基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模与仿真研究

硕士研究生学位论文

XX大学

论文题目(中文)：基于MATLAB的同步发电机

励磁系统的建模仿真

论文题目(外文)：ModelingandSimulationofexcitationsystemofsynchronousgeneratorbasedonMATLAB/simulink

研究生姓名：XXXX

学科、专业：电气工程

研究方向：

导师姓名职称：

论文答辩日期年月日

学位授予日期年月日

摘要

近些年来,电力系统发展迅速,基本形成了高电压、大机组、超远距离输送的模式。因此,保证电力系统的安全、稳定、高效运行成为了研究的热点与难点。

同步发电机励磁控制系统是同步发电机控制系统的核心。经过长年的研究证明,

实现对同步发电机励磁的合理有效控制,是实现电力系统稳定运行要求的最快捷、最有效、最廉价的方法。

传统PID控制需要线性的精确模型,无法实现对非线性对象的有效控制,不能及时应对系统运行中被控对象发生的改变,对于目前以至未来电力系统的发展特点,难以实现有效控制。

模糊控制是一种智能控制方法,它不需要精确的数学模型,鲁棒性强,同时设计简单方便,易于实现。

本文从同步发电机励磁控制系统原理入手,在深入学习PID控制与模糊控制理论之后,将两者结合起来,提出了基于模糊PID同步发电机励磁控制策略。

详细阐述了该模糊PID励磁控制器的设计过程,实现了针对同步发电机励磁控制这一非线性系统的实时在线控制。选取了多组参数对所设计的励磁控制器进行仿真,与常规PID控制效果进行比较分析。实验结果表明本文提出的基于模糊PID的同步发电机励磁控制效果良好,系统的动态特性和静态特性相对于传统PID励磁控制都得到改善,能够对系统运行状态的改变做出及时合理的调整,响应速度快,超调量小,调整时间短,使系统具有较强的适应和抗干扰能力,控制效果明显提高；对于传统PID控制无法解决的非线性问题,模糊PID控制依然有良好的控制效果,体现出解决非线性控制问题的优势。

关键字：同步发电机；励磁控制系统；MATLAB建模；PID控制；模糊控制

Abstract

Inrecentyears,thepowersystemisdevelopingfast.Basicallyformedahigh-voltage,lagerunits,ultra-long-rangetransportmodel.Therefore,safely,stableandrunningefficientlytobecometheresearchfocusanddifficultaboutthepowersystem.Synchronousgeneratorexcitationcontrolsystemisthecoreofthecontrolsystemofsynchronousgenerator.Throughmanyyearsresearchhaveprovedthat,toachievereasonableandeffectivecontrolofsynchronousgeneratorexcitationistoachievepowersystemstableoperationoftherequirementsofthequickest,mosteffectiveandcheapestway.

TraditionalPIDcontrolneedsanaccuratemodelofthelinear.Itcannotachieveffectivecontrolofthenonlinearobject.Anditcannotrespondpromptlytothestatuschangewhenthesystemrunning.Tothepresentandfuturecharacteristicsofthedevelopmentofthepowersystem,itisdifficulttoachieveeffectivecontrol.

Fuzzycontrolisanintelligentcontrolmethod.Itisnotrequireaprecisemathematicalmodel,robustness,whilethedesignissimpleandconvenient.Also,itiseasytoimplement.

Inthispassage,itisstartingfromthesynchronousgeneratorexcitationcontrolsystemtheory.AfterdepthlearningPIDcontrolandfuzzycontroltheory,proposedasynchronousgeneratorexcitationcontrolstrategybasedonfuzzyPID,whichcombiningthetwo.Andthen,elaboratethedesignprocessthatbasedonthefuzzyPIDexcitationcontrol.Itisachievethereal-timeonlinecontrolofnonlinearsystem.SelectedsomesetsofparameterstosimulatetheexcitationcontrollerwhichdesignedwithconventionalPIDcontroleffect.ExperimentalresultsshowthatthesynchronousgeneratorexcitationcontrolbasedonthefuzzyPIDhasagoodeffect.ThedynamiccharacteristicsandstaticcharacteristicsofthesystemcomparedtotheconventionalPIDexcitationcontrolhaveimproved.Tothechangingofthesystemcanmaketimelyandreasonableadjustment,fastresponse,smallovershoot,shortadjustment.Sothatthesystemhasstrongadaptedabilityandanti-jammingcapability,controlhasimprovedobviously.FuzzyPIDcontrolfornonlinearproblemsthatthetraditionalPIDcontrolcannotbesolved,stillhavegoodcontroleffect,reflectingtheadvantagetosolvenonlinearcontrolproblems.

Keywords:Powersystemstability;Nonlinearsystem;Excitationcontrol;PIDcontrol;

Fuzzycontrol

目录

1绪论

4

1.1国内外研究现状

4

1.2未来走向

7

2发电机励磁系统的作用及分类

8

2.1励磁系统作用

8

2.1.1维持电压水平

8

2.2励磁系统分类

9

2.2.2他励旋转硅整流器励磁方式(无刷励磁系统)

10

3同步发电机励磁系统建模

12

3.1发电机模型和励磁系统

12

3.2主励磁系统(励磁电源)的数学模型

12

3.3励磁调节器(AVR)数学模型

15

4同步发电机模糊PID励磁控制器设计

19

4.1常规PID控制器原理与设计

20

4.1.1PID控制原理

20

4.2基于模糊PID控制器的同步发电机励磁控制器设计

22

5系统仿真实验与结果分析

23

5.1Simulink环境下的同步发电机励磁控制建模

23

5.2模糊控制器设计

27

5.2.1模糊拉制器的组成原理

27

5.2.2参数整定原则

27

5.2.3仿真实验

28

5.2.4发电机时间常数突变情况的仿真实验及结果分析

29

6总结与展望

34

6.1本文总结

34

6.2进一步工作的展望

35

1绪论

1.1国内外研究现状

早在20世纪70年代美国电力科学院(EPRI)就已提出用在线测试技术测试电机参数，并强调电机参数与运行方式密切相关，其后Demello、Dandero、Bollinger、UTA和GE公司先后对四大参数(指发电机、励磁机、原动机和调速器、负荷模型的有关参数)开展工作。在现场测试方面，日本的日立公司和关西电力公司于1981年对全套发电机组参数进行了现场在线测试。在此基础上，IEEE所属电力系统各分委会自1972年起相继发表了有关励磁系统、原动机及调速器和负荷的数学模型。在四类参数测试中，励磁系统参数测试工作研究较多，现已形成了一套成熟的技术。在国内，清华大学电机系较早开展辨识技术的研究和应用H1，取得了可喜成果。上世纪90年代以来，东北、华北、西南等地区的电力试验研究院和电力公司都做过励磁系统参数辨识的工作阳1，用的方法主要是时域法和频域法。

