参数自适应模糊PID控制器在自动励磁调节系统中的应用解读

1、第32卷第1期2003年2月贵州工业大学学报(自然科学版J OURNAL OF GU IZHOU UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GYVol. 32No. 1February. 2003(Natural Scie nee Editi on文章编号：100920193(2003 0120054204参数自适应模糊PID控制器在自动励磁调节系统中的应用郝加臣,余发山,王福忠，王红旗(焦作工学院电气工程系,河南焦作454000摘 要:在参数自适应模糊PID控制器的基础上,PID参数的在线自动整定,并 且在MA TLAB究,仿真结果表明,参数自适应模糊,对进一步应用研究具有较大的

2、参考价值。关键词:PID ; ; ; 4文献标识码:A0引言传统PID控制器结构简单，具有一定的鲁棒性，容易实现,稳态无静差，控制精 度高,能满足大工业过程的要求。因此，长期以来广泛应用于工业过程控制，并取得 了良好的控制效果。但是，实际上,大多数工业过程不同程度的存在非线性、大滞 后、参数时变性和模型不确定性,因而普通的PID控制器难以获得满意的控制效 果。模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服传统PID控制器的 缺点,人们将模糊控制与PID控制器结合起来,扬长避短,研究出了多种模糊PID控 制器,本文采用的参数自适应模糊PID控制器即为其中的一种。1自动励磁调节系统在电力系统

3、运行中，同步发电机的励磁电流是电力系统无功功率的主要来源之 一，同步发电机励磁系统的特性对电力系统运行的作用，无论在正常情况，或是在事故情况下,都是十分重要的。自动励磁调节系统应该能保证电力系统正常运行情况 下发电机机端电压基本不变，保证机组间无功负荷的合理分配，提高电力系统的静态 和动态稳定性，在暂态过程中(如故障切除后，个别发电机失磁等 能加速电网电压恢 复,提高电能质量。自动励磁调节系统由以下几部分构成，自动调压器(控制器；可控硅整流及脉冲 移相触发装置，这是一个放大环节，它把控制器送来的控制信号经触发装置转换为一 移相脉冲信号，从而控制可控硅的导通角，调整可控硅的输出，控制励磁电流的大

4、小, 它的传递函数为K s ,是输出输入的电压比；同步发电机，它是一惯性环节，传递函数 为 G (s =K 1+ T g电压互感器,T表示电机的时间常数,K g表示电机一阶元件的放大系数 与整流电路，这是一惯性环节，传递函数为G (s =1+ Tr,表示滤波回路引起的时间常数,一般可设0<Tr<0. 06, K r表示电压幅值比例常数。2参数自适应模糊PID控制器的设计2. 1模糊控制系统结构参数自适应模糊PID控制器的系统结构主要由参数可调PID和模糊控制系统两部分构成,其结构如图收稿日期：2002-05-281所示I 0图1参数自适应模糊PID PID控制器实现对系统的控制，,

5、采用模糊推理方法 对PID参数KP、KD、KI进行在线整定,ec对控制器参数的不同要求,而使被控 对象具有良好的动态、2. 2 PID通常,PID :u (t =K p e (t +K ite (t d t +K d针对不同的e和ec人们总结出了一套KP、KI、KD的整定原则：(1当|e较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,应取较大的KP与较小的KD , 同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取KI =0;(2当|e和|ec中等大小时，为使系统具有较小的超调,KP应取得小些。在这种 情况下,KD的取值对系统的影响较大,应取得小一些,KI的取值要适当。(3当|e较小时,为使系

6、统具有较好的稳定性能,KP与KI均应取得大些，同时为 避免系统在设定值出现振荡,并考虑系统抗干扰性能,当|ec较大时KD可取得小些; |ec较小时KD可取大一些。2. 3各变量隶属度函数的确定根据要求，用于PID参数调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式。该控制 器是以|e和|ec作为输入，以KP、KI、KD作为输出。输入语言变量e和ec的论 域均为-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1,2, 3, 4, 5, 6,输出语言变量 KI、KP、KD 的论域均 为0,1,2, 3, 4, 5, 6,其隶属度函数分别如图2和图3图2 e及ec隶属度函数图3 KI、KP及KD隶属度函

