电力系统分析毕业设计.doc

1、目 录 第一章 绪论3 1.1 课题研究的背景3 1.2 PID控制器的概念3 1.2.1 PID控制原理3 1.2.2 PID三个环节的作用4 1.2.3 P控制4 1.2.4 PI控制4 1.2.4 PD控制4 1.3 PID控制器的种类4 1.3.1 传统PID控制器5 1.3.2 智能PID控制器5第二章 PID控制5 2.1 PID参数对系统控制性能的影响5 2.1.1 比例系数KP对系统性能的影响5 2.1.2 积分时间常数Ti对系统性能的影响5 2.1.3 微分时间常数Td对系统性能的影响5 2.2 PID控制器的参数整定5第三章 模糊PID控制6 3.1 模糊PID控制器的概念

2、6 3.2 模糊控制规则6 3.2.1 控制原理7 3.2.2 模糊规则7 3.3模糊控制规则的实现8 3.3.1 隶属度8 3.3.2 模糊推理9 3.4模糊控制的优点10第四章 基于PID算法的同步发电机励磁控制器的仿真11 4.1同步发电机励磁系统数学模型的建立114.2 不带扰动时同步发电机励磁调节系统PID控制分析11 4.2.1 只改变P参数12 4.2.2 只改变Ti参数13 4.2.3 只改变Td参数14 4.2.4 不带扰动总结14 4.2.5 稳态值不为1的分析14 4.3 不同扰动位置对同步发电机PID励磁调节系统影响15 4.4带扰动的同步发电机励磁调节系统PID控制分

3、析17 4.4.1 只改变P参数18 4.4.2 只改变Ti参数19 4.4.3 只改变Td参数20 4.4.4 带扰动总结20 4.5 本章总结20第五章 结束语21参考文献22同步发电机励磁调节系统的PID控制摘 要：PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。而实际生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，传统的PID控制器并不能达到预期的效果。随着模糊数学的发展，模糊控制的思想逐渐得到控制工程师们的重视，单纯的模糊控制器存在控制效果粗糙、控制精度差等缺点，但利用传统的PID控制器和模糊控制器结合形成的模糊自适

4、应的PID控制器可以很好的弥补其缺陷，保证系统工作在最佳状态，实现优良的控制效果。 本文以发电机励磁控制系统为基础，在对模糊PID控制器的设计原理进行分析之后，利用MATLAB 中的SIMULINK 构建模型仿真进行了PID控制对同步发电机励磁调节系统的控制效果分析。 关键词: 传统PID控制; 模糊控制; 同步发电机励磁控制; MATLAB仿真 ABSTRACT：PID(Proportion Integration Differentiation)control is one of the earliest developed control strategies, due to its s

5、implicity, robustness and reliability, are widely used in industrial process control. While the actual production process with nonlinear time-varying uncertainty is often, it is difficult to establish a precise mathematical models, traditional PID controllers do not achieve the desired results. With

6、 the development of fuzzy math, fuzzy control of control engineers attention gradually, a simple rough fuzzy controllers, control effects, control accuracy is poor, but with traditional PID controllers and formation of fuzzy controller with fuzzy Adaptive PID controller can compensate for its shortc

7、omings well, ensure the system work optimally, achieving excellent results. Based on the generator excitation control system based on fuzzy PID controller design principles to the analysis of using MATLAB SIMULINK model in simulation of the PID control for excitation system of synchronous generator

8、control effect analysis.Keywords: traditional PID control; Fuzzy control; Excitation control of synchronous generator; MATLAB simulation2第一章 绪论1.1 课题研究的背景随着越来越多的新型自动控制应用于实践，其控制理论的发展也经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用。特别是在工业生产中，PID控制器可以根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被

9、控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。1.2 PID控制器的概念1.2.1 PID控制原理 PID控制器是一种线性闭环控制器，它根据给定输入值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差 (1.1)PID的控制信号u(t)由errot(t)及其对时间的积分、微分三部分联合作用产生： （1.2） PID控制器最终理想的控制效果是errot(t)=0，即yout(t) = rin(t)。将控制器写成传递函数的形式： (1.3) 式中，kp比例系数，TI 积分时间常数，TD 微分时间常数；统一用比例系数表 示，ki为积分比例系数，kd为微分比例系数：1.2.2 PID三个环节的作用比例、微分、

