規則自適應模糊控制在系統中的應用

2019-11-03 09:59:46

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供稿：網友

趙輝1，劉魯源2，王紅君1，岳有軍1

1．天津理工學院，天津 300191

2．天津大學自動化與能源工程學院，天津 300072

　　摘要：對于像電力系統這樣的典型非線性系統，采用常規PID控制器很難保證系統在不同工作狀態下均取得良好的控制效果。采用模糊參數自適應PID勵磁控制器對解決小干擾下的勵磁控制問題具有較好的控制效果。當系統工作狀態變化較大以及遇到較強的干擾時，系統控制性能將趨于惡化。為解決此問題，提出了同步發電機勵磁系統的規則自適應模糊控制方案。主要討論在模糊集Ai、Bi 的比例因子K1、K2、K3給定的條件下，通過調整 di 的取值來實現控制規則的自適應問題, 該規則自適應機構由兩組關于控制規則自生成與自校正的元規則組成。仿真結果表明，所提出的方案正確可行并具有良好的性能。

　　關鍵詞：模糊控制；勵磁系統；規則自適應模糊控制

　　1 引言

　　傳統勵磁系統一般采用PI或PID控制，由于發電系統是典型的非線性系統，在起勵、脫網、并網以及故障等不同情況下，其數學模型具有不同的特征，采用固定控制規律和參數的控制器很難保證系統在不同階段均取得良好的控制效果。為解決此問題，本文作者曾研究采用模糊參數自適應PID勵磁控制器[1]。該方案根據系統的工作狀態，通過模糊推理，適時調整PID參數，對解決小干擾下的勵磁控制問題，取得了較好的控制效果。但當系統整個工作過程中工作狀態變化較大以及遇到較大的干擾時，單憑調整PID控制器參數，不能有效保證系統控制性能[2]。解決這一問題的有效方法之一就是采用規則自適應模糊控制。

　　模糊控制器的適應性能可以通過同時或單獨修改控制規則和比例因子實現[3]。但通過修改比例因子來改善控制性能的前提是必須已具有了基本正確的控制規則。因此，模糊控制器的控制規則自適應問題就成為研究的重點。自1979年PRocyk和Mamdani首次提出自組織模糊控制器（SOC）后，許多文獻對自組織模糊控制器的自適應性能進行了進一步的研究。本文在上述文獻的基礎上，提出了一種新的控制規則自適應算法。

　　2 同步發電機勵磁系統的規則自適應模糊控制器

　　規則自適應模糊勵磁控制器的結構如圖1所示。其中i和u為控制輸入（勵磁電流）和過程輸出（發電機輸出電壓）；ug和ud為發電機輸出電壓的設定值和目標輸出；K1，K2和K3為比例因子；Z-1為滯后因子；e和De為發電機實際輸出電壓與設定值的偏差和偏差的變化

　　基本控制回路采用PD型模糊控制器，其控制規則結構為

　　式中 di滿足Di(di) =1。

　　由式(2)和(3)可知，當模糊集Ai和Bi給定時，控制回路的性能由控制規則的結論部分和比例因子決定。改變K1、K2、K3和di的值均可改變模糊勵磁控制器的控制效果。本文主要討論在模糊集Ai，Bi的比例因子K1、K2、K3給定的條件下，通過調整di的取值來實現控制規則的自適應問題。為表述方便，用下式表示k時刻模糊勵磁控制器中任一條控制規則

　　式中 ×表示直積。

　　在每個采樣時刻，根據發電機實際輸出逼近目標輸出的模式來估計控制系統的性能并修正控制規則。假定過程的純時滯為m，如果k時刻發電機輸出電壓比目標輸出電壓小(u

　　由表1的規則及類似式(2)、式(3)的推理算法可求得勵磁控制器輸出的修正量Di。根據Di的大小將k時刻勵磁控制器的規則E(k)´DE(k)®diold修

　　式(4)中的h1為正實數，用于調整規則校正速度；W(k-m)為第i條規則被e(k-m)和De(k-m)激活的強度。上述方法[5]的問題是：在時刻k只能校正由e(k-m)和De(k-m) 激活的控制規則，但不能校正由ed (k-m)和Ded (k-m) 激活的控制規則。我們希望模糊控制器在ed (k)和Ded (k)輸入下能有正確的控制輸出。這里ed (k)和Ded (k)為目標輸出與設定值的偏差及偏差的變化，定義為

　　因此，為了提高規則校正效率，改善自適應控制性能，在上述規則校正的基礎上進一步校正由ed (k-m)和Ded (k-m) 激活的控制規則。

　　假定在輸入為e(k-m)和De(k-m) 時根據dinew1計算而得的控制器的修正輸出為unew(k-m)，并且在該控制量作用下系統可從圖2所示的狀態１運動到狀態3。設系統從狀態2運動到狀態３所需的控制量為idnew(k-m)。如果ud (k-m)>u(k-m)并且Ded (k-m)

　　表2中的模糊集隸屬函數形式與圖3相同。這樣，根據表2的規則及類似式(2)、式(3)的推理算法可求得Did。

　　式(6)中的h２為正實數，用于調整規則校正速度；wi(k-m)為第i條規則被ed (k-m)和Ded (k-m)激活的強度。

　　綜上所述，本文提出的自適應模糊控制器的規則自適應機構由兩組關于控制規則自生成與自校正的元規則組成。使用表1和表2兩組規則，系統可在時刻k同時自動調整由圖2中狀態1和狀態2激活的控制規則。

　　3 仿真實驗及結論

　　為了驗證規則自適應模糊控制器的性能，對帶自動電壓控制器和調速器的單機無窮大電力系統進行了數字仿真實驗，仿真結果如圖4、5所示。

　　結果表明，規則自適應模糊控制器能明顯減小系統過渡過程的振蕩次數，穩定時間明顯縮短，暫態性能明顯提高。該控制器為系統提供了更佳的阻尼作用，提高了電力系統在擾動作用下的動態品質，改善了電力系統的穩定性。

　　參考文獻

　　[1] 王紅君，趙輝，華巖．模糊參數自適應PID控制器在同步發電機勵磁系統中的應用[J]．電氣傳動，2000，30(2)：37-40．

　　[2] Chandra A，Wong K K，Malik O P et al．Implementation and test results of a generalized self-tuning excitation countroller[J]．IEEE Trans EC，1991，6(1)：186-192．

　　[3] Flynn D，Hogg B W，Swidenbank E et al．A self-tuning automatic voltage regulator designed for an industrial environment[J]．IEEE Trans EC，1996，11(2)：429-434．

　　[4] Maeda M，Assilian S．A self-tuning fuzzy controller[J]．Fuzzy Sets and Systems，1992，51(1)：29-40．

　　[5] Shao S．Fuzzy self-organizing controller and its application for dynamic processes[J]．Fuzzy Sets and Systems，1988，26(2)：151-164．

　　
摘自《電網技術》

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