水轮发电机模糊调速系统研究.docx
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水轮发电机模糊调速系统研究
电子科技大学
毕业实践报告
报告题目:
水轮发电机模糊调速系统研究
学习中心(或办学单位):
汉沽电大
指导老师:
李建华职称:
教授
学生姓名:
李全有学号:
6293
专业:
电力系统及其自动化
电子科技大学
继续教育学院
制
网络教育学院
2011年09月23日
电子科技大学
毕业实践报告任务书及进度计划表
学习中心(办学单位)
汉沽电大
姓名
李全友
学号
6293
专业
电力系统及其自动化
指导教师
李建华
职称
教授
毕业实践题目
水轮发电机模糊调速系统研究
主要任务与要求
本次学习让我学到了很多专业知识,对电力系统及其自动化专业有更深的理解,对相关知识有了进一步的认知并在工作中运用到这些知识,它们使我提高了解决问题的能力及专业技能。
起讫日期
及进度安排
起讫日期:
2011年9月23日
进度安排:
—毕业论文申请及选题
—起草并提交开题报告
—写作并提交论文初稿
—写作并提交论文终稿
指导教师签字:
年月日
电子科技大学
毕业实践报告指导记录表
学习中心(办学单位)
汉沽电大
姓名
李全有
学号
6293
专业
电力系统及其自动化
题目
水轮发电机模糊调速系统研究
指导教师
李建华
职称
教授
第一次指导
存在的问题:
修改建议:
指导方式:
(请在□内打√)□面谈□电话□电子邮件
指导教师签字:
日期:
年月日
第二次指导
存在的问题:
修改建议:
指导方式:
(请在□内打√)□面谈□电话□电子邮件
指导教师签字:
日期:
年月日
第第三次指导
存在的问题:
修改建议:
指导方式:
(请在□内打√)□面谈□电话□电子邮件
指导教师签字:
日期:
年月日
第第四次指导
存在的问题:
修改建议:
指导方式:
(请在□内打√)□面谈□电话□电子邮件
指导教师签字:
日期:
年月日
第五次指导
存在的问题:
修改建议:
指导方式:
(请在□内打√)□面谈□电话□电子邮件
指导教师签字:
日期:
年月日
电子科技大学毕业实践成绩评定表
学习中心(办学单位)
姓名
学号
专业
指导老师
职称
题目
指导教师综合评分
(满分100分)
评审小组最终评定成绩
(满分100分)
评定等级
(优秀、良好、中等、及格、不及格)
指导教师意见
签名:
评审小组意见
评审组长签名:
学校意见
签名(盖章):
1引言……………………………………………………………………………………………………4
2水轮机组的特性………………………………………………………………………………………4
对水轮机组特性的描述……………………………………………………………………………4
附加PSS的励磁调节系统模型的成立……………………………………………………..…….4
2.2.1水轮机……………………………………………………………………………………..…….4
2.2.2压力引水系统...............................................................................................................................5
2.2.3发电机及负荷系统…………………………………………………………………………..….6
2.2.4随动系统…………………………………………………………………………….…….……6
3模糊控制………………………………………………………………………………………………6
模糊控制基础……………………………………………………………………………...….……6
3.1.1模糊控制大体思想…………………………………………………………………………….…6
3.1.2模糊控制的特点……………………………………………………………………………….…7
模糊控制器的大体理论……………………………………………………………………….……7
3.2.1模糊控制器的大体结构…………………………………………………………………….…7
3.2.2模糊化……………………………………………………………………………………………8
3.2.3精准化……………………………………………………………………………….………...…9
3.2.4模糊控制理论研究现状…………………………………………………………..………….…9
4PID控制器……………………………………………………………………………………..………10
PID控制器………………………………………………………………………………………10
