本發(fā)明一種基于自整定模糊PID控制的同步電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，用來(lái)對(duì)同步電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整控制。

背景技術(shù)：

同步電動(dòng)機(jī)因?yàn)樗膭?lì)磁電流和勵(lì)磁電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能，在工業(yè)上被廣泛使用。它可以通過(guò)自身勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，使電動(dòng)機(jī)在最佳的功率因數(shù)下運(yùn)行。PID控制器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性良好、易操作、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(fù)雜程度也在同步上升。傳統(tǒng)的PID控制器已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在的電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)對(duì)調(diào)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(xué)(Fuzzy數(shù)學(xué))基礎(chǔ)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(guò)模糊方法模糊化成模糊量，然后再通過(guò)模糊語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行表達(dá)和運(yùn)算，然后通過(guò)解模糊化來(lái)輸出精確量。這樣的方法可以不管輸入對(duì)象的模型和數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度，因此可以很好的解決傳統(tǒng)PID控制器上對(duì)非線性、時(shí)變性等輸入量十分困難的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)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(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，將自整定算法與模糊PID控制器相結(jié)合，運(yùn)用到同步電機(jī)的勵(lì)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(duì)同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，提高了同步電機(jī)的功率因數(shù)。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于自整定模糊PID控制的同步電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，包括勵(lì)磁功率單元、自整定模糊控制單元、PID調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)單元。

通過(guò)電壓檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)同步電機(jī)的電壓與整定的數(shù)值相比較，然后運(yùn)用自整定模糊控制算法對(duì)輸入的偏差e(t)和偏差率ec(t)來(lái)進(jìn)行模糊規(guī)則運(yùn)算，從而得到并輸出三個(gè)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(diào)節(jié)器根據(jù)這些系數(shù)來(lái)勵(lì)磁功率單元的勵(lì)磁電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

一種基于自整定模糊PID控制的同步電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，PID調(diào)節(jié)器接入同步電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中組成一套閉環(huán)系統(tǒng)，然后按照下述步驟實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整：

步驟1：按照要求設(shè)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(lì)磁功率單元通電，使其有一個(gè)初始的勵(lì)磁電壓供給同步電動(dòng)機(jī)；

步驟3：電壓檢測(cè)單元檢測(cè)通電后同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電壓標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定的規(guī)則進(jìn)行模糊化處理；

步驟5：通過(guò)步驟1中設(shè)定的模糊規(guī)則表，經(jīng)過(guò)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(jiàn)表1，△K_I的具體模糊規(guī)則見(jiàn)表2，△K_D的具體模糊規(guī)則見(jiàn)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(jié)果，通過(guò)反模糊化處理7后得到精確值，然后通過(guò)運(yùn)算得到輸出的K_P，K_I，K_D的精確值輸出給PID調(diào)節(jié)器；

步驟7：PID調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入的K_P，K_I，K_D調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元，改變勵(lì)磁電壓的大小，改變同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)；

步驟8：重復(fù)步驟3，使整個(gè)過(guò)程構(gòu)成一個(gè)完整的反饋循環(huán)。

步驟1中的設(shè)定方法為△K_P、△K_I、△K_D、e(t)、ec(t)的模糊子集都為{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本論域?yàn)閧-6，-4，-2,0,2,4,6}；△K_P、△K_I和△K_D的基本論域?yàn)閧-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(dāng)|e(t)|較大時(shí)，如果ec(t)為正，此時(shí)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(dāng)?shù)卦黾覭_D；

如果ec(t)為負(fù)，此時(shí)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(dāng)|e(t)|不太大的時(shí)候，如果ec(t)為正，此時(shí)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(dāng)減小K_P，適當(dāng)?shù)卦黾覭_I和K_D；

如果ec(t)為負(fù)，此時(shí)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(diào)可以適當(dāng)減小K_D；

當(dāng)|e(t)|為零時(shí)候，則保持K_P，K_I，K_D基本不變，為了防止超調(diào)可以適當(dāng)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(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明讓整個(gè)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成了動(dòng)態(tài)平衡，時(shí)刻調(diào)整同步電機(jī)的功率因數(shù)，讓電機(jī)的功率因數(shù)時(shí)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(shí)時(shí)調(diào)整的速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)，也更能應(yīng)對(duì)更多的情況。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明自整定模糊PID控制的同步電機(jī)勵(lì)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(shí)施方式

