基于模糊PID的大型變壓器頂升系統(tǒng)控制研究

楊 琛，于少娟，楊尉薇

（1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

基于模糊PID的大型變壓器頂升系統(tǒng)控制研究

楊 琛1，于少娟1，楊尉薇2

（1.太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有頂升裝置的傳統(tǒng)控制方式已經(jīng)不能滿足我國變電站建設(shè)自動(dòng)化、智能化的要求。通過對目前重型電氣設(shè)備頂升裝置的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，收集并整理了相關(guān)資料，建立并簡化了重型電氣設(shè)備頂升裝置的數(shù)學(xué)模型，分析了其穩(wěn)定性。選用模糊控制理論，結(jié)合現(xiàn)場的操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，用以改善頂升階段的跟蹤特性并采用M atlab與AMEsim聯(lián)合仿真驗(yàn)證了此控制策略的效果。

重型電氣設(shè)備；電液伺服系統(tǒng)；模糊控制

0 引言

伴隨著我國電力行業(yè)的飛速發(fā)展，新建變電站正朝著大規(guī)模、高度自動(dòng)化的方向發(fā)展，其中以500 kV變電站和智能變電站的不斷涌現(xiàn)為代表。面對變電站建設(shè)的數(shù)量不斷增多，規(guī)模不斷擴(kuò)大，自動(dòng)化程度不斷提高的情況，對配套設(shè)施的建設(shè)有了更高的要求。傳統(tǒng)的頂升、移運(yùn)、就位方式已經(jīng)不能滿足效率更高，精度更準(zhǔn)確的建設(shè)需要。

液壓頂升裝置具有傳動(dòng)穩(wěn)定、布置靈活、自動(dòng)化程度高、便于進(jìn)行閉鎖保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；在使用中對場地要求寬松，沒有作業(yè)范圍的要求，不需要事先安裝構(gòu)件，具有普遍的適用性；可以代替繁復(fù)的人工勞作，提高安裝效率，節(jié)約資金。因此，液壓頂升裝置在現(xiàn)代變電站建設(shè)中廣泛使用，成為了主要的頂升、移運(yùn)、就位設(shè)備[1-2]。

1 重型電氣設(shè)備頂升裝置

1.1 現(xiàn)有重型電氣設(shè)備頂升裝置存在問題

目前，在我國標(biāo)準(zhǔn)的變電站建設(shè)過程中，作為核心設(shè)備的主變壓器，它的安裝與就位施工是整個(gè)變電站建設(shè)過程的重中之重。由于現(xiàn)有施工流程的限制，對于已有的部分安裝技術(shù)無法使用。

如運(yùn)用大型吊車對變壓器進(jìn)行就位施工，在起吊重量方面存在問題。首先通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)主變壓器的重量一般在150 t左右，現(xiàn)場配備的吊車無法滿足起吊重量的要求。其次，由于變電站的場地限制，無法更換滿足吊重的吊車。在安裝過程方面存在限制，對于220 kV室內(nèi)變電站，由于已經(jīng)建成的綜合配電樓的高度限制以及吊車吊臂長度限制，使得吊臂無法進(jìn)入變壓器室內(nèi)進(jìn)行安裝。對于500 kV室外變電站，由于已經(jīng)建成的防火隔離墻和導(dǎo)線支架影響，使得無法進(jìn)行變壓器安裝。在安裝精度方面：由于主變壓器在起吊過程中不可避免地會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，導(dǎo)致主變壓器就位后很難通過震蕩校驗(yàn)，給施工帶來非常不利的影響。

通過對國內(nèi)多個(gè)在建的變電站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)據(jù)分析與跟蹤研究，并根據(jù)電力行業(yè)液壓頂升安裝、移運(yùn)、就位的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，得出這種工程施工具有如下的特點(diǎn)：通常為單件頂升，或者帶有附件；安裝對象的重量較大，一般為180～200 t；總高度差一般小于2m；施工工期緊，通常要求2天完成安裝。