4.1.1PID控制器………………………………………………………………………………………10
4.1.2理论…………………………………………………………………………………………..…10
4.1.3PID控制器的调试方式................................................................................................................11
4.1.4PID控制器的参数整定……………………………………………………………………...11
5比例因子自调整模糊PID控制系统结构和参整定…………………………………………………12
模糊PID控制系统的结构…………………………………………………………………………12
模糊控制器对PID参数KP、KI、KD的整定原则………………………………………………..12
系统各部份的具体设计……………………………………………………………………………12
5.3.1各变量隶属函数的肯定…………………………………………………………………………12
5.3.2成立模糊控制器的控制规则表…………………………………………………………………13
模糊控制器量化因子的肯定………………………………………………………………………14
6系统仿真………………………………………………………………………………………………14
7结语……………………………………………………………………………………………………15
致谢………………………………………………………………………………………………………16
参考文献…………………………………………………………………………………………………17
关于水轮发电机模糊调速系统研究的设计实践报告
摘要本文主要针对水轮机模糊调速系统进行研究,通过对水轮机组特性分析,模糊控制理论分析及其进展现状分析,PID控制器的研究提出模糊PID控制。
针对PID模糊控制,对其结构和参数整定进行运算研究并进行仿真。
关键词水轮机模糊控制PID
第一章引言
水力资源是清洁无污染的可再生能源,水力发电机组是将水力资源转换成电能的设备。
水轮机调节系统是水力发电机组的重要组成部份,主要完成对机组输出频率的调节,其调节性能的好坏直接关系到电网的电能质量。
水轮机调节系统是典型的时变、非最小相位、非线性的复杂系统。
目前,国内外仍较多采用传统的PID控制策略来完成对水轮机调节系统的控制,可是,对于这种复杂的系统,传统的PID控制策略由于采用固定参数来完成控制,难以保证在不同工况下都取得良好的控制效果。
为此,本人提出了水轮发电机模糊调速系统的设计研究实践报告。
在这探讨模糊PID控制。
模糊控制按照专家经验利用模糊技术对kP、kI、kD进行在线调整能够必然程度上提高PID控制器的适应性、鲁棒性。
第二章水轮机组的特性
第一节对水轮机组特性的描述
水轮发电机组的调节系统主要由调速器、随动系统、压力引水系统、导叶、水轮机及负荷组成,如图所示。
图水轮发电机组调节系统
第二节水轮发电机系统各环节简化的动态特性
2.2.1水轮机
由参考文献[3]可知,对于混流式水轮机,其动态特性可表达为:
Mt=Mt(H,n,a)Qt=Qt(H,n,a)
(1)
式中 Mt――水力矩
Qt――流量
H――水头
n――转速
a――导叶开度
将对应于Mt、Qt、H、n、a的相对误差量别离
记为mt、qt、x和S,由
(1)式可得
mt=mt(h,x,S)
qt=qt(h,x,S)
(2)
在波动较小时,可将
(2)式在工作点周围展开为泰勒级数,并略去含二阶以上各阶导数项,能取得如下的6系数水轮机动态特性表达式
mt=ehh+exx+eττ
qt=qqhh+eqxx+eqττ (3)
由于导叶开度a与主接力器行程yh有渐近线性关系τ=kτyh,令ey=kτeτ,eqy=kτeqτ,则(3)式变成
mt=ehh+exx+eyyh
qt=qqhh+eqxx+eqyyh (4)
式中:
eh=mt/h,ex=mt/x,ey=mt/yh,eqh=qt/h,eqx=qt/x,eqy=qt/yh (5)
2.2.2压力引水系统:
h=-Twdqtdt (6)
式中Tw――压力引水系统水流惯性时刻常数
2.2.3发电机及负荷系统:
Tadxdt+egx=mt-mg0 (7)
式中,Ta是机组惯性时刻常数与负荷时刻常数之和,mg0是由于系统用户投入或切除引发的负荷力矩转变,它与系统频率转变无关,一般把它看成扰动量,eg是发电机负荷自调节系数,表示由系统频率转变引发的负荷波动。
2.2.4随动系统
Tydytdt+yh=u (8)
