本發(fā)明屬于調(diào)速器控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于計算機控制的水輪機自動調(diào)速器控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，在化石能源不可再生且使用過程極易造成環(huán)境污染的背景下，世界各國都把發(fā)展可再生能源當做振興經(jīng)濟的重要措施，中國也是如此，水電就是各國優(yōu)先開發(fā)的可再生能源。而我國水電資源蘊藏量位居世界第一，主要富集于大江大河，需要用大型的水輪機組才能有效的開發(fā)。水輪機組發(fā)電最重要的環(huán)節(jié)就是自動調(diào)速器部分，因水輪發(fā)電機組輸出的電量要隨用電量的不斷變化作不斷調(diào)整，使其等于外界用電量，這便要求水輪機組的自動調(diào)速器能夠做到精確的控制。

現(xiàn)今的水輪機組自動調(diào)速器的控制系統(tǒng)智能化程度不高，且只能調(diào)整，在出現(xiàn)故障時無法及時確定故障點，控制系統(tǒng)中的電子設(shè)備極易受到電磁干擾，對于水輪機組的精確運轉(zhuǎn)是一大隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種計算機遠程控制的，智能化程度高，有效排除電磁干擾的，達到精確控制的一種基于計算機控制的水輪機自動調(diào)速器控制系統(tǒng)。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于計算機控制的水輪機自動調(diào)速器控制系統(tǒng)，包括計算機，所述計算機通過數(shù)據(jù)線與單片機控制器連接；所述計算機通過GPRS網(wǎng)絡與無線射頻收發(fā)模塊連接；所述單片機控制器的輸入端分別與功率變送器模塊、外部電網(wǎng)頻率監(jiān)測模塊、濾波模塊和電源模塊的輸出端電性連接；所述單片機控制器的輸出端分別與信號接地模塊、信號放大模塊、位置監(jiān)測模塊和液位監(jiān)測模塊的輸入端電性連接；所述單片機控制器分別與無線射頻收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和動態(tài)模擬模塊電性連接；所述信號放大模塊的輸出端與電液伺服閥的輸入端電性連接；所述位置監(jiān)測模塊的輸出端分別與第一位置傳感器、第二位置傳感器和第三位置傳感器的輸入端電性連接；所述液位監(jiān)測模塊的輸出端分別與第一液位傳感器、第二液位傳感器和第三液位傳感器的輸入端電性連接；

所述第一位置傳感器設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的主配壓閥上；

所述第二位置傳感器設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的接力器上；

所述第三位置傳感器設(shè)置在水輪機的導水機構(gòu)上；

所述第一液位傳感器設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的油壓裝置內(nèi)；

所述第二液位傳感器設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的回油箱內(nèi)；

所述第三液位傳感器設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的壓力罐內(nèi)。

進一步，所述單片機控制器設(shè)置有信號非線性變換模塊，所述信號非線性變換模塊對接收信號s(t)進行非線性變換，按如下公式進行：

其中A表示信號的幅度，a(m)表示信號的碼元符號，p(t)表示成形函數(shù)，f_c表示信號的載波頻率，表示信號的相位，通過該非線性變換后得到：

進一步，所述信號放大模塊設(shè)置有

第一步，將Reived_V1或Reived_V2中的射頻或中頻采樣信號進行N_FFT點數(shù)的FFT運算，然后求模運算，將其中的前N_FFT/2個點存入VectorF中，VectorF中保存了信號x2的幅度譜；

第二步，將分析帶寬Bs分為N塊相等的Block，N＝3，4，.....，每一個Block要進行運算的帶寬為Bs/N，設(shè)要分析帶寬Bs的最低頻率為FL，這里FL＝0，則塊nBlock，n＝1...N，所對應的頻率區(qū)間范圍分別是[FL+(n-1)Bs/N，F(xiàn)L+(n)Bs/N]，將VectorF中對應的頻段的頻率點分配給每個block，其中nBlock分得的VectorF點范圍是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的頻率點的個數(shù)，而表示的是起始點，fs是信號采樣頻率，round(*)表示四舍五入運算；