現(xiàn)有的液壓頂升裝置進(jìn)行主變壓器的裝卸和安裝就位施工時(shí)，頂升高度與速度僅依靠人眼觀測，過程的操控完全依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致裝置的頂升效率低，耗工費(fèi)時(shí)，頂升過程穩(wěn)定性差，缺乏精度保障。不僅要在原來的基礎(chǔ)上提高頂升精度，還要最大限度地保證施工過程中人員及器件安全。

1.2 重型電氣設(shè)備頂升裝置的組成

目前，普遍使用的重型電氣設(shè)備頂升裝置主要由液壓千斤頂 QF100T-20b,超高壓液壓泵站YBC-III-D組成（表1、表2）。

表1 液壓千斤頂QF100T-20b參數(shù)

液壓千斤頂QF100T-20b具有輸出力大、重量輕、可在任意空間位置下作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作等特點(diǎn)。

表2 超高壓液壓泵站YBC-III-D參數(shù)

超高壓液壓泵站YBC-III-D可以低壓時(shí)加大給油流量，高壓時(shí)減小給油流量；具有低壓自動(dòng)切換，可以快速回程的特點(diǎn)。

該裝置的具體工作情況如圖1所示。

圖1 重型電氣設(shè)備頂升裝置工況

現(xiàn)有的液壓頂升裝置主要是人工手動(dòng)控制液壓泵站的啟停，分階段多次頂升，其施工步驟見圖2。

圖2 主變壓器頂升流程

與此相應(yīng)的頂升裝置的操作控制如下：首先，進(jìn)行裝置的性能檢查，接通380 V液壓泵站主電源，送電并空載運(yùn)行，檢查液壓泵站及液壓千斤頂工作是否正常，經(jīng)過調(diào)試后處于良好的使用狀態(tài)。其次，進(jìn)行準(zhǔn)備工作，將液壓千斤頂放置于變壓器規(guī)定位置處，加裝墊鐵并連通輸油管路。然后啟動(dòng)液壓頂升裝置，將主變壓器一側(cè)頂起，再進(jìn)行另一側(cè)頂升，左右兩側(cè)交替進(jìn)行；直到變壓器底部與地面空間距離達(dá)到預(yù)定高度時(shí)，采取保險(xiǎn)固定措施，完成頂升[3-6]。

2 重型電氣設(shè)備頂升裝置的數(shù)學(xué)模型

重型電氣設(shè)備頂升裝置可以定性為電液位置伺服系統(tǒng)，由控制單元、伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸、負(fù)載、位置傳感器等構(gòu)成（見圖3）。

2.1 建模的前提假設(shè)條件

電液伺服系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)隨著工作點(diǎn)的變化，引起很多參數(shù)的變化。若將這些參數(shù)的變化全部都考慮到，那么描述系統(tǒng)的模型將會(huì)變得很復(fù)雜，不利于理論分析與計(jì)算。為了使模型簡單直觀，便于分析關(guān)鍵因素，忽略了部分次要因素，具體做了以下的假設(shè)。

a）假定電液伺服閥各節(jié)流口的流量系數(shù)都相同。

b）假設(shè)油缸的內(nèi)、外泄漏都是理想層流。

c）不計(jì)輸油管的壓力損失及其動(dòng)態(tài)特性。

d）不計(jì)頂升缸行程長度的影響，假定油液的體積彈性模量是恒定值。

e）缸內(nèi)粘性摩擦力的作用微小，因此不計(jì)粘性摩擦力的影響。

圖3 電液位置伺服系統(tǒng)原理圖

由于此時(shí)，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固有頻率ωh大于50Hz時(shí)，傳遞函數(shù)能夠簡化為二階環(huán)節(jié)，即為