式中Ty――随动系统的时刻常数
通过对水轮机各个环节分析运算取得如下的水轮机调节系统的线性化传递函数如图2.2.4:
图2.2.4
第三章模糊控制
第一节模糊控制基础
3.1.1模糊控制大体思想
模糊控制的大体思想是利用运算机来实现人的控制经验,而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。
模糊控制器(FuzzyController,即FC)取得庞大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点:
模糊控制是一种基于规则的控制。
它直接采用语言型控制规则,起点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,在设计中不需要成立被控对象的精准数学模型因此使得控制机理和策略易于同意与理解,设计简单,便于应用。
从工业进程的定性熟悉动身,比较容易成立语言控制规则,因此模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或转变超级显著的对象超级适用。
基于模型的控制算法及系统设计方式,由于起点和性能指标的不同,容易致使较大不同;但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性,利用这些控制规律间的模糊连接,容易找到折中的选择,使控制效果优于常规控制器。
模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的,这有利于模拟人工控制的进程和方式,增强控制系统的适应能力,使之具有必然的智能水平。
模糊控制系统的鲁棒性强,干扰和参数转变对控制效果的影响被大大减弱,尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
3.1.2模糊控制的特点
简化系统设计的复杂性,特别适用于非线性、时变、模型不完全的系统上。
利用控制法则来描述系统变量间的关系。
不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统,模糊控制器没必要对被控制对象成立完整的数学模式。
模糊控制器是一语言控制器,使得操作人员易于利用自然语言自然语言进行人机对话。
模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器,具有较佳的适应性及强健性(Robustness)、较佳的容错性(FaultTolerance)。
第二节模糊控制器的大体理论
3.2.1模糊控制器的大体结构
如下图所示,模糊控制器的大体结构包括知识库,模糊推理,输入量模糊化、输出量精准化四部份。
图3.2.1模糊控制器的大体结构
3.2.2模糊化
将精准的输入量转化为模糊量F有两种方式:
(1)将精准量转换为标准论域上的模糊单点集。
精准量x经对应关系G转换为标准论域x上的大体元素,则该元素的模糊单点集F为
uF(u)=1ifu=G(x)
(2)将精准量转换为标准论域上的模糊子集。
精准量经对应关系转换为标准论域上的大体元素,在该元素上具有最大隶属度的模糊子集,即为该精准量对应的模糊子集。
(3)模糊推理
最大体的模糊推理形式为:
前提1 IFATHENB
前提2 IFA′
结论 THENB′
其中,A、A′为论域U上的模糊子集,B、B′为论域V上的模糊子集。
前提1称为模糊蕴涵关系,记为A→B。
在实际应用中,一般先针对各条规则进行推理,然后将各个推理结果总合而取得最终推理结果。
3.2.3精准化
推理取得的模糊子集要转换为精准值,以取得最终控制量输出y。
目前常常利用两种精准化方式:
1)最大隶属度法。
在推理取得的模糊子集中,选取隶属度最大的标准论域元素的平均值作为精准化结果。
2)重心法。
将推理取得的模糊子集的隶属函数与横坐标所围面积的重心所对应的标准论域元素作为精准化结果。
在取得推理结果精准值以后,还应按对应关系,取得最终控制量输出y。
3.2.4模糊控制理论研究现状
管模糊控制理论已经取得了可观的进展,但与常规控制理论相较仍不成熟。
模糊控制系统的分析和设计尚未成立起有效的方式,在很多场合下仍然需要依托经验和试凑。
最近几年来,许多人一直尝试将常规控制理论的概念和方式扩展至模糊控制系统,而模糊控制与相结合的方式已成为研究的热点,二者的结合有效地推动了自学习模糊控制的进展。
控制易于取得由语言表达的专家知识,能有效地控制那些难以成立精准模型而凭经验可控制的系统,而则由于其仿生特性更能有效利用系统本身的信息,并能映射任意函数关系,具有并行处置和自学习能力,容错能力也很强。