第三步，對每個Block求其頻譜的能量Σ|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，對向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新標志位flag，flag＝0，表示前一次檢測結(jié)果為無信號，此種條件下，只有當σ_sum＞K2時判定為當前檢測到信號，flag變?yōu)?；當flag＝1，表示前一次檢測結(jié)果為有信號，此種條件下，只有當σ_sum＜K1時判定為當前未檢測到信號，flag變?yōu)?，K1和K2為門限值，由理論仿真配合經(jīng)驗值給出，K2＞K1；

第七步，根據(jù)標志位控制后續(xù)解調(diào)線程等是否開啟：flag＝1，開啟后續(xù)解調(diào)線程等，否則關(guān)閉后續(xù)解調(diào)線程。

進一步，所述計算機設(shè)置有睡眠調(diào)度和覆蓋補償覆蓋保持模塊，所述睡眠調(diào)度和覆蓋補償覆蓋保持模塊的睡眠調(diào)度和覆蓋補償?shù)母采w保持方法包括：

步驟一，確定鄰居節(jié)點數(shù)：節(jié)點廣播HELLO消息給周圍節(jié)點，節(jié)點記錄接受到的不同的HELLO消息的數(shù)目從而得到本身的鄰居節(jié)點數(shù)N；

步驟二，估計節(jié)點冗余度：利用鄰居節(jié)點數(shù)N得到節(jié)點冗余度的期望值為：

當E(η_N)≥α時認為是絕對冗余節(jié)點，當1-α＜E(η_N)＜α時為相對冗余節(jié)點，0≤E(η_N)≤1-α時為非冗余節(jié)點，其中，α為預先設(shè)定的閾值；

步驟三，估計節(jié)點經(jīng)過信息交換階段之后的剩余能量：發(fā)送機每傳1bit信息消耗能量：E_elec-te，接收機每接收1bit信息消耗能量：

E_elec-re，且有E_elec-te＝E_elec-re；每傳輸1bit信息通過單位距離發(fā)送端放大器需消耗的能量：E_amp，發(fā)送端發(fā)送kbits信息到距離d的接收端需消耗的能量為E_elec-te*k+E_amp*k*d²，接收端接收kbits信息消耗能量為：E_elec-re^*k；具有m個鄰居節(jié)點的節(jié)點需要在信息交換過程中消耗的能量為：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m+(E_elec-re*k)*m；

在信息交換過程之后具有m個鄰居節(jié)點的剩余能量為：

E_est1＝E1-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m-(E_elec-re*k)*m，其中，E1為信息交換前的節(jié)點的實時能量；

步驟四，發(fā)現(xiàn)潛在的死亡節(jié)點：如果節(jié)點能量滿足：則為潛在的死亡節(jié)點，其中，為一個時間段內(nèi)消耗的平均能量；

步驟五，節(jié)點信息交換：每個節(jié)點將包含本身的冗余度信息和是否為潛在的死亡節(jié)點的信息廣播給所有的鄰居節(jié)點；

步驟六，非潛在死亡節(jié)點估計是否可以移動到潛在的死亡節(jié)點的位置；

估計信息交換消耗的能量：所有可移動節(jié)點移動前要進行信息交換，此過程消耗能量為：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L+(E_elec-re*k)*L，L為進行信息交換的節(jié)點的數(shù)目，k為信息的bit，d為信息傳送的距離；

若節(jié)點移動，估計節(jié)點在移動后的剩余能量：

E_est2＝E2-(E_elec-_te*k+E_amp*k*d²)*L-(E_elec-re*k)*L-E_move*h，其中，h為移動到目標位置的距離，E2為移動前的節(jié)點的實時能量；

判斷節(jié)點是否具有移動的能量：要求移動節(jié)點到底新位置后至少工作x個時間段，若節(jié)點能量滿足：則此節(jié)點具有移動到目標位置的能量，否則，不具有此能力，其中，x為預先設(shè)定的閾值；

步驟七，決定移動節(jié)點：

根據(jù)如下規(guī)則在所有可移動的節(jié)點中選擇最佳節(jié)點：

若在可移動節(jié)點中存在絕對冗余節(jié)點，根據(jù)目標距離判斷，移動目標距離最小的絕對冗余節(jié)點；若存在多個絕對冗余節(jié)點的目標距離相等且均為最小，則再根據(jù)剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節(jié)點；

