调差单元：用于改变调差系数Kq，以实现合理分配各机组间的无功；
综合放大单元：对所测量的电压差进行综合，计算出实现消除电压差的控制信号Uc，在励磁控制中通常采用了PID调节规律；
移相触发单元：根据综合放大单元PID控制规律输出Uc和同步信号，转变为脉冲相位的变化，并以此脉冲触发可控硅整流桥（即励磁系统的功率输出部分）的可控硅晶闸管，使其导通角α随Uc的变化而改变，从而达到自动调节励磁的目的。 移相触发单元由同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等环节组成；
手动单元：用于手动调节励磁电流，调差单元和综合放大单元均退出工作，此时调节器属于开环运行情况，一般在装臵故障时采用。 5、写出位臵型离散PID控制算法的表达式，并分别说明比例、积分和微分控制在调节过程中的作用。
答：位臵型离散PID控制算法的表达式为
TTkuk?Kp[ek??ei?D(ek?ek?1)]
TIi?0T式中：uk为第k个采样周期的控制信号；ek为第k个采样周期的偏差信号；Kp为比例
增益；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；T为采样周期，若采样周期T足够小，离散系统与连续系统非常接近。
比例控制Kpek的作用是按ek的大小成比例地改变控制信号的强度，使ek趋于减少，比例控制不能消除稳态误差，稳态误差的大小与Kp成正比；
积分控制
Tk?ei的作用为消除稳态偏差； TIi?0TD(ek?ek?1)的作用是按预测的偏差信号变化趋势进行调节，可以减少T超调量，缩短调整时间，改善调节系统的动态品质，提高系统的稳定性。
6、在可控硅励磁中的“同步”是指什么？为什么同步信号取为同步发电机的AC相电压？
答：一个可控硅的导通，除了应在其阳极与阴极间加上正向电压外，还必须同时在控制极上加上正向触发脉冲，否则可控硅将处于截止状态。对三相可控整流桥而言，就是要求每次加在可控硅控制极上的触发脉冲，都应在该相可控硅承受正向电压的一定时刻发出。同时，当控制电压一定时，各相的每个周期送出的触发脉冲，对应于该相阳极电压的时刻都应相同，即控制角α相同。可控硅触发脉冲与主回路之间的这种相位配合关系称为同步。取自主回路的同步信号，就是用于保证主回路与触发电路之间的同步。
在三相全控桥可控硅励磁控制中：共阴极组的整流可控硅整流元件应在其阳极电位为最高的一段区间内，给控制极以触发脉冲才能导通。因此，其三相触发脉冲按+A，+B，+C相的顺序并依次相隔120°发出；共阳极组的整流可控硅整流元件应在其阴极电位为最低的一段区间内，给控制极以触发脉冲才能导通。因此，其三相触发脉冲按-C，-A，-B相的顺序并也依次相隔120°发出。
这样，对于整个三相全控桥来说，当同步信号取为同步发电机的AC相电压时，其六相触发脉冲发出的顺序就成为了+A，-C，+B，-A，+C，-B相，并依次相隔60°发出。
微分控制
7、画出可控硅三相全控桥触发脉冲的时序图。
8、当可控硅励磁调节器对电压进行调节时采用了比例控制规律。在某采样周期k,微机调节器测量到发电机端电压的偏差相对值为?Ug(k)?0.15，比例控制参数Kp?1。 若:控制信号Uc与导通角α余弦关系中的比例因子K=1，计算机的计数频率f?1MHz，同步信号周期T=20ms。
试求出：可控硅导通角α(k)以及对应的脉冲数N(k)。 解：由于采用了比例控制规律，故控制信号为
Uc(k)?Kp?Ug(k)?1?0.15?0.15
由于触发角与控制信号成余弦关系，得
??arccos[KUc(k)]?arccos(1?0.15)?81.373（度）
将晶闸管触发角α折算为计算脉冲个数，得
?81.373N(k)?Tf??0.02?106?4521（个）
360360
第三章 频率和有功功率的自动控制
1、问答题
