（电工理论与新技术专业论文）基于免疫算法优化的模糊自调整pid控制器的研究.pdf

at h e s i si nt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nf u z z ys e l f - a d ju s t i n gp i d c o n t r o l l e rb a s e do ni m m u n e a l g o r i t h m o p t i m i z a t i o n b yw a n g l i h u a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl is h i p i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 8 垃甚譬孽蟊墨焉岔掣；i 0量l l一。0囊 独创性声明 q 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 ，0的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 _ 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚 挚的谢意。 学位论文作者签名：立乃i | 9 擎 e l 凝：】3 s 。s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i i，毒，1 飞 ，i 东北大学硕士学位论文 摘要 基于免疫算法优化的模糊自调整p i d 控制器的研究 摘要 随着电力系统规模的日益扩大，保证系统运行的可靠性和稳定性，提供合格的电能 质量和良好的动态品质具有极其重要的意义。同步发电机励磁控制系统是电力系统控制 的重要部分，能够起到减小电压波动、平衡无功功率分配、提高系统抗干扰、维护系统 运行稳定性等作用，因此对同步发电机励磁控制系统的优化研究对整个电力系统的运行 都具有决定性的意义。 传统p i d 励磁控制器结构简单，具有一定的鲁棒性，容易实现，有着广泛的应用， 并取得了良好的控制效果。但是，随着电力系统规模的不断扩大和容量的增加，对同步 发电机运行的可靠性和动态品质要求也越来越高，传统的p i d 励磁控制器已经不能很好 满足这一要求，寻找更好的控制算法势在必行。针对励磁控制系统非线性强及模型参数 不确定的特点，本文主要研究了模糊自调整p i d 控制算法及其优化算法，并通过理论分 析和仿真实验证明了控制算法的有效性。 首先，研究了模糊控制理论。模糊控制无需知道被控对象精确的数学模型，对多输 入多输出、时变及滞后等复杂系统都能进行控制，它的实现主要依赖模糊规则库。模糊 控制的控制机理和控制策略易于理解和接受，并且控制规则库可以不断丰富和完善，使 模糊控制具有很强的自适应性。然后，针对同步发电机的励磁控制系统的特点和要求， 将传统p i d 控制与模糊控制的优势互补，设计了一种模糊自调整p i d 控制器。它可以根 据电力系统运行的变化，实时地调整p i d 励磁控制器参数，充分利用了p i d 控制器结构 简单、容易实现和模糊控制鲁棒性强、自适应能力强的特点。 本文进一步使用免疫算法对模糊自调整p i d 控制算法进行优化，解决了模糊自调整 p i d 控制算法的模糊规则较多、算法实现计算量较大等问题，提高了模糊自调整p i d 控 制的自适应能力。理论分析与仿真结果表明，与常规p i d 控制、模糊自调整p i d 控制相 比，本文所设计的控制器具有更强的鲁棒性、抗干扰性。而且系统设计简单，为该算法 应用到励磁系统奠定了基础。 关键词：励磁控制；p i d 控制：模糊自调整p i d 控制；免疫算法 一一 、， ，寸v 。y心j 飞 审 h 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nf u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rb a s e do ni m m u n e a l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n s i o ns c a l eo fp o w e rs y s t e m ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt ok e e p p o w e rs y s t e m a t i cr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , a sw e l la ss u p e rp e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cq u a l i t y s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m i sa ni m p o r t a n tp a r ti np o w e rs y s t e m o p e r a t i o n i ti sd e s i g n e dt o r e d u c ev o l t a g ep u l s a t i o n ，e q u i l i b r a t ei n a c t i v ep o w e ra s s i g n ， i m p r o v es y s t e m a t i c a n t i i n t e r f e r e n c ea n dm a i n t a i ns y