本發(fā)明一種基于自整定模糊PID控制的同步電機勵磁控制系統(tǒng)，用來對同步電機的勵磁系統(tǒng)進行調整控制。

背景技術：

同步電動機因為它的勵磁電流和勵磁電壓的自動調節(jié)性能，在工業(yè)上被廣泛使用。它可以通過自身勵磁系統(tǒng)的調節(jié)功能，使電動機在最佳的功率因數(shù)下運行。PID控制器因為其結構簡單、魯棒性良好、易操作、控制精度高的優(yōu)點，能夠滿足大部分的工業(yè)上的需求。但是隨著電力產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對控制器的要求也在不斷地提高，電力系統(tǒng)的電壓及電流的復雜程度也在同步上升。傳統(tǒng)的PID控制器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的電網(wǎng)和電動機對調節(jié)器的要求了，因此才產(chǎn)生了模糊控制器的研究。

模糊控制理論是建立在模糊數(shù)學(Fuzzy數(shù)學)基礎上的一種控制理論，它是將精確的輸入量如：電流、電壓等精確量通過模糊方法模糊化成模糊量，然后再通過模糊語言來進行表達和運算，然后通過解模糊化來輸出精確量。這樣的方法可以不管輸入對象的模型和數(shù)據(jù)的復雜程度，因此可以很好的解決傳統(tǒng)PID控制器上對非線性、時變性等輸入量十分困難的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于自整定模糊PID控制的同步電機勵磁控制系統(tǒng)，將自整定算法與模糊PID控制器相結合，運用到同步電機的勵磁控制系統(tǒng)之中，控制精度高、魯棒性好、具有廣泛的通用性；滿足了現(xiàn)在工業(yè)上對同步電機勵磁系統(tǒng)的要求，提高了同步電機的功率因數(shù)。

本發(fā)明采取的技術方案為：

一種基于自整定模糊PID控制的同步電機勵磁控制系統(tǒng)，包括勵磁功率單元、自整定模糊控制單元、PID調節(jié)器、電壓檢測單元。

通過電壓檢測單元實時檢測同步電機的電壓與整定的數(shù)值相比較，然后運用自整定模糊控制算法對輸入的偏差e(t)和偏差率ec(t)來進行模糊規(guī)則運算，從而得到并輸出三個參數(shù)比例系數(shù)K_P、積分系數(shù)K_I、微分系數(shù)K_D，然后PID調節(jié)器根據(jù)這些系數(shù)來勵磁功率單元的勵磁電壓，從而實現(xiàn)對發(fā)電機功率因數(shù)的實時調整。

一種基于自整定模糊PID控制的同步電機勵磁控制系統(tǒng)，PID調節(jié)器接入同步電機的勵磁系統(tǒng)中組成一套閉環(huán)系統(tǒng)，然后按照下述步驟實現(xiàn)實時調整：

步驟1：按照要求設定模糊子集、模糊論域、隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則；

步驟2：給勵磁功率單元通電，使其有一個初始的勵磁電壓供給同步電動機；

步驟3：電壓檢測單元檢測通電后同步電動機的實際電壓標準值，得到輸入?yún)?shù)e(t)和ec(t)，輸入給自整定模糊控制單元；

步驟4：把輸入?yún)?shù)e(t)和ec(t)按照步驟1設定的規(guī)則進行模糊化處理；

步驟5：通過步驟1中設定的模糊規(guī)則表，經(jīng)過模糊推理得到△K_P、△K_I和△K_D的模糊論域，△K_P的具體模糊規(guī)則見表1，△K_I的具體模糊規(guī)則見表2，△K_D的具體模糊規(guī)則見表3；

步驟6：把步驟5中得到的△K_P、△K_I和△K_D的模糊論域中的結果，通過反模糊化處理7后得到精確值，然后通過運算得到輸出的K_P，K_I，K_D的精確值輸出給PID調節(jié)器；