（1）维持电力系统频率稳定的条件是什么？
答：电力系统的频率稳定与否，取决于系统的有功功率是否平衡： 若系统总的发电功率 = 用户总的耗用功率（包括线路耗损），则系统的频率维持在额定值；
若系统总的发电功率大于（或小于）用户总耗用功率，则系统的频率大于（或小于）额定值；
并网运行发电机组的功率控制，就是维持电力系统功率的平衡，使系统的频率偏差在容许的范围内。
（2）什么是调频机组和调频电站？
答：由于计划外负荷是无规律变化的，因此必须采取必要的技术手段，将电力系统的频率维持在正常水平。这就要求在系统中划出一部分机组甚至几个水电站执行调频任务，是系统的总发电功率随时跟踪用户的总耗用功率，这些机组或电站称为调频机组或调频电站。
（3）什么是电力系统的日负荷曲线和计划外负荷？
答：电力系统的实际负荷是随机变化的，电力调度中心根据统计资料来制定系统日负荷曲线，称之为计划负荷，它反映了电力系统负荷变化规律性的部分；计划负荷与实际负荷的差值为计划外负荷。
（4）什么是一次调频和二次调频？ 答：电力系统的调频分为一次调频和二次调频。一次调频是在电力系统出现频率差时，根据调速器的调差系数来分配机组间的负荷，由调速器完成功率调节；二次调频是在调速器调节的基础上，按负荷优化分配来重新调整各运行机组的负荷。 （5）有调节能力水电站和径流式水电站运行机组间负荷优化分配的准则各是是什么？ 答：有调节能力水电站运行机组间负荷优化分配的准则是，在满足电力系统功率平衡和机组稳定性约束的条件下，使水电站的总发电引用水量最小；
径流式水电站运行机组间负荷优化分配的准则是，在满足水电站流量平衡和机组稳定性约束的条件下，使水电站的总发电量最大。
2、简答题
（1）简要说明有功功率无差调节的原理。
答：让电力系统中一个甚至几个电站的机组作为调频机组（n台），而其余机组按有差特性运行，承担计划负荷。其调节方程为：
主导调频机组：?f?0，P1?Pm 按无差特性运行； 其余调频机组：Pi?CiPm；
n计划外负荷：?P??(1??Ci)Pm
i?2式中：Ci为第i台调频机组计划外负荷分配系数。
（2）简要说明水电机组的有功功率控制的目的和内容。
答：根据功率偏差?P(t)?Pr(t)?P(t)（式中：Pr(t)为t时刻由负荷分配所得到的机组目标功率；P(t)为t时刻机组的实际功率），按某种调节规律来确定控制信号，并通过调速器调整机组的导叶开度，以改变机组的出力，使机组的实际功率跟踪目标功率（?P?0），并使调节过程具有稳定、快速和平稳的控制品质。 （3）简要说明基于李雅普诺夫函数的开关控制原理。 答：已知水电机组功率控制系统的数学模型： .X(t)?AX(t)?Bu(t)
其中，u(t)?(?1,0,?1)为开关型控制变量，且当u(t)?0时机组功率控制系统是稳定的。.设李雅普诺夫函数为：V(X)?XTPX
根据李雅普诺夫函数的定义，式中的P为正定对称矩阵；
.则李雅普诺夫函数的导数为： ???V(X)?XTPX?XTPX
?(XTAT?BTu)PX?XTP(AX?Bu) ?XT(ATP?PA)X?2BTPXu
由于系统是稳定的，则有如下等式成立：
） XT(ATP?PA)X??Q （式中的Q为正定对称矩阵；
为了保证李雅普诺夫函数的导数小于零，取：
u(t)??sgn(BTPX)
上式表明，基于李雅普诺夫函数的开关控制是建立在状态反馈的基础上的，其开关极性的切换取决于开关线BTPX?0。在这种开关控制中，需要适当选择开关线参数P，才能保证有较好的控制性能。
3、写出离散PID调制控制策略的表达式。
答：离散PID调制控制是在等控制周期T内根据ΔP的符号确定控制极性；根据对?P?Pr?P（式中：Pr为机组的目标功率，P为机组的实际功率）的PID运算，确定调制控制脉冲宽度Tu。其控制策略为
??u(k)?????1;?1;0;P(k)?Pr(k)P(k)?Pr(k)Pr(k)?P(k)??
