)的計(jì)算方法顯得更加簡(jiǎn)便，除去了大量重復(fù)性的演算和驗(yàn)證的工作，例如本程序并沒有事先考慮水擊的類型，而是根據(jù)末相水擊和首相水

13、擊所得到的引水管道內(nèi)的壓力升高率的不同，通過比較語句比較兩者之間的大小，取其大者，然后在進(jìn)行修正，簡(jiǎn)便了計(jì)算過程；另一方面，常規(guī)的計(jì)算方法是通過計(jì)算出導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間的最小值和最大值，然后初選，使其介于二者之間并依次取值進(jìn)行水管特性系數(shù)，蝸殼和尾水管內(nèi)的壓力升高率，壓力上升值的一系列計(jì)算，過程繁瑣，工作量大。而本程序則依據(jù)matlab程序語言邏輯并結(jié)合實(shí)際情況，即水輪機(jī)導(dǎo)葉的直線關(guān)閉時(shí)間大多介于515秒之間。使用語句循環(huán)進(jìn)行快速的演算驗(yàn)證，當(dāng)?shù)玫綕M足條件的結(jié)果后再利用轉(zhuǎn)移語句，跳出循環(huán)，得到最佳結(jié)果。同時(shí)也可以通過對(duì)循環(huán)語句中步長(zhǎng)的設(shè)置，使計(jì)算精度精確到0.1s甚至更小。這種構(gòu)思省去了大量的計(jì)

14、算過程，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算的快速性和精確性，保證了結(jié)果的可靠性，這是本程序最大的亮點(diǎn)。42參考文獻(xiàn)43附錄144附錄 245金屬蝸殼流速系數(shù)與水頭的關(guān)系45附錄346推薦的尾水管尺寸表46致謝47第一章 緒論 1.1 引言 水輪發(fā)電機(jī)組把水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┥a(chǎn)、生活使用。用戶在用電過程中除要求供電安全可靠外，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量也有十分嚴(yán)格的要求，電力系統(tǒng)的負(fù)荷時(shí)時(shí)都在變化，這種變化必然會(huì)導(dǎo)致能量平衡被打破從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，水輪發(fā)電機(jī)組不斷地調(diào)節(jié)有功功率的輸出，從而保證機(jī)組轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)，這就是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本任務(wù)。1.2 水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器工作原理我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，系統(tǒng)頻率應(yīng)在

15、50Hz 左右。 系統(tǒng)容量在500MW 以下的， 其頻率偏差不得超過0.5Hz ；對(duì)于大容量系統(tǒng)，系統(tǒng)容量在500MW 以上，頻率應(yīng)在500.2Hz左右波動(dòng)；而電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定主要取決于電力系統(tǒng)內(nèi)有功功率的時(shí)時(shí)平衡 。 發(fā)電機(jī)的頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為 f=60/pn 式中 f-發(fā)電機(jī)頻率 p-發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù) n-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 水輪發(fā)電機(jī)組一旦制造成型， 其磁極對(duì)數(shù) p 是固定不變的 ,從而頻率 f 與機(jī)組轉(zhuǎn)速n 有著一定的比例關(guān)系 ，因此， 要想保持機(jī)組頻率 f 保持穩(wěn)定不變則必須要求保持水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速n維持穩(wěn)定不變， 水電站一般要求水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化不得超過額定轉(zhuǎn)速的 0.1%到 0.4%

16、 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的目的就是保持轉(zhuǎn)速滿足這種要求 。由于電力系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)刻都在發(fā)生變化且電能不能被大量?jī)?chǔ)存，因此必須保證系統(tǒng)輸入能量和輸出能量之間的平衡。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷變化時(shí)，就要求系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)組實(shí)時(shí)地改變出力，以適應(yīng)負(fù)荷的變化。水輪機(jī)調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)，就是隨負(fù)荷的變化而迅速的改變機(jī)組的出力。 除完成以上基本任務(wù)以外，水輪機(jī)調(diào)節(jié)還擔(dān)任機(jī)組的起動(dòng)，停機(jī)，增減負(fù)荷以及對(duì)并入電網(wǎng)的機(jī)組進(jìn)行成組調(diào)節(jié)等職能。1.3水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（設(shè)備）是由水輪機(jī)控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。水輪機(jī)引水和泄水系統(tǒng)，裝有電壓調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)所并入的電網(wǎng)稱為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的被控制系統(tǒng)；用來檢測(cè)被控制參

