1、本科毕业设计（论文）基于 PLC 的发电机励磁调节实验装置研究-仿真分析学 院 自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 （电力系统自动化方向) 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 年 月摘要发电机励磁控制系统是电力系统的重要组成部分，在电力系统正常运行情况下，发电机的励磁控制能够起到减小电压波动、平衡无功功率分配的作用。当系统发生故障时，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降，此时要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。由此可见，励磁控制对整个电力系统的运行具有决定性的意义。本文把模糊控制和传统的 PID 控制相结合，综合应用于发电机的非线性控制设计中，提出了一种新的励
2、磁控制方案。本文首先研究分析了同步发电机及其励磁控制系统的模型，根据研究需要修改了同步电机的仿真模型，详细地介绍了励磁系统的检测单元、控制单元和励磁系统主回路模型。接着在分析和总结传统 PID 控制方式的利与弊的基础上，结合模糊算法，设计出模糊 PID 控制器。在 Matlab/Simulink 仿真平台上，模拟负荷突变情况，调试合适的 PID 参数，对输出的机端电压进行分析并得出相关结论。证明了模糊 PID 励磁控制方式具有优良的动态响应和静态效果，并且具有较强的鲁棒性和自适应能力，在系统扰动的情况下能较好的维持发电机的机端电压。关键词：PID，模糊控制，励磁系统，Matlab/Simuli
3、nk 仿真，电力系统AbstractGenerator excitation control system is an important part of the power system. When the power system is stable, the generator excitation control can play to reduce the voltage fluctuations, balance reactive power assigned. When the system fails, generator terminal voltage reduction
4、will lead to reduction in the level of power system stability. This requires the generator excitation current increases rapidly in order to maintain the voltage level of the grid and stability. Thus, excitation controller is decisive significance for the entire power system. A new kinds of excitatio
5、n control scheme in which the fuzzy control and PID control is integrated to the design of the generator non-linear control is proposed in this dissertation.Firstly, this thesis studies the model of the synchronous generator and its excitation control system, modifies simulation model of the synchro
6、nous generator as needed, and introduces the detecting unit, control unit and main circuit model of excitation system in detail. Secondly, on the basis of analyzing and summarizing both advantages and disadvantages of traditional PID excitation controller, combined with fuzzy algorithm, fuzzy PID co
