基于PID的发电机励磁系统控制

目录摘要:...............................................................................................................................................21设计意义、任务与要求...............................................................................................31.1设计意义...................................................................................................................................31.2任务与要求.......................................................................................................................32设计与论证...................................................................................................................................52,1励磁系统的数学模型........................................................................................................52.1.1同步发电机传递函数.............................................................................................52.1.2电压测量单元.........................................................................................................52.1.3功率放大单元.........................................................................................................52.1.4常规PID控制器.....................................................................................................62.2同步发电机励磁控制系统框图................................................................................63Matlab电路设计与参数整定.......................................................................................................63.1电路设计............................................................................................................................63.2参数整定.............................................................................................................................74仿真与结果...................................................................................................................................85仿真结果分析...............................................................................................................................96结束语.........................................................................................................................................11参考文献.........................................................................................................................................1212摘要:同步发电机励磁控制器是同步发电机控制系统的核心，该系统是一个典型的反馈控制系统，PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。本设计为一个简单的PID控制的励磁控制系统。关键词：励磁反馈PID控制MATLAB仿真31设计意义、任务与要求1.1设计意义目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控机构上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。【1】本设计就是用PID控制器控制励磁系统的一个实例，我将通过Matlab仿真实现该控制的功能。1.2任务与要求在PID参数进行整定时如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、4超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的0.8)，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果，最终实现满意的仿真输出。要求具有一定的鲁棒性，且设计算法简单、易于实现、适应性强。【2】52设计与论证2,1励磁系统的数学模型在仿真设计之前，有必要分析系统中各个环节的工作原理，得出其传递函数，从而完成系统的开环、闭环传递函数的分析，本文采用简化的传递函数来表征系统各个组成部分的数学模型。2.1.1同步发电机传递函数假设该系统中的发电机的双输出绕组是严格同步变化的，在不考虑发电机磁路的饱和特性是，同步发电机的传递函数可以简化为以下一阶滞后环节：01GddKTTs式子中：GK为发电机的放大系数，0dT为其时间常数，忽略发电机磁场饱和现象。2.1.2电压测量单元电压测量完成励磁同步发电机输出电压到数字控制器输入信号的转化，其中镇流滤波电路略有延时，可用一阶惯性环节来近似描述，因此，测量比较单元的传递函数可用下式表示：1CMSRKGTs（）式子中：CK为电压传感器的输入输出的比例，RT为滤波回路的时间常数，一般取0到0.06之间。2.1.3功率放大单元功率放大主要是指由励磁控制器输出小的控制信号PWMU，到励磁功率器件的输出FU之间的功率转换作用。该单元可认为是一阶惯性环节，其传递函数为：6()1AAKGsTs式子中：AK为放大环节的电压比例，AT为放大环节的时间常数，一般很小，取AT约等于0。2.1.4常规PID控制器常规PID控制方式的控制器传递函数为：1()(1)KPdisKTsTsG2.2同步发电机励磁控制系统框图根据同步发电机励磁控制系统的结构，得出该系统传递函数框图如图1所示。【3】图1同步发电机励磁系统原理框图3Matlab电路设计与参数整定3.1电路设计分析好励磁控制系统的数学模型后，使用Matlab中的Simulink设计仿真的电路图，严格按照分析好的数学模型进行设计，设计并调整好参数的图形如图二所示：7图2MATLAB仿真原理图3.2参数整定控制器参数整定：指决定调节器的比例系数pK、积分时间Ti、微分时间dT和采样周期sT的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法和根轨迹法等；工程整定法有凑试法、临界比例法、经验法、衰减曲线法和响应曲线法等。工程整定法特点不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。【4】3.2.1凑试法按照先比例（P）、再积分（I）、最后微分（D）的顺序。置调节器积分时间iT，微分时间0dT，在比例系数pK按经验设置的初值条件下，将系统投入运行，由小到大整定比例系数pK。求得满意的1/4衰减度过渡过程曲线。引入积分作用（此时应将上述比例系数pK设置为56pK）。将Ti由大到小进行整定。若需引入微分作用时，则将dT按经验值或按11~34dT设置，并由小到大加入。3.2.2临界比例法在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，8得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数uK，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期uT。临界比例度法步骤：1、将调节器的积分时间Ti置于最大()iT，微分时间置零(0)dT，比例系数pK适当，