17、量即轉(zhuǎn)速，功率，水位，流量等。與給定量的偏差，并將其按一定特性轉(zhuǎn)成主接力器行程偏差的一些裝置組合，稱為水輪機(jī)控制系統(tǒng) 。 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ：圖1.1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖水輪機(jī)調(diào)節(jié)就是維持水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定值附近的允許范圍內(nèi)，從而保證在頻率在額定值附近的允許范圍內(nèi)。然而，從實(shí)質(zhì)上講，只有當(dāng)水輪機(jī)調(diào)速器相應(yīng)地調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)開度（調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量Q） 和水輪機(jī)輪葉的角度（調(diào)節(jié)水輪機(jī)效率 nt)才能使機(jī)組在一個(gè)允許的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,隨著負(fù)荷的變化從而相應(yīng)的改變導(dǎo)水機(jī)構(gòu)或噴嘴，槳葉的開度，以使水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速維持在某一額定值或按某一預(yù)定的規(guī)律變化，從而使水輪發(fā)電機(jī)組功率與負(fù)荷功率的平衡。

18、1.4 水輪機(jī)調(diào)速器的發(fā)展歷史與趨勢(shì) 水電站在生產(chǎn)過程中應(yīng)用水輪機(jī)調(diào)速器已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了，早期的水輪機(jī)調(diào)速器是利用測(cè)速元件直接操作水輪機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接作用式調(diào)速器。隨著發(fā)展 19 世紀(jì)末葉出現(xiàn)了用液壓元件進(jìn)行功率放大的液壓調(diào)速器。至 30 年代，已有相當(dāng)完善的機(jī)械液壓型調(diào)速器，到了50年代末60 年代是電液調(diào)速器大規(guī)模發(fā)展的時(shí)期。70年代末大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展迅速。集成電路運(yùn)算放大器應(yīng)用于水輪機(jī)調(diào)速器，于是電液調(diào)速器也就逐漸由分離元件發(fā)展成為集成電路結(jié)構(gòu)。進(jìn)入80年代，由于科技進(jìn)步有關(guān)科研單位和制造部門為了提高調(diào)速器的運(yùn)行可靠性和調(diào)節(jié)品質(zhì)，開始研制微機(jī)調(diào)速器 又稱為數(shù)字式電液調(diào)速器。進(jìn)入9

19、0年代，在新造或更新改造的大型水電站微機(jī)電液調(diào)速器采用已相當(dāng)普遍。并取得良好的控制效果。 從調(diào)速器所具有的控制規(guī)律來看，調(diào)速器的發(fā)展也很迅速。最早的調(diào)速器是個(gè)比例環(huán)節(jié)，即形成比例控制規(guī)律，用符號(hào)P 表示。 后來絕大多數(shù)調(diào)速器都設(shè)計(jì)成具有比例積分的控制規(guī)律，即PI 型調(diào)速器 ，I 表示積分作用。到50 年代末和60 年代初 研制出P - I - D 調(diào)速器 。此處D 表示微分作用 70 年代中期 PID 調(diào)節(jié)器直接用到了水輪機(jī)調(diào)速器上， 出現(xiàn)了 PID 型，也就是比例環(huán)節(jié)P， 積分環(huán)節(jié)I ，微分環(huán)節(jié) D 并聯(lián)的新式調(diào)速器，其積分作用也是靠電氣環(huán)節(jié)產(chǎn)生的，這與以前的P - I - D 調(diào)速器中積分