7、ntroller is designed. In the Matlab / Simulink simulation platform, terminal voltage of the output analysis and draw relevant conclusions by analog load mutation and commissioning suitable PID parameters. Its proved fuzzy PID excitation control mode has excellent dynamic response and static effects.
8、 It also has strong robustness and adaptive capacity. In the case of system disturbances it can better maintain the generator terminal voltage.Key words: PID, Fuzzy control, Excitation system, Matlab/Simulink simulation, Power system目 录1 绪论 .11.1 题目的背景和意义 .11.2 发电机励磁方式的发展历史 .11.3 主要研究内容 .42 发电机及其励磁控
9、制系统 52.1 发电机励磁系统 52.1.1 发电机励磁系统概述 52.1.2 励磁系统的控制逻辑 62.1.3 励磁控制系统的任务及作用 .72.1.4 励磁系统的分类 .72.2 同步发电机 72.2.1 理想同步发电机 .72.2.2 同步发电机的基本方程 .82.2.3 Matlab 中同步发电机模型 102.3 电压测量单元 .122.3.1 采样环节 122.3.2 滤波环节 132.4 励磁系统主回路模型 .143 励磁控制模块的设计 .153.1 PID 控制理论 153.2 普通 PID 控制器的设计 173.3 模糊控制理论 183.3.1Mamdani 型模糊控制器的基
10、本组成 .183.3.2 模糊化和清晰化 .203.3.3 模糊控制规则 .203.3.4 设计模糊控制器的主要步骤 .213.4 模糊 PID 控制器的设计 213.4.1 模糊 PID 控制器基本结构 .213.4.2 模糊控制规则的确定 .223.4.3 模糊控制模块的 Matlab 实现 .244 Matlab/Simulink 系统模型的建立及仿真 .274.1 仿真平台 Matlab/Simulink 简介 .274.2 控制器对某一闭环回路的单位阶跃响应 284.3 系统仿真模型 304.4 各模块的选择和设置 304.4.1 发电机模块 .304.4.2 负荷与断路器模块 .3
11、24.4.3 电压测量模块与函数转换模块 .344.4.4 滤波环节 .354.4.5 模糊 PID 控制模块 364.4.6 同步六脉冲发生器模块 .394.4.7 晶闸管整流电路 .404.4.8. limit 模块 .414.5 仿真算法的确定 414.5 仿真结果分析 44结 论 .49参考文献 .50致 谢 .5211 绪论1.1 题目的背景和意义随着电力工业的迅速发展，现代电力系统的规模越来越大，保证系统运行的可靠性和稳定性，提供优质的电能对国民经济和人民的生活水平的提高有着极为重要的作用和意义。为了提高系统运行的安全可靠性，必须配备足够的有功和无功电源，发电机作为电力系统中唯一的
12、能够发出有功功率的装置，其地位显得尤为重要。在电力系统正常运行情况下，发电机的励磁控制能够起到减小电压波动、平衡无功功率分配的作用。电力系统失去稳定时，发电机不能正常发电，用户不能正常用电，并引起系统运行参数的巨大变化，往往会造成大面积停电事故，给国民经济带来重大损失，所以提高电力系统运行的稳定性一直是人们关注的热点。发电机组的励磁控制因具有既可节约投资，又能在正常运行中减少电压和频率波动，改善动态品质和提高系统抗干扰能力等特点，而一直被看作是提高和改善电力系统稳定性的主要措施之一。它的优化和发展对发电机乃至整个电力系统的运行具有决定性的意义。而 PLC 自身拥有的特点决定了用它来控制励磁是简