在励磁系统参数估计方面，国外进行了许多工作，1975年M。J。Gibbard等人提出了时域和频域的测量方法№儿"阳1。时域辨识法首先做阶跃响应试验，以便对系统特性有初步的了解，然后向被测的励磁系统注入PRBS(二位式伪随机信号)，利用模拟乘法器和积分器完成数据处理计算，求出系统的脉冲响应，由于条件的限制，这种方法的计算速度慢，精度不高。频域辨识法采用FRA(频率响应分析仪)，用不同频率的小正弦信号做输入，逐点测试，做出系统的频率响应曲线，进一步拟合出参数。采用这种在离散频率下进行量测的频率响应分析仪，一方面在信号频率和大小的选择方面必须小心，特别是在系统谐振频率附近。在接近发电机系统低频振荡频率(约0。2—2Hz)时，需要十分小心。一般没有专门的保护措施，试验很难将频率引向高于7Hz处。另一方面，由于离散化逐点测量，现场试验时间长，对电力系统正常运行影响大，却很难保证测量的同时性，试验的精度难以很好地保证。在发电机参数估计方面，1979年余耀南教授提出了一种基于最小二乘法判据的发电机参数估计方法，以后又有人进一步研究了发电机参数的估计方法。1982年K。E。Bollinger等人提出用FFT(快速傅立叶变换)辨识法测试励磁系

统参数的方法1，采用的仪器是FRA—03(频率响应分析仪，实质上是一种FFT分析仪)，输入信号采用PRBS码，整个频谱上的响应是同时获得的，缩短了实验时间，对系统扰动小，由于随机频率的干扰，输入信号和系统产生谐振的可能性很小。该方法的测试对象是励磁系统的简单支路。它每次只测某一单个环节(按一阶惯性环节等效)的频率特性，从Bode图进行作图分析，手工计算得到参数。这种方法需要作进一步改进，因为：①采用作图法不能保证一定的精度，且待测系统的阶数增高时，无法用作图法求解。②该方法逐渐测试求出每一单个环节的参数，因此要求出整个系统的全部参数，测试时间仍然不能缩短。③该方法在比较

简单的励磁系统和采用简单的控制模型时才是可行的。因为这种系统的各环节之间相互反馈很少，所测信号能够引出，但对于复杂的励磁控制系统和采用比较完善的控制数学模型时，特别是电力系统现场测试，模型中许多物理量，在实际中很难测量，也找不到对应的测点，即该方法不能适应于高阶系统。在参数测试方面主要存在的问题有：①如何在不降低精度的条件下，利用现场容易量测的量测出所需的频率响应。②如何解决人工作图拟合参数，误差大，高阶无法求解参数的问题。③如何采用软件拟合技术尽量减少测量量，缩短试验时间，保证精度，适合于高阶系统。④如何找到一种有效的方法消除测量所用设备(如低通滤波器，电压变换器等)对结果的影响，提高测量精度。总之，该方法要成为简单可行的

现场试验方法，必须缩短试验时间，保证结果的精度，能适用于高阶系统。在求取参数的方法和数据滤波、去除干扰方面作了改进，不同程度上提高了频域辨识法的效率。

由于频域辨识方法的改进、试验设备性能的提高，频域辨识技术在励磁系统参数辨识中已得到工业应用。频域法应用信号处理技术，通过快速傅立叶变换将时域信号转换到频域进行处理，得到系统频域响应，再利用拟合技术求取励磁系统的模型参数，其优点是输入为伪随机信号，不影响机组正常发电，测试方法实用，可以直接求得传递函数系数。时域辨识法按模型分类，可分为两类。第一类是非参数型辨识法：首先获得待测系统的非参数特性模型，即脉冲响应或阶跃响应，再用动态拟合技术，求得系统的传递函数。第二类是参数辨识法：以系统的微分方程为研究对象，对微分方程的等式两边进行积分、滤波及正交变换等处理，直接求得微分方程的各阶系数，或者用状态空间模型，以具体参数为估计对象，通过最小二乘法直接得到具有物理意义的特性参数。在文献先后都应用了时域辨识法进行励磁系统的参数辨识。从这两种辨识方法的操作过程来看，参数辨识法更简便，故在发电机励磁系统参数辨识中应用较多。

国内1993年提出的频率响应拟合法(FFT／LSE)在之后的现场励磁系统参数辨识中得到广泛的应用。FFT／LSE法应用了信号处理技术，通过FFT变换将系统输入输出时域信号转换为频域信号后，经噪声滤波，获得非参数的结果，即获得系统的幅频特性、相频特性，通过LSE方法拟合，最后获得估计的参数。随着电

力系统参数辨识的发展，各种智能辨识法也越来越多的应用于励磁系统的参数辨识。文献提出了一种基于遗传算法的励磁系统辨识方法，通过建立待辨识励磁系统的传递函数结构模型，以励磁系统的实际输入作为模型的输入，以实际励磁系统和模型的输出误差最小作为目标，利用遗传算法对模型参数进行优化调整，最终得到满足误差要求的励磁系统参数。该方法的优点在于解决了目前电力系统中常用的辨识方法无法对非线性环节进行有效辨识的问题，且根据输入输出采样直接在时域上进行参数辨识，能直接得到传递函数框图环节参数，无需转换。

1.2未来走向

关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地解决，它们是进一步研究的重点所在。

1)多机系统中的“强”非线性问题，即考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束(如端电压约束)条件下的控制系统综合和分析问题。现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性(或称为光滑可逆非线性)问题，而对工程实际中广泛存在的强非线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；针对单机无穷大电力系统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段LQ励磁控制策略，而对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。

2)将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁棒自适应励磁控制问题。

3)多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异，因此有必要从整体出发，规划不同控制手段之间的协调工作方式，以解决电力系统的多目标控制问题。

4)动态协调控制问题。目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动态协调问题。

5)电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的新要求。

6)基于GPS的多机系统励磁优化协调控制的研究。在对励磁控制进一步探索的过程中，研究工作者应本着实事求是的科学态度，既从理论自身的发展规律出发，又要结合工程实际需要，脚踏实地地解决问题，并注意避免以下几个误区:

1)“削足适履”。不从实际出发，为了套用某种

“新”的控制方法，对系统模型进行与现实情况不符的假设和简化，从而得出不合理的结论。

2)“拘泥细节”。没有抓住问题的主要方面，沉溺于细枝末节的研究。一个很明显的例子是，在研究励磁控制提高系统阻尼特性时，很多学者过份追求“摆几摆”的问题。

3)“以偏概全”。在比较不同控制方法的效果时，应做到公正客观，全面分析其利与弊，不要以偏概全，攻其一点，不及其余，对自己研究的方法的优点也不要故意夸大，只有实事求是才能把我们的研究推向新的高度。

总之，同步发电机励磁控制研究已经取得了很大的成绩，但一些最初的难题还没有得到满意的解决，而电力系统的大规模联网、市场化运作等又对此提出了新的挑战。了解励磁控制对电力系统安全稳定性的作用是解决问题的出发点，已有的理论和实践成果是进一步研究的基础，而只有建立共识、脚踏实地才能集广大科研工作者之合力，解决当前在该课题上的一些关键难题，推动其发展。

2发电机励磁系统的作用及分类

2.1励磁系统作用

2.1.1维持电压水平

维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压侧母线)的电压在给定水平维持电压水平是励磁控制系统的主要的任务，有以下3个主要原因：

第一，保证电力系统运行设备的安全。电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和高运行电压。保持发电机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下，而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。发电机运行规程规定，大型同步发电机运行电压不得高于额定值的110％。

第二，保证发电机运行的经济性。发电机在额定值附近运行是经济的。如果发电机电压下降，则输出相同的功率所需的定子电流将增加，从而使损耗增加。规程规定大型发电机运行电压不得低于额定值的90％；当发电机电压低于95％时，发电机应限负荷运行。其他电力设备也有此问题。

第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且是为简单、经济而有效的措施。

2.1.2无功合理分配

控制并联运行机组无功功率合理分配并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率有三种调差特性：无调差、负调差和正调差。

两台或多台有差调节的发电机并联运行时，按调差率大小分配无功功率。调差率小的分配的无功多，调差率大的分配到的无功少。

如果发电机变压器单元在高压侧并联，因为变压器有较大的电抗，如果采用无差特性，经变压器到高压侧后，该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大，为使高压母线电压稳定，就要使高压母线上的调差率不至太大，这时发电机可采用负调差特性，其作用是部分补偿无功电流在主变压器上形成的电压降落，这也称为负荷补偿。调差特性由自动电压调节器中附加的调差环节整定。与大系统联网的机组，调差率Ku在(3%～10%)之间调整。

2.2励磁系统分类

同步发电机的励磁系统种类很多，目前在电力系统中广泛使用的有以下几种类型。2.2.1交流励磁机系统

当前，交流励磁系统是汽轮发电机组比较主要的励磁方式。

交流励磁机系统根据励磁机的励磁方式不同，可分为它励和自励交流励磁机系统。

交流励磁机系统若按整流是静止或是旋转、以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式：

（a）交流励磁机加静止硅整流器；

（b）交流励磁机加静止可控硅；

（c）交流励磁机加旋转硅整流器；

（d）交流励磁机加旋转可控硅；

交流励磁机系统的具体接线方式很多，下面给出几种典型的接线方式。

它励交流励磁机系统（三机它励励磁系统）

交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。

自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是从该机的出口电压直接获得，其原理见图。交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；自动励磁调节器控制可控硅的触发角，调整其输出电流。其原理见图，亦称为两机它励励磁系统。

图2.1交流励磁机系统接线原理一（三机它励）

励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统，其原理图见图。

2.2.2他励旋转硅整流器励磁方式(无刷励磁系统)

他励旋转硅整流器励磁方式，由于主发电机转子不用滑环和炭刷的突出优点，现在已经用于大型发电机组上。他励旋转硅整流器励磁方式的工作原理和运行性能与他励静止硅整流器励磁方式相似，只不过励磁主回路的硅整流二极管是与交流励磁机电枢和主机转子同轴旋转的，励磁电流不需要经过炭刷及滑环引入转子励磁绕组。因此这种励磁系统又称为旋转半导体励磁系统，或称无刷励磁系统。主回路原理图中虚线框内为旋转部份。交流励磁机JL是一台电枢旋转式交流发电机，其感应电势一般为三相正弦波。国外有的制造厂也有把电势设计为多相矩形波或梯形波的，这对整流有利，而且可使每相绕组所接的二极管并联支路数减少。为了减少励磁调节环节的时间常数，交流励磁机的频率一般作成150HZ或200HZ。交流励磁机的输出，经快速熔断器KPD接到硅二极管整流桥，经整流后直接通到主发电机转子励磁绕组中去，取消了滑环及炭刷。旋转二极管组成三相桥式整流电路，一般分成两组，分别安装在两个同轴旋转的与轴绝缘的金属圆盘上（称为散热盘）。一组为阴极型硅二极管，阴极固定在同一个散热盘上，称为共阴极组；另一组用阳极型硅二极管，其阳极固定在另一个散热盘上，称为共阳极组。每臂的硅二极管可以串联和并联。硅二极管的并联个数，应根据额定励磁电流，再加上20%的裕度，还要考虑15%左右的电流不平衡来选择，以保证当一个并联支路的快速熔断器烧断后，仍能维持发电机额定出力运行。此外，对于短时的强励电流以及发电机突然短路产生的过电流，也应加以考虑。硅二极管的串联个数，应根据恶劣条件下产生的反向电压的数值来选择。

图2.2交流励磁机系统接线原理二

图2.3交流励磁机系统接线原理图（两机一变）

图2.3无刷励磁机系统原理接线图

3同步发电机励磁系统建模

3.1发电机模型和励磁系统

同步发电机是电力系统中物理过程最复杂的的元件，既有机械运动过程又有电磁暂态过程，并且包含变量众多。因此只能是根据某种目的，按照某种要求来建立相应的数学模型，这里要建立的是分析发电机励磁控制系统所用的传递函数，故发电机的近似传递函。数为：

发电机的输出变量Ut为机端电压，输入变量Uf，是施加在转子绕组上的励磁电压，这些变量常用其标么值表示。

3.2主励磁系统(励磁电源)的数学模型

近年来，随着发电机容量的不断增大，直流励磁机励磁系统已逐渐被其它励磁方式所代替，虽然运行中的同步发电机有些还装有这类励磁机，但其容量较小对系统稳定几乎没有什么影响，所以这里仅介绍交流励磁机和静止励磁电源的数学模型。