20、作用靠油壓接力器來產(chǎn)生是一個(gè)明顯的區(qū)別。這種PID型調(diào)速器靜態(tài)質(zhì)量好，動(dòng)態(tài)特性也好。1.5 本文研究任務(wù) 本文在廣泛了解了國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的若干重要技術(shù)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1.使用matlab編程將水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計(jì)算過程編寫成M文件，通過交互式的界面輸入相應(yīng)的參數(shù)從而快速完成調(diào)節(jié)保證計(jì)算任務(wù)并給出相應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間及壓力及轉(zhuǎn)速的上升最大值。2.使用matlab/simulink對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)過程進(jìn)行仿真,建立仿真模型并利用仿真模型對(duì)水輪機(jī)大波動(dòng)過渡過程進(jìn)行仿真。根據(jù)結(jié)果的響應(yīng)曲線說明調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響因素。第二章 MATLAB/SIMULINK2.1Matlab圖 2

21、.1 matlab工作界面2.1.1 matlab簡(jiǎn)介 名為“矩陣實(shí)驗(yàn)室”的MATLAB（MATrix LABoratory)，其早期只是數(shù)值線性代數(shù)軟件包LINPACK和ELSPACK的接口工具，是用FORTRAN語言編寫的。第二代的MATLAB其主要部分是用C語言編寫的，其數(shù)值計(jì)算功能和圖形功能在科學(xué)計(jì)算和工程領(lǐng)域中贏得了廣泛的用戶。80年代中期，Mathworks公司將matlab推向市場(chǎng)。90年代又逐步拓展其數(shù)值計(jì)算，符號(hào)解析運(yùn)算，文字處理，圖形功能等等，并采用面向?qū)ο蟮某?jí)語言作為用戶界面，使matlab成為一個(gè)多領(lǐng)域，多學(xué)科，多功能的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件。Matlab集當(dāng)今人類多學(xué)科的

22、先進(jìn)技術(shù)于一身，成為科學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的強(qiáng)大工具，其包含的內(nèi)容，表現(xiàn)方法，應(yīng)用界面等，從各方面講，都是一個(gè)技術(shù)精深，方法先進(jìn)的軟件產(chǎn)品，是當(dāng)今人類智慧的結(jié)晶。 Matlab是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C+語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C+語言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MA

23、TLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。MATLAB的求解環(huán)境以MATLAB語言作為用戶接口。智能化的超高級(jí)語言MATLAB，其語言簡(jiǎn)潔，運(yùn)算靈活多樣，數(shù)據(jù)描述簡(jiǎn)單方便，I/O功能的實(shí)現(xiàn)直接了當(dāng)?shù)鹊?。具有一系列高度智能化的特點(diǎn)。下面就這些特點(diǎn)做一簡(jiǎn)單介紹。MATLAB極其簡(jiǎn)潔的語言結(jié)構(gòu)支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)控制流的順序，選擇，循環(huán)結(jié)構(gòu)，其條件語句和循環(huán)語句比一般高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言更方便簡(jiǎn)單。MATLAB有超過任一高級(jí)語言系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)。使用MATLAB的各種調(diào)試命令可以自動(dòng)設(shè)置或清除斷點(diǎn)。在函數(shù)多層嵌套調(diào)用中可以穿梭于上下多級(jí)工作空間考察或改變他們的狀態(tài)，了解其相互關(guān)系，進(jìn)

24、行人的智力所不易把握的比較復(fù)雜的探測(cè)。處于調(diào)試狀態(tài)的程序可以逐行運(yùn)行，也可以逐段運(yùn)行。為了協(xié)助用戶設(shè)置斷點(diǎn)，系統(tǒng)還可以提供一個(gè)附加行號(hào)的源程序清單。MATLAB的高度智能化的調(diào)試技術(shù)實(shí)為用戶開發(fā)MATLAB程序的有力工具。2.1.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程計(jì)算機(jī)仿真的一般過程可以表述如下:1) 描述仿真問題，明確仿真的目的。2) 項(xiàng)目計(jì)劃，方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)定義，根據(jù)仿真目的確定相應(yīng)的仿真結(jié)構(gòu)（實(shí)時(shí)仿真還是非實(shí)時(shí)仿真，純數(shù)學(xué)仿真還是辦物力仿真等),規(guī)定相應(yīng)仿真系統(tǒng)的邊界條件與約束條件。3) 數(shù)學(xué)建模：根據(jù)系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極其機(jī)理研究，按照物理原理或者采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法，確定模型的類型，結(jié)構(gòu)及