10、积分各个环节的作用： (1)kp：减小系统的误差，加快系统的响应速度。(2)ki：消除系统的静态误差，决定积分作用的强弱。(3)kd：抵制偏差信号的变化趋势，对偏差进行提前预报，减少调节时间。1.2.3 P控制这类控制输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，输入偏差越大输出越大。单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定剩余误差存在的场合。在工业生产中，比例控制规律使用较为普遍，它是控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用2。但是不能最终消除剩余误差的缺点限制了它的单独使用。 1.2.4 PI控制克

11、服剩余误差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制。积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。它的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积，一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除剩余误差。 1.2.5 PD控制当被控对象受到扰动作用后，被控变量没有立即发生变化，而是有一个时间上的延迟。因此要引入比例、微分作用，即PD控制。它比单纯的比例作用更快。尤其是对容量滞后大的对象，可以减小偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质量。1.3 PID控制器的种类PID控制器有传统PID控制器、模糊PID控制器、专家PID控制器、以及动词PID控

12、制器等几类。1.3.1传统PID控制器PID控 制 器 的 参 数 整 定 是 控 制 系 统 设 计 的 核 心。图1.1中 的PID控 制 器 表 示 的 就 是 传 统PID控制器，其kp 、ki 、kd 三个参数在控制过程中不会自动发生变化，操作人员只能根据控制对象的特性在系统开始工作时选择最优的三个参数。但仅靠一组参数还不能满足系统的要求，在控制过程中一般还要手动对参数进行修改，由此造成了极大的不方便。工业中实际应用的PID控制器不会只用传统的PID控制策略。1.3.2智能PID控制器模糊PID控制器、专家PID控制器、以及动词PID控制器都是智能PID控制器，它们在传 统PID控制

13、器的基础上实现了很多改进。模糊PID控制器和动词PID控制器都是PID参数自整定型控制器；而专家PID根据专家经验库，可能调整PID参数，或者直接影响输出电压u。第二章 PID控制2.1 PID参数对系统控制性能的影响2.1.1 比例系数KP对系统性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长。KP太大时，系统会趋于不稳定。KP太小，又会使系统的动作缓慢。KP可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果KP的符号选择不当，对象状态就会距离目标状态越来越远，如果出现这样的情况KP的符号就一定要取反。2.1.2 积分时间

14、常数Ti对系统性能的影响积分作用使系统的稳定性下降，Ti小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。2.1.3 微分时间常数Td对系统性能的影响微分作用可以改善动态特性。Td偏大时，超调量较大，调节时间较短；Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间。2.2 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数

15、。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。第三章 模糊PID控制3.1模糊PID控制器的概念图 1 模糊规则控制器模糊PID控制器全称应该叫做“模糊参数自适应（自整定）PID控制器”。图2.1表示

16、其系统 组成。顾名思义，模糊PID控制器的三个参数是能够在线调整、实时改变的。这是模糊PID控制器在传统PID控制器的基础上实现的重大改进。3.2模糊控制规则3.2.1控制原理自适应控制应用现代控制理论，以对象特性为基础，在线辨识对象特征参数，实时改变控制策略。在控制过程中各种信号量不易定量表示，因此需要模糊理论来解决问题。自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入，找到输出的三个PID参数与e和ec之间的模糊关系。在运行中不断检测e和ec，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，以满足不同e和ec对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。3.2.2 模糊规则误差e、

17、误差变化率ec，以 及K 的 模 糊 子 集 均 为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB，分别 代 表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。模糊控制规则具有如下形式：If (e is NB) and (ec is NB) then (kp is PB)and (ki is NB) and (kd is PS)。由于e和ec都有7个子集元素，总共有49种自由组合，因此模糊控制总共有49条这样形式的规则。kp 、ki 、kd三个参数整定的模糊控制规则表如表2.1。kp的模糊控制规则表KpecNBNMNSZOPSPMPBeNBZOZONMNMNMNBNBNMPSZONSNMNMNMNBNSPS

18、PSZONSNSNMNMZOPMPMPSZONSNMNMPSPMPMPMPSZONSNSPMPBPBPMPSPSZONSPBPBPBPMPMPSZOZOki的模糊控制规则表KiecNBNMNSZOPSPMPBeNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPBkd的模糊控制规则表KdecNBNMNSZOPSPMPBeNBPBPMPMPMPSPSPBNMPBNSPSPSPSPSPBNSZOZOZOZOZOZOZOZOZONS

