PlD算法在发电机自动调节系统中的应用研究

马 莉

（昌吉学院物理系，新疆昌吉，831100）

PlD算法在发电机自动调节系统中的应用研究

马 莉

（昌吉学院物理系，新疆昌吉，831100）

发电机自动调节控制系统是电力系统控制的主要环节，它能够为发电机正常运行提供可靠性、经济性和系统运行的稳定性。本文围绕发电机自动调节系统的构成和功能，介绍了PID控制算法的含义，并进一步就PID在发电机自动调节系统中的应用展开讨论。

PID算法；发电机；自动调节系统；应用研究

1 发电机自动调节系统

自动控制系统是发电机的核心组成部分。发电机的操作特点和它的空载电动势与Eq的大小有关,而Eq是发电机励磁电流的函数。因此，对同步发电机的励磁进行调节控制，可以改变同步发电机的运行特性，并增强操作的稳定性。为了满足电力系统安全稳定运行的需要，自动调节控制是发电机运行调节控制的关键环节。

1.1 自动调节系统的构成

图1通过对某一给定值(参考值)的测量单元的反馈，对发电机的采样信号自动控制系统进行了比较，并将其与控制器的偏差进行了比较，得到放大后的校正控制器，并经控制器校准放大后，用于触发大功率半导体器件(SCR、GTR、IGBT等)，从而控制发电机励磁电压或电流。在自动控制系统中，数字电路中通常采用数字电路中的一部分，嵌入式微处理器使用A/D或D/A转换器，分别将模拟信号转换成数字信号或将数字信号转换成模拟信号。给定值以编码形式存储在微处理器中，与生成器的采样信号进行比较。采样信号是定子电压、电流、频率、有功或无功功率,角速度等。采集到的模拟信号一般通过电压、电流互感器或高速变送器，经A/D转换器转换成数字信号后，再与设定值比较运算，由微处理器中的运算单元完成。根据逻辑运算结果，执行储存在程序存储器的程序，程序设置各种所需的控制算法。控制器输出信号被转换为相应的模拟信号到功率放大器单元。

图1 励磁调节系统的简易框图

1.2 自动调节系统的功能

（1）高级控制算法。自动调整系统实现非常复杂的控制算法,除了比例控制、PI调节、PID调节控制这些传统的PID控制算法,控制方式还可以包括电力系统稳定器(PSS)额外的控制,线性最优励磁控制(LOEC),非线性励磁控制(NEC)等模拟励磁调节器中难以实现的控制规律。

（2）设置值的数字调节器系统可以任意设置各种控制参数,如电压、励磁电流、给定一个差异系数和阶跃响应、设置各种限制、保护设定值，调节这些可以在线修改的参数,可在本地或远程控制远程通信来完成操作。

（3）由监管机构内部循环记录装置记录数据，可以记录下励磁系统多种参数和数据，一些参数和数据可以从外部输入励磁系统，发电机励磁系统的运行参数等进行反馈，也可以将励磁系统内部数据输出到外部存储设备，准备未来的查询。

2 PID控制算法的应用

2.1 PID控制算法

在控制系统中，PID控制方法是应用最普遍的方法。它根据采样时刻的偏差值来计算控制量PID控制算法，通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。当控制系统的执行机构需要的是控制量的增量时，例如当驱动步进电机,这个数字PID调节的过程传递函数框图开始瞬间t=10，初始值定理，然后控制U(0-10)的输出，在早期的暂态扰动中，说明在扰动发生的暂态过程初期，PID励磁控制方式的控制作用相当增益为KD的比例式调节器。

对电压调节精度而言，由终值定理可知，对单位阶跃输入E(s)两个1/s，输出控制需要使用增量式PID控制算法，如果控制系统的输出直接去控制系统的执行结构，输出与行动的结构实现对应的位置,、称为位置式PID控制算法。其基本思想是，当系统的控制量的输出与设定值偏差大时，取消积分作用，以免由于积分的作用造成系统的稳定性降低，超调量增大，此时PID控制就蜕化为PD控制。而当系统的输出和设定值接近时，引入积分控制，以便减小系统稳定时的静差，提高控制精度具体实现有如下几种情况。

2.2 PID算法控制环节

（1）比例环节。比例控制作用是最基本的控制规律，它能快速地克服干扰，使系统稳定，但对于控制通道滞后很小，控制要求不高，控制参数在一定范围内是很差的。

（2）积分环节积分控制通常与比例控制或微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制,其中PI控制规律是应用最为广泛的一种控制规律积分能消除余差,适用于控制通道滞后小,负荷变化小,控制参数不允许超过余差。积分控制参数能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。

（3）差动控制可改善动态特性，如降低超调、缩短调节时间、允许比例控制、降低稳态误差、提高控制精度。但如果控制器的微分时间常数太大,这时即使偏差变化速度不是很大，但因微分作用太强，使的控制器的输出发生较大变化。当控制要求较高时，微分控制可以与比例微分控制联合作用，构成的PID控制是一种最理想的控制规律，它可以消除残留误差,增加微分效应,可以提高系统的稳定性。

2.3 PID算法的调节控制

常规PID控制器与模糊控制器的设计及其鲁棒性对比分析，本次设计中采用一个PID控制器，一个模糊控制器，一个模糊自适应PID控制器，进而比较各自的性能。三种模糊控制器的结构如图2所示,已知被控对象的传递函数如下。

图2 PID的simulink连接图

本次设计中分别采用PID控制器，模糊控制器和模糊自适应PID控制器，进而比较各自的性能。试设计常规PID控制器和模糊控制器分别对被控对象进行控制。通过仿真对比其控制效果并分析控制器的特点，如下所示。

仿真图像说明：其中，PID：常规PID控制器仿真结果；Fuzzypid：模糊自适应PID控制器仿真结果；fuzzy：模糊控制器仿真结果。从仿真图像来看，模糊自适应PID的响应速度要快于其它两种控制器，对应的鲁棒性最好。当被控对象参数发生变化，

图3 3种控制器的阶跃仿真曲线

下面通过仿真对比分析控制器的鲁棒性。

图4 鲁棒性能分析曲线

仿真结果表明，模糊自适应PID控制器的鲁棒性最好。在各项参数发生变化时，响应速度变化不大；静态误差变化不大；响应时间变化也不大。模糊自适应PID集成了模糊控制器稳定性和PID控制器的快速响应的优点，既有自适应性，又有好的稳定性和快速响应性。PID调节传递函数结构图见图5所示。

图5 PID调节传递函数框图

其中,U(s)来控制输出端电压VI，1/(1+kI)也可以被看作是一个大惯性环节KP=KD+Ks，KD的传递函数为KP+KI调节环节(KP+KDs)/(1+Ks)可以表示为KD+Ks/(1+Ks)的稳定性和扰动假设单位阶跃函数E(s)=1/E,可见,PID调节等于放大比例调整分为两个部分。在过渡过程中扰动发生，控制增益为稳态等效kD比例调节，通过增益kD+Ks调整比例的上述分析,PID励磁控制方式在一定程度上根据系统的稳定性和稳态电压精度之间的矛盾放大的监管。

3 结论

简而言之，在自动调节励磁同步发电机系统应用中，PID控制算法取得了良好的控制效果，稳定状态和瞬态性能指标完全满足了发电机励磁系统的要求，即稳定响应速度、快速调节能力和操作和调整过程。这说明该控制算法在自动控制系统应用中的可行性和正确性，在实际应用中具有一定的推广价值。

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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