【期刊】基于PLC的发电机励磁系统模糊控制器设计.pdf
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1、电扎西控制应用2 0 0 8,3 5(1)研究与设计lE A基于P L C 的发电机励磁系统模糊控制器设计闫晓坤(东北电力大学输配电工程系,吉林省吉林1 3 2 0 1 2)摘要:为了改善发电机励磁控制系统的动态调节品质,运用模糊规则设计了一种发电机励磁系统的模糊控制器,并给出了基于西门子可编程逻辑控制器(P L C)的模糊控制器的实现方法。仿真和试验结果表明,控制器在改善发电机励磁系统的动态行为上具有突出的优势,对工程应用有实用价值。关键词:模糊控制器;励磁控制;发电机中图分类号:T M 3 0 1 2 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 3-6 5 4 0(2 0 0 8)0 1-0 0
2、 0 9-0 4D e s i g no ft h eF u z z yL o g i cC o n t r o l l e ro fE x c i t a t i o nC o n t r o lS y s t e mB a s e do nP L CM NX i a o k u n(D e p a r t m e n to fT r a n s m i s s i o na n dD i s t r i b u t i o nE n g i n e e r i n g,N o r t h e a s tD i a n l iU n i v e r s i t y,J i l i n1 3
3、2 0 1 2,C h i n a)A b s t m c t:I no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i cr e g u l a t i n gq u a l i t yo fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m,an e wf u z z yl o g i cc o n-t r o l l e rW S Sd e s i g n e db yu s i n gt h ef u z z yr u l e so fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e
4、m,t h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o do ft h ef u z z yl o g i cc o n t r o l l e rw 鹊i n t r o d u c e db a s e do nS I E M E N SP L C T h er e s u l t So ft h es i m u l a t i o na n dt h ep r a c t i c a lt e s ts h o w dt h a tt h i sm o d eh a dt h ea d v a n t a g eo fi m p r o v i n gd y
5、 n a m i cr e g u l a t i n gq u a l i t yo fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m I tC a l lb ep r a c t i c a lV a l u eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n K e yw o r d s:f u z z yc o n t r o l l e r;e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m;p o w e rg e n e r a t o r s0引言目前,工业控制
6、中使用最为广泛的仍是典型的P I D 控制,主要是因为这种控制策略结构简单,且具有一定的鲁棒性。但在实际的情况中,常规P I D 调节器固化的一组参数难以满足其调节品质的要求,因此,研究和改善现有的控制方式显得尤为重要,并具有实用价值。模糊控制作为一种智能控制方式,在工业控制中逐步得到了应用。模糊控制主要用于克服由于过程本身的不确定性、不精确性和噪声带来的控制问题,因而在处理发电机组励磁模型参数的不确定性、复杂性和非线性方面具有突出的优势。因此,模糊控制技术很适合应用于发电机励磁控制系统中。模糊控制技术己经成为当前研究者们较为关注的热点。但在发电机励磁系统,将模糊控制技术应用于控制器的设计却很