步驟7：PID調節(jié)器根據(jù)輸入的K_P，K_I，K_D調節(jié)勵磁功率單元，改變勵磁電壓的大小，改變同步電動機的功率因數(shù)；

步驟8：重復步驟3，使整個過程構成一個完整的反饋循環(huán)。

步驟1中的設定方法為△K_P、△K_I、△K_D、e(t)、ec(t)的模糊子集都為{NB(負大)，NM(負中),NS(負小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本論域為{-6，-4，-2,0,2,4,6}；△K_P、△K_I和△K_D的基本論域為{-0.6，-0.4，-0.2,0,0.2,0.4,0.6}。

步驟5中的模糊規(guī)則表，闡述為：當|e(t)|較大時，如果ec(t)為正，此時偏差較大且在向著更大的方向發(fā)展需要讓偏差快速變小需要減小K_P，加大K_I，適當?shù)卦黾覭_D；

如果ec(t)為負，此時偏差正向著小的方向發(fā)展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不變或者略微地減小K_P，增大K_I和K_D；

當|e(t)|不太大的時候，如果ec(t)為正，此時偏差不大但卻在向著更大的方向發(fā)展，則需要讓偏差慢慢變小需要適當減小K_P，適當?shù)卦黾覭_I和K_D；

如果ec(t)為負，此時偏差正向著小的方向發(fā)展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不變，但是為了防止超調可以適當減小K_D；

當|e(t)|為零時候，則保持K_P，K_I，K_D基本不變，為了防止超調可以適當減小K_D。

本發(fā)明一種基于自整定模糊PID控制的同步電機勵磁控制系統(tǒng)，優(yōu)點在于：本發(fā)明讓整個同步電動機的勵磁系統(tǒng)構成了動態(tài)平衡，時刻調整同步電機的功率因數(shù)，讓電機的功率因數(shù)時刻保持最優(yōu)數(shù)值。采用自整定模糊PID控制器與傳統(tǒng)的PID控制器比較，實時調整的速度更快，抗干擾能力更強，也更能應對更多的情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明自整定模糊PID控制的同步電機勵磁系統(tǒng)圖。

圖2為本發(fā)明自整定模糊PID控制的流程圖。

具體實施方式

一種基于自整定模糊PID控制的同步電機勵磁控制系統(tǒng)，包括勵磁功率單元1、自整定模糊控制單元4、PID調節(jié)器8、電壓檢測單元9。

勵磁功率單元1主要參與調解同步電機的勵磁電壓。

同步電動機2主要通過勵磁電壓的調節(jié)來時間功率因數(shù)的改變，功率因數(shù)改變之后會通過電壓檢測單元9來測量反饋來的精確電壓值，然后通過自整定模糊控制單元4來求解出比例系數(shù)K_P、積分系數(shù)K_I、微分系數(shù)K_D等控制變量。這其中又包含著模糊化處理5、以自整定算法為基礎的模糊推理6和反模糊化處理7來輸出新的比例K_P、積分K_I、微分K_D等控制變量。這些變量通過PID調節(jié)器8輸出給勵磁功率單元1，來實現(xiàn)對勵磁電壓的再一次優(yōu)化調整，這整個過程構成了一個勵磁系統(tǒng)的反饋優(yōu)化。這是一個動態(tài)的調整過程，在同步電動機2連接在電力系統(tǒng)3的同時，勵磁系統(tǒng)的調節(jié)會一直存在，共同實現(xiàn)了對同步電機動態(tài)、靜態(tài)平衡調節(jié)，提高了電機的功率因數(shù)，達到了節(jié)約電能的目的。

通過電壓檢測單元9實時檢測同步電機的電壓與整定的數(shù)值相比較，然后運用自整定模糊控制算法對輸入的偏差e(t)和偏差率ec(t)來進行模糊規(guī)則運算，從而得到并輸出三個參數(shù)比例系數(shù)K_P、積分系數(shù)K_I、微分系數(shù)K_D，然后PID調節(jié)器8根據(jù)這些系數(shù)來勵磁功率單元1的勵磁電壓，從而實現(xiàn)對發(fā)電機功率因數(shù)的實時調整。