若在可移動節(jié)點中只有相對冗余節(jié)點，則根據(jù)相對冗余節(jié)點的移動距離進行選擇，相對冗余節(jié)點移動的距離為相對冗余節(jié)點的最大可移動距離，最大可移動距離是指在不影響覆蓋區(qū)域的條件下節(jié)點可移動的最大距離，根據(jù)最大可移動距離確定相對冗余節(jié)點移動的目標位置；比較相對冗余節(jié)點的最大可移動距離，移動最大可移動距離最小的相對冗余節(jié)點，若存在多個相對冗余節(jié)點的最大可移動距離相等且均為最小，則再根據(jù)剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節(jié)點，

步驟八，對剩余絕對冗余節(jié)點采用睡眠調(diào)度機制：在節(jié)點移動到目標位置后，將絕對冗余節(jié)點狀態(tài)改變?yōu)樗摺?/p>

本發(fā)明提供的基于計算機控制的水輪機自動調(diào)速器控制系統(tǒng)，通過計算機實現(xiàn)對水輪機自動調(diào)速器的遠程控制，操作便捷，計算機只需通過數(shù)據(jù)線或GPRS網(wǎng)絡便可與單片機控制器建立連接，單片機控制器可實時的接收來自各監(jiān)測裝置的監(jiān)測信號，對照數(shù)據(jù)庫模塊判斷水輪機自動調(diào)速器的運轉(zhuǎn)情況，并反饋給計算機，外部電網(wǎng)頻率監(jiān)測模塊可獲取外部電網(wǎng)用電量的實時動態(tài)，并反饋給單片機控制器，濾波模塊可對控制系統(tǒng)內(nèi)電流輸送過程中產(chǎn)生的電磁波進行過濾，信號接地模塊可對來自外部的電磁波過濾導出，起到了電磁屏蔽的作用，為水輪機自動調(diào)速器提供了精確的運轉(zhuǎn)環(huán)境。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于計算機控制的水輪機自動調(diào)速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、計算機；2、數(shù)據(jù)線；3、單片機控制器；4、GPRS網(wǎng)絡；5、無線射頻收發(fā)模塊；6、功率變送器模塊；7、外部電網(wǎng)頻率監(jiān)測模塊；8、濾波模塊；9、電源模塊；10、信號接地模塊；11、信號放大模塊；12、位置監(jiān)測模塊；13、液位監(jiān)測模塊；14、數(shù)據(jù)存儲模塊；15、數(shù)據(jù)庫模塊；16、動態(tài)模擬模塊；17、電液伺服閥；18、第一位置傳感器；19、第二位置傳感器；20、第三位置傳感器；21、第一液位傳感器；22、第二液位傳感器；23、第三液位傳感器。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合圖1對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作詳細的描述。

本發(fā)明實施例提供的基于計算機控制的水輪機自動調(diào)速器控制系統(tǒng)包括計算機1，所述計算機1通過數(shù)據(jù)線2與單片機控制器3連接；所述計算機1通過GPRS網(wǎng)絡4與無線射頻收發(fā)模塊5連接；所述單片機控制器3的輸入端分別與功率變送器模塊6、外部電網(wǎng)頻率監(jiān)測模塊7、濾波模塊8和電源模塊9的輸出端電性連接；所述單片機控制器3的輸出端分別與信號接地模塊10、信號放大模塊11、位置監(jiān)測模塊12和液位監(jiān)測模塊13的輸入端電性連接；所述單片機控制器3分別與無線射頻收發(fā)模塊5、數(shù)據(jù)存儲模塊14、數(shù)據(jù)庫模塊15和動態(tài)模擬模塊16電性連接；所述信號放大模塊11的輸出端與電液伺服閥17的輸入端電性連接；所述位置監(jiān)測模塊12的輸出端分別與第一位置傳感器18、第二位置傳感器19和第三位置傳感器20的輸入端電性連接；所述液位監(jiān)測模塊13的輸出端分別與第一液位傳感器21、第二液位傳感器22和第三液位傳感器23的輸入端電性連接。

