一种基于自整定模糊PID控制的同步电机励磁控制系统的制作方法

本发明一种基于自整定模糊PID控制的同步电机励磁控制系统，用来对同步电机的励磁系统进行调整控制。

背景技术：

同步电动机因为它的励磁电流和励磁电压的自动调节性能，在工业上被广泛使用。它可以通过自身励磁系统的调节功能，使电动机在最佳的功率因数下运行。PID控制器因为其结构简单、鲁棒性良好、易操作、控制精度高的优点，能够满足大部分的工业上的需求。但是随着电力产业的不断发展，对控制器的要求也在不断地提高，电力系统的电压及电流的复杂程度也在同步上升。传统的PID控制器已经无法满足现在的电网和电动机对调节器的要求了，因此才产生了模糊控制器的研究。

模糊控制理论是建立在模糊数学(Fuzzy数学)基础上的一种控制理论，它是将精确的输入量如：电流、电压等精确量通过模糊方法模糊化成模糊量，然后再通过模糊语言来进行表达和运算，然后通过解模糊化来输出精确量。这样的方法可以不管输入对象的模型和数据的复杂程度，因此可以很好的解决传统PID控制器上对非线性、时变性等输入量十分困难的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种基于自整定模糊PID控制的同步电机励磁控制系统，将自整定算法与模糊PID控制器相结合，运用到同步电机的励磁控制系统之中，控制精度高、鲁棒性好、具有广泛的通用性；满足了现在工业上对同步电机励磁系统的要求，提高了同步电机的功率因数。

本发明采取的技术方案为：

一种基于自整定模糊PID控制的同步电机励磁控制系统，包括励磁功率单元、自整定模糊控制单元、PID调节器、电压检测单元。

通过电压检测单元实时检测同步电机的电压与整定的数值相比较，然后运用自整定模糊控制算法对输入的偏差e(t)和偏差率ec(t)来进行模糊规则运算，从而得到并输出三个参数比例系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D，然后PID调节器根据这些系数来励磁功率单元的励磁电压，从而实现对发电机功率因数的实时调整。

一种基于自整定模糊PID控制的同步电机励磁控制系统，PID调节器接入同步电机的励磁系统中组成一套闭环系统，然后按照下述步骤实现实时调整：

步骤1：按照要求设定模糊子集、模糊论域、隶属函数和模糊规则；

步骤2：给励磁功率单元通电，使其有一个初始的励磁电压供给同步电动机；

步骤3：电压检测单元检测通电后同步电动机的实际电压标准值，得到输入参数e(t)和ec(t)，输入给自整定模糊控制单元；

步骤4：把输入参数e(t)和ec(t)按照步骤1设定的规则进行模糊化处理；

步骤5：通过步骤1中设定的模糊规则表，经过模糊推理得到△K_P、△K_I和△K_D的模糊论域，△K_P的具体模糊规则见表1，△K_I的具体模糊规则见表2，△K_D的具体模糊规则见表3；

步骤6：把步骤5中得到的△K_P、△K_I和△K_D的模糊论域中的结果，通过反模糊化处理7后得到精确值，然后通过运算得到输出的K_P，K_I，K_D的精确值输出给PID调节器；

步骤7：PID调节器根据输入的K_P，K_I，K_D调节励磁功率单元，改变励磁电压的大小，改变同步电动机的功率因数；

步骤8：重复步骤3，使整个过程构成一个完整的反馈循环。

步骤1中的设定方法为△K_P、△K_I、△K_D、e(t)、ec(t)的模糊子集都为{NB(负大)，NM(负中),NS(负小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本论域为{-6，-4，-2,0,2,4,6}；△K_P、△K_I和△K_D的基本论域为{-0.6，-0.4，-0.2,0,0.2,0.4,0.6}。

步骤5中的模糊规则表，阐述为：当|e(t)|较大时，如果ec(t)为正，此时偏差较大且在向着更大的方向发展需要让偏差快速变小需要减小K_P，加大K_I，适当地增加K_D；

如果ec(t)为负，此时偏差正向着小的方向发展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不变或者略微地减小K_P，增大K_I和K_D；

当|e(t)|不太大的时候，如果ec(t)为正，此时偏差不大但却在向着更大的方向发展，则需要让偏差慢慢变小需要适当减小K_P，适当地增加K_I和K_D；

如果ec(t)为负，此时偏差正向着小的方向发展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不变，但是为了防止超调可以适当减小K_D；

