基于PID的发电机励磁系统控制.docx

1、目录摘要 : .11 设计意义、任务与要求 .21.1 设计意义 .21.2 任务与要求 22 设计与论证 42,1 励磁系统的数学模型 .42.1.1 同步发电机传递函数 42.1.2 电压测量单元 42.1.3 功率放大单元 42.1.4 常规 PID 控制器 .52.2 同步发电机励磁控制系统框图 53 Matlab 电路设计与参数整定 .53.1 电路设计 .53.2 参数整定 64 仿真与结果 75 仿真结果分析 86 结束语 .10参考文献 1112摘要 :同步发电机励磁控制器是同步发电机控制系统的核心，该系统是一个典型的反馈控制系统，P ID（ 比 例 -积 分 -微 分 ） 控

2、 制 器 作 为 最 早 实 用 化 的 控 制 器 已 有 70 多 年 历史 ， 现 在 仍 然 是 应 用 最 广 泛 的 工 业 控 制 器 。 PID 控 制 器 简 单 易 懂 ， 使 用 中 不 需 精 确 的系 统 模 型 等 先 决 条 件 ， 因 而 成 为 应 用 最 为 广 泛 的 控 制 器 。 本 设 计 为 一 个 简 单 的 PID控 制 的 励 磁 控 制 系 统 。关 键 词 ： 励 磁 反 馈 PID 控 制 MATLAB 仿 真31 设计意义、任务与要求1.1 设计意义目 前 工 业 自 动 化 水 平 已 成 为 衡 量 各 行 各 业 现 代 化 水

3、 平 的 一 个 重 要 标 志 。 同 时 ， 控 制理 论 的 发 展 也 经 历 了 古 典 控 制 理 论 、 现 代 控 制 理 论 和 智 能 控 制 理 论 三 个 阶 段 。 智 能控 制 的 典 型 实 例 是 模 糊 全 自 动 洗 衣 机 等 。 自 动 控 制 系 统 可 分 为 开 环 控 制 系 统 和 闭 环控 制 系 统 。 一 个 控 制 系 统 包 括 控 制 器 、 传 感 器 、 变 送 器 、 执 行 机 构 、 输 入 输 出 接 口 。控 制 器 的 输 出 经 过 输 出 接 口 、 执 行 机 构 ， 加 到 被 控 机 构 上 ； 控 制 系

4、 统 的 被 控 量 ， 经 过传 感 器 ， 变 送 器 ， 通 过 输 入 接 口 送 到 控 制 器 。 不 同 的 控 制 系 统 ， 其 传 感 器 、 变 送 器 、 执行 机 构 是 不 一 样 的 。 比 如 压 力 控 制 系 统 要 采 用 压 力 传 感 器 。 电 加 热 控 制 系 统 的 传 感 器是 温 度 传 感 器 。 目 前 ， PID 控 制 及 其 控 制 器 或 智 能 PID 控 制 器 （ 仪 表 ） 已 经 很 多 ， 产品 已 在 工 程 实 际 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 有 各 种 各 样 的 PID 控 制 器 产 品 ， 各

5、 大 公 司 均 开发 了 具 有 PID 参 数 自 整 定 功 能 的 智 能 调 节 器 (intelligent regulator） ， 其 中 PID控 制 器 参 数 的 自 动 调 整 是 通 过 智 能 化 调 整 或 自 校 正 、 自 适 应 算 法 来 实 现 。 【 1】 本 设 计就 是 用 PID 控 制 器 控 制 励 磁 系 统 的 一 个 实 例 ， 我 将 通 过 Matlab 仿 真 实 现 该 控 制 的 功能 。1.2 任务与要求在 PID 参数进行整定时如果能够有理论的方法确定 PID 参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法

6、来确定 PID 的参数。增大比例系数 P 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间 I 有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时间 D 有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。4首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响

7、应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小 (一般缩小为原值的 0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间 D 设置为 0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果

8、，最终实现满意的仿真输出。要求具有一定的鲁棒性，且设计算法简单、易于实现、适应性强。 【2】52 设计与论证2,1 励磁系统的数学模型在仿真设计之前，有必要分析系统中各个环节的工作原理，得出其传递函数，从而完成系统的开环、闭环传递函数的分析，本文采用简化的传递函数来表征系统各个组成部分的数学模型。2.1.1 同步发电机传递函数假设该系统中的发电机的双输出绕组是严格同步变化的，在不考虑发电机磁路的饱和特性是，同步发电机的传递函数可以简化为以下一阶滞后环节： 01GdKTs式子中： 为发电机的放大系数， 为其时间常数，忽略发电机磁场饱和现象。GKd2.1.2 电压测量单元电压测量完成励磁同步发电机

9、输出电压到数字控制器输入信号的转化，其中镇流滤波电路略有延时，可用一阶惯性环节来近似描述，因此，测量比较单元的传递函数可用下式表示：1CMSRKGTs（ ）式子中： 为电压传感器的输入输出的比例， 为滤波回路的时间常数，一般取 0CK到 0.06 之间。2.1.3 功率放大单元功率放大主要是指由励磁控制器输出小的控制信号 ，到励磁功率器件的输出PWMU之间的功率转换作用。该单元可认为是一阶惯性环节，其传递函数为：FU6()1AKGsT式子中： 为放大环节的电压比例， 为放大环节的时间常数，一般很小，取 约AKA AT等于 0。2.1.4 常规 PID 控制器常规 PID 控制方式的控制器传递函