本發(fā)明首先通電，通過勵磁功率單元1給定的勵磁電壓讓同步電動機2運行，然后通過電壓檢測單元9檢測出此時的勵磁電壓的精確數(shù)值記作U_i和比例(K_P)、積分(K_I)、微分(K_D)等控制變量。然后用電壓的精確值U_i與給定值U_s相減得到偏差e(t)＝U_s-U_i，同時還需要計算偏差率由偏差e(t)和偏差率ec(t)構成自整定模糊控制環(huán)節(jié)(4)中的輸入環(huán)節(jié)。通過自整定模糊控制單元4求解出△K_P、△K_I、△K_D，計算輸出K_P、K_I、K_D。具體操作是：把各變量通過模糊化處理5模糊化，建立模糊集{NB(負大)，NM(負中),NS(負小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}和各個變量的模糊域，選取三角形分布的隸屬函數(shù)。然后在模糊推理6中設定自整定模糊規(guī)則，并利用相關算式推理求解出△K_P、△K_I、△K_D，控制規(guī)則為：當偏差值正大且變化率為正的時候，則需要減小比例積分環(huán)節(jié)，增大微分和積分環(huán)節(jié)來達到快速減小偏差使電壓達到整定值；如果偏差正大且變化率為負的時候，則需要降低所有控制環(huán)節(jié)的作用，讓電壓達到整定值而不會超調；如果偏差正中且變化率為正的時候，則需要減小比例積分環(huán)節(jié)，增大微分環(huán)節(jié)，不改變積分環(huán)節(jié)來讓電壓值達到整定值；如果偏差正中且變化率為負的時候，則需要降低所有控制環(huán)節(jié)的作用，讓電壓達到整定值而不會超調；如果偏差正小且變化率為正的時候，則需要略微減小比例積分環(huán)節(jié)，增大微分環(huán)節(jié)，而不改變積分環(huán)節(jié)來讓電壓值達到整定值；如果偏差正小且變化率為負的時候，則需要降低所有控制環(huán)節(jié)的作用，讓電壓達到整定值而不會超調；如果偏差正中的時候，則需要降低所有環(huán)節(jié)的作用來讓電壓值穩(wěn)定下來。通過以上模糊推理6環(huán)節(jié)得到△K_P、△K_I、△K_D相應的模糊化結果，然后通過反模糊化處理7處理后，通過計算得到精確的K_P、K_I、K_D值輸出給PID調節(jié)器8，然后PID調節(jié)器8輸出給勵磁功率單元1，改變勵磁電壓調整同步電動機2的功率因數(shù)，重復開始的步驟，使整個系統(tǒng)達到一種動態(tài)的平衡，讓電壓穩(wěn)定保持的整定值。

具體實施步驟如下：

首先需要對自整定模糊控制環(huán)節(jié)進行設置，具體的設置為先設定5個參數(shù)分別是輸出參數(shù)比例系數(shù)變化(△K_P)、積分系數(shù)變化(△K_I)、微分系數(shù)變化(△K_D)和輸入?yún)?shù)偏差e(t)、偏差率ec(t)的模糊子集都為{NB(負大)，NM(負中),NS(負小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本論域為{-6，-4，-2,0,2,4,6}，△K_P、△K_I和△K_D的基本論域為{-0.6，-0.4，-0.2,0,0.2,0.4,0.6}。輸入和輸出的隸屬度函數(shù)都采取靈敏度較好的對稱分布的三角形隸屬度函數(shù)。然后需要設置自整定的模糊規(guī)則，通過K_P、K_I、K_D、e(t)、ec(t)對U_i的影響關系函數(shù)建立了通過e(t)和ec(t)判斷△K_P、△K_I和△K_D的模糊規(guī)則表。當|e(t)|較大時，如果ec(t)為正，此時偏差較大且在向著更大的方向發(fā)展需要讓偏差快速變小需要減小K_P，加大K_I，適當?shù)卦黾覭_D，如果ec(t)為負，此時偏差正向著小的方向發(fā)展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不變或者略微地減小K_P，增大K_I和K_D；當|e(t)|不太大的時候，如果ec(t)為正，此時偏差不大但卻在向著更大的方向發(fā)展，則需要讓偏差慢慢變小需要適當減小K_P，適當?shù)卦黾覭_I和K_D，如果ec(t)為負，此時偏差正向著小的方向發(fā)展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不變，但是為了防止超調可以適當減小K_D。當|e(t)|為零時候，則保持K_P，K_I，K_D基本不變，為了防止超調可以適當減小K_D。實際運行中具體步驟如下：