当|e(t)|为零时候，则保持K_P，K_I，K_D基本不变，为了防止超调可以适当减小K_D。

本发明一种基于自整定模糊PID控制的同步电机励磁控制系统，优点在于：本发明让整个同步电动机的励磁系统构成了动态平衡，时刻调整同步电机的功率因数，让电机的功率因数时刻保持最优数值。采用自整定模糊PID控制器与传统的PID控制器比较，实时调整的速度更快，抗干扰能力更强，也更能应对更多的情况。

附图说明

图1为本发明自整定模糊PID控制的同步电机励磁系统图。

图2为本发明自整定模糊PID控制的流程图。

具体实施方式

一种基于自整定模糊PID控制的同步电机励磁控制系统，包括励磁功率单元1、自整定模糊控制单元4、PID调节器8、电压检测单元9。

励磁功率单元1主要参与调解同步电机的励磁电压。

同步电动机2主要通过励磁电压的调节来时间功率因数的改变，功率因数改变之后会通过电压检测单元9来测量反馈来的精确电压值，然后通过自整定模糊控制单元4来求解出比例系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D等控制变量。这其中又包含着模糊化处理5、以自整定算法为基础的模糊推理6和反模糊化处理7来输出新的比例K_P、积分K_I、微分K_D等控制变量。这些变量通过PID调节器8输出给励磁功率单元1，来实现对励磁电压的再一次优化调整，这整个过程构成了一个励磁系统的反馈优化。这是一个动态的调整过程，在同步电动机2连接在电力系统3的同时，励磁系统的调节会一直存在，共同实现了对同步电机动态、静态平衡调节，提高了电机的功率因数，达到了节约电能的目的。

通过电压检测单元9实时检测同步电机的电压与整定的数值相比较，然后运用自整定模糊控制算法对输入的偏差e(t)和偏差率ec(t)来进行模糊规则运算，从而得到并输出三个参数比例系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D，然后PID调节器8根据这些系数来励磁功率单元1的励磁电压，从而实现对发电机功率因数的实时调整。

本发明首先通电，通过励磁功率单元1给定的励磁电压让同步电动机2运行，然后通过电压检测单元9检测出此时的励磁电压的精确数值记作U_i和比例(K_P)、积分(K_I)、微分(K_D)等控制变量。然后用电压的精确值U_i与给定值U_s相减得到偏差e(t)＝U_s-U_i，同时还需要计算偏差率由偏差e(t)和偏差率ec(t)构成自整定模糊控制环节(4)中的输入环节。通过自整定模糊控制单元4求解出△K_P、△K_I、△K_D，计算输出K_P、K_I、K_D。具体操作是：把各变量通过模糊化处理5模糊化，建立模糊集{NB(负大)，NM(负中),NS(负小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}和各个变量的模糊域，选取三角形分布的隶属函数。然后在模糊推理6中设定自整定模糊规则，并利用相关算式推理求解出△K_P、△K_I、△K_D，控制规则为：当偏差值正大且变化率为正的时候，则需要减小比例积分环节，增大微分和积分环节来达到快速减小偏差使电压达到整定值；如果偏差正大且变化率为负的时候，则需要降低所有控制环节的作用，让电压达到整定值而不会超调；如果偏差正中且变化率为正的时候，则需要减小比例积分环节，增大微分环节，不改变积分环节来让电压值达到整定值；如果偏差正中且变化率为负的时候，则需要降低所有控制环节的作用，让电压达到整定值而不会超调；如果偏差正小且变化率为正的时候，则需要略微减小比例积分环节，增大微分环节，而不改变积分环节来让电压值达到整定值；如果偏差正小且变化率为负的时候，则需要降低所有控制环节的作用，让电压达到整定值而不会超调；如果偏差正中的时候，则需要降低所有环节的作用来让电压值稳定下来。通过以上模糊推理6环节得到△K_P、△K_I、△K_D相应的模糊化结果，然后通过反模糊化处理7处理后，通过计算得到精确的K_P、K_I、K_D值输出给PID调节器8，然后PID调节器8输出给励磁功率单元1，改变励磁电压调整同步电动机2的功率因数，重复开始的步骤，使整个系统达到一种动态的平衡，让电压稳定保持的整定值。