25、參數(shù)，注意要確保模型的有效性和經(jīng)濟(jì)性。4) 仿真建模：根據(jù)數(shù)學(xué)模型的形式，計(jì)算機(jī)類型，采用高級(jí)語言或其他仿真工具，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序或其他模型，也即獲得系統(tǒng)的仿真模型。5) 試驗(yàn)：設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境/條件和記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。6) 仿真結(jié)果分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和仿真目的對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理（整理及文檔化)。根據(jù)分析結(jié)果修正數(shù)學(xué)模型，仿真模型，和仿真程序或者修改/改變?cè)拖到y(tǒng)，以進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。模型是否能夠正確的表示實(shí)際系統(tǒng)，并不是一次完成的，而是需要比較模型和實(shí)際系統(tǒng)的差異，不斷地修正和被驗(yàn)證完成的。2.2本文所用matlab知識(shí)2.2.1 循環(huán)語句for for i=

26、s1:s3：s2 循環(huán)語句組 end解釋：首先給i賦值s1；然后，判斷i是否介于s1與s2之間；如果是，則執(zhí)行循環(huán)語句組,i=i+s3（否則，退出循環(huán).）；執(zhí)行完畢后，繼續(xù)下一次循環(huán)。例：求1到100的和，可以編程如下： sum=0 for i=1:1:100 sum=sum+i end這個(gè)程序也可以用while語句編程。注：for循環(huán)可以通過break語句結(jié)束整個(gè)for循環(huán).2.2.2 if語句if(條件) 語句endif(條件) 語句else 語句endif(條件) 語句elseif 語句end2.2.3 關(guān)系表達(dá)式=,=,=,=(精確等于)5.邏輯表達(dá)式：|(或),&(且)matlab輸

27、入語句2.2.4 輸入數(shù)值?x=input(please input a number:)please input a number:22x = 222.2.5 輸入字符串?x=input(please input a string:,s)please input a string:this is a stringx = this is a string2.2.6 線性插值已知離散點(diǎn)上的數(shù)據(jù)集，即已知在點(diǎn)集X上對(duì)應(yīng)的函數(shù)值Y，構(gòu)造一個(gè)解析函數(shù)（其圖形為一曲線）通過這些點(diǎn)，并能夠求出這些點(diǎn)之間的值，這一過程稱為一維插值。MATLAB命令：yi=interp1(X, Y, xi, method)該

28、命令用指定的算法找出一個(gè)一元函數(shù)，然后以給出xi處的值。xi可以是一個(gè)標(biāo)量，也可以是一個(gè)向量，是向量時(shí)，必須單調(diào)，method可以下列方法之一：nearest：最近鄰點(diǎn)插值，直接完成計(jì)算；spline：三次樣條函數(shù)插值；linear：線性插值（缺省方式），直接完成計(jì)算；cubic：三次函數(shù)插值；插值法的基本思想:在插值點(diǎn)附近選取幾個(gè)合適的結(jié)點(diǎn)，過這些選取的點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)g(x)，在此小段上用g(x)代替原來函數(shù)f(x)，這樣插值點(diǎn)的函數(shù)值就用g(x)的值來代替。 因此，插值的實(shí)質(zhì)問題是如何構(gòu)造一個(gè)既簡(jiǎn)單又具有足夠精度的函數(shù)g(x).插值函數(shù)為2.2.7 matlab引用excel表格中的數(shù)

29、據(jù)data=xlsread(路徑文件.xls) % 從excel文件中讀數(shù)據(jù)N, T, rawdata = xlsread(file, sheet, range); % sheet 和 range可以省略file是excel文件的地址，sheet是excel文件中指定的工作表, range是工作表中要讀取數(shù)據(jù)的范圍N是數(shù)字型數(shù)據(jù), T是文件型數(shù)據(jù), rawdata是所有數(shù)據(jù)(cell型)% 將數(shù)據(jù)寫入excel文件xlswrite(filename,A,sheet,range)如N, T, rawdata = xlsread(d:tmp.xls, sheet1, a1:b2); xlswrit