進一步，所述第一位置傳感器18設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的主配壓閥上。

進一步，所述第二位置傳感器19設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的接力器上。

進一步，所述第三位置傳感器20設(shè)置在水輪機的導水機構(gòu)上。

進一步，所述第一液位傳感器21設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的油壓裝置內(nèi)。

進一步，所述第二液位傳感器22設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的回油箱內(nèi)。

進一步，所述第三液位傳感器23設(shè)置在水輪機自動調(diào)速器的壓力罐內(nèi)。

進一步，所述單片機控制器設(shè)置有信號非線性變換模塊，所述信號非線性變換模塊對接收信號s(t)進行非線性變換，按如下公式進行：

其中A表示信號的幅度，a(m)表示信號的碼元符號，p(t)表示成形函數(shù)，f_c表示信號的載波頻率，表示信號的相位，通過該非線性變換后得到：

進一步，所述信號放大模塊設(shè)置有

第一步，將Reived_V1或Reived_V2中的射頻或中頻采樣信號進行N_FFT點數(shù)的FFT運算，然后求模運算，將其中的前N_FFT/2個點存入VectorF中，VectorF中保存了信號x2的幅度譜；

第二步，將分析帶寬Bs分為N塊相等的Block，N＝3，4，.....，每一個Block要進行運算的帶寬為Bs/N，設(shè)要分析帶寬Bs的最低頻率為FL，這里FL＝0，則塊nBlock，n＝1...N，所對應的頻率區(qū)間范圍分別是[FL+(n-1)Bs/N，F(xiàn)L+(n)Bs/N]，將VectorF中對應的頻段的頻率點分配給每個block，其中nBlock分得的VectorF點范圍是[S_n，S_n+k_n]，其中表示每段分得的頻率點的個數(shù)，而表示的是起始點，fs是信號采樣頻率，round(*)表示四舍五入運算；

第三步，對每個Block求其頻譜的能量∑|·|²，得到E(n)，n＝1...N；

第四步，對向量E求平均值

第五步，求得向量E的方差和

第六步，更新標志位flag，flag＝0，表示前一次檢測結(jié)果為無信號，此種條件下，只有當σ_sum>K2時判定為當前檢測到信號，flag變?yōu)?；當flag＝1，表示前一次檢測結(jié)果為有信號，此種條件下，只有當σ_sum<K1時判定為當前未檢測到信號，flag變?yōu)?，K1和K2為門限值，由理論仿真配合經(jīng)驗值給出，K2>K1；

第七步，根據(jù)標志位控制后續(xù)解調(diào)線程等是否開啟：flag＝1，開啟后續(xù)解調(diào)線程等，否則關(guān)閉后續(xù)解調(diào)線程。

進一步，所述計算機設(shè)置有睡眠調(diào)度和覆蓋補償覆蓋保持模塊，所述睡眠調(diào)度和覆蓋補償覆蓋保持模塊的睡眠調(diào)度和覆蓋補償?shù)母采w保持方法包括：

步驟一，確定鄰居節(jié)點數(shù)：節(jié)點廣播HELLO消息給周圍節(jié)點，節(jié)點記錄接受到的不同的HELLO消息的數(shù)目從而得到本身的鄰居節(jié)點數(shù)N；

步驟二，估計節(jié)點冗余度：利用鄰居節(jié)點數(shù)N得到節(jié)點冗余度的期望值為：

當E(η_N)≥α時認為是絕對冗余節(jié)點，當1-α＜E(η_N)＜α時為相對冗余節(jié)點，0≤E(η_N)≤1-α時為非冗余節(jié)點，其中，α為預先設(shè)定的閾值；

步驟三，估計節(jié)點經(jīng)過信息交換階段之后的剩余能量：發(fā)送機每傳1bit信息消耗能量：E_elec-te，接收機每接收1bit信息消耗能量：E_elec-re，且有E_elec-te＝E_elec-re；每傳輸1bit信息通過單位距離發(fā)送端放大器需消耗的能量：E_amp，發(fā)送端發(fā)送kbits信息到距離d的接收端需消耗的能量為E_elec-te*k+E_amp*k*d²，接收端接收k bits信息消耗能量為：E_elec-re*k；具有m個鄰居節(jié)點的節(jié)點需要在信息交換過程中消耗的能量為：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m+(E_elec-re*k)*m；