图3.1交流励磁机的结构组成

(1)交流励磁机的数学模型

交流励磁机处于带整流负荷的特殊运行状态时，它的数学模型应当包括交流励磁机和功率整流器两部分。在我国，除个别情况外，绝大多数交流励磁机均为它励发电机，因此可以用同步发电机模型来描述，由于励磁机的负载接近于恒定，因此它的负载电流(即整流后送到发电机励磁绕组的电流)产生的电枢反映对于励磁机端电压以的影响，不必像同步发电机那样精确的描述，而是近似的用常数代替即可。因此，交流励磁机的传递函数框图如图所示。

图3.2交流励磁机的传递函数图

其中：

SE一饱和系数

UR一励磁调节器输出电压

KD一反映励磁机负载电流去磁作用的系数

Ue一不可控三相全波整流桥的输出电压

TE一励磁机励磁绕组空载时间常数

IFD一发电机励磁电流

KE一自励系数

对于送到发电机励磁绕组的电压Uf的影响，除励磁机的电枢反应外，还与整流器的换相压降有关，所以必须与功率整流器连接后才能看清楚。所谓换相压降是指换流过程中的电流变化在电感上引起电压降落，使输出电压波形增加缺口，导致输出电压平均值减少。交流励磁机所用的功率整流器为三相桥式可控或不可控整流器，下图给出不可控整流器的数学模型。

图3.3不可控整流器的数学模型

其中：

Fex—整流器调节特性，与整流器工作状态有关的函数。

(2)静止励磁电源的数学模型

自并励励磁系统接于发电机端的励磁变压器经可控整流后供给发电机励磁绕组，这实际上就是变压器带整流负荷的问题，由于可控整流桥的换相压降相对较小，因此励磁变压器用比例环节模拟即可。可控整流桥的电源由励磁变压器供给，它随发电机机端电压而变化，由于自并励系统多数采用余弦波移项触发电路，其可控整流桥的输出电压为：

式中：K是励磁变压器变比与整流系数的乘积；口为控制角，它是调节器的输出电压和余弦波同步信号电压瞬时值相等时的相位角。进一步可写成：

此式说明，励磁电压UFD与调节器输出电压UR是线性关系，并且不受发电机端电压的Ut的影响，这是采用余弦波移项方式的优点。只有当强行励磁时，控制角为固定值，与余弦波同步信号无关，而UFD受Ut的影响。因此，自并励电源可用限幅器的形式表示，计及换相压降，并把励磁变压器和可控整流桥的增益归算到调节器，自并励电源的数学模型如图所示。

图3.4自并励电源的数学模型

其中：

Ka一移相回路的增益Ta一移相回路的时间常数

URmax一发电机额定电压时最大输出电压

URmin一发电机额定电压时最小输出电压

Kc一整流器换相压降系数

Ut、IFD一机端电压和励磁电流

在进行小扰动稳定分析时，可以省略限幅环节，自并励电源用比例环节模拟，励磁变压器和可控整流桥的时滞很小，可以忽略。

3.3励磁调节器(AVR)数学模型

目前我国电力系统中应用的励磁调节器基本上有三种类型：电磁型的电压校正器、相位复式励磁调节器、晶体管可控硅型励磁调节器。前两种己属淘汰之列，这里以可控硅励磁调节器为例，介绍其数学模型。可控硅励磁调节器由量测补偿调差、综合放大、移相触发、可控硅输出及转子电压软反馈等单元组成"。

(1)电压测量调差补偿单元

电压测量单元把发电机端电压处理后，与给定电压Uref进行比较，其偏差值作为控制信号送到放大单元。由于整个电压测量单元总的滞后时间比较小，为了简化计算，一般用一阶惯性环节表示，其等值时间常数为TR。

该单元有量测比较电路调差补偿电路及滤波整流电路组成，发电机端电压Ut及定子电流It经调差后构成输出电压Uc，则：

Rc和Xc分别为调差电阻和电抗。整流滤波电路可用一阶惯性环节表示为：

式中：KR为电压比例系数；TR为时间常数，数值较小，一般在0。02一0。06s之间。

(2)综合放大控制单元

该单元由调节器中的综合放大、移相触发及可控硅整流电路组成。放大电路可看成惯性环节，同步触发器是一个比例环节，无时滞影响，对于可控硅整流器，考虑到在运行中改变控制电压的调节过程中，整流器的平均输出电压对触发器电压有滞后作用，经适当处理后，也可看成一阶惯性环节。这样，综合控制单元的传递函数可以近似为一阶惯性环节：

式中：KA为综合放大倍数；TA为综合时间常数。

(3)转子软反馈单元

为了提高调节系统的动态稳定性，改善其调节品质，通常设有转子软反馈单元。实质上是一个惯性微分环节，其传递函数为：

式中：KF、TF分别为该环节的放大倍数和时间常数。

(4)励磁稳定器

为了提高励磁控制系统的稳定性，改善其调节品质，通常设有串、并联校正单元。串联校正单元又叫做PID调节器。其标准模型如图所示，由两个环节组成。其中，互一五为其时间常数(也称为超前滞后补偿时间常数)，K为其增益，KV为积分选择因子，KV=O时为纯积分校正。也有只使用一个校正环节的情况，此时，令T3=T4。

图3.5串联校正单元

串联校正单元模型参数T1一T4和K(实际装置中可能两个环节都各有自己的增益)，都应通过测量或辨识取得。一般一个为超前环节，有T1(或T3)>T2(或T4)，一个为滞后环节，有T3(或T1)<T4(或T2)。

并联校正单元又称为励磁系统稳定器(PSS)，其模型如图所示。其输入信号可以是发电机的励磁电压(仅用于有刷励磁系统)EFD或交流励磁机的励磁电流IFD(有刷或无刷系统均有使用)。输出信号的嵌入点可因调节器的不同而不同。

图3.6并联校正单元

并联校正单元模型参数有两个KF和TF。都应通过测量或辨识取得。

(5)误差放大单元模型

误差信号放大单元用作误差信号的放大。有时误差信号直接由串联校正单元放大而省去误差信号放大单元。误差信号放大单元大多数可以用一个一阶惯性环节来模拟，其模型如图所示。

图3.7误差放大单元模型

误差信号放大模型参数有增益KA和时间常数TA，KA和TA均可以通过测量或辨识取得。误差信号放大单元有时也用做多种信号的综合单元，此时应注意对不同信号的增益是否相同。