30、e(d:tmp.xls, rawdata, sheet2); % 需保證文件tmp.xls未被打開winopen(d:tmp.xls); % 打開excel文件2.2.8 變量及其賦值（1） 標(biāo)識(shí)符是標(biāo)識(shí)變量名、常量名、函數(shù)名和文件名的字符串的總稱。在MATLAB中，變量和常量的標(biāo)志符最長(zhǎng)允許19個(gè)字符；函數(shù)和文件名通常不超過8個(gè)字符（受操作系統(tǒng)文件管理器的限制）。這些字符包括全部的英文字母（區(qū)分大小寫）、阿拉伯?dāng)?shù)字和下劃線等符號(hào)。標(biāo)識(shí)符的第一個(gè)字符必須是英文字母。（2）MATLAB中只有雙精度一種數(shù)據(jù)格式，它把簡(jiǎn)化編程作為主要目標(biāo)，以運(yùn)算速度和內(nèi)存消耗為代價(jià)，省去了多種數(shù)據(jù)格式，唯一采用雙精

31、度格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算。雖然它的數(shù)據(jù)格式只有一種，但是為了人機(jī)交互方便，輸出顯示格式有8種2.2.9.矩陣及其元素的賦值（1） MATLAB中的變量或常量都代表矩陣，標(biāo)量應(yīng)看作11階的矩陣。（2）矩陣的賦值：矩陣的值放在方括號(hào)中；一行中各元素之間以逗號(hào)或者空格分開，不同的行則以分號(hào)隔開；句的結(jié)尾可用回車符或逗號(hào)，此時(shí)會(huì)立即顯示運(yùn)算結(jié)果。如果不希望顯示結(jié)果，就以分號(hào)結(jié)尾。此時(shí)運(yùn)算仍然執(zhí)行，只是不顯示。變量的元素用圓括號(hào)“（）”中的數(shù)字（也稱為下標(biāo)）來注明，一維矩陣（也稱為數(shù)組或向量）中的元素用一個(gè)下標(biāo)表示，二維的矩陣可有兩個(gè)下標(biāo)數(shù)，以逗號(hào)分開。賦值語句一般形式為：變量=表達(dá)式（或數(shù)）例如：輸

32、入語句a=123;456;789則顯示結(jié)果為a = 1 2 3 4 5 6 7 8 92.2.10 M函數(shù)和M文件 Matlab輸入命令的常用方式有兩種：一種是直接在Matlab的命令窗門中逐條輸入Matlab命令；二是m文件工作方式。當(dāng)命令行很簡(jiǎn)單時(shí)，使用逐條輸入方式還是比較方便的。但當(dāng)命令行很多時(shí)(比如說幾十行乃至全成百上千行命令)，顯然再使用這種方式輸入MATLAB命令，就會(huì)顯得雜亂無章，不易于把握程序的具體走向，并且給程序的修改和維護(hù)帶來了很大的麻煩。這時(shí)，建議采用Matlab命令的第二種輸入形式m文件工作方式。m文件工作方式，指的是將要執(zhí)行的命令全部寫在一個(gè)文本文件中，這樣既能使程序

33、顯得簡(jiǎn)潔明了，又便于對(duì)程序的修改與維護(hù)。m文件直接采用Matlab命令編寫，就像在Matlab的命令窗口直接輸入命令一樣，因此調(diào)試起來也十分方便，并且增強(qiáng)了程序的交互性。 m文件與其他文本文件一樣，可以在任何文本編輯器中進(jìn)打編輯、存儲(chǔ)、修改和讀取。利用m文件還可以根據(jù)白己的需要編寫一些函數(shù)，這些函數(shù)也可以橡Matlab提供的函數(shù)一樣進(jìn)行調(diào)用。從某種意義上說，這也是對(duì)MATLAB的二次開發(fā)。m文件有兩種形式：一種是命令方式或稱腳本方式；另一種就是函數(shù)文件形式。兩種形式的文件擴(kuò)展名均是.m。2.3 本章小結(jié)本章主要闡述了matlabsimulink 的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)及在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)際應(yīng)用的重要地位。mat