一種基于自整定模糊PID控制的同步電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，包括勵(lì)磁功率單元1、自整定模糊控制單元4、PID調(diào)節(jié)器8、電壓檢測(cè)單元9。

勵(lì)磁功率單元1主要參與調(diào)解同步電機(jī)的勵(lì)磁電壓。

同步電動(dòng)機(jī)2主要通過(guò)勵(lì)磁電壓的調(diào)節(jié)來(lái)時(shí)間功率因數(shù)的改變，功率因數(shù)改變之后會(huì)通過(guò)電壓檢測(cè)單元9來(lái)測(cè)量反饋來(lái)的精確電壓值，然后通過(guò)自整定模糊控制單元4來(lái)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(chǔ)的模糊推理6和反模糊化處理7來(lái)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(guò)PID調(diào)節(jié)器8輸出給勵(lì)磁功率單元1，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電壓的再一次優(yōu)化調(diào)整，這整個(gè)過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的反饋優(yōu)化。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的調(diào)整過(guò)程，在同步電動(dòng)機(jī)2連接在電力系統(tǒng)3的同時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)會(huì)一直存在，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步電機(jī)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)平衡調(diào)節(jié)，提高了電機(jī)的功率因數(shù)，達(dá)到了節(jié)約電能的目的。

通過(guò)電壓檢測(cè)單元9實(shí)時(shí)檢測(cè)同步電機(jī)的電壓與整定的數(shù)值相比較，然后運(yùn)用自整定模糊控制算法對(duì)輸入的偏差e(t)和偏差率ec(t)來(lái)進(jìn)行模糊規(guī)則運(yùn)算，從而得到并輸出三個(gè)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(diào)節(jié)器8根據(jù)這些系數(shù)來(lái)勵(lì)磁功率單元1的勵(lì)磁電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

本發(fā)明首先通電，通過(guò)勵(lì)磁功率單元1給定的勵(lì)磁電壓讓同步電動(dòng)機(jī)2運(yùn)行，然后通過(guò)電壓檢測(cè)單元9檢測(cè)出此時(shí)的勵(lì)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(shí)還需要計(jì)算偏差率由偏差e(t)和偏差率ec(t)構(gòu)成自整定模糊控制環(huán)節(jié)(4)中的輸入環(huán)節(jié)。通過(guò)自整定模糊控制單元4求解出△K_P、△K_I、△K_D，計(jì)算輸出K_P、K_I、K_D。具體操作是：把各變量通過(guò)模糊化處理5模糊化，建立模糊集{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}和各個(gè)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(shè)定自整定模糊規(guī)則，并利用相關(guān)算式推理求解出△K_P、△K_I、△K_D，控制規(guī)則為：當(dāng)偏差值正大且變化率為正的時(shí)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(lái)達(dá)到快速減小偏差使電壓達(dá)到整定值；如果偏差正大且變化率為負(fù)的時(shí)候，則需要降低所有控制環(huán)節(jié)的作用，讓電壓達(dá)到整定值而不會(huì)超調(diào)；如果偏差正中且變化率為正的時(shí)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(lái)讓電壓值達(dá)到整定值；如果偏差正中且變化率為負(fù)的時(shí)候，則需要降低所有控制環(huán)節(jié)的作用，讓電壓達(dá)到整定值而不會(huì)超調(diào)；如果偏差正小且變化率為正的時(shí)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(lái)讓電壓值達(dá)到整定值；如果偏差正小且變化率為負(fù)的時(shí)候，則需要降低所有控制環(huán)節(jié)的作用，讓電壓達(dá)到整定值而不會(huì)超調(diào)；如果偏差正中的時(shí)候，則需要降低所有環(huán)節(jié)的作用來(lái)讓電壓值穩(wěn)定下來(lái)。通過(guò)以上模糊推理6環(huán)節(jié)得到△K_P、△K_I、△K_D相應(yīng)的模糊化結(jié)果，然后通過(guò)反模糊化處理7處理后，通過(guò)計(jì)算得到精確的K_P、K_I、K_D值輸出給PID調(diào)節(jié)器8，然后PID調(diào)節(jié)器8輸出給勵(lì)磁功率單元1，改變勵(lì)磁電壓調(diào)整同步電動(dòng)機(jī)2的功率因數(shù)，重復(fù)開(kāi)始的步驟，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡，讓電壓穩(wěn)定保持的整定值。