7、少,相关的资料论文也很有限,在模糊控制大力发展和应用日益广泛的今天做一些这方面的探讨是有益的。1发电机励磁模糊控制系统组成1 1 模糊控制系统的一般结构模糊控制属于计算机智能控制的一种形式,模糊控制系统的结构如图1 所示。图l模糊控制系统的一般结构它的核心部分为模糊控制器,模糊控制器的规则可由程序实现,规则是来自于人的经验形式化、模拟化。同时,应用相应的模糊判据,将其转化为精确量,实现对被控制对象的控制作用口1。常用的模糊控制器有一维、二维和三维模糊控制器,其中典型的是二维模糊控制器。二维模糊控制器是用系统输出的偏差e 和输出的偏差变化率e 作为控制系统的输入量。在实际模糊控一9 一 万方数据
8、研究与设计lE 鹏A皂机再拨刮应闭2 0 帆3 5(1)制系统中,需要先构造模糊控制表,模糊控制表是根据系统的输入输出个数、隶属函数及控制规则等决定。1 2 发电机励磁系统数学模型的建立1 2 1同步发电机的传递函数同步发电机的传递函数相当复杂,这里只研究发电机空载起励的过程,因此,可对发电机的数学描述进行简化。在转速为额定转速时,同步发电机的传递函数可以用一阶滞后环节来表示。电压最大值在额定电压的附近,因此,该过程中可以忽略饱和现象,故同步发电机的传递函数为:G G(S)=K c(1+S)表示其时间常数,主要为励磁绕组E W 的时间常数,其数值较小,取5s,为发电机的电压放大系数,当忽略发电
9、机的饱和影响时,可用发电机的定子电压和发电机空载额定转子电压之比表示。1 2 2 电压测量单元的传递函数电压测量单元由测量变压器、整流滤波电路等组成,作用是把发电机机端电压变成与之成正比的直流电压,在正常情况下,电压互感器和测量变压器均不会饱和,可近似用一个一阶滞后环节来描述。G R(S)=K R(1+靠S)式中,其时间常数约为几十毫秒,K R=酞眦,呱为对应u G E 时测量单元的输出电压。1 2 3 功率放大单元的传递函数调节器中的功率放大单元是晶闸管调节器,由于晶闸管整流元件工作是断续的,所以它的输出与控制信号间存在着时滞。U L=一“x 一坼式中:“晶闸管整流电路的输出电压;晶闸管整流
10、电路输出开路时的输出电压;换相电抗形成的输出电压降;坼晶闸管整流元件的电压降(每只晶闸管的管压降约为lV,在分析励磁系统时一般情况下可忽略不计)。发电机励磁控制系统一般都有非线性环节,这就要进行线性处理。线性处理时,首先要确定在哪一点线性化,也就是首先要确定系统各环节一1 0 一的定态工作点,然后假定在整个运行过程中各环节的输入量和输出量在定态工作点附近变化的绝对值一直保持很小。这样就可以把本来是非线性的环节近似地当成线性环节对待。分析发电机励磁自动控制系统,一般假定发电机在空载额定状态(即发电机空载额定转速额定定子电压)运行时各环节对应的输入、输出为定态工作点,而且励磁系统的输入信号只有很小
11、变化。同时考虑到发电机空载运行时励磁电流较小,晶闸管整流电路的换相电抗压降不大,也可忽略。因此功率放大单元的传递函数可以简化为:G L(5)=酶R(1+T S)因此,励磁系统总的传递函数框图如下图2所示。图2 发电机励磁系统传递函数2基于西门子P L C 的模糊系统设计目前,各P L C 生产厂家推出的中、小型P L C模块虽然提供了P I D 指令,可以实现P I D 控制,但是都没有提供模糊控制模块和软件包。为了获得模糊P I D 控制特性,本文提出了一种在不增加任何P L C 硬件开销的情况下,通过软件编程在P L C上实现模糊控制的新方法。2 1 输入输出的模糊集与论域确定各变量隶属函
12、数的确定根据P I D 自整定原则,用于P I D 参数控制的模糊控制器采用2 输入1 输出的模糊控制器,该模糊器是以e(t)和A e(t)为输入语言变量,以控制电压U 为输出语言变量。e(t)和a e(t)的模糊子集取值为:e()=P B,P M,P s,P O,N O,N S,N M,N B ;e()=P B,P M,P S,O,N S,N M,N B 。其中,P B=“正大”,P M=“正中”,P s=“正小”,P 0=“正零”,O=“零”,N O=“负零”,N S=“负小”,N M=“负中”,N B=“负大”控制电压U 的模糊子集取值为:U=一7,一6,一5,一4,一3,一2,一1,0
13、 万方数据电机与控制应用2 0 0 8,3 5(1)研究与设计lE M 队+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7 ;模糊子集为:“负很大”、“负较大”、“负大”、“负中”、“负小”、“负较小”、“负很小”、“零”、“正很小”、“正较小”、“正小”、“正中”、“正大”、“正较大”、“正很大”。采用阶跃信号作为输入信号,根据模糊控制器的原理,选择其输入(e()、e(t)输出(U)。取e(t)、A e(t)、U 的论域和模糊子集可得到隶属度曲线,图3、图4 为变量e(t)与A e(t)所对应的曲线。负大负中负小负零正零正小正中正大图3e(t)隶属函数曲线负大负中负小零正小正中正大图4A e(t)隶