(6)功率放大单元模型及参数

自动电压调节器的功率放大单元大多数为三相可控硅整流桥。功率放大单元模型如图所示。

图3.8功率放大单元模型

URmax、URmin分别为自动电压调节器的功率放大单元最大输出电压、最小输出电压，K为其增益，T为其等效时间常数。输入为校正单元或综合放大器的输出。

当自动电压调节器的功率放大单元由同轴副励磁机提供时：

式中：UP、分别为副励磁机电压(取强励时的输出电压)、最小控制角和最大控制角。

当自动电压调节器的功率放大单元由励磁变压器从发电机端取得时，

URmaxN、URminN分别为发电机电压为额定值时功率放大单元的最大输出电压和最小输出电压。

等效时间常数T由调节器特性决定。对模拟式调节器且从副励磁机取得电源时，可以忽略，功率单元由机端变压器供电时为0。003一0。02秒，对数字式调节器，还受其采样及计算周期的影响，可由试验测定。

理论上，电力系统稳定计算程序中使用的励磁系统模型应与励磁系统原始模型完全一致，实际上，在大多数情况下是不可能的。这主要是因为电力系统中实际使用的励磁系统(主要是其控制器)种类繁多且不断发生变化，使编制电力系统稳定计算分析程序时来不及、也不可能将电力系统中实际使用的每一种励磁系统的模型都包括在电力系统稳定计算分析程序内。当出现电力系统稳定计算程序中使用的励磁系统模型与励磁系统原始模型不一致时，应采取如下处理办法：

首先，在所使用的电力系统稳定计算程序中寻找与励磁系统原始模型最接近的励磁系统模型；

第二，通过各种等值方法，将原始模型的参数转换成稳定计算程序中选用的模型参数；第三，通过仿真计算，校核等值结果，误差应满足要求；

第四，如果等值结果不能满足要求，则可以通过程序的用户自定义功能(如果有的话)或要求程序提供商增加新的励磁系统模型。当然，对新的励磁系统数学模型也应通过仿真计算的校核。

本课题就四种经典励磁模型中的自并励静止励磁系统进行研究，最终选用自并励静止励磁系统模型作为系统模型。它有以下优点：

(1)自并励励磁系统没有旋转部件，运行可靠性高。

(2)由于它可缩短发电机的轴系长度，减少轴承数，所以可改善发电机组的轴系稳定性。

(3)可提高电力系统稳定运行水平，尤其在小干扰情况下，它配制PSS后，小干扰稳定水平有明显的提高。

(4)自并励励磁系统参数的选择比较灵活。

(5)自并励晶闸管励磁系统性能好，可靠性高，可减少机组轴系扭震，而且减少投资。

(6)检修维护方便，因其没有旋转设备，检修工作量小。自并励系统造价低，容易调整，维护简单，故障修复时间短。当外部短路切除后，强励能力便能迅速发挥出来。

4同步发电机模糊PID励磁控制器设计

励磁系统是发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。在电力系统的运行中，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制着发电机的无功功率、功率因素和电流等参数。经过研究表明发电机的励磁控制是非线性、参数时变、要求响应速度快的实时系统。

励磁控制系统的研究己经有了几十年的历史，各种控制方法发展都比较成熟，且各有优势。大量的工作都是围绕着励磁方式的改进和控制策略的革新展开的。最早出现的单变量HD调节方式，从一定程度上缓和了稳态电压调节精度和系统稳定性对增益要求上的矛盾，但却不能有效改善系统的动态品质与提高系统的稳定水平，尤其是当需要快速励磁时会时电力系统阻尼特性恶化，引起低频振荡。多变量PID与局部变量反馈的同时运用在实现全局稳定的同时在抑制低频振荡和提高暂态稳定性方面是有一定效果的，系统的鲁棒性和适应性都有改善，但不足的地方是大量的参数需要通过实验方法进行调整和配合，花费很多的时间，而且需要特定的网络模型和对低频振荡空间的设计、鲁棒性和适应性差，如果只是采用以上传统的方法是肯定不能达到控制目的的。

模糊控制系统是一种现代智能控制系统，针对非线性系统，它以模糊数学、模糊语言形式对知识的描述和模糊逻辑的规则推理为基础，而且其特性就是不需要被控对象的准确数学模型，构造容易；鲁棒性好，适应力强等。以上这些都与励磁系统的特点正好切合。

本文提出将模糊控制与传统PID同步发电机励磁控制相结合，解决上述励磁控制问题，取长补短，使系统的控制效果更好，适应性和调整能力更强。

4.1常规PID控制器原理与设计

将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制的控制器被称为PID控制器。

4.1.1PID控制原理

PID控制算法根据输入输出信号类型的不同分为模拟PID控制算法和数字PID控制算法。

(1)模拟PID控制算法

模拟PID控制系统原理框图如图所示。

图4.1模拟PID控制系统原理框图

PID控制器是针对线性控制所设计的控制器，它根据给定的输入值r(t)与实际的系统输出值也y(t)之间的偏差

e(t)=r(t)-y(t)

然后经过如下的PID控制规律，得到

写成传递函数形式为

以u(t)作为控制调节输入，对被控对象实施控制动作。式中kp为比例系数，Ti为积分环节时间常数，Td为微分环节时间常数。

PID控制器的性能好坏由kp、Ti、Td这三个系数决定。

PID是比例、积分、微分的简称，PID控制的难点不是编程，而是控制器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义，PID控制的原理可以用人对炉温的手动控制来理解。阅读本文不需要高深的数学知识。

a．比例控制

有经验的操作人员手动控制电加热炉的炉温，可以获得非常好的控制品质，PID控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方。

下面介绍操作人员怎样用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在控制过程中，操作人员用眼睛读取炉温，并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器，调节加热的电流，使炉温保持在给定值附近。

操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置（我们将它称为位置L），并根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器的转角。炉温小于给定值时，误差为正，在位置L的基础上顺时针增大电位器的转角，以增大加热的电流。炉温大于给定值时，误差为负，在位置L的基础上反时针减小电位器的转角，并令转角与位置L的差值与误差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器输出中的比例部分与误差成正比。

闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调节电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的时间延迟。由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用。

比例控制的比例系数如果太小，即调节后的电位器转角与位置L的差值太小，调节的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间过长。比例系数如果过大，即调节后电位器转角与位置L的差值过大，调节力度太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。

增大比例系数使系统反应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。

单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，完全消除误差。

b．积分控制

PID控制器中的积分对应于图1中误差曲线与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。计算机的程序用图1中各矩形面积之和来近似精确的积分，图中的TS就是采样周期。

图4.2

积分运算示意图

每次PID运算时，在原来的积分值的基础上，增加一个与当前的误差值ev（n）成正比的微小部分。误差为负值时，积分的增量为负。

手动调节温度时，积分控制相当于根据当时的误差值，周期性地微调电位器的角度，每次调节的角度增量值与当时的误差值成正比。温度低于设定值时误差为正，积分项增大，使加热电流逐渐增大，反之积分项减小。因此只要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化。积分调节的“大方向”是正确的，积分项有减小误差的作用。一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值，对应于上述温度控制系统中电位器转角的位置L。因此积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，积分作用一般是必须的。

