[发明专利]基于PID预测函数的励磁控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种励磁控制方法，尤其涉及一种基于PID预测函数的励磁控制方法，用于同步发电机励磁控制系统。

背景技术

大型同步发电机的励磁控制是改善电力系统的动态品质、提高暂态稳定性最有效、最经济的手段之一。20世纪60年代，用励磁控制提高电力系统的稳定性技术在北美取得了突破，我国也在1976年引入该技术，现阶段主要运用的控制方法有PID（比例积分微分控制），PSS（电力系统稳定器），LOEC（线性最优励磁控制）及NOEC（非线性最优励磁控制）等。这些方法均不同程度在电力系统稳定性控制中取得了一定的成绩，特别是PID与PSS相结合的控制策略。单纯的PID控制器难以克服较大干扰，在遇到大干扰时还会引起电网低频振荡，其与PSS结合后，PSS采用转速偏差、频率偏差、加速功率偏差和电磁功率偏差中的一个或几个作为自动调压器的附加信号输入，以达到抑制低频振荡的作用。通过这种改进，带PSS的PID控制器确实取得了不错的效果，但是这种控制方式仍然表现出上升时间过长和克服大干扰性能较弱的缺点，难以适应日益苛刻的电能指标。详细内容见参考文献[赵书强，常鲜戎，等.PSS控制过程中的借阻尼现象与负阻尼效应[J].中国电机工程学报：2004，24（5）：7-11. 韩英铎，谢小荣，等.同步发电机励磁控制研究的现状与走向[J].清华大学学报：自然科学版，2001，41（4/5）：142-146.]。

预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。其适用于不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、冶金、机械等工业部门的控制系统中得到了成功的应用。电力系统同样难于建立精确的数学模型，但同时又是一个快速系统，传统的预测控制在线计算量大，实时性差，不适用于电力系统的励磁控制。在这种背景下，预测函数（PFC）控制方法适应快速过程的需要，基于预测控制的基本原理发展而来，其详细内容可参见文献[王树青,金晓明.先进控制技术应用实例[M].北京，化学工业出版社,2005.]。预测函数与预测控制方法的基本原理基本相同：模型预测、滚动优化、反馈校正。其与预测控制的最大区别是注重控制量的结构形式，认为控制量是一组预先选定的基函数的线性组合。在国外，PFC已经在工业机器人的快速高精度跟踪、军事领域的目标跟踪等快速系统中得到了成功的运用。但目前尚未发现将PID和预测函数控制结合的方法应用于同步发电机励磁系统控制的文献、报导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于将PID和预测函数控制结合的方法引入到同步电机励磁控制这种快速系统中来替代传统的PID控制，提供一种在线计算量小、实现方便的励磁控制方法。

1、选取基函数和参考轨迹

（1）预测函数控制把控制输入结构看作影响系统性能的关键。而在预测函数控制中在输入信号频谱有限的情况，控制输入仅属于一组与参考轨迹和对象性质有关的特定基函数族，基函数的选取的重要性可想而知。特别的，对于线性，系统的输出将是上述基函数作用于对象模型响应的加权组合。控制输入被表示为一系列已知基函数                                                的线性组合，即

                                           （1）

在上式中：为在时刻的控制量；

         为基函数加权系数；

         为基函数在时的取值；

         为基函数的阶数。

基函数的选取依赖于对象及期望轨迹的性质，例如可以取阶跃、斜坡、指数函数等。对于任选定的基函数，可离线算出在其作用下的对象输出响应，加权组合即得系统输出。

（2）与模型算法控制一样，在PFC（预测函数）中，为了使系统的输出能够平缓地逐渐达到设定值，避免出现超调，根据预测输出值和过程输出值，我们可以规定一条渐进趋向于未来设定值的曲线，称为参考轨迹。其选定完全取决于设计者对系统的要求。常见的参考轨迹如下：

                                （2）

上式中：为时刻的参考轨迹；

       为时刻的设定值；

       为时刻的过程实际输出值；

       为参考轨迹趋于设定值的快慢程度，一般取其中是采样时间，是参考轨迹的期望响应时间。

由滚动优化原理可知，每一步优化均是建立在实际过程得到的最新数据基础上，故。