5基于PLC的发电机励磁系统模糊控制器设计[1].pdf

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1、2008,35(1)研究与设计 EM CA基于PLC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 132012)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(PLC)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 M301.2 文献标识码:A 文章编号:167326540(2008)0120009204Design of the Fuzzy Logi

2、c Controller ofExcitation Control System Based on PLCYAN X iao2kun(Depart ment of Trans mission and Distribution Engineering,NortheastDianliUniversity,Jilin 132012,China)Abstract:In order to i mprove the dynamic regulating quality of excitation control system,a new fuzzy logic con2trollerwas designe

3、d by using the fuzzy rules of excitation control system,the correspondingmethod of the fuzzy logiccontrollerwas introduced based on SIEMENS PLC.The results of the simulation and the practical test showd that thismodle had the advantage of improving dynamic regulating qualityof excitation control sys

4、tem.It can be practical valueof engineering application.Key words:fuzzy controller;excitation control system;power generators0 引 言 目前,工业控制中使用最为广泛的仍是典型的PI 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PI 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

5、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1 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

6、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2。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9 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/研究与设计 EM CA2008,35(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

7、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:GG(S)=KG/(1+TGS)TG表示其时间常数,主要为励磁绕组EW的时间常数,其数值较小,取5 s,KG为发电机的电压放大系数,当忽略发电机的饱和影响时,KG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

8、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。GR(S)=KR/(1+TRS)式中,其时间常数TR约为几十毫秒,KR=UCHE/UGE,UCHE为对应UGE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。UL=ULK-UHX-UT 式中:UL 晶闸管整流电路的输出电压;ULK 晶闸管整流电路输出开路时的输出电压;UHX 换相电抗形成的输出电压降;UT 晶闸管整流元件的电压降(每只晶闸管的管压降约为1 V,在分析励磁系统时一

9、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:GL(S

10、)=KSCR/(1+TS)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PLC的模糊系统设计目前,各PLC生产厂家推出的中、小型PLC模块虽然提供了PI D指令,可以实现PI 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PI D控制特性,本文提出了一种在不增加任何PLC硬件开销的情况下,通过软件编程在PLC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数的确定根据PI D自整定原则,用于PI 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e(t)为输入语言变量,以控制电压U为输出语言变量。e

11、(t)和e(t)的模糊子集取值为:e(t)=PB,P M,PS,PO,NO,NS,NM,NB;e(t)=PB,PM,PS,O,NS,NM,NB。其中,PB=“正大”,PM=“正中”,PS=“正小”,PO=“正零”,O=“零”,NO=“负零”,NS=“负小”,NM=“负中”,NB=“负大”控制电压U的模糊子集取值为:U=-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,01 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2008,35(1)研究与设计 EM CA+1,+2,

12、+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(t)、e(t)输出(U)。取e(t)、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 e(t)所对应的曲线。图3e(t)隶属函数曲线图4 e(t)隶属函数曲线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e(t)e(t)负大负中负小负零

13、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PLC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。要想在PLC上实现模糊控制,考虑到PLC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S72200型PLC,利用其

14、A/D模块将输入量采集到PLC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。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 系统仿真某电厂发电机励磁系统的主要参数为:KG=20.15,UGE=400 V,UCHE=6 V,KR=UCHE/UGE=0.015,KSCR=2.82,T=0.0 045。利用Matlab 6.0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入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Simulink中的模糊工具集中的FuzzyContr

15、oller元件将已经建立的2输入-1输出的Mamdani模糊控制系统导入Si mulink被控系统,与被控系统进行无缝连接,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:11 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/研究与设计 EM CA2008,35(1)图6 系统仿真结构图 仿真结果如图7所示。图7 励磁控制系统仿真结果图 可见,引入模糊控制算法后明显改善了发电机励磁系统的调节特性,并具有良好的跟踪特性。仿真结果表明,基于模糊控制算法的励

16、磁系统的调节过程,都能很好地满足励磁系统的动态特性,所得到的系统响应曲线过程极小,调节速度快且调节过程平稳(没有频繁的波动),具有良好的调节品质。4 结 语随着大容量发电机组的使用和大规模电力系统的形成,对励磁系统的可靠性和技术性能的要求越来越高,需要研究新型的励磁调节器来满足要求。同时,计算机技术和自动控制理论的发展也为研究新型励磁调节器和励磁系统提供了良好的基础。把模糊控制技术应用在发电机励磁系统将有很好的和潜在的应用前景,并有明显的理论意义和实际意义。本文介绍了发电厂励磁控制系统的模型和模糊控制在励磁控制中的应用,并讨论了其在PLC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,

17、并且硬件电路易于实现。它的应用,将会给电厂发电机励磁控制系统带来更大的技术进步和更高的经济效益。【参 考 文 献】1 黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真M.北京:国防工业出版社,2001.2 肖兴健,韦奕华.自并励静止励磁系统在燃气轮发电机的应用J.燃气轮机技术,2001(2):51-53.3 罗清华,莫妃炳,李廷堂.自并励发电机励磁系统接地问题分析J.电力科学与工程,2003(4):74276.4 吴笃贵.静止励磁系统保护配置方案的讨论C2004全国电力主设备保护技术研讨会论文集.2004.5 李士勇.模糊控制,神经控制和智能控制论M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.6L IW,

18、CHENG X.Adaptive high2precision control ofpositioning tables2Theory and experi ment J.IEEETrans on Contr Syst Techol,1994,2(9):2652270.7Zhang Jinsheng.The application of chemical groutingin the foundation treatmentof longyangxia dam,ancho2ring and grouting M.Edited by Conmmission onRock Anchoring&Gr

19、outing Techniques.CSRME,Zhongshan University Publisher,1999.8 何平,王鸿绪.模糊控制器的设计及应用M.北京:科学出版社,1997.收稿日期:2007205209(上接第4页)9个型号的系列产品。该项目实施完成后,其产品市场份额预计可达60万kW以上,实现销售收入1.5亿元、利税2 250万元。2006年10月31日,ABB与江西泰豪科技股份有限公司签署了合作协议,共同投资建立南昌ABB泰豪发电机有限公司。合营公司注册资本500万美元,泰豪科技占49%股权,ABB占51%股权比例。公司生产的用于船舶和应急发电机组的低压交流发电机,于2007年1月1日正式投入运行。在中国北车集团,其中的永济电机厂与阿尔斯通、日立、东芝、EMD、西门子等5家公司签订了7项技术引进合同。长客阿尔斯通动车主辅变流器、大同阿尔斯通电力机车牵引电机及主变流器正在进行样机试制;长客阿尔斯通动车充电机及牵引电机、四方日立动车牵引电机开始批量供货。通过技术引进和国产化,公司将形成自主研发、不断提高的技术能力,成为我国铁路电气传动系统产品的产业化生产基地。(未完待续)21 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/