PID控制器输出中的积分部分与误差的积分成正比。因为积分时间TI在积分项的分母中，TI越小，积分项变化的速度越快，积分作用越强。

c．PI控制

控制器输出中的积分项与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比，因此积分作用本身具有严重的滞后特性，对系统的稳定性不利。如果积分项的系数设置得不好，其负面作用很难通过积分作用本身迅速地修正。而比例项没有延迟，只要误差一出现，比例部分就会立即起作用。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，组成PI或PID控制器。

PI和PID控制器既克服了单纯的比例调节有稳态误差的缺点，又避免了单纯的积分调节响应慢、动态性能不好的缺点，因此被广泛使用。

如果控制器有积分作用（例如采用PI或PID控制），积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将比例系数调得小一些。

如果积分作用太强（即积分时间太小），相当于每次微调电位器的角度值过大，其累积的作用会使系统输出的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。积分作用太弱（即积分时间太大），则消除稳态误差的速度太慢，积分时间的值应取得适中。

d．微分作用

误差的微分就是误差的变化速率，误差变化越快，其微分绝对值越大。误差增大时，其微分为正；误差减小时，其微分为负。控制器输出量的微分部分与误差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。

有经验的操作人员在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，根据温度变化的趋势，预感到温度将会超过设定值，出现超调。于是调节电位器的转角，提前减小加热的电流。这相当于士兵射击远方的移动目标时，考虑到子弹运动的时间，需要一定的提前量一样。

图4.3

阶跃响应曲线

图2中的c(∞)为被控量c(t)的稳态值或被控量的期望值，误差e(t)=c(∞)-c(t)。在图2中启动过程的上升阶段，当时，被控量尚未超过其稳态值。但是因为误差e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的微分部分为负值，减小了控制器的输出量，相当于提前给出了制动作用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前，就能提前给出控制作用。

闭环控制系统的振荡甚至不稳定的根本原因在于有较大的滞后因素。因为微分项能预测误差变化的趋势，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。适当的微分控制作用可以使超调量减小，增加系统的稳定性。

对于有较大的滞后特性的被控对象，如果PI控制的效果不理想，可以考虑增加微分控制，以改善系统在调节过程中的动态特性。如果将微分时间设置为0，微分部分将不起作用。

微分时间与微分作用的强弱成正比，微分时间越大，微分作用越强。如果微分时间太大，在误差快速变化时，响应曲线上可能会出现“毛刺”。

微分控制的缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。为此可在微分部分增加惯性滤波环节。

(2)数字PID控制算法

在计算机出现之后，大量的工业生产，实际应用都与计算机结合起來，发展迅速且效果良好，控制科学也不例外。由于计算机本身的采样机制，所以控制时只能依靠釆样时刻的偏差计算控制量，模拟控制这样的连续PID控制算法不适用，需要进行离散化处理。数字PID控制算法有两种表达形式：

a：位置式，按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点紅代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分。

b：增量式，当执行机构需要的是控制量的增量时(例如驱动步进电机)。

位置式与增量式差别不大，但是相比而言，增量式有一定的优点:

a:增量式PID控制算法不需要做累加，且计算误差小，精度高，对控制量的影响不大：

b:使用增量式可以在控制手段变化时，不对系统造成冲击和干扰，实现无扰动的控制切换。

综上，数字PID控制系统如图所示：

图4.4数字PID控制系统框图

根据上图，整理后可以得到数字PID控制算法设计流程，如图：

图4.5数字PID控制算法设计流程图

4.2基于模糊PID控制器的同步发电机励磁控制器设计

同步发电机励磁控制器控制策略中,最早被引用的是PID控制算法,而且对于可以建立精确数学模型的控制系统,其控制效果良好。但同步发电机励磁控制过程是非线性,时变的,想要建立精确数学模型难以实现,这时传统PID控制方法不能够达到理想的控制效果,暴露出一系列严重的问题:调节过程复杂,控制参数整定过多的依赖经验等等,这些传统PID控制自身的局限性制约了它的应用与发展。

为了提高控制效果,简化控制操作,在本节中提出的基于模糊PID算法的同步发电机励磁控制器,它不需要精确的数学模型,对非线性系统和参数的时变特性也具有自适应能力。本节中将对这种模糊PID励磁控制器的原理进行了分析和设计。

模糊PID励磁控制器是将模糊控制理论与传统PID控制理论相结合后运用的同步发电机励磁控制中的具体实现。其基本结构如图所示。

图4.6同步发电机励磁控制结构图

模糊PID同步发电机励磁控制器是在传统PID励磁控制器的基础上增加了模糊控制器构成的。类于PID参数专家智能系统整定法,并由图可以看到,该方法是将被控制量同步发电机端电压的偏差以及偏差变化率作为二维模糊控制器的输入变量,通过对变量进行模糊化处理后,根据模糊控制器中的模糊推理规则实现在线计算,这些模糊量在解模糊过程后,对PID控制的各参数进行智能在线整定。模糊控制器的设计的好坏直接影响到励磁控制系统的控制效果。

5系统仿真实验与结果分析

在同步发电机励磁控制实验研究时，为了检验本文所设计的基于模糊PID励磁控制器的控制性能，需要运用MATLAB仿真软件内的Simulink工具进行仿真实验，对仿真实验结果进行分析，得到结论。

5.1Simulink环境下的同步发电机励磁控制建模

运行MATLAB仿真软件，打开Simulink工具包，用Simulink中的各种实验模块创建同步发电机励磁控制模型，并在其中直接做模型、参数的修改，运行与实验结果的观察并作记录。

（1）在仿真实验中，简化以后的模型的传递函数，如图进行连接。

同步发电机传递函数:

移相触发和功率单元的传递函数:

图5.1励磁控制系统传递函数框图

电压测量单元的传递函数:

（2）添加电压负反馈后的仿真框图

图5.2添加电压负反馈后的仿真框图

根轨迹是开环系统的增益从零变化到无穷大时，闭环系统特征根在s平面上变化的轨迹。所以

a．如果根轨迹全部位于S平面左侧，就表示无论

增益

怎么改变，特征根全部具有负实部，则系统就是稳定的。

b．如果根轨迹在虚轴上，表示临界稳定，也就是不断

振荡

。

c．如果根轨迹根轨迹全部都在S右半平面，则表示无论选择什么参数，系统都是不稳定的。

也就是说增益在一定范围内变化时，系统可以保持稳定，但是当增益的变化超过这一阈值时，系统就会变得不稳定，而这一阈值就是出现在根轨迹与虚轴的交点上，在这一点系统临界稳定。最终可有增益的取值范围判断系统的稳定性。