7、数2. 4建立模糊规则表根据以上所述的PID参数调整原则可以得到输出变量 KP、KI、KD的控制规 则如下表所示。55第1期郝加臣，等:参数自适应模糊PID控制器在自动励磁调节系统中的应用表1 KP的模糊控制规则表ecKP NB NM ZO PM PBNB M B B B M NM S S M S S ZO S M B M S PM S S M S S PBMBBBM表2 KI的模糊控制规则表ecKINB NM ZO PM PBNB Z Z Z Z Z NM S M M M S ZO M B B B M PM S M M M S PBZZZZZ表3 KD的模糊控制规则表ecKDNB NM ZO

8、 PM PBNB S S Z S S NM M M S M M ZO S M B M S PM M M S M M PBSSZSS3 模糊PID在MA TLAB的Simulink环境下根据图1。其中同步电机的模型 参数由实验室TFDW-112L1220V ,额定功率1kVA ,额定转速3000:可控硅及触发装置的放大倍数 K s为55,发电机的机电时间常数 ms g 1,为50ms ,电压幅值比K r为1.V ,且在系统响应后的5s在发电机机端电压上附加了一个宽度 2s幅值为220V 的负脉冲扰动信号，用来模拟机端电压突然对地短路 2s后,检验系统的快速恢复能 力，系统响应曲线（注:该曲线为经

9、过电压互感器并整流后的响应曲线如图5所示。由响应曲线可知，该系统具有很好的动态特性和稳态特性，系统无超调，调整时间ts 仅为0. 4s，上升时间t r仅为0. 3s ;在系统受到较大干扰的情况下，干扰开始时，电 压迅速降低，经0. 3s迅速稳定输出电压到给定值；干扰结束时，电压迅速上升，经0. 3s系统调节输出电压到给定值。在系统稳态运行时，该装置的输出稳定且无静差。 另外，根据实验室条件，对参数自适应模糊PID控制器TFDW -112L1型小型无刷同 步发电机励磁调节中的应用效果进行了动模实验，实验结果表明系统响应曲线与仿 真曲线基本相符，应用效果较好，达到了预期的目的。图4参数自适应模糊P

10、ID自动励磁调节系统仿真框图4结论本文通过在MA TLAB下的仿真研究以及实验室的动模实验,结果表明参数自 适应模糊PID控制器在同步发电机自动励磁调节系统中的应用取得了很好的控制效果 ，系统稳态和暂 态性能指标完全符合发电机对励磁系统的要求，即很快的响应速度、足够的调整容 量以及运行及调节过程的稳定性。这说明了本控制策略在自动励磁调节系统应用的 可行性和正确性，在实际应用中有一定的推广价值。65贵州工业大学学报（自然科学版2003 年图5参考文献：1陶永华,尹怡欣,葛芦生 ：机械工业出版社，1998. 2欧阳黎明.MA M .:国 防工业出版社,2001. 3孙庚山，兰西柱.M .北京:机械

11、工业出版社,1995.4李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论M 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版 社,1998.5华北电力学院.电力系统自动化原理与技术M .北京:电力工业出版 社,1981. 6许正亚.电力系统自动装置M .北京：电力工业出版社,1980.Parameter Self tuning Fuzzy PID Controller' s Application inAutom atic R egulat ing Excitatio n SystemHAO Jia 2chen , YU Fa 2shan , WAN G Fu 2zh ong , WAN G Hong 2qi(Dep

12、artme nt of Electrical Engin eeri ng , Jiaozuo In stitute of Tech no logy , Jiaozuo454000, China Abstract :ln the paper , based on parameter self -tuning fuzzy PID controller , a fuzzy inference method is utilized to realize automatic regulating PID parameter , and the application of the controller in auto 2matic regulating excitation system is studied with MA TLAB. The results of simulation indicate that the controller gives a good con trol performa nee and has a high refere nee value for further applicati ons. K ey w o