19、NSNSNSNSZOPSZONSNMNMNSNSZOPMPSNSNBNMNMNSZOPBPSNSNBNBNBNMPS表2.1：模糊控制规则表3.3模糊控制规则的实现3.3.1 隶属度在模糊控制规则表中，各个元素子集都是用字母表示的，而在控制过程中，模糊判决器的输入和输出都是一些数值，因此需要在数值和各个语言变量之间建立联系。各个语言变量都表示一定的范围，这种范围的覆盖面可以用隶属度来表示。隶属度函数有多种形状，有正态分布的，有等腰梯形的，最常用的是三角形，如图2.2所示。每个语言变量表示的范围可能有所交叉，但除了几个特殊点，一个具体数值隶属于各个字母符号的程度是不一样的1。图2.2：隶属度 模

20、糊合成推理根据隶属度和模糊控制规则来修正PID参数： 3.3.2模糊推理模糊判决器读取e和ec的具体数值，进行模糊推理，然后输出三个K的具体数值，有很多算法。这里介绍一种强度转移法。所谓强度转移法，就是当控制系统有精确值输入时，精确值在条件语句的前件中所得到的语言变量转移到后件的语言变量值去，从而得到推理结果的过程2。以kp的推理为例。步骤为：(1)前件强度的求取为了简化而清晰地说明推理过程，我们假设误差e(k)及其变化率ec(k)分别最多对应2个语言变量值,设e(k)的两个语言变量值为A1 、A2，且对模糊变量A1 、A2的隶属度为uA1 (e)、uA2 (e)，ec(k)的两个语言变量值为

21、B1 、B2，且对这两个模糊变量的隶属度为uB1 (ec)、uB2 (ec)，控制规则如下：if e(k) is A1 and ec(k) is B1 then kp is C1 if e(k) is A1 and ec(k) is B2 then kp is C2 if e(k) is A2 and ec(k) is B1 then kp is C3if e(k) is A2 and ec(k) is B2 then kp is C4从以上4条规则中，可产生出模糊推理的前件强度为：u1 = uA1 (e) uB1 (ec) u2 = uA1 (e) uB2 (ec) u3 = uA2 (e)

22、 uB1 (ec) u4 = uA2 (e) uB2 (ec)(2) 后件强度的求取由于在强度转移法中，是把精确值对前件的作用强度转移到后件中去，并作为后件模糊量kpi 的隶属度，因此，依前件强度可得后件强度为：uC1 (kp1 ) = u1uC2 (kp2 ) = u2uC3 (kp3 ) = u3uC4 (kp4 ) = u4（3） 精确值kp的求取： 根据kp的语言变量值和隶属度的解析表达式求出kp1 、kp2 、kp3 、kp4 。它们分别为C1 、C2 、C3和C4在隶属度为u1 、u2 、u3和u4时的推理结果元素，则利用重心法可求得： (2.1)当误差e(k)和误差变化率ec(k

23、)具有多个语言变量值时，其推导过程与上述过程相似。 模糊推理中，在求解前件强度和后件强度时，对e，ec以及PID三个参数的描述，都是用名词来表示。这些名词不能互相包含，因此模糊控制的49条规则各不相同，缺一不可。3.4模糊控制的优点对比常规控制办法，模糊控制有以下几点优势3：（1）模糊控制完全是在操作人员经验控制基础上实现对系统的控制，无需建立数学模型，是解决不确定系统的一种有效途径。（2）模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞的系统，并能获得优良的控制效果。（3）由离散计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性、快速性。（4）控制的机理符

24、合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，是人工智能的再现，属于智能控制。第四章 基于PID算法的同步发电机励磁控制器的仿真在目前控制系统设计中，大多采用微机控制技术，此时使用的是数字PID控制器，它是将模拟 PID控制算法离散化，通过程序实现，不需要像模拟控制系统那样用硬件电路来实现，因此使系统设计更灵活、方便，由于PID控制算法具有直观的物理解释,并且能满足大多数系统的要求，因此至今PID 控制仍然是常规控制系统设计应用最普遍的控制算法。下面以某电厂发电机励磁系统为例，进行PID研究与仿真。4.1发电机励磁系统数学模型的建立44.1.1同步发电机的传递函数同步发电机的传递函数相当复杂，这里

25、只研究同步发电机空载起励的过程。因此，同步发电机传递函数简化为：GG(S)=KG/(1+TGS)式中：TG表示其时间常数，主要为励磁绕组的时间常数，其数值较小，取5s，KG为发电机的电压放大系数，当忽略发电机的饱和影响时，KG可用发电机的定子电压和发电机空载额定转子电压之比表示。4.1.2电压测量单元的传递函数电压测量单元由测量变压器、整流滤波电路等组成，作用是把发电机机端电压变成与之成正比的直流电压，近似的传递函数为：GR(S)=KR/(1+TRS)式中：其时间常数TR约为几十毫秒，KR= UCHE/ UGE，UCHE为对应UGE时测量单元的输出电压。4.1.3功率放大单元的传递函数发电机励