14、属函数曲线2 2 模糊规则设计模糊规则来自于人的经验,根据实际经验规则可以得出U 的调节规则表如表1 所示:表1 模糊控制规则表A e(t)一负大负中负小负零正零正小正中正大负大负很大负较大负中负小负很小零正很小正较小负中负较大负大负中负小负很小零正很小正小负小负大负中负小负较小正很小正较小正较小正中零负小负较小负小负较小正较小正较小正较小正中正小负较小负较小负很小零正很小正较小正中正大正中负较小负很小零正很小正较小正小正大正较大正大负很小零正很小正很小正较小正中正较大正很大2 3 基于P L C 的模糊控制器设计微机上实现模糊控制一般采用3 种方式:强度转移方式、直接查表方式和公式计算方式。
15、要想在P L C 上实现模糊控制,考虑到P L C 运算能力较差,宜采用直接查表方式。在设计中,选用西门子公司的$7-2 0 0 型P L C,利用其A D 模块将输入量采集到P L C 中,利用其D A 模块实现执行元件的输出,模糊控制流程图如图5 所示。开始将量化因子置入到存储器中将输入值P、血置入V D1 0 0、V D1 0 4 中将输入量分别量化到输入语言变量的模糊论域中对应元素,并置入V D1 1 2 和V D1 0 8 中查模糊控制查询表,求得坼T 1 一乩乘量化因子,得实际值U图5 模糊控制系统流程图上面给出的是模糊规则表中查询求u 值的一段程序。其余程序与上述程序类似。3系统
16、仿真某电厂发电机励磁系统的主要参数为:K G=2 0 1 5,=4 0 0V,玑眦=6V,=U c 眦=0 0 1 5,K s c R=2 8 2,T=0 00 4 5。利用M a t l a b6 0 中的模糊工具箱进行模糊系统的设计,在模糊编译窗口中进行输人输出变量以及隶属度函数的设定,在模糊规则编辑器中设定规则,同时采取重心法进行解模糊化,最后利用S i m u l i n k 中的模糊工具集中的F u z z y C o n t r o l l e r 元件将已经建立的2 输入一1 输出的M a m d a n i 模糊控制系统导入S i m u l i n k 被控系统,与被控系统进
17、行无缝连接,最终实现对系统进行仿真,获取仿真结果。系统仿真的结构图如图6 所示:一1 1 万方数据研究与设计iE A电机再拨刮应用2 0 0 8,3 5(1)1,新、圜282(00045S+1)H一2015(5S+1)旧StepA e(t)篇淼纂鬈裂l:PJ戮t11嚣慧墓I付伺1 氏灯H y r H 伯、位胜刖尿 丌伺咧亚H Y 理F 匕L 而丙丽面而可一意义和实际意义。本文介绍了发电厂励磁控制系统的模型和模图6 系统仿真结构图糊控制在励磁控制中的应用,并讨论了其在P L C仿真结果如图7 所示。上的硬件实现。研究结果表明,该控制器具有良好的调节品质,并且硬件电路易于实现。它的应L 4 厂用,
18、将会给电厂发电机励磁控制系统带来更大的:l 声;声技术进步和更高的经济效益。1。u|j r 反尹参芎_ o 8”扩一j。一。I【参考文献】0 6 f 震:一一一o 一一一lo 4了_ _ 了1 1 黄忠霖控制系统M A T L A B 计算及仿真 M 北京:0 2 i f 苎鍪1 望不加辇氅堕釜曼鲤曼蹩毳鏊裴堕璧塑应;l国防工业出版社,2 0 0 1 1,曲线2 为P I D 调节时发电机励磁系统的阶跃响应:l一o t 曲线3 为加模糊控制时发电机励磁系统的阶跃响砬。I 2 肖兴健,韦奕华自并励静止励磁系统在燃气轮发一o 2 占_ 素广1 蒜T 言矿1 蒜丢矿蜀。电机的应用 J 燃气轮机技术,
19、2 0 0 1(2):5 1 5 3 t s 3 罗清华,莫妃炳,李廷堂自并励发电机励磁系统接图7 励磁控制系统仿真结果图地问题分析 J 电力科学与工程,2 0 0 3(4):7 4-7 6 4 吴笃贵静止励磁系统保护配置方案的讨论 C 可见,引入模糊控制算法后明显改善了发电2 0 0 4 全国电力主设备保护技术研讨会论文集机励磁系统的调节特性,并具有良好的跟踪特性。2 0 0 4 仿真结果表明,基于模糊控制算法的励磁系统的 5 李士勇模糊控制,神经控制和智能控制论 M 哈调节过程,都能很好地满足励磁系统的动态特性,尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1 9 9 8 所得到的系统响应曲线过程极小,调节
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