1、参数自适应模糊 PID 控制器在自动励磁调节系统中的应用第 32 卷第 1 期2003 年 2 月贵州工业大学(自然科学版)JOURNALOFGUIZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition)V01.32No.1February.2003文章编号:1009.O193(2OO3)O1 005404参数自适应模糊 PID 控制器在自动励磁调节系统中的应用郝加臣,余发山,王福忠,王红旗(焦作工学院电气工程系,河南焦作 454000)摘要:在参数自适应模糊 PID 控制器的基础上,利用模糊推理的方法实现了对 PID参数的在线自动整定,并且在 MAT
2、LAB 软件下将该控制器在自动励磁调节系统中的应用进行了研究,仿真结果表明.参数自适应模糊 PID 控制能使系统达到满意的控制效果,对进一步应用研究具有较大的参考价值.关键词:PID 控制;模糊控制;模糊 PID;自动励磁调节系统中图分类号:TM761.11;TP273.4 文献标识码:AO 引言传统 PID 控制器结构简单,具有一定的鲁棒性,容易实现,稳态无静差,控制精度高,能满足大工业过程的要求.因此,长期以来广泛应用于工业过程控制,并取得了良好的控制效果.但是,实际上,大多数工业过程不同程度的存在非线性,大滞后,参数时变性和模型不确定性,因而普通的PID 控制器难以获得满意的控制效果.模
3、糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强,为了克服传统 PID 控制器的缺点,人们将模糊控制与 PID 控制器结合起来,扬长避短,研究出了多种模糊 PID 控制器,本文采用的参数自适应模糊 PID 控制器即为其中的一种.1 自动励磁调节系统在电力系统运行中,同步发电机的励磁电流是电力系统无功功率的主要来源之一,同步发电机励磁系统的特性对电力系统运行的作用,无论在正常情况,或是在事故情况下,都是十分重要的.自动励磁调节系统应该能保证电力系统正常运行情况下发电机机端电压基本不变,保证机组问无功负荷的合理分配,提高电力系统的静态和动态稳定性,在暂态过程中(如故障切除后,个别发电机失磁等)能加速电网电
4、压恢复,提高电能质量.自动励磁调节系统由以下几部分构成,自动调压器(控制器);可控硅整流及脉冲移相触发装置,这是一个放大环节,它把控制器送来的控制信号经触发装置转换为一移相脉冲信号,从而控制可控硅的导通角,调整可控硅的输出,控制励磁电流的大小,它的传递函数为 K,是输出输入的电压比;同步发电机,它是一惯性环节,传递函数为 G(s)=._,rg 表示电机的时间常数,Kg 表示电机一阶元件的放大系数;电压互感器.gv与整流电路,这是一惯性环节,传递函数为 G(s)=,r,表示滤波回路引起的时间常数 ,一般可设 0Z“r工 Ig-r0.06,K,表示电压幅值比例常数.2 参数自适应模糊 PID 控制
5、器的设计2.1 模糊控制系统结构参数自适应模糊 PID 控制器的系统结构主要由参数可调 PID 和模糊控制系统两部分构成,其结构如图收稿日期:20020528第 1 期郝加臣,等:参数自适应模糊 PID 控制器在自动励磁调节系统中的应用 551 所示.图 1 参数自适应模糊 PID 自动励磁调节系统结构框图PID 控制器实现对系统的控制,模糊推理系统以误差 e 和误差变化率 ec 作为输入,采用模糊推理方法对 PID 参数 KP,KD,KI 进行在线整定,以满足不同的误差 e 和误差变化率 ec 对控制器参数的不同要求,而使被控对象具有良好的动态,静态性能.2.2PID 控制器参数自整定原则通
6、常,PID 控制器的控制算式为:rl,|,+,U(t)=Kpe(t)+KI(t)dt+KdJOu针对不同的 e 和人们总结出了一套 KP,KI,KD 的整定原则:(1)当 IeI 较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,应取较大的 KP 与较小的 KD,同时为避免系统响应出现较大的超调,应对积分作用加以限制,通常取 KI=0;(2)当 IeI 和 IecI 中等大小时,为使系统具有较小的超调 ,KP 应取得小些.在这种情况下,KD 的取值对系统的影响较大,应取得小一些,KI 的取值要适当.(3)当 IeI 较小时,为使系统具有较好的稳定性能,KP 与 KI 均应取得大些,同时为避免系统在设定值出现
7、振荡,并考虑系统抗干扰性能,当 IecI 较大时 KD 可取得小些;IecI 较小时 KD 可取大一些.2.3 各变量隶属度函数的确定根据要求,用于 PID 参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式.该控制器是以 IeI 和 IecI 作为输入,以 KP,KI,KD 作为输出.输入语言变量 e 和 ec 的论域均为 一 6,一 5,一 4,一3,一 2,一 1,0,1,2,3,4,5,6,输出语言变量 KI,KP,KD 的论域均为0,1,2,3,4,5,6, 其隶属度函数分别如图 2 和图 3 所示.NBNM1ZOP.MP,B一图 2eec 隶属度函数图 3KI,KP 及 KD 隶属度函数2