13、便而高效的：（1） 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID 回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，实现生产过程的综合自动化。（2） 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。（3） 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。因此本课题的研究是具有理论意义和实用价值的。1.2 发电机励磁方式的发展历史发电机励磁方式随着控制理论的发展而在不断的改进当中，其主要经过一下几个2阶段1、古典励磁方式这种励磁方式以古典控制
14、理论为基础，首先从单机系统的分析和研究开始，提出了按机端电压偏差调节的比例调节方式。由于比例调节方式是以电压调节为主的单一调节方式，不能很好的满足系统稳定以及稳态调压精度等多方面的要求，于是人们发展出了按电压偏差调节的 P(比例)、I(积分) 、D( 微分)调节方式。这种电压调节的方式基本功能是调节电压和分配无功功率，它在一定程度上提高了系统的静态和暂态稳定性，但是仍然无法有效地解决其在调节精度和稳定性之间的矛盾。电力系统采用快速励磁方式之后，系统出现阻尼特性恶化、低频震荡等现象，对于这些现象，比例调节和 PID 调节没有良好的控制效果，为了解决这一问题，Demelfo 采用了古典励磁控制技术
15、的相位补偿技术，提出了发电机的励磁附加控制技术：电力系统稳定器。这种励磁控制技术除了保留 PID 调节外还增加了一个发电机转速偏差、功率偏差或频率偏差作为输入信号的二阶超前校正环节，其作用是增加对电力系统机电震荡的阻尼，以增强电力系统的动态稳定性。PSS 在单机一无穷大系统中的应用己取得了良好的效果，能有效的抑制系统的震荡，提高系统的稳定性，因此在国内外都获得了广泛的应用。但是，PSS 在多机系统中还存在一些问题尚未解决。2. 线性多变量励磁控制方式随着现代控制理论和智能控制理论的发展，运用现代控制理论进行电力系统运行性能的最优化控制的研究工作有了迅速的发展。1970 年初，一些学者提出了基于
16、线性最优控制理论的线性最优励磁控制（LOEC） 。该控制器以发电机状态量为输入 ，eP， ，以发电机励磁绕组电压， 为输出，能够在设计运行点保证系统的最优tVfV运行。该控制方式不仅提高了远距离输电系统对振荡的抑制能力和微动态稳定极限，而且对系统的暂态稳定极限特别是对永久性故障下的暂态稳定极限也有所提高。自二十世纪八十年代以来，我国自行研制的线性最优励磁控制器已分别在碧口水电厂100MW 机组、刘家峡水电厂 225WM 机组以及白山水电厂 300MW 机组的大型发电机上投入了运行。但是，电力系统是一个统一的、元件间相互耦合的大系统，而 LOEC 设计是采用3了局部线性化的方法，因而其鲁棒性和适
17、应性差，当系统运行方式偏离设计点时，系统的动态特性和稳定性都会降低。3. 非线性多变量励磁控制以上所述两个阶段中的励磁控制方式，无论是 PID，PSS 或是 LOEC，都存在一个共同的问题，那就是励磁控制器设计所依据的是在电力系统某一特定状态(潮流)下近似线性化的数学模型。很明显，当系统实际的运行状态对于所选的平衡状态有较大偏差时，用这种方法所得的线性状态方程就会呈现较大的不准确性，实际运行点与设计中所选的平衡点之间的偏差越大，这种误差也就越大，其必然结果是，按这种近似线性化方法得出的数学模型设计的控制器，在系统运行状态远离设计中采用的平衡状态时，难以发挥应有的作用，在某些情下，甚至会起相反的
18、作用。其根本原因在于电力系统机电暂态过程中的稳定控制是一个典型的非线性控制问题。要真实地反映系统的运行工况，充分发挥励磁控制在暂态过程中的作用，励磁控制方式则必须以电力系统非线性控制模型为基础，使得控制问题更加真实地贴近工程实际。近年来，非线性控制系统研究方法的逐步建立，促使非线性励磁控制的研究方兴未艾，研究较多的包括几种：反馈线性化法，李雅普诺夫(Lyapllllov)函数法、鲁棒控制和鲁棒控制。4. 智能控制方式自适应控制在电力系统中的应用研究开始于 20 世纪 80 年代初，其目标是使控制系统自动跟踪被控系统在运行过程中发生的结构、参数等的动态变化，不断修正控制器参数或者调节控制策略以达
19、到最佳控制。由于自适应控制方法自身具有的特点，多年来人们一直重视其在电力系统中的应用研究。在电力系统励磁控制中，可以解决 PSS，LOEC 等方法存在的实际运行点离设计运行点偏移较大时控制效果变差的问题。目前，关于这种励磁控制方式的研究已了一批有意义的成果，大量研究表明自适应励磁控制方式的控制效果优于其它参数固定的励磁控制方式。自适应励磁控制方式存在的不足之处在于:需要在线辨识系统的参数变化，并用估计参数代替真实的参数，算法复杂，计算量过大。由于电力系统的电磁暂态过程变化很快，要求运算速度快，而自适应励磁控制方式的计算量过大导致的运算速度缓4慢使其在快速时变电力系统中的实际应用还存在一定的困难
