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    案例頻道

    模糊PID控制在水輪發電機調速系統中的應用及其仿真
    • 企業:控制網    
    • 點擊數:2775     發布時間:2006-07-23 02:02:49
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    常規PID控制原理簡單,操作方便,但對于某些對象參數變化大、延時環節較大、隨機干擾明顯的情況,常規PID控制難以適應。利用模糊技術對KP、KI、KD進行在線調整可以一定程度上提高PID控制器的適應性。通過對水輪機調速系統進行仿真,表明了該控制方式控制效果優于常規PID控制。
    1 引言
           水輪發電機組是一個具有非最小相位、非線性時變特性,集水、機、電為一體的典型工業對象,對它的控制是一個長期未能很好解決的問題, 水輪機調速器的有效和可靠運行已經影響到電力系統的穩定。迄今為止,目前的水輪機調速系統大多采用PID控制。但這些控制方法難以在所有工況下都滿足其提出的控制要求。所以在這探討模糊PID控制。模糊控制根據專家經驗利用模糊技術對kP、kI、kD進行在線調整可以一定程度上提高PID控制器的適應性、魯棒性。
    1 水輪機組特性描述
           水輪發電機組的調節系統主要由調速器、隨動系統、壓力引水系統、導葉、水輪機及負荷組成,如圖1所示。

    圖中水輪發電機系統各環節簡化的動態特性可描述如下:
    1.1水輪機
    由參考文獻[3]可知,對于混流式水輪機,其動態特性可表達為:
    Mt=Mt(H,n,a)
                        Qt=Qt(H,n,a)                                              (1)
    式中  Mt――水力矩
    Qt――流量
    H――水頭
    n――轉速
    a――導葉開度
    將對應于Mt、Qt、H、n、a的相對偏差量分別
    記為mt、qt、x和S,由(1)式可得
    mt=mt(h,x,S)
                       qt=qt(h,x,S)                                              (2)
            在波動較小時,可將(2)式在工作點附近展開為泰勒級數,并略去含二階以上各階導數項,能得到如下的6系數水輪機動態特性表達式
    mt=ehh+exx+eττ
                       qt=qqhh+eqxx+eτ                                                                           (3)
             由于導葉開度a與主接力器行程yh有漸近線性關系τ=kτyh,令ey=kτeτ,eqy=kτe,則(3)式變為
    mt=ehh+exx+eyyh
                  qt=qqhh+eqxx+eqyyh                                            (4)
    式中:eh= mt/ h, ex= mt/ x, ey= mt/ yh, eqh= qt/ h, eqx= qt/ x, eqy= qt/ yh                (5)
    1.2壓力引水系統:
                        h=-Twdqtdt                                           (6)
    式中 Tw――壓力引水系統水流慣性時間常數
    1.3發電機及負荷系統:
                        Tadxdt+egx=mt-mg0                                          (7)
            式中,Ta是機組慣性時間常數與負荷時間常數之和,mg0是由于系統用戶投入或切除引起的負荷力矩變化,它與系統頻率變化無關,一般把它看成擾動量,eg是發電機負荷自調節系數,表示由系統頻率變化引起的負荷波動。
    (4)隨動系統
                         Tydytdt+yh=u                                       (8)
    式中 Ty――隨動系統的時間常數
    對上述各環節進行拉氏變換,可得到如下的水輪機調節系統的線性化傳遞函數

    (9)

    2  比例因子自調整模糊PID控制系統結構和參整定
    2.1模糊PID控制系統的結構
    模糊PID控制系統的結構圖如圖二示。圖中e、ec分別為誤差和誤差的變化率。模糊控制器主要用來對PID控制器三個參數KP、KI、KD進行調整改善控制效果。

    2.2 參數整定原則
            模糊控制器對PID參數KP、KI、KD的整定原則。
            模糊控制器根據e的絕對值|e|和ec的絕對值|ec|對KP、KI、KD進行在線調整,歸納了不同的|e|和|ec|對于KP、KI、KD的影響。當|e|較大時,應當取較大的KP和較小的KD,為了防止出現振蕩應取KI=0,當|e|中等大小時,為防止較大超調,應適當減小KP,KD對系統的影響,較大可適當加大一點。當|e|很小時,為了提高穩態精度,可以加大KI,|ec|較小時KD取較大,|ec|較大時KD取較小。
    3 系統各部分的具體設計
    3.1 各變量隸屬函數的確定

             用于對PID參數控制的模糊控制器采用兩輸入三輸出的形式。該模糊控制器以|e|和|ec|為輸入語言變量,以KP、KI和KD為輸出語言變量.各語言變量的語言值均取為“大”0(B)、:“中”0 (M)、“小”0(S)、“零”0(Z)四種相應的隸屬函數曲線如下圖所示。



    3

    3.2 建立模糊控制器的控制規則表
    根據PID參數的整定原則及專家經驗,可得KP、KI、KD的整定規則如下表1-3所示。
                                        KP控制規則表
    ec
    e
     
    Z
    S
    M
    B
    Z
    Z
    S
    M
    B
    S
    B
    B
    M
    B
    M
    B
    B
    M
    B
    B
    M
    M
    S
    S
                                        KI控制規則表
    ec
    e
     
    Z
    S
    M
    B
    Z
    B
    M
    Z
    Z
    S
    B
    M
    Z
    Z
    M
    B
    B
    S
    Z
    B
    B
    M
    S
    Z
                                        KD控制規則表
    ec
    e
     
    Z
    S
    M
    B
    Z
    Z
    S
    M
    B
    S
    Z
    S
    M
    B
    M
    Z
    S
    M
    B
    B
    Z
    Z
    M
    S
                                          表1-3
    3.3 模糊控制器量化因子的確定
            設誤差的基本論域為[-em,em],誤差變化率的基本論域為[-ecm,ecm],誤差和誤差變化率量化等級分別為n、m,則誤差的量化因子為αe=n/|em|,誤差變化率量化因子為αec=m/|ecm|。em和ecm應視不同工況而定。
    4  系統仿真

    由前述知水輪機調速器的傳遞函數可設定為

            運用matlab6中simulink進行仿真,得圖4。圖4中的曲線a是常規PID控制效果,b是模糊PID控制的效果。

            對比以上對兩種控制方式進行仿真的結果可以看出,模糊PID控制的效果要優于一般的PID控制。模糊PID控制有效的提高了系統響應的快速性,減小了超調量、系統的穩態精度和魯棒性也有所提高。

    5  結束語
           將常規PID控制與模糊系統相結合,通過仿真水輪機調速器模型的仿真結果,驗證了模糊PID控制是一種有效的智能控制算法。該方法的突出的優點是能夠有效的提高系統的動態特性、穩態精度及魯棒性。
     
    參考文獻:
    [1]羅南華,楊曉菊.水輪機調節系統的控制技術與發展[J].基礎自動化,1998
    [2]羅光明,黃曉宇,朱建林.基于MATLAB的模糊自整定PID參數控制器計算機技術[J].機械與電子,2001-21
    [3]李植鑫,陳啟卷.模糊控制器在水輪機調節中的應用[J].武漢水利電力大學學報,1989,22(5)1
     
    作者簡介:朱慶軍 男 1979年出生 武漢理工大學自動化學院 2003級碩士研究生 研究方向:控制理論與控制工程




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