8、.4 建立模糊规则表根据以上所述的 PID 参数调整原则可以得到输出变量 KP,KI,KD 的控制规则如下表所示.56 贵州工业大学(自然科学版)2003 年表 1 置 rP 的模糊控制规则表表 2K/的模糊控制规则表表 3KD 的模糊控制规则表KPNBNMZOPMPBNBMBBBMNMSSMSSZ0SMBMSPMSSMSSPBMBBBMKINBNMz0PMPBNBZZZZZNMSMMMSZ0MBBBMPMSMMMSPBZZZZZKD,NBNMZ0PMPBNBSSZSSNMMMSMMZ0SMBMSPMMMSMMPBSSZSS3 模糊 PID 控制系统在自动励磁调节系统中的应用及其仿真在 MAT
9、LAB 的 Simtdink 环境下根据图 1 设计系统的仿真模型如图 4 所示.其中同步电机的模型参数由实验室 TFDWl12L1 型小型无刷同步发电机获得,该型号电机主要技术参数为额定电压 220V.额定功率 1kVA,额定转速 3000r/rnjn.励磁调节系统的参数为: 可控硅及触发装置的放大倍数 K,为 55,发电机的机电时间常数为 750ms,K 为 1,电压互感器与整流器滤波时间常数 rr 为 50ms,电压幅值比 K,为 1.当系统在设定值 220V 阶跃响应输入时,且在系统响应后的 5S 在发电机机端电压上附加了一个宽度 28 幅值为 220V 的负脉冲扰动信号.用来模拟机端
10、电压突然对地短路 28 后,检验系统的快速恢复能力.系统响应曲线(注:该曲线为经过电压互感器并整流后的响应曲线 )如图 5 所示.由响应曲线可知,该系统具有很好的动态特性和稳态特性,系统无超调,调整时间 t 仅为 0.48,上升时间 t,仅为 0.3s;在系统受到较大干扰的情况下,干扰开始时,电压迅速降低,经 0.38 迅速稳定输出电压到给定值;干扰结束时,电压迅速上升,经 0.38 系统调节输出电压到给定值.在系统稳态运行时,该装置的输出稳定且无静差.另外,根据实验室条件,对参数自适应模糊 PID 控制器 TFDWl12L1 型小型无刷同步发电机励磁调节中的应用效果进行了动模实验,实验结果表
11、明系统响应曲线与仿真曲线基本相符,应用效果较好.达到了预期的目的.图 4 参数自适应模糊 PID 自动励磁调节系统仿真框图4 结论本文通过在 MATLAB 下的仿真研究以及实验室的动模实验 ,结果表明参数自适应模糊 PID 控制器在同步发电机自动励磁调节系统中的应用取得了很好的控制效果,系统稳态和暂态性能指标完全符合发电机对励磁系统的要求.即很快的响应速度,足够的调整容量以及运行及调节过程的稳定性.这说明了本控制策略在自动励磁调节系统应用的可行性和正确性,在实际应用中有一定的推广价值.第 1 期郝加臣,等:参数自适应模糊 PID 控制器在自动励磁调节系统中的应用 57图 5 自动励磁调节系统响
12、应曲线参考文献:1陶永华,尹怡欣 ,葛芦生.新型 PID 控制及其应用M.北京:机械工业出版社,1998.2欧阳黎明.MATLAB 控制系统设计 M.北京:国防工业出版社,2001.3孙庚山.兰西柱 .工程模糊控制M.北京:机械工业出版社,1995.4李士勇.模糊控制 ,神经控制和智能控制论M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19985华北电力学院.电力系统自动化原理与技术M.北京:电力工业出版社,1981.6许正亚.电力系统自动装置M.北京:电力工业出版社,1980.ParameterSelftuningFuzzyPIDControllerSApplicationinAutomaticRegu
13、latingExcitationSystemHAOJia-chen,YUFa-shan,WANGFu-zhong,WANGHongqi(DepartmentofElectricalEngineering,JiaozuoInstituteofTechnology,Jiaozuo454000,China)Abstract:Inthepaper,basedonparameterselftuningfuzzyPIDcontroller,afuzzyinferencemethodisutilizedtorealizeautomaticregulatingPIDparameter,andtheapplicationofthecontrollerinautornaticregulatingexcitationsystemisstudiedwithMATLAB.Theresultsofsimulationindicatethatthecontrollergivesagoodcontrolperformanceandhasahighreferencevalueforfurtherapplications.Keywords:PIDcontrol;fuzzycontrol;fuzzyPID;automaticregulatingexcitationsystem