20、。5. 智能励磁控制智能励磁控制方式包括了：人工神经网络控制、模糊控制、专家控制、以及基于遗传算法的控制等。他们的基本特点是不依赖于对象系统的精确数学模型，而是基于某种智能概模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力和优点。其中，智能技术既可以作为一种上层策略以实现在线或离线调整或优化原有非智能控制器的参数和/或结构，也可以作为一种底层控制规律来取代原有励磁控制的某一环节，实现特定的控制算法或映射关系。尽管这些智能励磁控制方式具有种种优点，但是目前智能型励磁控制方法大多尚停留在仿真计算阶段，少数应用实例也仅是一些简单的实验性尝试，欲
21、推广其应用，还有大量的理论和实际工作要做。拿模糊逻辑励磁控制来说，多变量模糊建模问题，模糊控制器的稳定性问题，以及实际应用中的软硬件环境和操作规范等，都有待于深入和细致的研究。6. 综合的励磁控制方式前面所提到的各种励磁控制方式都有各自的优点和不足，每种控制方式在解决某一方面的问题时有着良好的效果，但是往往在设计或控制过程中都有难以解决的问题。因此，如果将这些控制方法结合起来，最大限度的发挥这些控制方法的优点，并尽量避免它们的不足，将会把电系统的励磁控制推到一个全新的阶段，这种种综合控制方式，其优点相比于普通的单独控制方式来说，相当明显。综合控制可分为两个方面：一方面，智能控制和现代控制理论的
22、结合;另一方面，各种智能控制理论之间的交叉结合。目前在电力系统励磁控制中研究的热点是神经网络与专家系统的结合，模糊控制与专家系统的结合，神经网络与模糊控制的结合，遗传算法与它们之间的结合等等。虽然综合控制在励磁控制中的研究刚刚起步，但是可以看出，对于电力系统这个复杂的非线性大系统而言，综合控制有着巨大的发展潜力。总之，无论采用那种励磁方式，都是为了更好的改善励磁系统的动、静态特性，改善发电机的运行特性，使得电力系统安全经济运行。51.3 主要研究内容本文主要从以下几个方面来进行研究：（1） 了解发电机励磁控制的研究现状，了解同步发电机励磁控制系统在电力系统控制中的重要作用，并分析现行励磁控制器
23、设计理论和方法的优劣；（2） 学习模糊控制的相关知识； （3） 了解发电机励磁控制的原理和特点，包括: 同步发电机励磁控制系统的任务和对励磁系统的基本要求；（4） 在深入了解模糊控制理论特点的基础上，将模糊控制和传统 PID 控制相结合，提出基于 PLC 可编程控制器的设计方案；（5） 建立同步发电机励磁系统数学模型，包括同步发电机的传递函数、电压测量单元的传递函数、综合放大单元的传递函数、功率放大单元的传递函数和励磁控制系统的传递函数。（6） 设计模糊控制器，包括设计模糊控制器的结构、确定模糊规则以及在 Matlab中模糊控制模块的设置（7） 在 Matlab 上搭建系统仿真模型，合理设置模
24、块参数输出波形及数据； （8） 对仿真结果进行分析，得出有价值的结论,为后期的硬件设计做准备。2 发电机及其励磁控制系统2.1 发电机励磁系统2.1.1 发电机励磁系统概述同步发电机的运行特性与它的空载电动势 值得大小有关，而 的值是发电qEqE机励磁电流 的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特EFI性。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图 2.1 所示。励磁控制单元向同步发电机转子提供直流电流，及励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。
25、整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。6图 2.1 励磁自动控制系统构成框图2.1.2 励磁系统的控制逻辑常见励磁系统的控制逻辑如下图：图 2.2 励磁系统的控制逻辑72.1.3 励磁控制系统的任务及作用在电力系统正常运行和事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可有效地提高系统的技术指标。根据运行方面的要求，励磁控制系统应该承担如下任务： 维持发电机端或系统指定控制点的电压在给定水平上 合理分配并联运行发电机间的无功功率 提高电力系统的静态稳定性 提高电力系统的暂态稳定性
