柴油發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的智能控制方法研究

摘要：針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組工況復(fù)雜且勵(lì)磁系統(tǒng)為非線性的特點(diǎn)，使用模糊算法和遺傳算法對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了突增、突減50%額定負(fù)載等工況的仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制器可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)組;勵(lì)磁控制系統(tǒng);模糊PID控制;遺傳算法

0 引言

在船舶電力系統(tǒng)中，主要的電源是柴油發(fā)電機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組一般情況下由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、同步發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)三部分組成。因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境復(fù)雜，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率會(huì)有很大波動(dòng)，非常不利于船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。由于勵(lì)磁控制系統(tǒng)可以平滑調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端的電壓波動(dòng)，因此穩(wěn)定可靠的勵(lì)磁控制系統(tǒng)在船舶航行過(guò)程中起著十分重要的作用。

1 柴油發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)模型

柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)跟蹤負(fù)荷變化來(lái)調(diào)節(jié)供油量，使柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。本文采用液壓式調(diào)速器作為柴油機(jī)調(diào)速器。

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的端電壓進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)控制是較為完善的一種方案，將同步發(fā)電機(jī)的端電壓與額定值的差值作為勵(lì)磁控制器的輸入，勵(lì)磁控制器的輸出為勵(lì)磁電壓，作用于同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，從而使輸出端電壓滿足船舶運(yùn)行要求。根據(jù)相關(guān)要求，同步發(fā)電機(jī)使用星形連接的五階數(shù)學(xué)模型。

柴油發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)的仿真模型是在Matlab/

Simulink中搭建的，主要由勵(lì)磁調(diào)節(jié)模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、同步發(fā)電機(jī)模塊以及負(fù)載模塊組成。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，我們沒(méi)有辦法對(duì)所有系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。對(duì)于非線性的高階復(fù)雜電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用模糊控制方法具有一定的可行性[1]。

模糊PID控制器的設(shè)計(jì)可分為以下步驟：

2.1? ? 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)檢測(cè)到的輸入變量的個(gè)數(shù)和維數(shù)，可以將模糊控制器分為多變量模糊控制器和單變量一維模糊控制器、單變量二維模糊控制器以及單變量多維模糊控制器?？紤]到本文的輸入量是e和ec兩個(gè)參數(shù)，本文選用的是單變量二維模糊控制器。

2.2? ? 定義輸入、輸出模糊集

建立模糊規(guī)則需要用語(yǔ)言變量來(lái)表達(dá)，而模糊語(yǔ)言變量的定量描述由它的隸屬度函數(shù)決定。論域的基本作用是將輸入的變量經(jīng)過(guò)模糊化后變?yōu)殡x散的變量，按照一定的區(qū)域進(jìn)行分配，以及將通過(guò)模糊推理求得的輸出變量按照固定的區(qū)域分配，等待去模糊化[2]。

本文中輸入變量e和ec所對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)的論域?yàn)閇-6，6]，輸出變量kp、ki、kd所對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)的論域?yàn)閇-3，3]。

2.3? ? 確定隸屬度函數(shù)

本文使用了三角形隸屬度函數(shù)對(duì)控制變量進(jìn)行描述。

2.4? ? 模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)

PID 3個(gè)參數(shù)在控制過(guò)程中是緊密相連的，一個(gè)參數(shù)的改變可能會(huì)引起另外兩個(gè)參數(shù)的改變。專(zhuān)家學(xué)者根據(jù)員工多年來(lái)積累的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了49條模糊控制規(guī)則，該規(guī)則詳細(xì)闡述了PID 3個(gè)參數(shù)在任何條件下的控制規(guī)律。

模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 遺傳算法優(yōu)化模糊PID控制器

模糊PID控制器要獲得合適的模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間與精力，效率過(guò)低，不利于在實(shí)際工程中的應(yīng)用。因此，需要用其他智能算法優(yōu)化模糊控制器。

遺傳算法可直接對(duì)問(wèn)題的編碼集而不是變量本身進(jìn)行操作，具有廣泛的實(shí)用性。故本文采用遺傳算法對(duì)模糊PID控制器的比例因子ke、kec和量化因子kp、ki、kd進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)計(jì)遺傳算法優(yōu)化模糊PID控制器的過(guò)程如下：

3.1? ? 選擇合適的編碼方法

遺傳算法的編碼方法有很多種，主要包括二進(jìn)制編碼、浮點(diǎn)數(shù)編碼、格雷碼編碼等[3]。這里遺傳算法采用二進(jìn)制編碼方式，分別優(yōu)化勵(lì)磁系統(tǒng)模糊PID控制器的ke、kec、kp、ki、kd等5個(gè)參數(shù)。

3.2? ? 初始化種群

隨機(jī)產(chǎn)生 psize個(gè)參數(shù)，使用浮點(diǎn)數(shù)編碼作為個(gè)體編碼方式。

3.3? ? 確定適應(yīng)度函數(shù)

在生物學(xué)中，適應(yīng)度是一個(gè)指標(biāo)，用來(lái)衡量某一種群對(duì)它所處環(huán)境的適應(yīng)程度。在遺傳優(yōu)化算法中，將群體中適應(yīng)度函數(shù)高的個(gè)體保留到下一代。本文用ITAE（誤差絕對(duì)值時(shí)間積分）作為適應(yīng)度函數(shù)，具體表達(dá)式為：

3.4? ? 控制參數(shù)的選取

這里我們選擇種群大小psize=10，迭代次數(shù)maxgen=50，變量個(gè)數(shù)nvars=5，交叉概率Pc=0.85，變異概率Pm=0.05。

3.5? ? 遺傳算子的設(shè)計(jì)

本文的選擇算子使用比例選擇算子，變異算子選擇基本位變異算子，交叉方法是單點(diǎn)交叉。

4 仿真分析與研究

本文建立了柴油發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的常規(guī)PID控制器、模糊PID控制器、遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制器3種控制器仿真模型，在突增、突減50%額定負(fù)載的工況下進(jìn)行了仿真分析。

系統(tǒng)在突增、突減50%額定負(fù)載工況下的輸出響應(yīng)曲線如圖2所示。

系統(tǒng)以額定負(fù)載啟動(dòng)，其穩(wěn)定運(yùn)行后，在第7 s時(shí)增加50%額定容量的三相負(fù)載，在第14 s時(shí)減去此三相負(fù)載。對(duì)于勵(lì)磁電壓和端電壓，遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制器比常規(guī)PID控制器和模糊PID控制器更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，超調(diào)量也更小，擁有較好的控制性能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用模糊算法可以改善常規(guī)PID控制器的控制效果，而使用遺傳算法改變模糊PID控制中的比例因子和量化因子可以起到優(yōu)化控制器的作用，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 歐陽(yáng)松，王晶，柯常國(guó).船舶柴油發(fā)電機(jī)組的模糊控制及其優(yōu)化研究[J].船電技術(shù)，2020，40（1）：18-22.

[2] 李兵洋，肖健梅，王錫淮.基于遺傳算法優(yōu)化的同步發(fā)電機(jī)模糊PID勵(lì)磁控制[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，29（11）：78-79.

[3] 王德意，謝博，孫新志.基于遺傳算法的同步發(fā)電機(jī)模糊PID勵(lì)磁控制器[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25（6）：66-69.

收稿日期：2020-04-03

作者簡(jiǎn)介：徐志鳴（1996—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)控制。