s t e m a t i co p e r a t i o ns t a b i l i t y s ot h e o p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o rh a s d e c i s i v em e a n i n gt ot h eo p e r a t i o no ft h ew h o l ep o w e rs y s t e mc o r r e c t l y t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rh a st h ec h a r a c t e r so fs i m p l es t r u c t u r e ，r o b u s t n e s s ，e a s yt o i m p l e m e n ta n ds oo n ，w h i c hh a v eb e e na p p l i e dw i d e l yw i t hg o o dc o n t r o le f f e c t h o w e v e r , w i t ht h ec o n s t a n te x p a n s i o no ft h ep o w e rs y s t e ma n di n c r e a s i n go fc a p a c i t y , t r a d i t i o n a lp i d e x c i t a t i o nc o n t r o l l e rc a nn o tm e e tt h i sr e q u i r e m e n t s oi ti si m p e r a t i v et ol o o kf o rab e t t e r c o n t r o la l g o r i t h m a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r so fs t r o n gn o n l i n e a r i t ya n du n c e r t a i n t yo fp r a c t i c a l e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ef u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h m a n di t so p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h mw a sv e r i f i e db yt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n f i r s to fa l l ，t h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yh a sb e e ns t u d i e d f u z z yc o n t r o ld o e sn o tr e q u i r e a c c u r a t ep l a n tm o d e l ，i tm a i n l yr e l i e so nt h ef u z z yr u l e sd a t a b a s et oc o n t r o lt h ec o m p l e x s y s t e m ，f o re x a m p l em u l t i i n p u t - m u l t i - o u t p u ts y s t e m ，t i m e - v a r y i n gs y s t e mo rl a gs y s t e ma n d s oo n f u z z yc o n t r o l - m e c h a n i s ma n dc o n t r o ls t r a t e g ya r ee a s yt ou n d e r s t a n da n da c c e p t t h e f u z z yc o n t r o lh a ss t r o n ga d a p t a b i l i t yf o rt h a tt h er u l e sc o u l db ee n r i c h e da n di m p r o v e d c o n t i n u o u s l y t h e ni nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i s i t i o no ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r e x c i t a t i o nc o n t r o l ，t h i sp a p e rp r e s e n t saf u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i de x c i t a t i o nc o n t r o l l e r i nt h i s s t r a t e g y , t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o la r ee f f e c t i v e l ya s s o c i a t e d t h er e a l t i m e p i dp a r a m e t e r sc o u l db ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o n t h i sc o n t r o l l e rm a k e sf u l lu s eo ft h ec h a r a c t e r so fs i m p l es t r u c t u r ea n de a s yt oi m p l e m e n to f t h ep i dc o n t r o l l e r , a n ds t r o n ga d a p t i v ec a p a c i t ya n dr o b u s t n e s so ft h ef u z z yc o n t r o l l e r t h i sp a p e ru s e si m m u n ea l g o r i t h mt oo p t i m i z ef u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h m f u r t h e r i ts o l v e st h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a lf u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o lw h i c hh a st h e d i s a d v a n t a g e so fm u l t i p l ef u z z ym l e sa n dc o m p l e xc a l c u l a t i o n t h i so p t i m i z a t i o na l g o r i t h m g a l lf u r t h e ri m p r o v ea d a p t i v ec a p a c i t yo ft h et r a d i t i o n a lf u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e r 一l 一 查! ! 垄兰塑主堂位论文 a b s t r a d 一一一 ： t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nc o m p a r i e dw i t hc o n v e n t i o n a l p i dc o n t r o l l e ra n d t r a d i t i o n a l f u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l l e rd e m o n s t r a t et h a tt h i sc o n t r o l l e rh a sb e t t e r r o b u s t n e s sa n dn o i s ei m m u n i t y t h es y s t e m a t i cd e s i g ni ss i m p l ea n dl a i e saf o u n d a t i o no ft h e e x c i t a t i o nc o n t r o la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：e x c i t a t i o nc o n t r o l ；p i d c o n t r o l ；f u z z ys e l f - a d j u s t i n gp i dc o n t r o l ；i m m u n e a l g o r i t h m 一一 一步 ， ，、，u 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明1 摘要i i a b s t r a ( 了r l i l 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外发展与研究现状1 1 3 模糊控制理论的产生与发展。3 1 4 模糊控制的特点4 1 5 同步发电机励磁控制系统的基本要求。4 1 6 本课题的主要目的及本论文完成的主要工作5 1 6 1 主要目的5 1 6 2 论文完成的主要工作5 第2 章控制算法原理7 2 1p i d 控制的基本理论7 2 1 1p i d 控制的基本原理7 2 1 2 数字p i d 控制算法8 2 1 3p i d 控制器参数整定方法及其研究。1 0 2 1 4p i d 控制的优缺点。1 5 2 2 模糊控制理论1 5 2 2 1 模糊集合的基本知识1 5 2 2 2 模糊控制算法的基本原理1 7 2 2 3 模糊控制算法的实现方法1 8 2 3 免疫系统分析。2 1 2 3 1 免疫系统的基本原理2 l 2 3 2 免疫系统的特点2 2 2 3 3 免疫反馈控制算法。2 2 一v 一 ，协 ， 东北大学硕士学位论文目录 2 4 本章小结。2 4 第3 章模糊自调整p i d 励磁控制器的研究2 5 3 1 励磁系统的组成。