26、磁控制系统一般都有非线性环节，这就要进行线性处理 。分析发电机励磁 自动控制系统，一般假定发电机在空载额定状态（即发电机空载额定转速额定定子电压）运行时各环节对应的输入、输出为定态工作点，而且励磁系统的输人信号只有很小变化。同时考虑到发电机空载运行时励磁电流较小，可控硅整流电路的换相电抗压降不大，也可忽略。因此功率放大单元的传递函数可以简化为：GL(S)=KSCR/(1+TS)4.1.4 PID调速器的传递函数PID调速器的传递函数为：GK(S)=(KdS2+KPS+Ki)/S某发电厂发电机励磁系统的主要参数为：KG=20.15，UGE=400V，UCHE=6V，KR= UGE/ UCHE=0

27、.015，KSCR=2.82，T=0.0045。下面对以该参数的系统模型进行PID控制的simulink仿真分析。4.2不带扰动时同步发电机励磁调节系统PID控制分析该部分主要研究PID控制对同步发电机启动时PID控制对励磁调节系统的影响，因此没有加入扰动。根据参数调整规则已经调整好的参数分别为：P=100，Ti=0.02，Td=0.02，仿真结构图以及仿真结果如图4.1。图 4.1(a) 仿真结构图图 4.1.（c）不带PID控制的结构图图 4.1(b) 仿真结果图 4.1(d) 不带PID控制仿真结果由图4.1（b）结果可知在P=100，Ti=0.02，Td=0.02下系统调节时间较小，超

28、调量偏大，因此同步发电机机端电压变化时可快速实现调节，但缺点是调节过程波动幅度较大，可能影响某些设备正常工作。由图4.1（b）和图4.1（d）比较可知加入PID控制后大大减小了系统的调节时间，调节效果显著。4.2.1只改变P参数图 4.2（a）P=50图4.2（b）P=150由图4.2可知P变化时对调节时间时间影响很小，但P增大也增大了超调量，因此可知P过大对于同步发电机励磁调节是不利的。4.2.2只改变Ti参数图 4.3(a)Ti=200图 4.3(b) Ti=1000图 4.3(c)Ti=1750图 4.3（d）Ti=2000由仿真结果图4.3可知Ti的变化影响系统的稳定性，也可以说在系统

29、稳定的前提下影响系统的调节时间，因此Ti要选的小对同步发电机励磁调节是有利的。4.2.3只改变Td参数图 4.4（a）Td=0.8图 4.4（b）Td=3.7图 4.4（c）Td=5图 4.4（d） Td=20由图4.4可知Td的变化同时影响系统的调节时间和超调量但对超调量的影响更大，因此Td在适当小的时候保证超调量的前提下再保证调节时间对励磁调节是有利的。4.2.4不带扰动总结综上可知在P=50，Ti=0.02，Td=0.02时对系统的启动效果较好，如图4.2(a)，超调量小而且调节时间比较快。4.2.5稳态值不为1的分析由自动控制原理相关知识可知该章同步发电机励磁调节系统可用一个闭环传递函

30、数表示，因此系统可用一个系统的稳态值是由系统的闭环传递函数决定的。图 4.5（a）开环增益为1图 4.5（b）开环增益为1仿真结果由图可知当开环增益为1时仿真结果的稳态值是趋近于1的。4.3不同扰动位置对同步发电机PID励磁调节系统影响。下面分析在上述系统P=100，Ti=0.02，Td=0.02时扰动的不同位置对同步发电机PID励磁调节系统的影响，即在PID控制能否在实际中起到应有作用。图4.5的扰动用一个起始时间为12s，值为4的阶跃信号表示，由于在图4.6以及图4.7中阶跃信号值为4时不易观察结果故改为了10。图 4.6（a）加入扰动的仿真结构图 扰动值=4 图 4.5（b）仿真结果图

31、4.7（a）扰动位置前移 扰动值=10图 4.7（b）仿真结果图 4.8（a）扰动位置前移 扰动值同上图 4.8（b）仿真结果综合图4.5、4.6、4.7的仿真结果可知在扰动位置发生在距离PID的控制在系统的逻辑位置越近时，PID控制所起到的作用越小，越不利于对扰动的处理。但实际中一般是负荷变化引起机端电压变化，因而需要励磁调节，即实际中扰动一般发生在输出侧，因此PID控制在实际是可行的。4.4带扰动的同步发电机励磁调节系统PID控制分析现给出另一同步发电机励磁调节系统模型，参数分别为KG=1， KR= UGE/ UCHE=1，KSCR=1，TG=11.2，TM=0.035，TE=0.7。下面