在信息交換過程之后具有m個鄰居節(jié)點的剩余能量為：

E_est1＝E1-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*m-(E_elec-re*k)*m，其中，E1為信息交換前的節(jié)點的實時能量；

步驟四，發(fā)現(xiàn)潛在的死亡節(jié)點：如果節(jié)點能量滿足：則為潛在的死亡節(jié)點，其中，為一個時間段內(nèi)消耗的平均能量；

步驟五，節(jié)點信息交換：每個節(jié)點將包含本身的冗余度信息和是否為潛在的死亡節(jié)點的信息廣播給所有的鄰居節(jié)點；

步驟六，非潛在死亡節(jié)點估計是否可以移動到潛在的死亡節(jié)點的位置；

估計信息交換消耗的能量：所有可移動節(jié)點移動前要進行信息交換，此過程消耗能量為：

(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L+(E_elec-re*k)*L，L為進行信息交換的節(jié)點的數(shù)目，k為信息的bit，d為信息傳送的距離；

若節(jié)點移動，估計節(jié)點在移動后的剩余能量：

E_est2＝E2-(E_elec-te*k+E_amp*k*d²)*L-(E_elec-re*k)*L-E_move*h，其中，h為移動到目標位置的距離，E2為移動前的節(jié)點的實時能量；

判斷節(jié)點是否具有移動的能量：要求移動節(jié)點到底新位置后至少工作x個時間段，若節(jié)點能量滿足：則此節(jié)點具有移動到目標位置的能量，否則，不具有此能力，其中，x為預先設(shè)定的閾值；

步驟七，決定移動節(jié)點：

根據(jù)如下規(guī)則在所有可移動的節(jié)點中選擇最佳節(jié)點：

若在可移動節(jié)點中存在絕對冗余節(jié)點，根據(jù)目標距離判斷，移動目標距離最小的絕對冗余節(jié)點；若存在多個絕對冗余節(jié)點的目標距離相等且均為最小，則再根據(jù)剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節(jié)點；

若在可移動節(jié)點中只有相對冗余節(jié)點，則根據(jù)相對冗余節(jié)點的移動距離進行選擇，相對冗余節(jié)點移動的距離為相對冗余節(jié)點的最大可移動距離，最大可移動距離是指在不影響覆蓋區(qū)域的條件下節(jié)點可移動的最大距離，根據(jù)最大可移動距離確定相對冗余節(jié)點移動的目標位置；比較相對冗余節(jié)點的最大可移動距離，移動最大可移動距離最小的相對冗余節(jié)點，若存在多個相對冗余節(jié)點的最大可移動距離相等且均為最小，則再根據(jù)剩余能量E_est2的大小判斷，選擇剩余能量最大的節(jié)點，

步驟八，對剩余絕對冗余節(jié)點采用睡眠調(diào)度機制：在節(jié)點移動到目標位置后，將絕對冗余節(jié)點狀態(tài)改變?yōu)樗摺?/p>

工作原理：該基于計算機控制的水輪機自動調(diào)速器控制系統(tǒng)，計算機通過數(shù)據(jù)線或GPRS網(wǎng)絡直接控制單片機控制器，單片機控制器可實時接收分別來自各監(jiān)測裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并反饋給計算機，動態(tài)模擬模塊可根據(jù)各監(jiān)測數(shù)據(jù)對水輪機自動調(diào)速器的運轉(zhuǎn)情況進行動態(tài)模擬，并反饋給計算機，濾波模塊和信號接地模塊可對整個控制系統(tǒng)進行電磁波過濾和導出，提供了良好的控制環(huán)境，外部電網(wǎng)頻率監(jiān)測模塊可監(jiān)測外部電網(wǎng)用電量的變化，并反饋給單片機控制器，單片機控制器結(jié)合數(shù)據(jù)庫模塊對信號放大模塊下達相應的指令，通過電液伺服閥可及時地調(diào)整水輪機自動調(diào)速器的運轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)智能化程度較高，只需通過計算機便可對水輪機自動調(diào)速器直接控制以及實時監(jiān)測。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。