具體實(shí)施步驟如下：

首先需要對(duì)自整定模糊控制環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置，具體的設(shè)置為先設(shè)定5個(gè)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(fù)大)，NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本論域?yàn)閧-6，-4，-2,0,2,4,6}，△K_P、△K_I和△K_D的基本論域?yàn)閧-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(duì)稱分布的三角形隸屬度函數(shù)。然后需要設(shè)置自整定的模糊規(guī)則，通過(guò)K_P、K_I、K_D、e(t)、ec(t)對(duì)U_i的影響關(guān)系函數(shù)建立了通過(guò)e(t)和ec(t)判斷△K_P、△K_I和△K_D的模糊規(guī)則表。當(dāng)|e(t)|較大時(shí)，如果ec(t)為正，此時(shí)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(dāng)?shù)卦黾覭_D，如果ec(t)為負(fù)，此時(shí)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(dāng)|e(t)|不太大的時(shí)候，如果ec(t)為正，此時(shí)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(dāng)減小K_P，適當(dāng)?shù)卦黾覭_I和K_D，如果ec(t)為負(fù)，此時(shí)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(diào)可以適當(dāng)減小K_D。當(dāng)|e(t)|為零時(shí)候，則保持K_P，K_I，K_D基本不變，為了防止超調(diào)可以適當(dāng)減小K_D。實(shí)際運(yùn)行中具體步驟如下：

步驟1：按照上述要求設(shè)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(lì)磁功率單元1通電，使其有一個(gè)初始的勵(lì)磁電壓供給同步電動(dòng)機(jī)2；

步驟3：電壓檢測(cè)單元9檢測(cè)通電后同步電動(dòng)機(jī)2的實(shí)際電壓標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定的規(guī)則進(jìn)行模糊化處理5；

步驟5：通過(guò)步驟1中設(shè)定的模糊規(guī)則表，經(jīng)過(guò)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(jiàn)表1，△K_I的具體模糊規(guī)則見(jiàn)表2，△K_D的具體模糊規(guī)則見(jiàn)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(jié)果，通過(guò)反模糊化處理7后得到精確值，然后通過(guò)運(yùn)算得到輸出的K_P，K_I，K_D的精確值輸出給PID調(diào)節(jié)器8；

步驟7：PID調(diào)節(jié)器8根據(jù)輸入的K_P，K_I，K_D調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元1，改變勵(lì)磁電壓的大小，改變同步電動(dòng)機(jī)2的功率因數(shù)；

步驟8：重復(fù)步驟3，使整個(gè)過(guò)程構(gòu)成一個(gè)完整的反饋循環(huán)。

步驟1中的設(shè)定方法為△K_P、△K_I、△K_D、e(t)、ec(t)的模糊子集都為{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本論域?yàn)閧-6，-4，-2,0,2,4,6}；△K_P、△K_I和△K_D的基本論域?yàn)閧-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(dāng)|e(t)|較大時(shí)，如果ec(t)為正，此時(shí)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(dāng)?shù)卦黾覭_D；

如果ec(t)為負(fù)，此時(shí)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(dāng)|e(t)|不太大的時(shí)候，如果ec(t)為正，此時(shí)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(dāng)減小K_P，適當(dāng)?shù)卦黾覭_I和K_D；

如果ec(t)為負(fù)，此時(shí)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(diào)可以適當(dāng)減小K_D；

當(dāng)|e(t)|為零時(shí)候，則保持K_P，K_I，K_D基本不變，為了防止超調(diào)可以適當(dāng)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(fù)大)，NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}來(lái)選擇△K_P△K_I△K_D3個(gè)數(shù)據(jù)的具體數(shù)值。比如當(dāng)ec(t)是-6為NB(負(fù)大)，e(t)是6為PB(正大)的時(shí)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