云南新平南恩糖紙有限責(zé)任公司 何崇安

中小型汽輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

云南新平南恩糖紙有限責(zé)任公司 何崇安

對于中小型的汽輪發(fā)電機(jī)組來說，勵(lì)磁控制是控制的核心部件，為了能夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能，必須采用負(fù)反饋的方式。而且從工業(yè)化實(shí)際性的觀點(diǎn)，采用PID以及各種PID改進(jìn)的方法，是工程性最強(qiáng)的方法，也是可靠性很高的方法，本文針對中小型汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，首先建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了研究設(shè)置。然后再這個(gè)基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了基于模糊PID控制系統(tǒng)的控制器，并且給出了具體的參數(shù)。最后應(yīng)用軟件進(jìn)行了仿真，表明了設(shè)計(jì)的有效性。

勵(lì)磁；反饋；PID控制；Matlab仿真

引言

電力系統(tǒng)的發(fā)展給人們帶來了越來越多的便利，但是電力系統(tǒng)要求極高的可靠性。為了充分提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有諸多辦法，其中的勵(lì)磁控制是重要的環(huán)節(jié)，把握住這個(gè)環(huán)節(jié)，就能夠很好的改進(jìn)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性，從而保證電網(wǎng)的安全。而且通過控制方法或者其它設(shè)備的措施來保證磁系統(tǒng)控制性能，也有很好的經(jīng)濟(jì)效益，方法非常有效。大多數(shù)中小型汽輪發(fā)電機(jī)主要還是同步發(fā)電機(jī)，作為其中的重要組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)特性好壞很大程度決定了這個(gè)發(fā)電機(jī)的可靠和穩(wěn)定與否。關(guān)于這個(gè)課題的研究一直沒有中斷，而且對于汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也是工程上必須要解決的實(shí)際問題。特別是現(xiàn)在已經(jīng)不簡單是功能的實(shí)現(xiàn)，更切更加強(qiáng)調(diào)品質(zhì)性能的提高，這就意味著不再是簡單地維護(hù)發(fā)電機(jī)端電壓恒定，還要能夠達(dá)到交大的調(diào)節(jié)范圍以及更高的精度，與此同時(shí)能夠保證干擾下振蕩快速有效的收斂，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。出于該思想，本文采用良好的模糊PID方法來實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的模型分析

1.1 汽輪機(jī)的構(gòu)成

為了充分理解該課題，有必要懂得中小型汽輪發(fā)電機(jī)的工作原理。該類發(fā)電機(jī)是由蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)推動(dòng)。跟一般的發(fā)電機(jī)一樣，其主要部件包括了轉(zhuǎn)子、以及定子的部分。在正常工作時(shí)，汽輪機(jī)以非常高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)于轉(zhuǎn)子內(nèi)，而轉(zhuǎn)子作為兩極輸出，保證了額定轉(zhuǎn)速每分鐘3000轉(zhuǎn)，這樣交流電的輸出頻率就鎖定在了50赫茲。為了設(shè)計(jì)此勵(lì)磁系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，首先應(yīng)該建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

1.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

對這部分的建模，首先是對各個(gè)子環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，得到分系統(tǒng)模型，這個(gè)分系統(tǒng)模型依托于每一部分的工作原理，然后得到每一部分的傳遞函數(shù)，閉環(huán)得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中，沒有必要特別特別精確，一般是相對簡化的模型來設(shè)計(jì)，然后采用精確模型進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步還要到實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行調(diào)節(jié)。因?yàn)樘_的模型首先得不到，而且跟實(shí)際總有偏差，所以具體的參數(shù)仍然有賴于現(xiàn)場。

（1）同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)。對于中小型汽輪式同步發(fā)電機(jī)，忽略發(fā)電機(jī)磁路的飽和特性，那么其傳遞函數(shù)能夠用一階滯后環(huán)節(jié)來描述：

（2）傳感器模塊。這個(gè)模塊實(shí)際上是負(fù)反饋的輸入，主要是采集電壓信號，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁控制器的數(shù)字化輸入，一般考慮慣性環(huán)節(jié)的傳感器模塊如（2）所示：

（3）功放模塊。這是對控制器的小信號進(jìn)行放大，為普通的慣性環(huán)節(jié)，傳函滿足：

（4）控制器模塊。采用PID的條件下，主要包含微分、積分、比例三個(gè)環(huán)節(jié)。

于是將各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合，就得到了總體模型如圖1所示：（不考慮模糊）

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

PID控制器的參數(shù)整定是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中的靈魂所在。它根據(jù)整個(gè)控制系統(tǒng)在被控過程之中的特性來確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。模糊控制是智能控制之中的一個(gè)重要的研究方向。模糊控制的核心理念是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)人的控制經(jīng)驗(yàn)。這主要是學(xué)習(xí)人的控制方法，因?yàn)槿说慕?jīng)驗(yàn)采用語言來說，具有很強(qiáng)的模糊性，從而形成條件語句。1模糊控制器如圖2所示：

圖2 模糊控制系統(tǒng)框圖

為提高控制的精度和特性，將傳統(tǒng)PID控制器與模糊控制理論相結(jié)合。計(jì)算出控制偏差，然后應(yīng)用模糊PID系統(tǒng)來得到調(diào)整量Δkp，Δki，Δkd，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整

3 系統(tǒng)參數(shù)獲取與仿真

這里首先是不考慮模糊的條件下，獲取基本的PID參數(shù)，概括起來大體可以分為兩類：第一類是理論計(jì)算整定法。這種方法的主要是依據(jù)是整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第二類是工程整定方法。這種方法其實(shí)主要依靠的是工程經(jīng)驗(yàn)。本文首先采用湊試法確定PID參數(shù)，為了提高效率首先按照經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推導(dǎo)，然后對計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得到整定的PID的P參數(shù)為1.5，I參數(shù)為0.15，D參數(shù)為0.04。通過選取合適的模糊控制器量化因子（本文中所選取的誤差量化因子為0.004，誤差變化率量化因子為0.006）。然后應(yīng)用模糊化的語言進(jìn)行修正，獲取出模糊PID控制補(bǔ)償。

圖3 三相電壓仿真示意圖

如圖為模糊PID控制策略下的效果圖，后經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)PID控制具有更好的適應(yīng)性、魯棒性，具有減小超調(diào)量和提高控制精度等優(yōu)點(diǎn)，能夠使系統(tǒng)獲得較好的性能。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)研究了中小型汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，采用模糊化的PID方法，能夠較好的提高系統(tǒng)性能，研究結(jié)果表明，該控制器就良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，并且硬件電路易于實(shí)現(xiàn)，帶來較好的效益。當(dāng)然隨著先進(jìn)控制論發(fā)展，對于全狀態(tài)的理解和系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完全掌握，不排除有更好的控制方法產(chǎn)生，現(xiàn)階段相對來說本文的方法是符合實(shí)際工程的有效方法，值得推廣。

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