PlD算法在發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

馬 莉

（昌吉學(xué)院物理系，新疆昌吉，831100）

PlD算法在發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

馬 莉

（昌吉學(xué)院物理系，新疆昌吉，831100）

發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是電力系統(tǒng)控制的主要環(huán)節(jié)，它能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)正常運(yùn)行提供可靠性、經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文圍繞發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成和功能，介紹了PID控制算法的含義，并進(jìn)一步就PID在發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)討論。

PID算法；發(fā)電機(jī)；自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；應(yīng)用研究

1 發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的核心組成部分。發(fā)電機(jī)的操作特點(diǎn)和它的空載電動(dòng)勢(shì)與Eq的大小有關(guān),而Eq是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的函數(shù)。因此，對(duì)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，可以改變同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，并增強(qiáng)操作的穩(wěn)定性。為了滿(mǎn)足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制是發(fā)電機(jī)運(yùn)行調(diào)節(jié)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1通過(guò)對(duì)某一給定值(參考值)的測(cè)量單元的反饋，對(duì)發(fā)電機(jī)的采樣信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并將其與控制器的偏差進(jìn)行了比較，得到放大后的校正控制器，并經(jīng)控制器校準(zhǔn)放大后，用于觸發(fā)大功率半導(dǎo)體器件(SCR、GTR、IGBT等)，從而控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓或電流。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，數(shù)字電路中通常采用數(shù)字電路中的一部分，嵌入式微處理器使用A/D或D/A轉(zhuǎn)換器，分別將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)或?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。給定值以編碼形式存儲(chǔ)在微處理器中，與生成器的采樣信號(hào)進(jìn)行比較。采樣信號(hào)是定子電壓、電流、頻率、有功或無(wú)功功率,角速度等。采集到的模擬信號(hào)一般通過(guò)電壓、電流互感器或高速變送器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，再與設(shè)定值比較運(yùn)算，由微處理器中的運(yùn)算單元完成。根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果，執(zhí)行儲(chǔ)存在程序存儲(chǔ)器的程序，程序設(shè)置各種所需的控制算法?？刂破鬏敵鲂盘?hào)被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)到功率放大器單元。

圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易框圖

1.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能

（1）高級(jí)控制算法。自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制算法,除了比例控制、PI調(diào)節(jié)、PID調(diào)節(jié)控制這些傳統(tǒng)的PID控制算法,控制方式還可以包括電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)額外的控制,線性最優(yōu)勵(lì)磁控制(LOEC),非線性勵(lì)磁控制(NEC)等模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中難以實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律。

（2）設(shè)置值的數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng)可以任意設(shè)置各種控制參數(shù),如電壓、勵(lì)磁電流、給定一個(gè)差異系數(shù)和階躍響應(yīng)、設(shè)置各種限制、保護(hù)設(shè)定值，調(diào)節(jié)這些可以在線修改的參數(shù),可在本地或遠(yuǎn)程控制遠(yuǎn)程通信來(lái)完成操作。

（3）由監(jiān)管機(jī)構(gòu)內(nèi)部循環(huán)記錄裝置記錄數(shù)據(jù)，可以記錄下勵(lì)磁系統(tǒng)多種參數(shù)和數(shù)據(jù)，一些參數(shù)和數(shù)據(jù)可以從外部輸入勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行反饋，也可以將勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出到外部存儲(chǔ)設(shè)備，準(zhǔn)備未來(lái)的查詢(xún)。

2 PID控制算法的應(yīng)用

2.1 PID控制算法

在控制系統(tǒng)中，PID控制方法是應(yīng)用最普遍的方法。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量PID控制算法，通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。當(dāng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，例如當(dāng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),這個(gè)數(shù)字PID調(diào)節(jié)的過(guò)程傳遞函數(shù)框圖開(kāi)始瞬間t=10，初始值定理，然后控制U(0-10)的輸出，在早期的暫態(tài)擾動(dòng)中，說(shuō)明在擾動(dòng)發(fā)生的暫態(tài)過(guò)程初期，PID勵(lì)磁控制方式的控制作用相當(dāng)增益為KD的比例式調(diào)節(jié)器。

對(duì)電壓調(diào)節(jié)精度而言，由終值定理可知，對(duì)單位階躍輸入E(s)兩個(gè)1/s，輸出控制需要使用增量式PID控制算法，如果控制系統(tǒng)的輸出直接去控制系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，輸出與行動(dòng)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的位置,、稱(chēng)為位置式PID控制算法。其基本思想是，當(dāng)系統(tǒng)的控制量的輸出與設(shè)定值偏差大時(shí)，取消積分作用，以免由于積分的作用造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大，此時(shí)PID控制就蛻化為PD控制。而當(dāng)系統(tǒng)的輸出和設(shè)定值接近時(shí)，引入積分控制，以便減小系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的靜差，提高控制精度具體實(shí)現(xiàn)有如下幾種情況。