2 5 3 2 与无穷大系统并联运行的同步发电机的基本方程组2 5 3 3 单机系统励磁控制的数学模型2 8 3 4 传统p i d 励磁控制器3 0 3 5 模糊自调整p i d 励磁控制器的设计3 1 3 5 1 模糊控制器结构设计3 1 3 5 2 模糊控制规则的选取3 6 3 5 3 建立模糊控制查询表3 7 3 5 4 自调整模糊控制规则4 0 3 5 5 模糊量的清晰化4 3 3 5 6 模糊励磁控制系统的计算机程序实现4 3 3 6 仿真结果及分析4 3 3 6 1 励磁控制系统参数设定4 3 3 6 2p i d 及模糊自调整p i d 参数整定公式4 3 3 7 本章小结4 7 第4 章模糊自调整p i d 励磁控制器的优化研究4 9 4 1 基于免疫算法的模糊自调整p i d 控制器的研究4 9 4 1 1 免疫反馈算法机理4 9 4 1 2 模糊免疫p i d 励磁控制器的设计5 0 4 1 3 反馈规律的模糊自调整5 1 4 1 4p i d 参数k 和l ( d 的模糊自调整5 3 4 1 5 仿真结果及分析。5 3 4 2 模糊控制算法的软件实现5 7 4 2 1 模糊控制算法的c 语言实现5 7 4 2 2 控制算法程序流程图5 9 4 3 本章小结5 9 第5 章总结与展望6 1 一一 q ， ， fi ， 东北大学硕圭兰堡垒查一旦查 - - - _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ - - - _ _ _ - _ - l - - _ - - _ _ _ - - - _ _ _ - - _ _ _ _ - _ - - - - - _ _ - _ _ _ 一一 参考文献6 3 致谢6 7 攻读硕士期间发表的论文6 9 一l 一 t ；、 0 0l，1下j 东北大学硕士学位论文 笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 自上世纪六十年代以来，现代控制理论在工业生产过程、军事、科学研究以及民用 等方面都取得了成功的应用。随着科学技术迅猛的发展，各个领域内对控制在精度、速 度、稳定性、适应能力等方面的要求越来越高，系统也复杂多变，由于被控对象或过程 的非线性、时变性、随机干扰、过程机理复杂等原因，使被控对象难以建立精确模型。 为了解决现代控制理论在工业生产过程应用中所遇到的被控对象精确模型不易建立、合 适的最优性能指标难以构造、所得最优控制器往往过于复杂等问题，近几十年中不断提 出一些新的控制方法和理论，例如自适应控制、模糊控制、预测控制、容错控制、鲁棒 控制、非线性控制和大系统、复杂系统控制等，大大地扩展了控制理论的研究范围。 随着社会的发展，整个国民经济对电力的需求越来越大，随之对电能质量和电力供 应的可靠性也提出了更高的要求。电力系统的安全稳定运行对经济的发展和社会的和谐 稳定是至关重要的。为了达到提高系统稳定性和改善运行质量及动态品质的目的，采用 控制发电机组的方法比采用其它方法具有明显的优越性，它不仅节约投资，而且在系统 正常运行中能起到其它措施起不到的作用。发电机励磁控制系统是电力系统控制的重要 组成部分，它直接影响着发电机的运行可靠性、经济性和系统运行的稳定性l 蚴。在电力 系统正常运行情况下，发电机的励磁控制能够起到减小电压波动、平衡无功功率分配的 作用；在系统发生事故时，调节发电机的励磁电流可以提高系统抗干扰能力，维持系统 的运行稳定性。所以研究和设计发电机励磁控制系统一直是电力系统学者关注的课题， 它的优化和发展对发电机乃至整个电力系统的运行具有决定性的意义 3 , 4 1 ，励磁控制系统 包括两个方面的内容，一是主励磁本身的改进与发展，二是励磁控制方式的改进与发展。 本文的重点是研究励磁控制的调节规律。针对励磁控制系统模型参数不确定，非线性强 的特点把模糊控制理论应用于同步发电机励磁控制系统，从而改善了励磁控制系统的稳 定性和控制精度。 1 2 国内外发展与研究现状 控制理论的发展是由单变量到多变量，由线性到非线性，最终向智能控制方向迈进， 发电机励磁控制也经历了与之完全相适应的发展过程。励磁控制器的控制规律研究一直 是控制领域和电力系统一个极为活跃的课题。同步发电机的励磁控制技术总是随着控制 理论发展而发展的，控制理论的每一步发展都将引起同步发电机励磁控制技术的突破1 5 l 。 从上世纪4 0 年代开始，同步发电机励磁控制主要经历了不同的发展阶段。 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 古典控制 这种励磁控制规律以古典控制理论为基础，首先从单机系统的分析和研究开始，提 出了按机端电压偏差调节的比例调节方式。由于比例调节方式是以电压调节为主的单一 调节方式，不能很好的满足系统稳定以及稳态调压精度等多方面的要求，于是人们提出 了按电压偏差调节的p ( 比例) i ( 积分) d ( 微分) 调节方式。但是p i d 调节方式在 提供人工阻尼方面也存在不足，为了解决这一问题，d e m e l l o 采用了古典励磁控制技术 的相位补偿技术，提出了发电机的励磁附加控制技术一电力系统稳定器( p s s ) 6 1 。p s s 在单机一无穷大系统中的应用已取得了良好的效果，能有效的抑制系统的振荡，提高系 统的稳定性，因此在国内外都获得了广泛的应用。但是，p s s 在多机系统中还存在一些 问题尚未解决。 ( 2 ) 线性最优控制 随着线性最优控制技术的发展，为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及其动态品 质，7 0 年代初国际上一些学者提出了线性最优励磁方式( l o e c ) f 7 l 。用线性最优控制 技术设计的线性最优励磁控制器具有很宽的适用范围，能够满足电力系统运行变化方式 的要求。从理论上讲线性最优励磁控制方式可以从根本上解决电力系统的多种模式震荡 问题，能取得比p s s 更好的效果。 线性最优励磁控制方式虽然弥补了p s s 控制方式的不足之处，但是线性最优励磁控 制只适用于理想状态的系统。此外，这种针对电力系统局部线性化模型设计的控制器对 于强非线性的大干扰控制效果不理想。 ( 3 ) 非线性多变量控制 电力系统是一个非线性动力系统，它的工作条件和运行状态时刻都在发生变化，要 想真实地反映系统及其运行的状况，系统的模型就必须选择非线性的模型，应用非线性 系统状态反馈精确线性化理论设计的非线性励磁控制器，采用了可覆盖大干扰和小干扰 各种动态过程的电力系统非线性模型，并适应于电力系统运行方式的各种变化，对网络 参数的变化具有很好的鲁棒性。随着非线性控制理论的发展，各种非线性励磁控制方式 也迅速发展起来，主要有以下几个方式的非线性励磁控制：基于大范围直接线性化的非 线性励磁控制方式；基于李亚普诺夫稳定性理论的非线性励磁控制方式；基于日。鲁棒 控制的非线性励磁控制方式以及基于变结构控制的非线性励磁控制方式等。虽然在理论 上证明这些控制方式对电力系统具有较好的控制效果，但是由于其理论尚未完全成熟， 其数学工具又具有一定的抽象性、复杂性，使得非线性励磁控制方式的推广应用受到了 严重的影响，到目前为止仍停滞在理论研究阶段t s - t o l 。 ( 4 ) 智能控制 智能励磁控制方式【u , 1 2 包括了：人工神经网络控制、模糊控制、专家控制、以及基 一2 一 。z 弋： 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 于遗传算法的控制等。他们的基本特点是不依赖于被控对象的精确数学模型，而是基于 某种智能概念模型，将控制理论和人们的经验与直觉推理相结合，具有处理非线性、并 行计算、白适应、自学习、自组织等方面的能力。 尽管这些智能励磁控制方式i 拉1 5 1 具有种种优点，但是目前它们的研究尚停留在仿真 试验阶段，一些得到应用的实例也只是限于简单的系统，要想把它们在实际系统中推广 应用，还有很多理论和实际的问题需要解决。 ( 5 ) 综合控制 前面所提到的各种控制方式都有各自的优点和不足，每种控制方式在解决某一方面 的问题时有着良好的效果，但是往往在设计或控制过程中都有难以解决的问题。因此， 如果将这些控制方法结合起来，最大限度的发挥这些控制方法的优点，并尽量避免它们 的不足，将会把电力系统的励磁控制推到一个全新的阶段【1 6 1 。综合励磁控制可分为两个 方面g ( a ) 智能控制和现代控制理论的结合； ( b ) 各种智能控制理论之间的交叉结合。 目前在电力系统励磁控制中研究的热点是神经网络与专家系统的结合，模糊控制与 专家系统的结合，神经网络与模糊控制的结合，遗传算法与它们之间的结合等等。虽然 综合控制在励磁控制中的研究刚刚起步，但是可以看出，对于电力系统这个复杂的非线 性大系统而言，综合控制有着巨大的发展潜力。 总之，无论采用哪种励磁控制方式，都是为了较好的改善励磁系统的动、静态特性， 改善发电机的运行特性，使得电力系统安全经济运行。 1 3 模糊控制理论的产生与发展 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 在他的 f u z z ys e t ) ) 文中首先提 出了模糊数学的概念。随之，模糊控制理论及其应用也迅速发展起来。在7 0 年代，提 出了模糊控制问题，并在这一领域开展了大量的研究。1 9 7 4 年，e h m a m d a n i 首先用模 糊控制语句组成模糊控制器，对一个试验性的蒸汽机使用了2 4 条“i faa n dbt h e nc 形式的语言规则实现了控制，取得了比传统的d d c 控制好的效果。以后在英国、丹麦、 荷兰、日本等国，人们先后对不同的复杂控制对象进行了不同程度的模糊控制，均取得 了较好的效果。 1 9 7 5 1 9 7 6 年，荷兰、丹麦等国家在工业过程中应用了模糊控制，取得满意的成果。 1 9 7 5 年英国的p j k i n g 和e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度 控制，也取得了好的控制效果。 1 9 8 3 年，日本日立制造厂系统开发研究所的安信等人，采用预测模糊控制方法对电 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 气铁路列车的运行和停止进行控制，运行结果表明模糊控制与熟练驾驶员控制结果相 当，而电能节约1 1 1 4 。 日本富士电机公司、立石电机公司分别在1 9 8 7 年和1 9 8 9 年生产出通用模糊控制器 及相应的控制软件。 目前，模糊控制技术日趋成熟和完善，模糊芯片也已研制成功且功能不断加强。另 外除了简单模糊控制技术不断发展以外，在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模 糊控制上也取得较大发展。随着其它学科新理论新技术的建立和发展，模糊理论的应用 将变得更加广泛【1 7 1 。 1 4 模糊控制的特点 模糊逻辑控制( 简称模糊控制) 就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控 制方法，它是建立在人工经验的基础上。对于一个熟练的操作人员，它并非需要了解被 控对象精确的数学模型，而是凭借其丰富的实践经验，采取适当的对策来巧妙地控制一 个复杂的过程。若把操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，就是一种 定性的、不精确的控制规则，再用模糊数学将其定量化就转化为模糊控制算法，从而形 成模糊控制理论。短短十多年来模糊控制发展如此之快，这主要归结为模糊控制器的以 下几个特点【1 8 刎： ( 1 ) 无需知道被控对象精确的数学模型，对多输入多输出、时变及滞后等复杂系 统都能进行控制，它的实现主要依赖模糊规则库。 ( 2 ) 是一种反映人类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人类思维中的模糊量， 如“高 、“中 、“低 、“大 、“小等，使得控制机理和控制策略易于理解和接受，设 计简单，便于维护和推广。 ( 3 ) 由于控制规律可以不断丰富和完善，加之克服了人类机体本身的不足，使得 模糊控制器优于熟练工人的手动控制。 ( 4 ) 构造容易。用单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般的数字控制系统 无异，模糊控制算法由软件来实现，而且随着模糊控制系统软硬件的发展，模糊控制系 统的设计变得越来越简单，成本也越来越低。 ( 5 ) 鲁棒性好。模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能执行有 效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 1 5 同步发电机励磁控制系统的基本要求 发电机励磁控制系统主要由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，为了充分发挥 它的作用，完成发电机励磁自动控制系统的各项任务，对励磁功率单元和励磁调节器的 一4 一 j1l， ， ，、k 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 性能有以下要求1 2 1 捌，应该主要满足高度可靠性和快速响应性： ( 1 ) 运行要高度可靠、结构要简单、检修维护要方便。这需要在电路设计、元器 件选择、装配工艺等方面采取相应的措旌。 ( 2 ) 保证励磁控制系统的运行稳定性，可以采取转子电压软负反馈等稳定措施。 对于系统中的励磁调节器，为保证闭环控制系统的稳定性和良好的动、静态性能指标， 应采取适当的控制规律和必要的校正措施，如p i d 控制、转子电压软负反馈等。快速励 磁系统应配置p s s 或多变量控制装置，以利于电力系统稳定性的要求。实现励磁控制多 功能的其它控制规律。 ( 3 ) 发电机稳态电压精度不低于0 5 1 o 。无功调差范围：汽轮发电机组为 + - 1 0 ，水轮机组为+ - 1 5 。对于励磁调节器来说，应具有较小的时间常数，励磁调节器 总的等值时间常数不大于0 0 5 s 。 ( 4 ) 发电机端电压随频率的变化要小，当频率变化为1 时，电压变化小于o 2 5 。 ( 5 ) 具有良好的动态品质：在1 0 阶跃信号输入时，发电机端电压的超调量不超 过5 0 ( 快速励磁系统不超过3 0 ) ；振荡次数不超过3 , - 一5 次；调节时间：汽轮发电机 组不大于1 0 s ，水轮发电机组不大于5 s 。甩额定负荷时，超调量不大于1 5 - 2 0 。 ( 6 ) 发电机在各种运行方式下，灭磁开关应能可靠灭磁，并且不产生过高的电压。 励磁调节器应采取必要的限制措施以保证整体系统的可靠性，例如防止转子过电压的励 磁过电压限制；防止转子过载的转子过电流限制；防止失磁的最低励磁电流限制等。 1 6 本课题的主要目的及本论文完成的主要工作 1 6 1 主要目的 随着发电机组容量的不断增大，运行环境越来越复杂，传统的励磁控制方式已经不 能很好地满足日益复杂的电力系统稳定运行的需要，寻求更加有效的励磁控制方式一直 是电力系统专家和技术人员的主要研究课题之一，而蓬勃发展的智能控制理论为他们的 研究提供了重要的理论基础和有力的技术依托。 本文在深入研究模糊控制理论以及进行参数优化的控制算法的基础上，进行了同步 发电机的励磁控制器设计，以得到控制精度更高、反应速度更快、稳定性能更好的励磁 控制系统，从而提高发电机以及整个电力系统运行的稳定性，以更好的满足现代经济建 设对电力系统稳定运行的要求。 1 6 2 论文完成的主要工作 同步发电机励磁控制系统是非线性、参数时变、要求响应速度快的实时闭环反馈控 制系统，其具有较高的控制要求。虽然励磁调节系统已有多种方法研究，取得了不少研 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 究成果，但尚存在相应的问题。随着新技术和新理论的发展，开辟智能型的最优励磁控 制系统是发展的方向。本文以同步发电机励磁控制系统作为研究对象，针对同步发电机 励磁系统自动控制方式现状，在研究模糊控制理论的基础上，将模糊自调整p i d 控制方 法用于同步发电机励磁控制系统，并对所设计的模糊自调整p i d 励磁控制器进行了优化 研究，提出了利用免疫算法进行优化的模糊自调整p i d 优化设计方案。计算机仿真实验 结果表明，优化设计使控制系统的控制规则得到简化，自适应能力得到加强，控制能力 得到改善。本文还对控制算法的软件实现进行了研究，提出了简单快捷的软件实现方案。 主要内容如下： ( 1 ) 本文深入分析了同步发电机励磁控制系统在电力系统控制中的重要作用，阐 述了模糊控制算法在各种控制过程中的发展，并在此基础上提出了利用模糊控制理论、 生物免疫原理来设计新型的智能励磁控制系统的新思想。 ( 2 ) 本文分析了同步发电机励磁控制系统的原理，并在此基础上建立了同步发电 机励磁控制系统的数学模型和以状态方程表示的单机无穷大系统的数学模型，为励磁 控制器动态特性的仿真研究作了充分的准备。 ( 3 ) 本文在研究目前励磁系统控制方法的基础上，针对常规p i d 励磁控制难于满 足发电机不同运行工况需要的缺陷，设计出一种模糊自调整p i d 励磁控制器。采用模糊 控制技术来控制同步发电机的励磁，归纳出适合于发电机励磁系统的模糊控制规律，形 成了p i d 参数的模糊决策表，仿真实验证明此控制器较好地满足了励磁控制系统对反应 速度快和鲁棒性强的要求。 ( 4 ) 本文在设计模糊自调整p i d 励磁控制器的基础上，对其进行了优化设计，把 生物系统的免疫反馈原理引入了控制中，提出了模糊免疫自调整p i d 控制算法，利用免 疫系统的自学习和二次响应的快速性和准确性，使其调节的p i d 参数具有很强的适应 性。通过大量仿真实验证明，模糊免疫自调整p i d 励磁控制明显优于模糊自调整p i d 励 磁控制，能够达到很好的控制效果，为算法的实际应用打下了基础。 一6 一 东北大学硕士学位论文第2 章控制算法原理 第2 章控制算法原理 2 1p i d 控制的基本理论 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高， 被广泛应用予工业控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确模型的确定性控制系统。 2 1 1p i d 控制的基本原理 p i d ( p r o p o r t i o n a l ，i n t e g r a la n dd i f f e r e n t i a l ) 控制器是一种基于对“过去 、“现在” 和“未来 信息估计的线性控制算法，控制原理框图如图2 1 所示。它根据给定值( f ) 与实际输出值y 喇o ) 构成控制偏差e o ) 一o ) 一) ，删( f ) ，并将偏差的比例、积分和微分运 算通过线性组合构成控制量口( f ) ，对被控对象进行控制，其控制规律1 2 蟠】为： h ( t ) - r a + 瓢p o 渺+ 瓦百d e ( o 】 ( 2 1 ) 或者写成传递函数的形式： 郇) = 器“p ( 1 + 1 霉s 邢) ( 2 2 ) 其中：坼一比例系数；互一积分时间常数；瓦微分时间常数。 图2 1p i d 控制系统原理图 f i g 2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp i dc o n t r o ls y s t e m 这三个参数的取值优劣将影响到p i d 控制系统的控制效果好坏，下面简单介绍这三 个参数对控制性能的影响。 ( 1 ) 比例作用对控制性能的影响 比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e ( o ，系统偏差一旦 产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差。比例控制反映快，但对某 些系统，可能存在稳态误差，加大比例系数k ，系统的稳态误差减小，但稳定性可能变 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章控制算法原理 蕾 1 二o ( 2 ) 积分作用对控制性能的影响 积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设 定值的无静差跟踪。假设系统已经处于闭环稳定状态，此时的系统输出和误差量保持为 常值u o 和毛，由式( 2 1 ) 可知，只有当且仅当动态误差e ( t ) - 0 时，控制器的输出才为常 数。因此，从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无差， 积分作用就停止，此时积分调节输出为一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数互 的大小，正越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性 下降，动态响应变慢。实际中，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成p i 控制器 或者p i d 控制器。 ( 3 ) 微分作用对控制性能的影响 微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反映 系统偏差的变化率，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。直观而言，微 分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消除偏差。因此，微分作用可以改善系统的动 态性能。 微分作用的强弱取决于微分时间乃的大小，乃越大，微分作用越强，反之则越弱。 在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。从滤波器的角 度看，微分作用相当于一个高通滤波器，因此它对噪声干扰有放大作用，而这是在设计 控制系统时不希望看到的。所以设计时不能一味地增加微分调节，否则会对控制系统抗 干扰产生不利的影响。此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用 的输出为零。 2 1 2 数字p i d 控制算法 随着微型计算机技术的迅速发展和可靠性的不断提高，计算机参与工业控制不仅成 为现实，而且日益广泛地深入到控制技术的各个领域。用数字计算机代替模拟调节器组 成计算机控制系统，用软件实现p i d 控制算法，便形成了数字p i d 控制技术【2 6 1 。由于 计算机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，式( 2 1 ) 中的 积分和微分项不能直接使用，需将其离散化。常用的数字p i d 算法是位置式p i d 控制算 法和增量式p i d 控制算法。 ( 1 ) 位置式p i d 控制算法 按模拟p i d 控制算法式( 2 1 ) ，以一系列的采样时刻点七丁代表连续时间t ，用数字形 式的差分方程代