26、 提高电力系统的动态稳定性 提高继电保护装置动作的准确性 保证并联运行系统的正常工作2.1.4 励磁系统的分类励磁系统按照所采用整流方式分为两大类：一类是直流发电机励磁系统，另一类是交流整流励磁系统。直流发电机励磁是一种传统的励磁方式，但由于直流电机存在换向火花和磨损等问题，而逐渐被淘汰。交流整流励磁系统中的励磁电源为交流电源，其输出的交流电经半导体整流后供给主机励磁。这种励磁系统可分为静止和旋转两大类。静止式的交流整流励磁系统，解决了直流励磁机的换向火花问题，但是它还存在滑环和电刷。通过把交流励磁机做成与主发电机同轴的旋转电枢式同步发电机，并将硅整流桥也固定在励磁机的电枢上使其一起旋转，便组
27、成了旋转的交流整流励磁系统，而完全省去了集电环、碳刷等滑动接触装置，成为无触点励磁或称无刷励磁系统。随着电力电子器件和电力电子技术的发展，交流励磁系统得到了日益广泛的应用 6。2.2 同步发电机2.2.1 理想同步发电机为了便于分析，通常采用以下简化假设：8 忽略磁路饱和、磁滞、涡流等的影响，假设点击铁芯部分的导磁系数为常数 电机转子在结构上对于纵轴和横轴分别对称； 定子的 a，b，c 三相绕组的空间位置相差 120电角度，在结构上完全相同，它们均在气隙中常数正弦分布的磁动势； 点击空载，转子恒速旋转时，转子绕组的磁动势在定子绕组所感应的空载电势是时间的正弦函数； 定子和转子的槽和通风沟不影响
28、定子和转子的电感，即认为电机的定子和转子具有光滑的表面。在具有阻尼绕组的凸极同步电机中，共有 6 个磁耦合关系的线圈。定子中包括 a，b，c 三个静止的绕组；转子中包括一个励磁绕组，两个代替阻尼绕组的等值绕组。对于没有装设阻尼绕组的隐极同步电机，其转子所起的阻尼作用也可以用等值的阻尼绕组来表示。2.2.2 同步发电机的基本方程同步发电机定子与转子各物理量都采用标幺值表示，以 d，q，0 为坐标，其基本方程如下：(2.1)dqdvri(2.2)q(2.3)00vri(2.4)fff(2.5)Dri(2.6)0Q(2.7)dafDLimi(2.8)qQi(2.9)0i(2.10)ffadffDmL
29、i9(2.11)DadDfmiLi(2.12)QqQ(2.13)edTi(2.14)jmedTt(2.15)1d其中，各式中物理量的定义为：， ， 机端电压 d 轴、q 轴及零轴的分量；dvq0励磁电压；f， ， 机端 d 轴、q 轴及零轴磁链对时间的导数；dq0励磁绕组磁链对时间的导数；f， 等值阻尼回路轴磁链对时间的导数；DQ， ， 机端 d 轴和 q 轴及零轴的磁链；qd0， ， 分别是转子绕组，等值阻尼回路绕组的磁链；fDQ， ， ， 分别为每相绕组电阻、转子绕组电阻、等值阻尼回路电阻；rfr， ， 机端电流 d 轴，q 轴及零轴分量；diq0i， ， 分别为励磁电流，等值阻尼回路电流
30、；fDQ， 分别是定子等效绕组 dd 和 qq 的电感系数；dLq一相等值的零轴电感系数；0， ， 转子绕组及等值阻尼回路 D，Q 的自感系数；fDQ（ ） ， （ ） ， （ ）定子（a 相）分别与转子绕组，等值afmfaDamQ阻尼绕组 D 以及等值阻尼绕组 Q 的互感系数；（ ）转子绕组与等值阻尼绕组 D 的互感系数；fLf10电磁转矩标幺值（以三项额定功率为基准） ；eT同步电机转子惯性时间常数；j机械转矩；m阻尼转矩； = ， 为阻尼系数；dTdTD以上各个式子组成了同步电机的完整的数学模型 5。2.2.3 Matlab 中同步发电机模型在 MATLAB/simuhnk 库里打开 s
31、impowersystems machines，即可选择需要的同步电机模型，一般有 pu 和 si 两种。由于标么化系统利于励磁控制系统的仿真分析，所以本文选用 pu 模型作为研究对象。同步电机模型如图 2.1 所示:图 2.3 标幺值型的同步发电机模型整个模型被封装成两个输入端口、三个输出端口和一个测量端口。模型中 pm 和vf 分别表示有功功率和励磁电压的输入，A、B、 C 是三相电输出端口，m 是对电机输出参量的测量端口。通过右键然后选择 Look Under Mask 可以看到里面的模型，如图 3.2 所示。它有三部分组成：SM(输出端 A、B、C)模块、Source(输出电流和电磁转