根据根轨迹图可以判断：该系统的稳定裕度较小，调节时间很慢，稳态误差也较大。

图5.3阶跃响应根轨迹图

机端电压阶跃响应图仿真

阶跃响应如下图，时域性能指标为：

峰值时间为1.5s；超调量为85.6%；上升时间为1.26s；稳定时间为9.87s。

图5.4机端电压阶跃响应图

（3）加入速度反馈稳定器

图5.5接入速度反馈稳定器

图5.6scope的图像

阶跃响应如上图，时域性能指标为：

峰值时间为5.6s；超调量为3.85%；上升时间为3.6s；稳定时间为6.22s。

Scope1的仿真结果如下图：

图5.7Scope1的仿真结果如下图：

5.2模糊控制器设计

5.2.1模糊拉制器的组成原理

模糊PID励磁控制器基本组成如图所示，它是在传统PID励磁调节器的基础上增加了模糊控制器而形成的。

图5.8加入PID的励磁系统结构图

5.2.2参数整定原则

（1）PID参数的调整方法

在整定PID控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法来调节控制器的参数。有经验的调试人员一般可以较快地得到较为满意的调试结果。在调试中最重要的问题是在系统性能不能令人满意时，知道应该调节哪一个参数，该参数应该增大还是减小。

为了减少需要整定的参数，首先可以采用PI控制器。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根据被控量的输出波形可以获得系统性能的信息，例如超调量和调节时间。应根据PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。

如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。

如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。

反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

总之，PID参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的。

（2）模糊控制中的设置

该模糊控制器的输入变量是同步发电机的机端电压偏差量E和电压变化率Ec，输出变量是PID调节器的三个控制参数Kp，Ki，Kd。通过分析各参数的作用，确定模糊控制规则：(I>当(E<0，E}>0)时，系统输出趋向稳态值的速度越快越好，即应尽快消除偏差，加大偏差的权当快接近稳态值时，为减少超调，应加大偏差变化的权，适当减小积分作用，以避免积分超调及随之而带来的振荡，有利于控制。(2)当(E<0，E}<0)时，系统输出值已超过稳态值，向偏差增大的方向变化，此时控制作用应该尽力减小超调，加大偏差变化的权。(3)当(E>0，E}<0)时，误差开始减少，系统在控制作用下已呈现向稳态变化的趋势，所以控制作用应逐渐减少，以免系统出现回调。}4)当(E>0，E}>0)时，系统出现大超调时，如果下超不太大，即可保持一个较小值，使系统尽快稳定。(5)而在系统进入稳定状态时，恢复调整初始时的PID参数。根据文献总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，针对Kp，Ki，Kd三个参数整定模糊控制表，建立模糊合适的模糊规则具体见表

5.2.3仿真实验

在Simulink中建立常规PID励磁控制系统的仿真图

图5.9传统PID同步发电机励磁控制仿真模型图

基于模糊PID控制器的设计理论，设计出如图所示的模糊PID同步发电机励磁控制仿真图，其中的模糊控制器输入变量e和ec的论域为{-6，6}；输出语言变量kp、ki、kd论域为{-3，3}。

图5.10模糊PID同步发电机励磁控制仿真模型图

图5.11PID内部结构封装仿真图

5.2.4发电机时间常数突变情况的仿真实验及结果分析

选取如下的同步发电机励磁控制实验参数:

移相触发和功率单元KE=1，TE=0.3s；

电压测量环节:KM=l，TＭ=0.02s；

若同步发电机:KＧ=1，TＧ=6s。

按照传统PID同步发电机励磁控制系统仿真模型，仿真时间为5s，在Os时候加入幅值为1的阶跃响应信号，其中的PID参数根据反复大量实验得到。

当取kp=118，ki=l，kd=ll时，仿真曲线如下图。

按照模糊PID同步发电机励磁控制系统仿真模型，仿真时间为5s，在0s时候加入幅值为1的阶跃响应信号，其中模糊PID励磁控制器中的量化因子Kfe=6、Kfec=0.75，比例因子Kup=0.333、Kui=0.167、Kud=0.2，仿真曲线如下图。其中kp、ki、kd三个参数的控制过程调整曲线如图。

图5.12TG=6s传统PID励磁控制仿真曲线

图5.13其中kp、ki、kd三个参数的控制过程调整曲线如下图。

图5.14(a)kp调整曲线(b)ki调整曲线(c)kd调整曲线

若同步发电机:KＧ=1，TＧ=12s。

其他条件不变的情况下，传统PID同步发电机励磁控制系统仿真曲线如下图。

图5.15传统PID励磁控制仿真曲线

图5.16TG=12s模糊PID励磁控制仿真曲线

仿真结果分析：

(1)在TG=6s时，通过控制经验反复试凑控制参数后的PID控制上升时间为0.5s，超调量为10%，调整时间为0.8s。模糊PID控制上升时间为0.3s，超调量不到3%，调整时间为0.5s。从仿真结果数据上看，两种控制方法的效果基本是相同的。模糊PID控制在控制效果并没有太大的优势。传统PID控制基本是可以满足励磁控制系统性能要求的，从设计复杂程度上，使用PID控制更方便。

(2)在TG=12s时，图中由于控制参数并没有因为发电机系统参数的改变而且做出调整，上升时间为0.8秒，超调量超过了50%，调整时间为接近2s控制效果明显下降，在控制要求高的情况下，PID己经无法满足。图中模糊PID同步发电机励磁控制上升时间为0.3s，超调量也不到3%，调整时间为0.5s，与前图中的仿真曲线比较，没有差别，控制效果并没有因为同步发电机参数的改变而下降。

6总结与展望

6.1本文总结

本文以电力系统的自身特点与调控要求为线索，结合同步发电机励磁控制效果的好坏对电力系统安全稳定高效运行的意义，提出了基于模糊PID的同步发电机励磁控制策略，并通过仿真进行研究，总结如下:

(1)围绕本文中心，先是深入了解了同步发电机的物理特性，运行特性，并建立了同步发电机的数学模型，其中包括单机无限大系统模型和在特殊条件下简化后的同步发电机励磁控制系统经典模型传递函数。

(2)对本文研究所用的模糊控制理论知识和PID控制理论知识做了详细的叙述，主要对模糊控制器的结构，各个模块的基础知识，设计流程等一一给出说明；MD控制理论知识方面，给出了PID控制的模拟算法式与数字算法式，然后重点了解了PID控制参数整定方法。在以上准备工作完成后，完成了整个基于模糊PID同步发电机励磁控制的设计。