由閥控缸的基本方程得

活塞位移對液壓缸-負(fù)載的傳遞函數(shù)為

其他環(huán)節(jié)主要包括伺服放大器和位移傳感器?？紤]到這兩個(gè)元件的響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于伺服閥控制液壓缸產(chǎn)生響應(yīng)的速度，故兩者均可以近似看作比例環(huán)節(jié)。因此可得出

2.2 重型電氣設(shè)備頂升裝置的傳遞函數(shù)

本文以液壓頂升裝置為研究對象，所建數(shù)學(xué)模型也是以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。因此，為了保證傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確性，主要參數(shù)的選擇與實(shí)際系統(tǒng)最大限度地保持一致。

根據(jù)上述分析，電液伺服位置控制系統(tǒng)見圖4。

圖4 電液伺服位置控制系統(tǒng)的方框圖

由系統(tǒng)方塊圖可得出開環(huán)傳遞函數(shù)Gk（s）為

3 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

3.1 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)選擇

在對實(shí)際工業(yè)過程進(jìn)行控制時(shí)，技術(shù)人員往往觀測系統(tǒng)的輸出及其變化規(guī)律，或者對兩者綜合考慮來決定所需控制量的輸入情況。因此，這里選用目前普遍使用的兩維模糊控制器和基本的PID控制器進(jìn)行組合，構(gòu)成了具有強(qiáng)魯棒性及良好動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的模糊PID控制器。

控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊PID控制器的輸入量為e（t），輸出量為由kp、ki、kd組成的控制信號u（t），而模糊控制部分主要用于對PID控制部分的參數(shù)進(jìn)行修正。其控制過程為：首先檢測系統(tǒng)的偏差e與偏差的變化率ec，并輸入模糊推理部分與PID控制部分，然后根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行推理并輸出Δkp、Δki、Δkd，實(shí)時(shí)對kp、ki、kd進(jìn)行式（6）中的疊加，從而得到最終的控制效果。

3.2 確定輸入輸出變量及隸屬函數(shù)

模糊PID控制器中，設(shè)置輸入量與輸出量的語言變量分別為：e、ec和Δkp、Δki、Δkd。

在設(shè)置基本論域時(shí)，先對位移偏差e和偏差變化率ec的基本論域一般先做出初步設(shè)置，當(dāng)對控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)修改時(shí)按需要進(jìn)行調(diào)整。對于控制器參數(shù)修正量Δkp、Δki、Δkd的基本論域是依照系統(tǒng)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置的。定義系統(tǒng)變量論域?yàn)?/p>

e、ec的論域{-3，-2，-1，0，1，2，3}

ΔKp的論域{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.2，0.2，0.3}

ΔKi的論域{-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}

ΔKd的論域{-3，-2，-1，0，1，2，3}

3.3 設(shè)置模糊控制規(guī)則表

本文中各個(gè)變量的隸屬函數(shù)都在左側(cè)采用z型函數(shù)(zmf)，在右側(cè)采用s型函數(shù)(smf)，在中間采用三角形函數(shù)(trimf)的組合方式。這樣變量的論域被分為了7個(gè)部分，且各自作為模糊變量與隸屬函數(shù)相一一對應(yīng)。

表3 系統(tǒng)變量模糊控制規(guī)則表

表4 系統(tǒng)變量模糊控制規(guī)則表

表5 系統(tǒng)變量模糊控制規(guī)則表

3.4 解模糊化

解模糊化時(shí)較為常用的是重心法。如ΔKp的第一條模糊規(guī)則的隸屬度求解過程如下所示。

式（7）中*代表取小運(yùn)算，則化簡得

當(dāng)存在某個(gè)輸入量時(shí)，輸出量ΔKp為

其中，為該時(shí)刻的系統(tǒng)偏差和偏差變化率的隸屬度相對應(yīng)的組合隸屬度。

則模糊PID控制參數(shù)的調(diào)整式為

此時(shí)，模糊PID控制器的輸出量即為對重型電氣設(shè)備頂升裝置的實(shí)際控制參數(shù)值。

4 模糊PID控制仿真結(jié)果分析

本文采用的是AMESim/Simulink聯(lián)合仿真。根據(jù)頂升裝置特性把系統(tǒng)分為兩部分，即為液壓執(zhí)行部分與智能控制部分；利用AMESim創(chuàng)建液壓執(zhí)行部分，Simulink設(shè)計(jì)控制器模型。在Simulink環(huán)境中建立模糊PID控制器的模型，在AMESim軟件中搭建液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中的控制部分由聯(lián)合仿真接口AMEsim&Simulink與Matlab相連。