32、矩)模块和 SM-mechancs(转子机械角度和电角速度的输出)模块。再通过上述命令可以进一步打开这三个模块，下面重点介绍 SMmechancs 模块。SMmechancs 原始模块如图 2.2 所示。11图 2.4 SMmechancs 模块的内部模型图由于发电机转子转动惯量比较大，机电时间常数要比电磁时间常数大得多。在研究励磁变化的过程中，可粗略地认为转子转速还来不及变化，即设定 =1，在速度m变化不大的过渡过程中，其引起的误差是很小的。这样，同步发电机的 7 阶模型得到了简化，便于问题的分析研究。为此，MATLAB 中的同步电机仿真模型也需要进行适当地修改，才能在保持电机转速不变的情况
33、下研究问题。修改后的仿真模型如图 2.3 所示。将原来以 机械功率作为输入，改成以 机械转速为输入，这样只要mPm在设定 =l 就可保持转速不变。m图 2.5 修改过的同步发电机模型图122.3 电压测量单元电量检测单元包括采样环节和滤波环节，是励磁系它是对发电机的母线电压、电流等参量进行测量和滤波2.3.1 采样环节交流电量的检测可以有两种方法：直流采样法;交流采样法。直流采样原理如图 2.4 所示，这种方法是将输出端三相交流量经互感器感应后，再经过整流桥整流及电容滤波后变成直流量后进行采样，所得数据代表了电流或电压的有效值。由于硬件电路存在滤波电容这样的大惯性元件，所以直流采样会产生较大的
34、滞后。另外，整流桥的非线性特性以及采样的交流量含有谐波都会影响检测的精度，这样势必会影响励磁调节器的性能。因此直流采样法只适用于要求比较低的励磁控制场合。交流采样法是将电参量经互感器后不经过整流而直接进行采样的一种方法。这种方法实时性好，而且使电压、电流的同步采样或准同步采样成为可能。本文采用瞬时功率的算法，只需要知道某个时刻电压和电流的采样瞬时值，便可以计算出励磁控制所需的电参量瞬时值，即使所测量的交流量含有谐波，也能够通过此算法得出精确的基波电参量。由于交流采样的电路不存在直流滤波大电容，所以不存在滞后现象，有利于实时控制励磁电流，同时，也不存在非线性因素的影响。因此相对于直流采样而言，交
35、流采样精度可以达到很高。因此，本文利用交流采样法进行测量仿真。滤波环节一般有两种方法:硬件滤波和软件滤波。硬件滤波是直接由电容或电感组成的电路进行滤波，采用的是模拟方式，在仿真模型中一般用一阶惯性环节进行描述;软件滤波是将采集的电参量用软件编程的方法在单片机或 DSP 等芯片内部实现，这是一种数字处理方式。本文的滤波环节采用模拟方式，但用精度更高的移动窗口积分法对测量的电流和电压量进行滤波。图 2.6 直流采样示意图但是，有时励磁系统还需要实时得到机端瞬时线电压有效值 。 ，和线电流有效lu13值 ，的大小。由于三相电压对称，不难推出 与 ， 的瞬时值的关系：li luacb223/ cabl
36、u（2.16）本式也将在本文后面的仿真中用到。同理，负载线电流的有效值的瞬时值 与 ， 瞬时值之间的关系：liaci（2.17）223cal iii由于 similink 中同步发电机模型的输出端口有一个参量检测端口 m，是measuremeni 的缩写，其输出波形与利用上述方法测量的结果完全一致。它除了提供dq0 系统下电压和电流的测量，还包括下文中用到的励磁电流以及阻尼绕组的电流、机械角度和输出的有功和无功的检测等。我们可以在这个端口加上一个三相电压电流测量模块，得到三相电压的瞬时值完成电压的采样。又因为在仿真过程中我们需要的是电压的有效值（在整流模块将会说明为什么要用到有效值，而不是瞬时
37、值） ，所以按式（2.17）可以计算出其有效值，具体模型如图 2.5 所示：图 2.7 发电机获得有效值模块2.3.2 滤波环节一般文献中的检测部分的滤波环节，都采用一阶惯性环节来近似描述，这种方法的滤波效果并不理想。本文采用精度更高的移动窗口积分法对测量的电流和电压量进行滤波。其原理用数学表达式表示如下：， （2.18）dtftdtftdtft 1221 0201 )()()( 12t即在固定时间段内（ ， ）内，函数积分的平均值等于从(0， )与(0， )函数积2 2t1t14分求平均值的差。用窗口积分求平均值法滤波要注意时间段的选取，一般取基频的导数作为一个时间段，否则达不到预期的效果。