34、lab作為一門實(shí)用的計(jì)算工具在一定程度上減少了工程人員的計(jì)算任務(wù)，復(fù)雜的計(jì)算過程往往只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的語句就可以實(shí)現(xiàn)，大大提高了工作的效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性；simulink自帶的仿真模塊大大減少了控制人員建模的工作量，只需要簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)拖動(dòng)和操作就可以改變控制環(huán)節(jié)的參數(shù)，使控制人員把更多的精力放在仿真結(jié)果的分析上而不是模型的建立上。不僅如此，simulink的大量應(yīng)用，減少了產(chǎn)品研發(fā)和科學(xué)研究的經(jīng)費(fèi)預(yù)算，縮短了研發(fā)和研究的周期，避免了人力物力財(cái)力的浪費(fèi)。Matlab編程有其特有的語言結(jié)構(gòu)，邏輯，及符號(hào)運(yùn)算法則，本章的最后就這些知識(shí)進(jìn)行了充分的講解，使讀者更容易接受下一章的程序代碼。 第三章 水輪機(jī)調(diào)

35、節(jié)保證計(jì)算3.1水電站的不穩(wěn)定工況3.1.1不穩(wěn)定工況表現(xiàn) 由于負(fù)荷的變化而引起導(dǎo)水葉開度 水輪機(jī)流量、水電站水頭、機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，稱為水電站的不穩(wěn)定工況，其主要表現(xiàn)為 （1） 引起機(jī)組轉(zhuǎn)速的較大變化：丟棄負(fù)荷：剩余能量機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分動(dòng)能機(jī)組轉(zhuǎn)速升高 增加負(fù)荷：與丟棄負(fù)荷相反。（2） 在有壓引水管道中發(fā)生“水擊”現(xiàn)象 管道末端關(guān)閉管道末端流量急劇變化管道中流速和壓力隨之變化“水擊“ 導(dǎo)時(shí)關(guān)閉時(shí)，在壓力管道和蝸殼中將引起壓力上升，尾水管中則造成壓力下降。導(dǎo)葉開啟時(shí)則相反，將在壓力管道和蝸殼內(nèi)引起壓力下降，而在尾水管中則引起壓力上升。(3) 在無壓引水系統(tǒng)(渠道、壓力前池)中產(chǎn)生水位波動(dòng)現(xiàn)象。3.1

36、.2水擊的危害 (1) 壓強(qiáng)升高過大水管強(qiáng)度不夠而破裂；(2) 尾水管中負(fù)壓過大尾水管汽蝕，水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)；(3) 壓強(qiáng)波動(dòng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量下降。3.2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算3.2.1調(diào)節(jié)保證計(jì)算的任務(wù)水擊和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的計(jì)算，一般稱為調(diào)節(jié)保證計(jì)算。(1) 計(jì)算有壓引水系統(tǒng)的最大和最小內(nèi)水壓力。最大內(nèi)水壓力作為設(shè)計(jì)或校核壓力管道、蝸殼和水輪機(jī)強(qiáng)度的依據(jù)；最小內(nèi)水壓力作為壓力管道線路布置，防止壓力管道中生負(fù)壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)；(2) 計(jì)算丟棄負(fù)荷和增加負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速變化率，并檢驗(yàn)其是否在允許的范圍內(nèi)。(3) 選擇調(diào)速器合理的調(diào)節(jié)時(shí)間和調(diào)節(jié)規(guī)律，保證壓力和轉(zhuǎn)速變化不超過規(guī)定的允許值。(

