PlD算法在發電機自動調節系統中的應用研究

馬 莉

（昌吉學院物理系，新疆昌吉，831100）

PlD算法在發電機自動調節系統中的應用研究

馬 莉

（昌吉學院物理系，新疆昌吉，831100）

發電機自動調節控制系統是電力系統控制的主要環節，它能夠為發電機正常運行提供可靠性、經濟性和系統運行的穩定性。本文圍繞發電機自動調節系統的構成和功能，介紹了PID控制算法的含義，并進一步就PID在發電機自動調節系統中的應用展開討論。

PID算法；發電機；自動調節系統；應用研究

1 發電機自動調節系統

自動控制系統是發電機的核心組成部分。發電機的操作特點和它的空載電動勢與Eq的大小有關,而Eq是發電機勵磁電流的函數。因此，對同步發電機的勵磁進行調節控制，可以改變同步發電機的運行特性，并增強操作的穩定性。為了滿足電力系統安全穩定運行的需要，自動調節控制是發電機運行調節控制的關鍵環節。

1.1 自動調節系統的構成

圖1通過對某一給定值(參考值)的測量單元的反饋，對發電機的采樣信號自動控制系統進行了比較，并將其與控制器的偏差進行了比較，得到放大后的校正控制器，并經控制器校準放大后，用于觸發大功率半導體器件(SCR、GTR、IGBT等)，從而控制發電機勵磁電壓或電流。在自動控制系統中，數字電路中通常采用數字電路中的一部分，嵌入式微處理器使用A/D或D/A轉換器，分別將模擬信號轉換成數字信號或將數字信號轉換成模擬信號。給定值以編碼形式存儲在微處理器中，與生成器的采樣信號進行比較。采樣信號是定子電壓、電流、頻率、有功或無功功率,角速度等。采集到的模擬信號一般通過電壓、電流互感器或高速變送器，經A/D轉換器轉換成數字信號后，再與設定值比較運算，由微處理器中的運算單元完成。根據邏輯運算結果，執行儲存在程序存儲器的程序，程序設置各種所需的控制算法。控制器輸出信號被轉換為相應的模擬信號到功率放大器單元。

圖1 勵磁調節系統的簡易框圖

1.2 自動調節系統的功能

（1）高級控制算法。自動調整系統實現非常復雜的控制算法,除了比例控制、PI調節、PID調節控制這些傳統的PID控制算法,控制方式還可以包括電力系統穩定器(PSS)額外的控制,線性最優勵磁控制(LOEC),非線性勵磁控制(NEC)等模擬勵磁調節器中難以實現的控制規律。

（2）設置值的數字調節器系統可以任意設置各種控制參數,如電壓、勵磁電流、給定一個差異系數和階躍響應、設置各種限制、保護設定值，調節這些可以在線修改的參數,可在本地或遠程控制遠程通信來完成操作。

（3）由監管機構內部循環記錄裝置記錄數據，可以記錄下勵磁系統多種參數和數據，一些參數和數據可以從外部輸入勵磁系統，發電機勵磁系統的運行參數等進行反饋，也可以將勵磁系統內部數據輸出到外部存儲設備，準備未來的查詢。

2 PID控制算法的應用

2.1 PID控制算法

在控制系統中，PID控制方法是應用最普遍的方法。它根據采樣時刻的偏差值來計算控制量PID控制算法，通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。當控制系統的執行機構需要的是控制量的增量時，例如當驅動步進電機,這個數字PID調節的過程傳遞函數框圖開始瞬間t=10，初始值定理，然后控制U(0-10)的輸出，在早期的暫態擾動中，說明在擾動發生的暫態過程初期，PID勵磁控制方式的控制作用相當增益為KD的比例式調節器。

對電壓調節精度而言，由終值定理可知，對單位階躍輸入E(s)兩個1/s，輸出控制需要使用增量式PID控制算法，如果控制系統的輸出直接去控制系統的執行結構，輸出與行動的結構實現對應的位置,、稱為位置式PID控制算法。其基本思想是，當系統的控制量的輸出與設定值偏差大時，取消積分作用，以免由于積分的作用造成系統的穩定性降低，超調量增大，此時PID控制就蛻化為PD控制。而當系統的輸出和設定值接近時，引入積分控制，以便減小系統穩定時的靜差，提高控制精度具體實現有如下幾種情況。