對仿真結(jié)果進(jìn)行分析（見圖6、7），采用PID控制時(shí)系統(tǒng)所達(dá)到的最大值為22.72 cm，最大超調(diào)量為13.6%；峰值時(shí)間為14 s，上升時(shí)間為7 s；取允許誤差范圍為3mm，調(diào)整時(shí)間為50 s。根據(jù)以上性能指標(biāo)，PID控制可以使頂升裝置具有較快的響應(yīng)速度,但會(huì)引起較大的超調(diào)量。采用模糊PID控制策略時(shí)，系統(tǒng)所達(dá)到的最大值為21.37 cm，最大超調(diào)量為6.8%，峰值時(shí)間為12.8 s，上升時(shí)間為6.4 s；取允許誤差范圍為3mm，調(diào)整時(shí)間為56.5 s[7-10]。

5 結(jié)論

經(jīng)過對比分析得出，對于參數(shù)不變的線性被控對象，傳統(tǒng)PID控制器可以獲得良好的控制效果，使系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)；若當(dāng)被控對象具有高度非線性且參數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)，則很難找到合適的PID參數(shù)以控制系統(tǒng)。此時(shí)，若單純采用PID控制已經(jīng)無法同時(shí)獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能，這樣限制了PID控制在高標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。通過采用模糊PID控制策略，使系統(tǒng)的效果得到了改善。在階躍信號作用下，采用模糊理論對PID參數(shù)進(jìn)行修正后，產(chǎn)生響應(yīng)的峰值與超調(diào)量均明顯減小，峰值時(shí)間與上升時(shí)間有所縮短，在相同的允許誤差范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)間較短。在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上引入了模糊理論，將兩者優(yōu)勢結(jié)合，得到模糊PID控制器；使得新的控制器能夠更好地適用于時(shí)變、非線性被控對象。

圖6 PID控制與模糊PID控制的階躍響應(yīng)對比

圖7 PID控制與模糊PID控制的累積誤差對比

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Research on the Control of Lifting-up System of Large-scale Transformer Based on Fuzzy PID

YANG Chen1，YU Shaojuan1，YANG Weiwei2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China；2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

With the continuous developmentofelectric power industry，the traditional controlmode of the existing lifting device has been unable tomeet the requirements of constructing automated and intelligent transformer substations.Based on the research of the application of the heavy electrical equipment lifting device,relevant information are collected and collated.Themathematicalmodel of heavy electricalequipment lifting device is established and simplified，and its stability is analyzed.According to fuzzy control theory and combined with the operation experience on site,the fuzzy PID controller is designed in order to improve the tracking performance of the lifting stage，and theeffectof the controlstrategy isverified by jointsimulation ofAMEsim and Matlab.

heavy electricalequipment；electro-hydraulic servo system;fuzzy control

TH137

A

1671-0320（2015）05-0001-05

太原科技大學(xué)校博科技研究啟動(dòng)資金（20122033），山西省高校教改項(xiàng)目（J2011130，J2013064），同洲電子科技創(chuàng)新基金（TZ201323）

2015-07-19，

2015-07-29

楊 ?。?989），男，山西太原人，2015年畢業(yè)于太原科技大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)；

于少娟（1971），女，江蘇漣水人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，博士，研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍捌湓陔姎鈧鲃?dòng)中的應(yīng)用；

楊尉薇（1985），女，山西運(yùn)城人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)分析工作。