在集成大系统中,神经网络可用于处置低层感知数据,模糊逻辑可用于描述高层的逻辑框架。
模糊逻辑与神经网络的结合有两种情形:
一是将模糊技术用于神经网络形成模糊神经网络,一是用神经网络实现模糊控制。
这两方面均见于大量的研究文献。
常规模糊控制的两个主要问题在于:
改良稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。
从大量文献中能够看出,在实际应用中,往住是将模糊控制或的思想,与其他相对成熟的控制理论或方式结合起来,发挥各自的优势,从而取得理想的控制效果。
如:
利用模糊复合控制理论的分档控制,将PI或PID控制策略引入Fuzzy控制器,组成Fuzzy-PI或Fuzzy-PID复合控制;适应高阶系统模糊控制需要的三维模糊控制器;将精准控制和模糊控制结合起来的精准—模糊混合控制;将预测控制与模糊控制相结合,利用预测模型对控制结果进行预报,并按照目标误差和操作者的经验应用模糊决策方式在线修正控制策略的模糊预测控制等。
模糊控制的进展进程中,提出了多种自组织、自学习、自适应模糊控制器。
它们按照被控进程的特性和系统参数的转变,自动生成或调整模糊控制器的规则和参数,达到控制目的。
这种模糊控制器在实现人的控制策略基础上,又进一步将人的学习和适应能力引入控制器,使模糊控制具有更高的智能性。
自校正模糊控制器、参数自调整模糊控制等控制方式也都较大地增强了对环境转变的适应能力。
模糊控制与其他智能控制方式的结合组成的模糊控制,如专家模糊控制能够表达和利用控制复杂进程和对象所需的启发式知识,重视知识的多层次和分类的需要,弥补了模糊控制器结构过于简单、规则比较单一的缺点,给予了模糊控制更高的智能。
二者的结合还能够拥有进程控制复杂的知识,并能够在更为复杂的情形下对这些知识加以有效利用。
基于神经网络的模糊控制能够实现局部或全数的模糊逻辑控制功能。
模糊控制器正向着自适应、自组织、自学习方向进展,使得模糊控制参数、规则在控制进程中自动地调整、修改和完善,从而不断完善系统的控制性能,达到更好的控制效果,而与、神经网络等其他智能控制技术相融合成为其进展趋势。
第四章PID控制器
第一节PID控制器
4.1.1PID控制器(比例-积分-微分),由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
通过Kp,Ki和Kd三个参数的设定。
PID控制器主要适用于大体线性和动态特性不随时刻转变的系统。
图4.1.1PID控制器组成原理图
PID控制器是一个在工业控制应用中常见的回路部件。
那个控制器把搜集到的数据和一个参考值进行比较,然后把那个不同用于计算新的输入值,那个新的输入值的目的是能够让系统的数据达到或维持在参考值。
和其他简单的控制运算不同,PID控制器能够按照历史数据和不同的出现率来调整输入值,如此能够使系统加倍准确,加倍稳固。
能够通过数学的方式证明,在其他控制方式致使系统有稳固误差或进程反复的情形下,一个PID反馈回路却能够维持系统的稳固。
4.1.2理论
PID是以它的三种纠正算法而命名的。
这三种算法都是用加法调整被控制的数值。
而实际上这些加法运算大部份变成了减法运算因为被加数老是负值。
这三种算法是:
-来控制当前,误差值和一个负常数P(表示比例)相乘,然后和预定的值相加。
P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。
这种控制器输出的转变与输入控制器的误差成比例关系。
比如说,一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C,它的预定值是20°C。
那么它在10°C的时候会输出100%,在15°C的时候会输出50%,在19°C的时候输出10%,注意在误差是0的时候,控制器的输出也是0。
-来控制过去,误差值是过去一段时刻的误差和,然后乘以一个负常数I,然后和预定值相加。
I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。
一个简单的比例系统会振荡,会在预定值的周围来回转变,因为系统无法消除多余的纠正。
通过加上一个负的平均误差比例值,平均的系统误差值就会老是减少。
所以,最终那个PID回路系统会在预定值定下来。
-来控制未来,计算误差的一阶导,并和一个负常数D相乘,最后和预定值相加。
那个导数的控制会对系统的改变作出反映。
导数的结果越大,那么控制系统就对输出结果作出更快速的反映。
那个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。
D参数对减少控制器短时刻的改变很有帮忙。
