基于分数阶PID的发电机汽门控制策略研究

唐静　杨汉生　许雪艳　王静　王燕

摘 要 现有的汽轮机调速系统具有较强的非线性，系统内部的扰动也会对系统的性能造成较大的影响，为了改善这一情况，本文设计使用分数阶PID控制器对汽门进行控制。通过Simulink原理图的仿真显示出，该控制系统显示出较强的鲁棒性，对系统中汽门的开度实现了较好控制效果。

关键词 分数阶PID控制器 反馈线性化 汽门控制 暂态稳定

中图分类号：TM571.6 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.02.074

0 引言

现今的生活生产当中，电力作为一个重要因素，作为我们关注的重点，为了满足各种生活生产中对电力的需求，电力系统的整个网络结构也越来越复杂化，这样的大型网络结构可以提供更多更大面积的电力供应，但是同时也必须面对的一个重要问题就是这么大的一个网络电力系统是否可以在满足电力供应的同时，也能保证系统的稳定以及在运行过程中保证传输性能，最为突出的问题就是系统的低频震荡以及动态品质的保证。在电力系统当中，有求是远距离传输的过程中，汽门开度直接影响的是发电机的输出功率以及转子转速；同时它的控制优劣直接影响上述两个问题。那么怎么更好的对汽门开度的控制就成为一个研究重点，这也是本文研究的方向。

在控制器领域一搬都会选择PID控制器，但是今年来改进的分数阶PID控制器得到大家的广泛关注，相较于传统控制器它多具备了两个参数，这使得它的控制复杂度增加，但是也使得它的控制更加的精准，分数阶PID控制的最为出色的能力就是提高系统的动态特性，非线性化的控制也非常适合电力系统当中的控制问题，因此本文选择用分数阶PID控制器来进行汽门开度的控制。

1 汽门模型

发电机的汽门设计本文选择用较为经典的单机无穷大系统，该系统的 系统结构如图1所示。

2 分数阶PID

分数阶控制系统是由分数阶微积分方程进行描述的，分数阶微积分允许微分和积分取任意阶次，分数阶控制器是由传统整数阶PID控制器基于分数阶微积分理论的基础上发展起来的，我们可以把原来的基本PID控制器当作是数阶控制器中的微分阶次和积分阶次都为1的情况。相对传统PID控制器，分数阶控制器需要多正定两个个控制参数，这样一来对我们整定参数的过程增加了很大的难度。

对于分数阶控制器来说，其控制器输出可以表示为：

3 基于分数阶PID的发电机汽门控制系统的设计

（1）直接反馈线性化。按照一开始我们所购建的数学模型（见图1），我们运用直接反馈线性化的方法选取坐标变换：

那么按照我们设计的非线性系统就可以用下面这个状态方程来描述：

（2）控制器结构框图的设计。图2为整个控制系统的原理框图，系统中我们选取发电机转速的偏差值作为分数阶PID控制器的输入，而PID控制器的输出经过反馈补偿的作用输出给我们的单机无穷大系统作为控制输入。

在整个系统中最重要的就是对PID控制器中五个参数的整定，本文中采用主导极点法进行控制器参数的整定，过程如下：

4 仿真

下图为Simulink中原理图构建的数学模型仿真实现的结果，模型中参数按如下所示：

=1.1；=2.534；=2.534；=0.318； =5；=8s；=0.1；=1.46/2；=0.35；=1；=14rad/s；=1.0，其中 =0.70；按照上述设计流程，我们还需要设定分数阶PID的初始参数： = 0.85； = 1.02；=60；= 160.7457；= 13.5277。图3和图4给出的分别为在上述参数下运行后，发电机功角和发电机转子转速的变化图，图中，蓝色的线表示的传统PID控制器控制下的变化规律，红色的线则是分数阶PID控制器作用下的变化规律，我们通过曲线可以看出，分数阶PID的控制效果明显要优于传统的PD控制器。

5 结论

经过仿真我们可以看出，当我们将发电机汽门的开度用分数阶PID控制器对其进行控制调节，使得效果明显要比用普通PID控制器更加显著。文中我们使用的是较为经典的数学模型，这就使得实际应用中更容易实现。当然该阶段的研究可以进一步提升，比如利用一些智能算法对分数阶PID的参数进行整定，这样就可以大幅度提升系统性能。

参考文献

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