2.2 PID算法控制環(huán)節(jié)

（1）比例環(huán)節(jié)。比例控制作用是最基本的控制規(guī)律，它能快速地克服干擾，使系統(tǒng)穩(wěn)定，但對(duì)于控制通道滯后很小，控制要求不高，控制參數(shù)在一定范圍內(nèi)是很差的。

（2）積分環(huán)節(jié)積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PI控制或PID控制,其中PI控制規(guī)律是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律積分能消除余差,適用于控制通道滯后小,負(fù)荷變化小,控制參數(shù)不允許超過(guò)余差。積分控制參數(shù)能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。

（3）差動(dòng)控制可改善動(dòng)態(tài)特性，如降低超調(diào)、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間、允許比例控制、降低穩(wěn)態(tài)誤差、提高控制精度。但如果控制器的微分時(shí)間常數(shù)太大,這時(shí)即使偏差變化速度不是很大，但因微分作用太強(qiáng)，使的控制器的輸出發(fā)生較大變化。當(dāng)控制要求較高時(shí)，微分控制可以與比例微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成的PID控制是一種最理想的控制規(guī)律，它可以消除殘留誤差,增加微分效應(yīng),可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 PID算法的調(diào)節(jié)控制

常規(guī)PID控制器與模糊控制器的設(shè)計(jì)及其魯棒性對(duì)比分析，本次設(shè)計(jì)中采用一個(gè)PID控制器，一個(gè)模糊控制器，一個(gè)模糊自適應(yīng)PID控制器，進(jìn)而比較各自的性能。三種模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)如下。

圖2 PID的simulink連接圖

本次設(shè)計(jì)中分別采用PID控制器，模糊控制器和模糊自適應(yīng)PID控制器，進(jìn)而比較各自的性能。試設(shè)計(jì)常規(guī)PID控制器和模糊控制器分別對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。通過(guò)仿真對(duì)比其控制效果并分析控制器的特點(diǎn)，如下所示。

仿真圖像說(shuō)明：其中，PID：常規(guī)PID控制器仿真結(jié)果；Fuzzypid：模糊自適應(yīng)PID控制器仿真結(jié)果；fuzzy：模糊控制器仿真結(jié)果。從仿真圖像來(lái)看，模糊自適應(yīng)PID的響應(yīng)速度要快于其它兩種控制器，對(duì)應(yīng)的魯棒性最好。當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化，

圖3 3種控制器的階躍仿真曲線

下面通過(guò)仿真對(duì)比分析控制器的魯棒性。

圖4 魯棒性能分析曲線

仿真結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PID控制器的魯棒性最好。在各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，響應(yīng)速度變化不大；靜態(tài)誤差變化不大；響應(yīng)時(shí)間變化也不大。模糊自適應(yīng)PID集成了模糊控制器穩(wěn)定性和PID控制器的快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，既有自適應(yīng)性，又有好的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性。PID調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖5所示。

圖5 PID調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)框圖

其中,U(s)來(lái)控制輸出端電壓VI，1/(1+kI)也可以被看作是一個(gè)大慣性環(huán)節(jié)KP=KD+Ks，KD的傳遞函數(shù)為KP+KI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(KP+KDs)/(1+Ks)可以表示為KD+Ks/(1+Ks)的穩(wěn)定性和擾動(dòng)假設(shè)單位階躍函數(shù)E(s)=1/E,可見(jiàn),PID調(diào)節(jié)等于放大比例調(diào)整分為兩個(gè)部分。在過(guò)渡過(guò)程中擾動(dòng)發(fā)生，控制增益為穩(wěn)態(tài)等效kD比例調(diào)節(jié)，通過(guò)增益kD+Ks調(diào)整比例的上述分析,PID勵(lì)磁控制方式在一定程度上根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)電壓精度之間的矛盾放大的監(jiān)管。

3 結(jié)論

簡(jiǎn)而言之，在自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，PID控制算法取得了良好的控制效果，穩(wěn)定狀態(tài)和瞬態(tài)性能指標(biāo)完全滿(mǎn)足了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，即穩(wěn)定響應(yīng)速度、快速調(diào)節(jié)能力和操作和調(diào)整過(guò)程。這說(shuō)明該控制算法在自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用中的可行性和正確性，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的推廣價(jià)值。

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PID algorithm for automatic adjustment system application in generator

Ma Li
(Department of physics Changji University,Changji Xinjiang,831100)

The generator automatic control system is the main part of the power control system, which can provide the reliability for the normal operation of a generator, the stability of economy and system operation. This paper focuses on the structure and function of automatic control system of the generator, and introduces the PID control algorithm and further the meaning of PID in the generator automatic regulation system application deployment discussion.

PID algorithm; generator; automatic control system; application research