一些实际中的速度缓慢的系统能够不需要D参数。
用更专业的话来讲,一个PID控制器能够被称作一个在系统的。
这一点在计算它是不是会最终达到稳固结果时很有效。
若是数值挑选不妥,控制系统的输入值会反复振荡,这致使系统可能永久无法达到预设值。
4.1.3PID控制器的调试方式
比例系数的调节
比例系数P的调节范围一般是:
.若是增益值取,PID调节器输出转变为十分之一的误差值。
若是增益值取100,PID调节器输出转变为一百倍的误差值。
可见该值越大,比例产生的增益作用越大。
初调时,选小一些,然后慢慢调大,直到系统波动足够小时,再该调节积分或微分系数。
过大的P值会致使系统不稳固,持续振荡;过小的P值又会使系统反映迟缓。
适合的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反映过于灵敏,一按时刻的迟缓要靠积分时刻来调节。
积分系数的调节
积分时刻常数的概念是,误差引发输出增加的时刻。
积分时刻设为1秒,则输出转变100%所需时刻为1秒。
初调时要把积分时刻设置长些,然后慢慢调小直到系统稳固为止。
微分系数的调节
微分值是误差值的转变率。
例如,若是输入误差值线性转变,则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。
大部份控制系统不需要调节微分时刻。
因为只有时刻滞后的系统才需要附加那个参数。
若是画蛇添足加上那个参数反而会使系统的控制受到影响。
若是通过比例、积分参数的调节仍是收不到理想的控制要求,就可以够调节微分时刻。
初调时把那个系数设小,然后慢慢调大,直到系统稳固。
4.1.4PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是的核心内容。
它是按照被控进程的特性肯定PID控制器的比例系数、积分时刻和微分时刻的大小。
PID控制器参数整定的方式很多,归纳起来有两大类:
一是理论计算整定法。
它主如果依据系统的数学模型,通过理论计算肯定控制器参数。
这种方式所取得的计算数据未必能够直接用,还必需通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方式,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的实验中进行,且方式简单、易于掌握,在工程实际中被普遍采用。
PID控制器参数的工程整定方式,主要有临界比例法、反映法和衰减法。
三种方式各有其特点,其一路点都是通过实验,然后依照工程对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方式所取得的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
此刻一般采用的是临界比例法。
利用该方式进行PID控制器参数的整定步骤如下:
(1)第一预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2)仅加入比例控制环节,直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在必然的控制度下通过公式计算取得PID控制器的参数。
第五章比例因子自调整模糊PID控制系统结构和参整定
第一节模糊PID控制系统的结构
模糊PID控制系统的结构图如图4。
图中e、ec别离为误差和误差的转变率。
模糊控制器主要用来对PID控制器三个参数KP、KI、KD进行调整改善控制效果。
图模糊PID控制系统的结构图
第二节模糊控制器对PID参数KP、KI、KD的整定原则
模糊控制器按照e的绝对值|e|和ec的绝对值|ec|对KP、KI、KD进行在线调整,归纳了不同的|e|和|ec|对于KP、KI、KD的影响。
当|e|较大时,应当取较大的KP和较小的KD,为了避免出现振荡应取KI=0,当|e|中等大小时,为避免较大超调,应适当减小KP,KD对系统的影响,较大可适当加大一点。
当|e|很小时,为了提高稳态精度,能够加大KI,|ec|较小时KD取较大,|ec|较大时KD取较小。
第三节系统各部份的具体设计
5.3.1各变量隶属函数的肯定
用于对PID参数控制的模糊控制器采用两输入三输出的形式。
该模糊控制器以|e|和|ec|为输入语言变量,以KP、KI和KD为输出语言变量.各语言变量的语言值均取为“大”0(B)、:
“中”0(M)、“小”0(S)、“零”0(Z)四种相应的隶属函数曲线如下图
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