10、数为： 1()KPdisTsG2.2 同步发电机励磁控制系统框图根据同步发电机励磁控制系统的结构，得出该系统传递函数框图如图 1 所示。 【3】图 1 同步发电机励磁系统原理框图3 Matlab 电路设计与参数整定3.1 电路设计分析好励磁控制系统的数学模型后，使用 Matlab 中的 Simulink 设计仿真的电路图，严格按照分析好的数学模型进行设计，设计并调整好参数的图形如图二所示：7图 2 MATLAB 仿真原理图3.2 参数整定控制器参数整定：指决定调节器的比例系数 、积分时间 、微分时间 和采样周pKTi d期 的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配

11、，以sT改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。 整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。 【4】3.2.1 凑试法 按照先比例（P ） 、再积分（I） 、最后微分（D ）的顺序。 置调节器积分时间 ，iT微分时间 ，在比例系数 按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大0dTpK整定比例系数 。求得满意的 1/4 衰减度过渡过程曲

12、线。引入积分作用（此时应将上述比p例系数 设置为 ） 。将 Ti 由大到小进行整定。 若需引入微分作用时，则将 按经K56 dT验值或按 设置，并由小到大加入。134dT3.2.2 临界比例法 在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，8得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数 ，相邻两个波峰间的时uK间间隔，称为临界振荡周期 。 uT临界比例度法步骤： 1、将调节器的积分时间 Ti 置于最大 ，微分时间置零 ，比例系数()i(0)dT适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 pK2、将比例系数 逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数

13、 和临界振荡p uK周期 值。 uT3、根据 和 值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即 、 和 的值。 Ku piTd按“先 P 再 I 最后 D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。 临界比例度法整定注意事项： 有的过程控制系统，临界比例系数很大，使系统接近两式控制，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。 有的过程控制系统，当调节器比例系数调到最大刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最大刻度的比例度作为临界比例度进行调节器参数整定。3.2.3 经验法 用凑试法确定 PID 参数需要经过多次反复的实验，为了减少凑试次数，提高工作效率，可以借鉴他

14、人的经验，并根据一定的要求，事先作少量的实验，以得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数导出 PID 控制参数，这就是经验法。最终整定的 PID 的 P 参数为 1.48，I 参数为 0.1，D 参数为 0.03.4 仿真与结果同步发电机的励磁系统的动态指标通常是采用机组额定转速下零起升压的参数来衡量的，同步发电机励磁控制系统的动态特性是指在外界干扰信号作用下，该系统从一个稳定工作状态变化到另一个稳定工作状态的时间响应特性。我国同步发电机励磁系统国家标准中对同步发电机历次自动控制系统动态特性9的超调量、调节时间和摆动次数有明确规定，在我国大中型同步发电机励磁自动控制系统技术要求（GB

15、/T7409-1997）中，对同步发电机动态响应的技术规定为：(1)同步发电机在空载额定电压下，当电压给定阶跃响应为 10%时发电机电压超调量应不大于阶跃量的 50%，摆动次数不超过 3 次，调节时间不超过 10s；(2)当同步发电机突然零启动升压是，自动电压调节器应保证发电机端电压超调量不的超过额定值的 15%，调节时间不大于 10s，电压摆动次数不应大于3 次。在目前控制系统设计中，大多采用微机控制技术，此时使用的是数字 PID控制器，它是将模拟 PID 控制算法离散化，通过程序实现，不需要像模拟控制系统那样用硬件电路来实现，因此使系统设计更灵活、方便，由于 PID 控制算法直观的物理解释

16、，并且能满足大多数系统的要求，因此至今 PID 控制仍然是常规控制系统设计应用最普遍的控制算法。 【5】三峡左岸发电机励磁系统的主要参数为：、 、 、 【6】AIfr435If2350VUf240fr97带入图二所示系统中，仿真结果如图三所示：图 3 仿真结果图5 仿真结果分析由仿真结果可知，引入 PID 控制算法后明显改善了发电机励磁系统的调节特性，并具有良好的跟踪特性。仿真结果表明，基于 PID 算法的励磁系统的调10节过程，都能很好地满足励磁系统的动态特性，所得到的系统响应曲线过程极小，调节速度快且调节过程平稳（没有频繁的波动） ，具有良好的调节品质。在调节中发现超调量过大，经过思考发现

17、：超调量过大，表示系统阻尼比过小，但响应时间快。这时应该降低比例环节系数以提高系统阻尼，但会降低响应速度。在调节中发现调节时间过长，进过实验发现：调节时间过长，表示积分环节作用不明显，加大积分力度。这些都是在实际调节中遇到的一些问题，进过反复调节最终得到了解决。116 结束语本设计研究了发电厂励磁控制系统的模型和 PID 在励磁控制中的应用。研究结果表明，该控制器就良好的调节品质，并且硬件电路易于实现。它的应用，将会给电厂发电机励磁控制系统带来更大的技术进步和更高的经济效益。由于本次设计时间紧、任务重，疏漏之处在所难免，但在和本组成员的一道努力下，克服了软件使用不熟练等困难，并和谭老师进行了一

18、些讨论，圆满取得了预期的仿真结果，疏漏之处还望老师批评指正。12参考文献1王润，倪远平.基于模糊 PID 算法的同步发电机励磁控制器设计与仿真研究 J.甘肃科学学报，20122李昂. 同步发电机励磁系统的 PID 控制仿真J.电子设计工程 20113王润，倪远平.基于模糊 PID 算法的同步发电机励磁控制器设计与仿真研究 J.甘肃科学学报，20124白志刚. 自动调节系统解析与 PID 整定M.北京：化学工业出版社，20125黄小峰.PID 在发电机励磁控制系统中的应用 J.电机技术6梁建行，易先举.三峡电站发电机励磁系统主要参数设计计算J. 人民长江，20057杨冠城. 电力系统自动装置原理（第五版）.北京：中国电力出版社， 2012.8浙江大学.电力系统自动化. 北京：电力工业出版社，1980.