37、4) 研究減小水擊壓強(qiáng)及機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的措施。3.2.2調(diào)節(jié)保證計(jì)算的目的及意義電站的運(yùn)行中，常會(huì)遇到各種事故，機(jī)組突然與系統(tǒng)解列，把負(fù)荷甩掉。在甩負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，水輪機(jī)的流量急劇變化，因此在水輪機(jī)的引水系統(tǒng)中產(chǎn)生水擊，特別是甩（增）全負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的最大壓力上升（最大壓力下降），對(duì)壓力管道系統(tǒng)的強(qiáng)度影響最大。工程實(shí)踐中曾發(fā)生過因甩負(fù)荷致使壓力上升太高，從而導(dǎo)致壓力鋼管爆破的災(zāi)難事故，同時(shí)因?yàn)闄C(jī)組負(fù)荷全部丟失，如果不及時(shí)地采取措施，可導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升過高，也會(huì)影響機(jī)組的強(qiáng)度、壽命，并引起機(jī)組的振動(dòng)。為了避免以上事故的發(fā)生，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該計(jì)算出上述過渡過程中最大轉(zhuǎn)速上升和最大壓力上升值，以保證電站的

38、安全可靠運(yùn)行。在電站初步選定壓力引水系統(tǒng)的布置、尺寸和機(jī)組型號(hào)后，通過調(diào)節(jié)保證計(jì)算，正確合理地選擇導(dǎo)葉關(guān)閉的時(shí)間，使最大壓力上升和最大轉(zhuǎn)速上升都在允許的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)3.3計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)3.3.1 壓力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)（1）機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí)蝸殼允許的最大壓力升高 max，一般發(fā)生在最大水頭下 當(dāng)Hr40時(shí)，max5070%; 當(dāng)Hr=40100時(shí)，max100時(shí)，maxD3) B=a(1,:);else B=a(2,:);endh=B(1)*D1;L=B(2)*D1;B5= B(3)*D1; D4=B(4)*D1;h4= B(5)*D1;h6=B(6)*D1;L1=B(7)*D1;h5=B(8)*D1

39、;%h 尾水管高度D3=1.087*D1;%D1-轉(zhuǎn)輪直徑，D2-轉(zhuǎn)輪出口直徑，D3-錐管進(jìn)口直徑 %計(jì)算尾水管的當(dāng)量長(zhǎng)度LdeL3=L-L1;Lde=L1+h+L3;%h-錐管高度，L1-軸管中心線長(zhǎng)度，L3-擴(kuò)散管長(zhǎng)度%計(jì)算尾水管的當(dāng)量過流面積Adee1=4*h/(pi*D4*D3);%e1為參數(shù)，h/D4為肘管的相對(duì)高度e2=D4/(B5*h5)*L1/D4-0.534*(L1/D4)2+0.426*(L1/D4)3-0.109*(L1/D4)4;%B5-尾水管出口寬度，e2為參數(shù)，K2=(h5-h6)/L1;b1=0.1*B5;%b1支墩高度e3=1/K2/(B5-b1)*log(1+

40、K2*L3/h6);%e3為參數(shù)%計(jì)算尾水管的當(dāng)量過流面積AdeAde=Lde/(e1+e2+e3);%計(jì)算尾水管的平均流速VBQr=input(input a variable 設(shè)計(jì)流量 Qr:);%Qr為設(shè)計(jì)流量VB=Qr/Ade;Bz=Lde*VB 4.2.3 蝸殼的和計(jì)算蝸殼當(dāng)量管的長(zhǎng)度由于該電站采用金屬蝸殼，根據(jù)小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械）分冊(cè)P64表1-10立軸混流式水輪機(jī)的基本數(shù)據(jù)表，近似完全蝸殼，取蝸殼包角根據(jù)水頭查水輪機(jī)原理與運(yùn)行P106圖6-8金屬蝸殼進(jìn)口流速系數(shù)與水頭的關(guān)系曲線取得:則進(jìn)口斷面平均流速 進(jìn)口斷面半徑 據(jù)水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械）分冊(cè)P128表2-