32、分析带扰动时在已选好P=153、Ti=13、Td=10基础上P、Ti、Td分别变化时对同步发电机励磁调节系统影响，即PID控制励磁调节系统在实际中应对扰动的调节效果。同样的，扰动用一个阶跃信号表示，扰动加入时间为12s，阶跃信号值为0.1。图 4.9（a）原始励磁调节系统仿真结构图图 4.9（b）仿真结果4.4.1只改变P参数图 4.10 P=50时的仿真结果由图4.8和图4.9的比较可知当P较大时面对扰动时调节时间较长，抗干扰能力较差。4.4.2只改变Ti参数图 4.11(a) Ti=0图 4.11（b）Ti=130图 4.11（c） Ti=360图 4.11（d） Ti=1300在系统稳定

33、的前提下(即图4.10（a）与4.10（b）)扰动发生时Ti的变化同样影响调节时间，因此若要求励磁调节系统的抗干扰反应迅速可将Ti调小。4.4.3只改变Td参数图 4.12（a）Td=0.5图 4.12（b）Td=5图 4.12（c）Td=30图4.12（d）Td=50加入扰动后Td同样影响调节时间，而且Td越大对系统总体的抗干扰能力就越强。4.4.4带扰动总结本节主要研究了PID控制对系统的抗干扰能力，由本节仿真结果的综合分析可知P=153、Ti=13、Td=50时系统的抗干扰能力最强。4.5本章总结本章主要验证了PID控制在实际同步发电机励磁调节系统中的应用以及它的控制效果。在分析它的启动

34、和发生扰动扰动控制效果时主要看两个时域性能指标：超调量和调节时间，超调量越小越能满足调节过程的稳定性，调节时间越小越能反映调节的快速性，根据本章的仿真结果可知PID三个环节对两个性能指标会产生不同的影响，总体来说对于同步发电机励磁调节控制系统P不宜过大，Ti小一些，Td选的适中的控制效果是最好的。第五章 结束语本次课程设计我们组的研究方向是PID控制在同步发电机励磁调节系统中的应用，了解了传统PID以及模糊PID控制的运行原理，进行了传统PID控制在简单的同步发电机励磁调节系统模型的simulink仿真，并对结果结合模型进行了相关分析。我在本次课设中主要负责PID控制原理的分析。PID控制就是

35、在闭环控制系统中用比例微分积分环节控制系统偏差来调节系统偏差以达到想要的控制效果，比例环节反映系统偏差，以便于系统调节；微分环节用于消除静差，提高系统的无差度；积分环节反映偏差信号的变化速率，加快系统动作速度，减少调节时间。在同步电机励磁调节控制系统希望调节速度越快越好，即调节时间较小，而且超调量越小越好，因此我们主要观察积分环节变化对系统影响。本次课程设计我感到很可惜的地方就是没有实现模糊PID对励磁的调节，问题表现在模糊控制的原理没能深刻理解，因此在simulink中进行仿真时控制规则的模块总是不能和仿真模型相适应。本次课程设计使我深入了解了一个新的与所学专业有关的知识，以便我之后遇到相关

36、问题能够相对轻松解决，我个人认为PID控制属于自动控制原理的前沿应用，在现代大部分智能系统中能够得以应用，尤其是模糊PID能根据实际经验制定控制规则对调节效果要求高的系统有非常好的适用性。此次课程设计让我体会最深的就是对知识的理解程度越深就越能在科学研究的方向上进行的越深入，模糊PID我没能解决就是很好的印证。其次就是对科学研究的严谨认真态度，不能弄虚作假。最后谢谢老师提供了我一次全面认识自己综合科研能力的机会。参考文献1 王蕾，宋文忠. PID控制J. 自动化仪表，2004,25(4)：1-6.2 刘建昌等. 计算机控制系统M. 北京：科学出版社，2009.8：42.3 廉小亲. 模糊控制技术M. 北京：中国电力出版社，2003：55-574 黄小锋. PID在发电机励磁控制系统中的应用J. 电工技术，2007,9：79-80.5 王润，倪远平.基于模糊PID算法的同步发电机励磁控制器设计与仿真研究J.甘肃科学学报，2012,24(3)：131-134.22