2.2 PID算法控制環節

（1）比例環節。比例控制作用是最基本的控制規律，它能快速地克服干擾，使系統穩定，但對于控制通道滯后很小，控制要求不高，控制參數在一定范圍內是很差的。

（2）積分環節積分控制通常與比例控制或微分控制聯合作用，構成PI控制或PID控制,其中PI控制規律是應用最為廣泛的一種控制規律積分能消除余差,適用于控制通道滯后小,負荷變化小,控制參數不允許超過余差。積分控制參數能消除系統的穩態誤差，提高控制系統的控制精度。

（3）差動控制可改善動態特性，如降低超調、縮短調節時間、允許比例控制、降低穩態誤差、提高控制精度。但如果控制器的微分時間常數太大,這時即使偏差變化速度不是很大，但因微分作用太強，使的控制器的輸出發生較大變化。當控制要求較高時，微分控制可以與比例微分控制聯合作用，構成的PID控制是一種最理想的控制規律，它可以消除殘留誤差,增加微分效應,可以提高系統的穩定性。

2.3 PID算法的調節控制

常規PID控制器與模糊控制器的設計及其魯棒性對比分析，本次設計中采用一個PID控制器，一個模糊控制器，一個模糊自適應PID控制器，進而比較各自的性能。三種模糊控制器的結構如圖2所示,已知被控對象的傳遞函數如下。

圖2 PID的simulink連接圖

本次設計中分別采用PID控制器，模糊控制器和模糊自適應PID控制器，進而比較各自的性能。試設計常規PID控制器和模糊控制器分別對被控對象進行控制。通過仿真對比其控制效果并分析控制器的特點，如下所示。

仿真圖像說明：其中，PID：常規PID控制器仿真結果；Fuzzypid：模糊自適應PID控制器仿真結果；fuzzy：模糊控制器仿真結果。從仿真圖像來看，模糊自適應PID的響應速度要快于其它兩種控制器，對應的魯棒性最好。當被控對象參數發生變化，

圖3 3種控制器的階躍仿真曲線

下面通過仿真對比分析控制器的魯棒性。

圖4 魯棒性能分析曲線

仿真結果表明，模糊自適應PID控制器的魯棒性最好。在各項參數發生變化時，響應速度變化不大；靜態誤差變化不大；響應時間變化也不大。模糊自適應PID集成了模糊控制器穩定性和PID控制器的快速響應的優點，既有自適應性，又有好的穩定性和快速響應性。PID調節傳遞函數結構圖見圖5所示。

圖5 PID調節傳遞函數框圖

其中,U(s)來控制輸出端電壓VI，1/(1+kI)也可以被看作是一個大慣性環節KP=KD+Ks，KD的傳遞函數為KP+KI調節環節(KP+KDs)/(1+Ks)可以表示為KD+Ks/(1+Ks)的穩定性和擾動假設單位階躍函數E(s)=1/E,可見,PID調節等于放大比例調整分為兩個部分。在過渡過程中擾動發生，控制增益為穩態等效kD比例調節，通過增益kD+Ks調整比例的上述分析,PID勵磁控制方式在一定程度上根據系統的穩定性和穩態電壓精度之間的矛盾放大的監管。

3 結論

簡而言之，在自動調節勵磁同步發電機系統應用中，PID控制算法取得了良好的控制效果，穩定狀態和瞬態性能指標完全滿足了發電機勵磁系統的要求，即穩定響應速度、快速調節能力和操作和調整過程。這說明該控制算法在自動控制系統應用中的可行性和正確性，在實際應用中具有一定的推廣價值。

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PID algorithm for automatic adjustment system application in generator

Ma Li
(Department of physics Changji University,Changji Xinjiang,831100)

The generator automatic control system is the main part of the power control system, which can provide the reliability for the normal operation of a generator, the stability of economy and system operation. This paper focuses on the structure and function of automatic control system of the generator, and introduces the PID control algorithm and further the meaning of PID in the generator automatic regulation system application deployment discussion.

PID algorithm; generator; automatic control system; application research