具体实施步骤如下：

首先需要对自整定模糊控制环节进行设置，具体的设置为先设定5个参数分别是输出参数比例系数变化(△K_P)、积分系数变化(△K_I)、微分系数变化(△K_D)和输入参数偏差e(t)、偏差率ec(t)的模糊子集都为{NB(负大)，NM(负中),NS(负小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本论域为{-6，-4，-2,0,2,4,6}，△K_P、△K_I和△K_D的基本论域为{-0.6，-0.4，-0.2,0,0.2,0.4,0.6}。输入和输出的隶属度函数都采取灵敏度较好的对称分布的三角形隶属度函数。然后需要设置自整定的模糊规则，通过K_P、K_I、K_D、e(t)、ec(t)对U_i的影响关系函数建立了通过e(t)和ec(t)判断△K_P、△K_I和△K_D的模糊规则表。当|e(t)|较大时，如果ec(t)为正，此时偏差较大且在向着更大的方向发展需要让偏差快速变小需要减小K_P，加大K_I，适当地增加K_D，如果ec(t)为负，此时偏差正向着小的方向发展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不变或者略微地减小K_P，增大K_I和K_D；当|e(t)|不太大的时候，如果ec(t)为正，此时偏差不大但却在向着更大的方向发展，则需要让偏差慢慢变小需要适当减小K_P，适当地增加K_I和K_D，如果ec(t)为负，此时偏差正向着小的方向发展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不变，但是为了防止超调可以适当减小K_D。当|e(t)|为零时候，则保持K_P，K_I，K_D基本不变，为了防止超调可以适当减小K_D。实际运行中具体步骤如下：

步骤1：按照上述要求设定模糊子集、模糊论域、隶属函数和模糊规则；

步骤2：给励磁功率单元1通电，使其有一个初始的励磁电压供给同步电动机2；

步骤3：电压检测单元9检测通电后同步电动机2的实际电压标准值，得到输入参数e(t)和ec(t)，输入给自整定模糊控制单元4；

步骤4：把输入参数e(t)和ec(t)按照步骤1设定的规则进行模糊化处理5；

步骤5：通过步骤1中设定的模糊规则表，经过模糊推理6得到△K_P、△K_I和△K_D的模糊论域，△K_P的具体模糊规则见表1，△K_I的具体模糊规则见表2，△K_D的具体模糊规则见表3；

步骤6：把步骤5中得到的△K_P、△K_I和△K_D的模糊论域中的结果，通过反模糊化处理7后得到精确值，然后通过运算得到输出的K_P，K_I，K_D的精确值输出给PID调节器8；

步骤7：PID调节器8根据输入的K_P，K_I，K_D调节励磁功率单元1，改变励磁电压的大小，改变同步电动机2的功率因数；

步骤8：重复步骤3，使整个过程构成一个完整的反馈循环。

步骤1中的设定方法为△K_P、△K_I、△K_D、e(t)、ec(t)的模糊子集都为{NB(负大)，NM(负中),NS(负小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}；e(t)和ec(t)的基本论域为{-6，-4，-2,0,2,4,6}；△K_P、△K_I和△K_D的基本论域为{-0.6，-0.4，-0.2,0,0.2,0.4,0.6}。

步骤5中的模糊规则表，阐述为：当|e(t)|较大时，如果ec(t)为正，此时偏差较大且在向着更大的方向发展需要让偏差快速变小需要减小K_P，加大K_I，适当地增加K_D；

如果ec(t)为负，此时偏差正向着小的方向发展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不变或者略微地减小K_P，增大K_I和K_D；

当|e(t)|不太大的时候，如果ec(t)为正，此时偏差不大但却在向着更大的方向发展，则需要让偏差慢慢变小需要适当减小K_P，适当地增加K_I和K_D；

如果ec(t)为负，此时偏差正向着小的方向发展，那么可以保持K_P，K_I，K_D不变，但是为了防止超调可以适当减小K_D；

当|e(t)|为零时候，则保持K_P，K_I，K_D基本不变，为了防止超调可以适当减小K_D。

根据模糊规则表比较ec(t)和e(t)的具体数据范围{NB(负大)，NM(负中),NS(负小),Z(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}来选择△K_P△K_I△K_D3个数据的具体数值。比如当ec(t)是-6为NB(负大)，e(t)是6为PB(正大)的时候，可以查表得出△K_P取0为Z(零)，△K_I取0为Z(零)，△K_D取0.6为PB(正大)。

表1为△K_P的△K_P具体模糊规则表

表2为△K_I的具体模糊规则表

表3为△K_D的具体模糊规则表