智能PID控制器在船舶發(fā)電機電壓控制中的應用

付亮

摘 要：應對船舶發(fā)電機在發(fā)生負荷突變，特別是大負荷突變之時，實現(xiàn)對發(fā)電機端電壓值的有效穩(wěn)定，是控制系統(tǒng)所亟需解決的一項基礎問題。對此本文就提出并應用了一種新型的智能PID控制器系統(tǒng)，其中PID控制器主要采用三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡構成，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力，PID控制器的參數(shù)可依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)特性通過神經(jīng)網(wǎng)絡權系數(shù)自行調(diào)節(jié)，其主要的特點為結構簡易、運行穩(wěn)定。依據(jù)仿真實例驗證表明，此智能PID控制器相較于傳統(tǒng)同類控制器而言在擾動相應速度與控制效果方面均得到極為明顯的提升，可有效穩(wěn)定船舶發(fā)電機端電壓。

關鍵詞：PID控制器；船舶；發(fā)電機電壓；勵磁系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡

船舶電力系統(tǒng)最為突出的一個特點即為發(fā)電機容量相對偏小，而負載的容量則較大；多臺機組所并聯(lián)工作，并聯(lián)與解列轉(zhuǎn)換起來十分頻繁，由此也就導致了船舶電站的運行工作成為了一個動態(tài)化演變的過程，難以實現(xiàn)真正的穩(wěn)態(tài)過程。在進行系統(tǒng)設計之時，時常會遭遇到非線性動態(tài)問題，依據(jù)智能控制理論來開展控制器的設計工作，將會使得其優(yōu)勢特點極大的體現(xiàn)出來。據(jù)此，下文將就智能PID控制器在傳播發(fā)電機電壓控制中的具體應用展開深入的探討。

一、電力控制系統(tǒng)及智能PID控制器概述

電力系統(tǒng)控制是一項十分繁雜的控制問題。目前所現(xiàn)有的控制方法主要就包括了線性最優(yōu)控制、自適應控制、H∞魯棒控制、智能控制等。近些年來又涌現(xiàn)出來了模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法以及DNA算法等智能技術所集成出的混合智能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)當中也有所應用。混合智能系統(tǒng)通過對各類智能技術特點的應用，例如對模糊邏輯的知識表達與推理能力應用，神經(jīng)網(wǎng)絡的知識獲取、學習及適應與容錯能力，以及遺傳算法的優(yōu)化能力等，將這些諸多的能力進行有效的結合，從而為電力系統(tǒng)大量問題的解決提供以有效的手段方法。

當前在船舶電力系統(tǒng)勵磁回路之中所普遍應用的是傳統(tǒng)的PID控制手段，而這一控制手段的優(yōu)勢即為：對數(shù)學模型沒有較高的要求、控制算法的整體結構也較為簡易、實現(xiàn)方式較為簡便，同時也較易成熟，設計人員應用起來十分簡便。基于神經(jīng)網(wǎng)絡的模糊自適應PID控制方案，一方面通過應用模糊邏輯概念與非線性處理方式，另一方面則通過應用神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力與任意函數(shù)的接近能力，將此兩者進行適當?shù)慕Y合從而獲得最為有效的PID非線性組合控制規(guī)律，進而達成對未知對象予以在線控制的目的。

二、系統(tǒng)構成

為了處理船舶發(fā)電機在符合發(fā)生改變特別是大負荷改變之時，可以更加有效的應對發(fā)電機一端的電壓問題，便設計出了一類架構于BP神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)之上的自適應智能PID控制設備，通過應用神經(jīng)網(wǎng)絡自學習能力，PID控制設備的可依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)化特點來經(jīng)由神經(jīng)網(wǎng)絡權系數(shù)予以自主調(diào)節(jié)，智能PID控制器則是通過三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡所構成，主要的特點即為結構簡便、工作穩(wěn)定，系統(tǒng)結構主要由以下四部分構成：

1）傳統(tǒng)PID控制器：由PID控制器與發(fā)電機所共同組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，PID闡述通過神經(jīng)網(wǎng)絡來達成實時調(diào)節(jié)。

2）量化模糊：針對系統(tǒng)所出現(xiàn)的各種變量因素采取模糊處理。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡NN1：（下圖1）采取系統(tǒng)辨識，給予NN2創(chuàng)造以具體的發(fā)電機組動態(tài)過程信息。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡NN2：獲得系統(tǒng)最優(yōu)化控制后的PID控制器參數(shù)信息。

三、仿真實例分析

將某大型集裝箱船舶發(fā)電機系統(tǒng)作為研究對象展開仿真探究，船舶的發(fā)電機組為了獲取到系統(tǒng)訓練數(shù)據(jù)，針對此集裝箱船的船舶發(fā)電機實際系統(tǒng)首先采取常規(guī)建模，將相關的系統(tǒng)輸入及輸出數(shù)據(jù)進行明確的記錄，同時將相關的數(shù)據(jù)內(nèi)容充當為對智能PID控制器進行訓練的樣本。將實際船舶的具體數(shù)據(jù)與《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》將主要發(fā)電機的動態(tài)電壓改變情況以及靜態(tài)電壓的改變情況要求作為主要依據(jù)來就智能PID控制器的應用效果予以評判，主發(fā)電機驟然增加或減少50%的負載，其發(fā)電機的動態(tài)電壓變化情況應當處于±15%之內(nèi)，待電壓值恢復正常后，在1.5s之內(nèi)，靜態(tài)電壓的變化情況應回歸到±2.5%之內(nèi)。

突然卸載50%的負載電壓，其仿真曲線詳見下圖2。觀察下圖2的仿真結果：在突然卸載了50%的負載以后，發(fā)電機的動態(tài)電壓最大值升高到了490V，其變化率約為+9%，并可在0.17s之內(nèi)達到穩(wěn)定范圍，主發(fā)電機的靜態(tài)電壓改變情況低于2.5%，并完全符合標準要求。

突然增加50%的負載電壓，其仿真曲線詳見下圖3，。觀察圖3的放著結果：在突然增加了50%的負載之后，發(fā)電機動態(tài)電壓的最低值將達到410V，其變化率約為-9%，在0.17s之內(nèi)可達到穩(wěn)定范圍，主發(fā)電機的靜態(tài)電壓改變情況低于2.5%，并完全符合標準要求。

依據(jù)對上圖2、圖3的觀察可知，此智能PID控制器具備較為良好的控制效果及魯棒性，完全符合標準規(guī)范的要求以及實際船舶測量所得到的具體數(shù)據(jù)信息。

結束語

在船舶發(fā)電機端的電壓是通過勵磁控制系統(tǒng)來使之趨向于穩(wěn)定的，發(fā)電機與勵磁控制系統(tǒng)均為極其復雜的非線性動態(tài)化系統(tǒng)。在本次研究中所提出的智能PID控制器設備能夠直接改善船舶發(fā)電機在負荷發(fā)生改變特別是大負荷改變之時，可對發(fā)電機一端的電壓值起到良好的穩(wěn)定作用。其主要的特點為結構簡單、工作穩(wěn)定，通過對仿真實例的分析，可得出此控制器對系統(tǒng)擾動的反應速度較快，同時其控制效果也較為良好，基于負載變化之時，可以對穩(wěn)定發(fā)電機一端的電壓值起到較好的穩(wěn)定效果。相信隨著有關智能PID控制器研究的不斷深入，其必將在智能船舶的發(fā)展過程中發(fā)揮出越來越重要的作用價值。

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