38、据此，我们可以搭建图 2.6 所示的滤波环节的模型。图 2.8 滤波环节模型在 Transport Delay 里可以设置延迟时间，在本文中，我们设置为 0.02s，比例系数 P 设置为 50。2.4 励磁系统主回路模型励磁系统分为有刷和无刷两种励磁回路。有刷励磁系统的主回路是由三相整流桥、励磁源组成;无刷励磁系统主回路包括:交流励磁机、三相整流桥及励磁源。由于WDT-III 平台的励磁系统是有刷励磁的，所以在本文中只介绍有刷励磁模型的建立。1. 三相整流桥模型我们这里考虑的有刷励磁系统，是直接将励磁源接入硅整流桥进行整流，供给发电机励磁绕组作为励磁电流。三相整流桥的输出电压可用式（3-4）表
39、示（2.19）cos0dU式中， 为经整流后输出的励磁电压的平均值， 为输出电压的峰值， 为整0dU流桥触发角。因此，我们知道三相整流桥的输出和输出电压的峰值有关，又由于电压的对称性，在知道输出电压有效值时可以得到输出电压的峰值（ ） 。ldu20在 时，电路工作在整流状态， 角越大输出的电压越小； 角越小2/0输出的电压越大。但是，控制量与触发角度成正比关系，我们希望控制量越大，输出到励磁绕组的电压越大;控制量越小，输出的电压越小。这与上述关系正好相反。这里，我们可以假设输入到整流桥的控制量为 ，对整流桥触发角的关系为：e（2.20）2/)arcsin(2/0/)arcsin(0 e15此时
40、将此时将 作为新的控制关系，代入(3-4)式，则可以得)arcsin(2/e（2.21）sin(0Ud显然， ，这就是我们想要的控制结果。e因为 ，所以)arcos()arcsi(2/ e（2.22）01dUe可以看出，经过新的变化关系之后，输入对输出的控制关系仅为一个常数。所以在 similink 仿真模型里，可以直接用误差控制量对励磁电压进行控制，从而控制励磁电流。2. 励磁电源模型本文所考虑的 WDT-III 的励磁电源模型是自并励励磁电源。自并励励磁电源取自发电机输出端的电压量，可表示为：(2.23)TVEK其中， 是输入的励磁电压， 是端电压， 是端电压系数。VKT3 励磁控制模块的
41、设计3.1 PID 控制理论许多年来，在工业自动控制领域中，按照偏差的比例(P) 、积分(I)和微分(D) 进行控制的 PID 是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在 20 世纪 40 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。随着科学技术的发展特别是计算机技术的发展，涌现出许多新的控制方式，然而直到现在，PID控制由于它原理简单，使用方便，鲁棒性强等优点，在工业生产过程中仍得到广泛的应用。即使在科技发达的日本，PID 控制的使用率在 845以上。各种资料显示，PID 控制技术仍占主导地位，特别是各种智能 PID 控制技术将会有很大的发展和更多的应用。简单的说，经典
42、PID 控制器原理为：用参考输入和系统输出的误差及其微分、积分的线性组合来产生控制信号。PID 控制输出的累加形式16（3.1） KjDIPjI TKeTeeKTu00 )()()()(控制偏差的增量形式： )2()(2)()()()( TKeekeeKTu DIP 式中， 为比例系数， 为积分常数， 为微分常数，由于增量式计算误差或IKK精度对控制量的影响较小，且增量算式只与最近几次的采样值有关，所需内存也少，因此在实际应用中更为广泛，本文中所用的也即是增量法。其控制发电机励磁的原理框图为： 给 定 值 Ref 比 例 微 分 积 分 发 电 机 机 端 电 压 Ut 励 磁 电 压 Efd
43、 + 电 压 偏 差 图 3.1 PID 控制器原理PID 控制器包括三个参数：比例系数 、积分系数 、微分系数 。从系统pkikdk的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑， 、 、 的作用pi分别如下：比例系数 的作用是即时成比例地反应控制系统偏差信号，偏差一旦产生，pk控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 越大，系统的响应速度越快，系统的pk调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。 取值过小，则会降低pk调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。当输入偏差为 0 时，控制作用也为 0，因此比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节。积分系数