41、16的金屬蝸殼尺寸系列，知，蝶形邊半徑 進(jìn)口斷面中心到水輪機(jī)軸的距離 固定導(dǎo)葉外切圓半徑 蝸殼系數(shù) 蝸殼中心線的長(zhǎng)度 蝸殼當(dāng)量管的長(zhǎng)度 計(jì)算蝸殼當(dāng)量管的面積參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 參數(shù) 蝸殼當(dāng)量管的面積計(jì)算尾水管的平均流速由得因此，4.2.4 蝸殼數(shù)據(jù)計(jì)算代碼%計(jì)算蝸殼的LiVi和Li%計(jì)算蝸殼當(dāng)量管的長(zhǎng)度Lc 蝸殼的平均流速Vc%電站采用金屬蝸殼，根據(jù)小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械） 使其近似完全蝸殼，去蝸殼包角=360%根據(jù)水輪機(jī)原理與運(yùn)行所提供的金屬蝸殼進(jìn)口流速系數(shù)與水頭的關(guān)系曲線（推薦曲線3 編寫如下代碼詳見XXCZ 意在用線性插值的方法輸入Hr便自動(dòng)查的系數(shù)k1input(inpu

42、t a variable 設(shè)計(jì)水頭 Hr:); %Hr為設(shè)計(jì)水頭V0=k1*(Hr0.5); %進(jìn)口斷面平均流速F0=360*Qr/V0; %360是Pj=(F0/pi)0.5; %;進(jìn)口斷面半徑 Da, Db, k, r = GetData( D1, Hr )%由此函數(shù)查的Da和krD=Da/2+k; %蝶形邊半徑wk=xlsread(金屬蝸殼參數(shù).xls,1,A4:J20);hh=xlsread(蝶形邊至導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水平中心線高度.xls);for i=1:17 if D1=wk(i,1) break endendh1=hh(i,1);aj=rD+(Pj2-h12)0.5; % h1-蝶形邊至

43、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水平中心線高度ra=Da/2; %固定導(dǎo)葉外切圓半徑C=2*pi/(aj-(aj2-Pj2)0.5); % 蝸殼系數(shù)Lw=pi*ra+pi2/2*C+2*pi/3*(2*pi*ra/C)0.5); %蝸殼中心線長(zhǎng)度Lc=Lw/2;c=1/C;%c 參數(shù)b=(2*ra/C)0.5; %b 參數(shù)Be1=2/(c3)*(c2*2.51*2.51/2-b*c*2.51-b2*log(b/(c*2.51+b); %參數(shù)Be1 單位m2Be2=-2/(c2)*(c*2.51/(c*2.51+b)+log(b/(b+c*2.51); %參數(shù)Be2 單位m2Awe=4*pi2*Lc/(Be1+ra*B

44、e2); %Awe 蝸殼當(dāng)量管的面積Vc=Qr/Awe; %VC蝸殼的平均流速Lc*Vcfunction k1=XXCZ(Hr)Hr=input(input a variable 設(shè)計(jì)水頭 Hr:);%Hr 設(shè)計(jì)水頭hr=30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200;y=0.998 0.976 0.945 0.905 0.883 0.852 0.838 0.805 0.784 0.763 0.754 0.732 0.723 0.706 0.697 0.687 0.679 0.657;for i=1:18if(h

45、r(i)Hrhr(i+1) k1=(Hr-hr(i+1)/(hr(i)-hr(i+1)*y(i)+(Hr-hr(i)/(hr(i+1)-hr(i)*y(i+1）;breakendendk14.3 水流慣性時(shí)間常數(shù)表4.2計(jì)算成果表 長(zhǎng)度面積流量流速壓力水管蝸殼尾水管4.3.1 程序代碼%水流慣性時(shí)間常數(shù)TwLzVz=Lde*VB+Lc*Vc+Lt*Vt;Tw=LzVz/9.81/Hr; %g=9.814.4 機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)估算按水輪機(jī)調(diào)節(jié)P263的公式估算，取，有計(jì)算4.4.1程序代碼function Ta=GXSJ(P0,Pr,nr)%計(jì)算機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta%P0 發(fā)電機(jī)額定功率%Pr 水輪機(jī)額定出力%nr 額定轉(zhuǎn)速%GD2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪力矩 這里用T表示T=7.5*(60/nr)2*P0/0.9 %水輪機(jī)調(diào)節(jié)公式GD2=(57.5)*(60/nr)2*P0/cos 這里cos取0.9 系數(shù)取7.5Ta=T*nr2/3578/Prfunction Da,