步驟1：按照上述要求設定模糊子集、模糊論域、隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則；

步驟2：給勵磁功率單元1通電，使其有一個初始的勵磁電壓供給同步電動機2；

步驟3：電壓檢測單元9檢測通電后同步電動機2的實際電壓標準值，得到輸入?yún)?shù)e(t)和ec(t)，輸入給自整定模糊控制單元4；

步驟4：把輸入?yún)?shù)e(t)和ec(t)按照步驟1設定的規(guī)則進行模糊化處理5；

步驟5：通過步驟1中設定的模糊規(guī)則表，經(jīng)過模糊推理6得到△K_P、△K_I和△K_D的模糊論域，△K_P的具體模糊規(guī)則見表1，△K_I的具體模糊規(guī)則見表2，△K_D的具體模糊規(guī)則見表3；

步驟6：把步驟5中得到的△K_P、△K_I和△K_D的模糊論域中的結果，通過反模糊化處理7后得到精確值，然后通過運算得到輸出的K_P，K_I，K_D的精確值輸出給PID調節(jié)器8；

步驟7：PID調節(jié)器8根據(jù)輸入的K_P，K_I，K_D調節(jié)勵磁功率單元1，改變勵磁電壓的大小，改變同步電動機2的功率因數(shù)；

步驟8：重復步驟3，使整個過程構成一個完整的反饋循環(huán)。

步驟1中的設定方法為△K_P、△K_I、△K_D、e(t)、ec(t)的模糊子集都為{NB(負大)，NM(負中),NS(負小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本論域為{-6，-4，-2,0,2,4,6}；△K_P、△K_I和△K_D的基本論域為{-0.6，-0.4，-0.2,0,0.2,0.4,0.6}。

步驟5中的模糊規(guī)則表，闡述為：當|e(t)|較大時，如果ec(t)為正，此時偏差較大且在向著更大的方向發(fā)展需要讓偏差快速變小需要減小K_P，加大K_I，適當?shù)卦黾覭_D；

如果ec(t)為負，此時偏差正向著小的方向發(fā)展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不變或者略微地減小K_P，增大K_I和K_D；

當|e(t)|不太大的時候，如果ec(t)為正，此時偏差不大但卻在向著更大的方向發(fā)展，則需要讓偏差慢慢變小需要適當減小K_P，適當?shù)卦黾覭_I和K_D；

如果ec(t)為負，此時偏差正向著小的方向發(fā)展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不變，但是為了防止超調可以適當減小K_D；

當|e(t)|為零時候，則保持K_P，K_I，K_D基本不變，為了防止超調可以適當減小K_D。

根據(jù)模糊規(guī)則表比較ec(t)和e(t)的具體數(shù)據(jù)范圍{NB(負大)，NM(負中),NS(負小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}來選擇△K_P△K_I△K_D3個數(shù)據(jù)的具體數(shù)值。比如當ec(t)是-6為NB(負大)，e(t)是6為PB(正大)的時候，可以查表得出△K_P取0為Z(零)，△K_I取0為Z(零)，△K_D取0.6為PB(正大)。

表1為△K_P的△K_P具體模糊規(guī)則表

表2為△K_I的具體模糊規(guī)則表

表3為△K_D的具體模糊規(guī)則表