基于模糊PID控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)的研究

王塞北　王亞楠

摘 要：目前水電機(jī)組中多是采用常規(guī)的PID控制，由于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)水、機(jī)、電綜合控制系統(tǒng)，具有非線性、時(shí)變、非最小相位等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)不能滿足在不同工況下的水電機(jī)組的需求。文章基于模糊控制理論設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)的PID控制器，通過(guò)模糊推理簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化，已達(dá)到滿足不同工況下的水電機(jī)組控制的需求。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比常規(guī)PID控制器與模糊PID控制器的控制效果。模糊PID控制器能更加有效地改善系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：水電機(jī)組；模糊推理；PID控制；水輪機(jī)調(diào)節(jié)

水電機(jī)組是一個(gè)水、機(jī)、電綜合控制系統(tǒng)，具有非線性、時(shí)變、非最小相位等特點(diǎn)。目前，在水電機(jī)組中采用的多是傳統(tǒng)的PID控制。傳統(tǒng)PID控制算法以其計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制。當(dāng)建立起控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，通過(guò)參數(shù)整定方法[1]可以正確設(shè)定參數(shù)KP、KI和KD，PID控制器便可實(shí)現(xiàn)其作用，但是對(duì)于水電機(jī)組的情況（非線性、時(shí)變性等不確定性因素），傳統(tǒng)的PID控制器在不同的工況下，控制效果不理想。因此，文章提出設(shè)計(jì)一種模糊PID控制器來(lái)解決不同工況下系統(tǒng)的控制需求問(wèn)題，如圖1所示。

1 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理及其數(shù)學(xué)模型

水輪發(fā)電機(jī)組先將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，而后把轉(zhuǎn)換來(lái)的電能送入電網(wǎng)供居民使用。對(duì)于輸入電網(wǎng)的電能不僅需要保證其供電安全性，而且要求電能的頻率和電壓保持在特定值的正常波動(dòng)范圍內(nèi)。然而決定水電機(jī)組所輸出的電能質(zhì)量的因素是對(duì)水電機(jī)組調(diào)節(jié)的控制。例如，在出現(xiàn)頻率和電壓波動(dòng)過(guò)大的現(xiàn)象時(shí)，會(huì)造成用電設(shè)備的安全問(wèn)題。水輪發(fā)電機(jī)組通過(guò)水輪機(jī)調(diào)速器維持來(lái)其運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而保證輸送至電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量。它能夠根據(jù)負(fù)荷的變化對(duì)應(yīng)地調(diào)節(jié)水電機(jī)組的功率輸出，將機(jī)組頻率保持在合理的范圍內(nèi)。

在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水輪機(jī)調(diào)速器作為控制器，水輪發(fā)電機(jī)組作為控制對(duì)象，從而組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常包括這幾方面內(nèi)容：壓力引水系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器等，它是一個(gè)水、機(jī)、電三方面多因素耦合的非線性系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 模糊控制原理

模糊控制[4]是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是模仿人的大腦模糊推理和決策過(guò)程的一種智能控制方法。

模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)有模糊化、模糊推理、反模糊化。它們各自作用分別如下：

模糊化：將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量。模糊推理：依據(jù)模糊控制規(guī)則庫(kù)和系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，運(yùn)用模糊推理方法得到模糊輸出值。反模糊化：將模糊數(shù)值轉(zhuǎn)化為精確控制量。

3 水電機(jī)組的模糊PID控制器設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器類(lèi)型的確定

模糊控制器被分為兩類(lèi)：一是單變量模糊控制器；一是多變量模糊控制器[5]。

就一般情況而言，控制器的維數(shù)決定著控制的精度。顯而易見(jiàn)，維數(shù)的增加不僅造成模糊規(guī)則的數(shù)目的增多，而且對(duì)控制算法也提出更高的要求。通常選擇受控變量給定的偏差E和偏差變化EC作為二維模糊控制器的兩個(gè)輸入變量，它們能比較準(zhǔn)確地反映過(guò)程控制中的輸出變量的動(dòng)態(tài)特性。相比一維控制器，二維控制器的控制效果要好，而且在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較容易，因此成為運(yùn)用廣泛的一類(lèi)模糊控制器。在文章中選用以頻率的誤差E和頻率誤差變化率EC為輸入的二維模糊控制器是合適的。

3.2 變量的模糊化

在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)單機(jī)帶孤立負(fù)荷運(yùn)行工況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家的知識(shí)，設(shè)定輸入變量的基本論域分別為e：（-0.0777；0.0777），ec：（-0.0583；0.0583）；輸出變量基本論域Kp、Ki、Kd都為（-0.2，+0.2）。分別將其分為七個(gè)等級(jí)：負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）。模糊集合的論域分別取為E：（-3，+3），EC：（-3，+3），Kp：（-0.3，+0.3），KI：（-0.06，+0.06），KD：（-3，+3）。之后，根據(jù)量化因子、比例因子計(jì)算公式，可以計(jì)算出相應(yīng)的量化因子[6，7]。

3.3 規(guī)則庫(kù)的建立

從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量等各方面來(lái)綜合考慮，針對(duì)不同的e和ec相應(yīng)地調(diào)整KP、KI、KD，通常采用的原則是：當(dāng)e較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的KP與較小的KD，同時(shí)為避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，常取KI適中甚至0；當(dāng)e和ec中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，KP應(yīng)該取小些，KD的取值對(duì)系統(tǒng)影響較大，應(yīng)取得小一些，KI取適中；當(dāng)e較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，KP與KI應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，當(dāng)ec較大時(shí)KD可取得小些；當(dāng)ec較小時(shí)，KD可取大一些。部分規(guī)則控制表如表1所示。

4 Simulink仿真與結(jié)果

運(yùn)用MATLAB軟件的Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的仿真模擬，如圖5所示。通過(guò)常規(guī)PID和模糊PID對(duì)比，并在其中外加5Hz的干擾，經(jīng)過(guò)調(diào)試可以得到圖6結(jié)果。

對(duì)比常規(guī)的最優(yōu)PID的結(jié)果，模糊PID得到的結(jié)果，超調(diào)量較小，響應(yīng)速度較快，穩(wěn)態(tài)誤差較小，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)的PID針對(duì)線性系統(tǒng)，在選擇最優(yōu)參數(shù)后，能夠獲得比較理想的結(jié)果。但是考慮到水電機(jī)組的非線性、時(shí)變等特點(diǎn)，常規(guī)的PID控制有其局限和不足。相比而言，模糊PID能適合于這種非線性情況，同時(shí)也能獲得較好的結(jié)果，具有一定的價(jià)值。但是，模糊PID控制器設(shè)計(jì)的好壞，在較大的程度上受所制定的模糊規(guī)則和論域、隸屬函數(shù)重疊度的選擇等因素影響。因此，需要考慮好這些方面。

參考文獻(xiàn)

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[4]劉金琨.智能控制[M].電子工業(yè)出版社，2012.

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作者簡(jiǎn)介：王塞北（1986，10-），女，籍貫：河北省遷西縣，2010年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)電氣工程自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)就職于海委引灤局大黑汀水庫(kù)管理處、助理工程師，本科，研究方向：機(jī)電一體化。