脉冲宽度Tu的计算式为：
Tu?Kp?P?KI??Pdt?Kdd?P dt第四章 辅助设备的自动控制
1、简述水电机组转速测量的目的以及基于双传感器测量的齿盘测速原理。
答：水电机组的转速测量对于水电机组状态检测和控制是十分重要的，其测量精度及其可靠性直接关系到水轮机调节的性能和水电机组运行的安全性。
转速信号器是用于测量反映机组运行状态的一个重要参数—转速n，并能够在机组转速到达所设臵的转速值发出相应的信号，用于对机组进行自动操作和保护。如： ? 当n≥140%nr 时，发出飞逸信号，命令机组事故紧急停机； ? 当n≥115%nr 时，发出过速信号，命令机组事故停机； ? 当n≥80%nr 时，发出信号，命令同期投入；
? 当n≤35%nr 时，发出制动信号，对机组进行刹车。
齿盘测速是一种常用的水电机组测速方法，其原理是在水电机组的转轴上安装环形齿状设备（齿盘），当机组旋转时通过接近式或光电式传感器感应产生反映机组转速的脉冲信号，由计算机测量脉冲个数（或宽度）并计算获取机组转速。
由于存在着齿盘的加工精度很难保证水电机组转速测量的精度要求的困难。为了解决这一困难，通常采用齿盘测速的双传感器策略，即沿齿盘圆周不同位臵设臵两个传感器，在已知两个传感器之间距离y的前提下，测量齿盘中各齿通过两个传感器的时间Tn，并由此计算机组转速n?Ky。这种方法是通过两个传感器来消除齿盘加工精Tn度等引起的测量误差，以满足水电机组控制对测速精度和实时性方面的要求。 2、在水电机组的停机过程控制时常需要测量机组的蠕动（频率小于5Hz）。试问：应采取何种测量方法？为什么？
答：一般采用的齿盘测速原理为频率法和周期法两种。其中：
基于周期法的转速测量的基本原理是：当水电机组的极对数为p时，将外径为d的齿盘加工成N个齿，其标准齿加工间距为D??dTp。当机组旋转时，各齿边沿通过传
感器感应产生其周期依据转速变化的脉冲信号，信号周期将受机组转速和齿距D的影响。当通过计算机记录到第i个齿在第j圈通过传感器测量点的周期T[k]，则此时机组转速为n(k)?D。这种测量方式在机组运行在额定转速附近时有较高的测量精度T(k)和反应速度。但在机组的蠕动时的脉冲信号周期将会很长，且测量到的T[k]数值很大。因此，会带来两个方面的问题：其一会使转速测量的反应速度不能满足要求；其二会给转速计算造成困难。
基于频率法的转速测量的基本原理是：当机组转速变化时，在单位时间内通过传感器测量的脉冲个数也会随之而变化。设：齿盘的齿数为N；在单位时间T内测量通
KM过传感器的脉冲个数为M，则：机组转速n?。
T 其中：K为折算系数；测量周期T则取决于对测量精度要求和测量速度要求的协调，T越大，精度越高，但速度则越慢。这种方法简单、可靠，并且能方便地测量机组的蠕动。
3、简述热电偶传感器的工作原理。
答：热电偶是由两种成分不同的导体A和B连接在一起构成的感温元件。当导体A和B的两个接点存在温差时，回路中将产生感应电势，这种效应称为热电效应。热电势由接触电势和温差电势组成，其中：
接触电势是由于A与B的金属材料不同，使其内部的电子浓度不同，发生自由电子的迁移而产生的电位差。当温度不变时，接触电势为常数；
温差电势是由于金属两端的温度不同而产生的电动势。当T2>T1时，处于较高温度区（T2）的电子能量就大，因此也就会向较低温度的低能量区（T1）运动。当温度差一定时，而产生一定值的电位差，即温差电势。
综上所述，热电偶回路中热电势的大小只与组成热电偶的材料和两端的温度有关，与热电偶的尺寸无关。当构成热电偶的材料确定后，热电势的大小仅与热电偶两端的温度有关。这就是热电偶的热电特性。
在热电偶回路中，A和B两种导体称为热电极。T2端称为热端（或工作端）；T1端成为冷端（或自由端）。当自由端的温度为常数时，则热电势就与工作端的温度T2建立起相互对应的关系。有了这种关系，只要测得两端的电势，就可得被测介质的温度了。这就是热电偶测温的基本原理。
4、采用霍尔元件式压力变送器测量某管道流体的压力。已知： 霍尔电势EH(其中：EH?KH??X)； 弹簧管内径为d，外径为D；
弹簧管自由端位移ΔX与其圆周方向应力?1和轴向应力?2之间为线性关系
?X?KX(?1??2)。
试求被测流体的压力P。
解： ? EH?KH??X?KH?KX(?1??2)
?KH?KX[2PP?]
D2D2()?1()?1dd?KHKXP
D2()?1dDEH[()2?1]d ? 被测流体的压力 P?KHKX即被测流体的压力P与霍尔电势EH成正比。
5、简述差压变压器式位移传感器的工作原理。
答：差压变压器式位移传感器是一种利用互感原理制成的位移传感器，即是一种利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的装臵，主要由线圈和铁芯构成。差压变压器有三个绕组（原边N0，副边N1，N2）。当铁芯P在线圈内左右移动时，由于磁通的变化，从而改变了原边、副边线圈之间的互感量，原边线圈受到激磁后，副边线圈所产生的感应电动势也随铁芯的位臵的不同而相应改变，有一一对应关系。 设： 原边受到激磁电压Ui（交流1—3KHZ等幅）的作用；
两个完全相同的副边线圈N1和N2（N1=N2）感应出电压U1，U2； 则：差动接线的传感器输出电压 U0=U2-U1