(3)根据设计，在Simulink环境下进行了仿真实验，同时与传统PID励磁控制在同样情况下仿真结果进行比较并分析。

a:在其他条件相同的情况下，比较发电机时间常数的突然变化情况下两者的控制效果。结果表明，人为的依据控制经验对PID控制参数整定后的传统PID控制器对某一系统实施控制，其控制效果是可以达到要求的，且由于设计与使用简便，其实用性是很高的。模糊PID同步发电机励磁控制器并没有太大的优势与突出表现。发电机的时间常数的突然变化，导致控制模型改变，原先的传统PID控制参数并没有也不可能自动的进行针对性调整，于是传统PID的控制效果明显下降，甚至不能够达到控制要求，这也说明了传统PID控制对被控对象精确数学模型的过于依赖性以及其只能应对线性控制的特性，充分暴露了传统PID控制的确定。但是，仿真实验中清楚的看到，模糊PID控制没有因为系统模型的突然变化而引起控制效果的变化，在比较后，仿真实验曲线几乎一致。通过这个实验充分体现了模糊PID控制相对与传统PID控制的优势所在，即不需要被控制对象的精确模型和具有一定的智能化。

b:通过在系统稳定运行时，加入干扰信号的仿真实验来验证模糊PID控制的抗干扰能力，实验表明:系统并没有因为外界的干扰而变的不稳定或者是像传统PID那样产生很大的波动，相反，模糊PID控制使系统在超调小的情况很快恢复稳定。说明模糊PID控制的抗干扰能力强，系统的稳定性好。

c:通过在经典模型中加入滞后环节，使被控制对象具有简单的非线性特性，实验表明，对于具有滞后特性的对象，随着时滞参数的增大，传统PID控制效果急剧下降，最终无法有效控制，而模糊PID控制依然有良好的控制效果，体现出解决非线性控制问题的优势，弥补了传统PID控制的缺陷。

以上这些体现出了本文提出的模糊PID励磁控制有很好的鲁棒性与自调整、自适应能力，实现了一些基本的智能控制功能。由仿真结果也证明了所做设计的控制效果的良好和可行性。

6.2进一步工作的展望

(1)同步发电机原理是很复杂的，还有其他一些因素是否对控制效果有影响在本文的研究中没有体现，这是下一步需要更深入学习与探究的内容。

(2)本文只是选择了模糊PID算法实现同步发电机励磁控制，但是从本文的中可以知道，目前，控制理论的发展越来越快，特别是各种智能控制方法的广泛应用，使得分析解决同一问题的方法越来越多，各有各的优势。还有本文中提到的量化因子和比例因子的选取对系统的控制效果也是有很大的影响的，包括其他的一些参数的选取，对于这些问题的研究与分析已经有很多了，由于本人能力的原因，还没有掌握或者是通过仿真实验研究过。因此，在接下来的工作中，第一，考虑尝试其他的控制算法，比如神经网络、遗传算法或是某几种算法的组合，通过实验分析它们在同步发电机励磁控制中的优缺点；第二，在本文的基础上对模糊PID控制算法的其他参数对控制效果的影响再进行深入的研究与分析，努力学习，差缺补漏。

致谢

首先诚挚的感谢我的指导老师，从选题的确定、论文的写作、修改到最后定稿过程中，自始至终都倾注着任老师的心血。特别是她多次询问写作进程，并为我指点迷津，帮助我开拓思路，老师以严谨的治学之道、宽厚仁慈的胸怀、积极乐观的生活态度，兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神为我树立了一辈子学习的典范，她的教诲与鞭策将激励我在学习和生活的道路上励精图治，开拓创新。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。我以最诚挚的心意感谢任老师。

再感谢一起完成这篇论文的同学，我们互相帮助，查阅资料，整理资料，也拓展了自己的眼界，有了更多的收获。

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[15]何有观.现代中小型同步发电机励磁系统的分析与设计[M].北京:机械工业出版社，1984.

附录资料：不需要的可以自行删除

C语言编程规范(仅供参考)

1.基本要求

1.1程序结构清析，简单易懂，单个函数的程序行数不得超过100行。

1.2打算干什么，要简单，直接了当，代码精简，避免垃圾程序。

1.3尽量使用标准库函数和公共函数。

1.4不要随意定义全局变量，尽量使用局部变量。

1.5使用括号以避免二义性。

2.可读性要求

2.1可读性第一，效率第二。

2.2保持注释与代码完全一致。

2.3每个源程序文件，都有文件头说明，说明规格见规范。

2.4每个函数，都有函数头说明，说明规格见规范。

2.5主要变量（结构、联合、类或对象）定义或引用时，注释能反映其含义。

2.7常量定义（DEFINE）有相应说明。

2.8处理过程的每个阶段都有相关注释说明。

2.9在典型算法前都有注释。

2.10利用缩进来显示程序的逻辑结构，缩进量一致并以Tab键为单位，定义Tab为6个

字节。

2.11循环、分支层次不要超过五层。

2.12注释可以与语句在同一行，也可以在上行。

2.13空行和空白字符也是一种特殊注释。

2.14一目了然的语句不加注释。

2.15注释的作用范围可以为：定义、引用、条件分支以及一段代码。

2.16注释行数（不包括程序头和函数头说明部份）应占总行数的1/5到1/3。

3.结构化要求

3.1禁止出现两条等价的支路。

3.2禁止GOTO语句。

3.3用IF语句来强调只执行两组语句中的一组。禁止ELSEGOTO和ELSERETURN。

3.4用CASE实现多路分支。

3.5避免从循环引出多个出口。

3.6函数只有一个出口。

3.7不使用条件赋值语句。

3.8避免不必要的分支。

3.9不要轻易用条件分支去替换逻辑表达式。

4.正确性与容错性要求

4.1程序首先是正确，其次是优美

4.2无法证明你的程序没有错误，因此在编写完一段程序后，应先回头检查。

4.3改一个错误时可能产生新的错误，因此在修改前首先考虑对其它程序的影响。

4.4所有变量在调用前必须被初始化。

4.5对所有的用户输入，必须进行合法性检查。

4.6不要比较浮点数的相等，

如：10.0*0.1==1.0，不可靠

4.7程序与环境或状态发生关系时，必须主动去处理发生的意外事件，如文件能否

逻辑锁定、打印机是否联机等。

4.8单元测试也是编程的一部份，提交联调测试的程序必须通过单元测试。

5.可重用性要求