44、的作用是通过对误差记忆，提高系统抗干扰能力，消除系统的稳ik17态误差，提高系统的无静差度。 越大，系统的稳态误差消除越快，但 过大，ik ik在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。 若过i小，将使系统的静态误差难以消除，影响系统的调节精度。微分系数 的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制dk偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但 过大，会使响应过程提dk前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。反之，若 过小，dk调节过程的减速就会滞后，超调量就会增加，系统响应变慢，稳定性变差 3,4。常规的 PID 控制器结构简单，具有一定
45、的鲁棒性，容易实现，稳态无静差，控制精度高，能满足工业过程的要求。3.2 普通 PID 控制器的设计由于我们在模糊控制器中采用的是在原本 PID 的基础上微调的方式，所以有必要先做出普通 PID 控制器的模型，以便模糊 PID 的参数的调整和效果比较。按照 PID 控制的理论，我们在 SIMULINK 里建立 PID 控制的仿真模型，如图3.2 所示。图 3.2 普通 PID 控制器仿真模型利用“Createsubsystem”对 PID 模型创造子系统并进行封装操作，目的是将模型的内部结构隐藏起来，以便访问该模块时只出现一个参数对话框，通过对话框对参数进行设置。子系统建立好后，选中该子系统模
46、块的图标，再选择 Edit 一Masksubsystem 子菜单项，即可对建立好的子系统进行界面化封装操作。编辑的内容包括：Icon，Parameters，Initializatio 以及 Documentation，分别表示图标显示、参数18编辑、初始化设置和文档编辑。对于图标的编辑最常用的命令是 disp(name)，name为想要显示在模块上的名称；封装模块的最关键的步骤是建立起封装的模块内部变量和封装对话框之间的联系，选择封装编辑程序的 Parameters 标签，再对子系统的变量进行编辑，注意保持变量名和框图中的一致。这样直接在界面里输入数值即可实现对图 4.1 中 p、i、d 参数
47、的设置。对图 3.3 的模型进行封装，封装后如图 4.2 左图所示，右图为双击左图出现的参数设置界面。若想查看子系统内部模型，可以在封装的模块上右击鼠标，选中 Lookundermask(观察封装模块)菜单项即可。另外，如果想要重新编辑封装好的界面，可以先选中模型，再右击出的菜单中，选中“EditMusk项即可。图 3.3 PID 控制仿真模型子系统及封装图这样，普通 PID 控制的模型建立了。3.3 模糊控制理论3.3.1Mamdani 型模糊控制器的基本组成模糊控制器的基本结构如图 3.4 所示：19图 3.4 模糊控制器的基本结构而常见的曼达尼控制器的基本组成原理如图 3.5 所示，左边
48、输入清晰值变量及其变化率 ，右边输出精确值变量 ，这种 F 控制器通常称为 Mamdani 型edte/ u模糊控制器，是一种典型的二维 F 控制器。图 3.5 Mamdani 二维模糊控制器原理框图图 3.5 中“知识库”框内的几个模块 、R 和 ，分别是离线得出的隶属函fd数、控制规则（近似推理算法）和清晰化算法： 隶属函数库，存贮把数字量转换成模糊量时使用的隶属函数；R控制规则库，存贮进行近似推理的 F 条件语句及近似推理的算法； 清晰化方法库，存贮对模糊量进行清晰化处理fd时使用的算法。最左边由 和 构成“量化因子”模块；最右边的 是“比例因子”模块。ekc uk这两个模块对模糊控制器
49、输入、输出的清晰值信号具有比例缩放作用，是模糊控制器的输入、输出接口，它们除了使其前后模块匹配外，在整个系统中还有一定的调节作用。因为它的变化相当于对实际测量信号的放大或缩小，直接影响着采样信号对系统的调节控制作用。20“模糊控制器核心”框内的几个模块 、 和 的作用分别是：模FD/RA*D/糊化模块 完成清晰量转换成模糊量的运算； 完成根据输入模FD/糊量 （由两个模糊分量 E 和 EC 构成）进行近似推理运算，得出模糊量 ；清*A U晰化（或反模糊化）模块 完成把模糊量 转换成清晰量的运算。/ U模糊控制器由三个核心部分组成：模糊化（ ）模块、近似推理（ ）模FD/ R块和清晰化（ ）模块。为了使它们能跟输入、输出的清晰量相匹配，在模糊DF/化模块
