规则自适应模糊控制在系统中的应用

2019-11-03 09:59:46

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供稿：网友

赵辉1，刘鲁源2，王红君1，岳有军1

1．天津理工学院，天津 300191

2．天津大学自动化与能源工程学院，天津 300072

　　摘要：对于像电力系统这样的典型非线性系统，采用常规PID控制器很难保证系统在不同工作状态下均取得良好的控制效果。采用模糊参数自适应PID励磁控制器对解决小干扰下的励磁控制问题具有较好的控制效果。当系统工作状态变化较大以及遇到较强的干扰时，系统控制性能将趋于恶化。为解决此问题，提出了同步发电机励磁系统的规则自适应模糊控制方案。主要讨论在模糊集Ai、Bi 的比例因子K1、K2、K3给定的条件下，通过调整 di 的取值来实现控制规则的自适应问题, 该规则自适应机构由两组关于控制规则自生成与自校正的元规则组成。仿真结果表明，所提出的方案正确可行并具有良好的性能。

　　关键词：模糊控制；励磁系统；规则自适应模糊控制

　　1 引言

　　传统励磁系统一般采用PI或PID控制，由于发电系统是典型的非线性系统，在起励、脱网、并网以及故障等不同情况下，其数学模型具有不同的特征，采用固定控制规律和参数的控制器很难保证系统在不同阶段均取得良好的控制效果。为解决此问题，本文作者曾研究采用模糊参数自适应PID励磁控制器[1]。该方案根据系统的工作状态，通过模糊推理，适时调整PID参数，对解决小干扰下的励磁控制问题，取得了较好的控制效果。但当系统整个工作过程中工作状态变化较大以及遇到较大的干扰时，单凭调整PID控制器参数，不能有效保证系统控制性能[2]。解决这一问题的有效方法之一就是采用规则自适应模糊控制。

　　模糊控制器的适应性能可以通过同时或单独修改控制规则和比例因子实现[3]。但通过修改比例因子来改善控制性能的前提是必须已具有了基本正确的控制规则。因此，模糊控制器的控制规则自适应问题就成为研究的重点。自1979年PRocyk和Mamdani首次提出自组织模糊控制器（SOC）后，许多文献对自组织模糊控制器的自适应性能进行了进一步的研究。本文在上述文献的基础上，提出了一种新的控制规则自适应算法。

　　2 同步发电机励磁系统的规则自适应模糊控制器

　　规则自适应模糊励磁控制器的结构如图1所示。其中i和u为控制输入（励磁电流）和过程输出（发电机输出电压）；ug和ud为发电机输出电压的设定值和目标输出；K1，K2和K3为比例因子；Z-1为滞后因子；e和De为发电机实际输出电压与设定值的偏差和偏差的变化

　　基本控制回路采用PD型模糊控制器，其控制规则结构为

　　式中 di满足Di(di) =1。

　　由式(2)和(3)可知，当模糊集Ai和Bi给定时，控制回路的性能由控制规则的结论部分和比例因子决定。改变K1、K2、K3和di的值均可改变模糊励磁控制器的控制效果。本文主要讨论在模糊集Ai，Bi的比例因子K1、K2、K3给定的条件下，通过调整di的取值来实现控制规则的自适应问题。为表述方便，用下式表示k时刻模糊励磁控制器中任一条控制规则

　　式中 ×表示直积。

　　在每个采样时刻，根据发电机实际输出逼近目标输出的模式来估计控制系统的性能并修正控制规则。假定过程的纯时滞为m，如果k时刻发电机输出电压比目标输出电压小(u

　　由表1的规则及类似式(2)、式(3)的推理算法可求得励磁控制器输出的修正量Di。根据Di的大小将k时刻励磁控制器的规则E(k)´DE(k)®diold修

　　式(4)中的h1为正实数，用于调整规则校正速度；W(k-m)为第i条规则被e(k-m)和De(k-m)激活的强度。上述方法[5]的问题是：在时刻k只能校正由e(k-m)和De(k-m) 激活的控制规则，但不能校正由ed (k-m)和Ded (k-m) 激活的控制规则。我们希望模糊控制器在ed (k)和Ded (k)输入下能有正确的控制输出。这里ed (k)和Ded (k)为目标输出与设定值的偏差及偏差的变化，定义为

　　因此，为了提高规则校正效率，改善自适应控制性能，在上述规则校正的基础上进一步校正由ed (k-m)和Ded (k-m) 激活的控制规则。

　　假定在输入为e(k-m)和De(k-m) 时根据dinew1计算而得的控制器的修正输出为unew(k-m)，并且在该控制量作用下系统可从图2所示的状态１运动到状态3。设系统从状态2运动到状态３所需的控制量为idnew(k-m)。如果ud (k-m)>u(k-m)并且Ded (k-m)

　　表2中的模糊集隶属函数形式与图3相同。这样，根据表2的规则及类似式(2)、式(3)的推理算法可求得Did。

　　式(6)中的h２为正实数，用于调整规则校正速度；wi(k-m)为第i条规则被ed (k-m)和Ded (k-m)激活的强度。

　　综上所述，本文提出的自适应模糊控制器的规则自适应机构由两组关于控制规则自生成与自校正的元规则组成。使用表1和表2两组规则，系统可在时刻k同时自动调整由图2中状态1和状态2激活的控制规则。

　　3 仿真实验及结论

　　为了验证规则自适应模糊控制器的性能，对带自动电压控制器和调速器的单机无穷大电力系统进行了数字仿真实验，仿真结果如图4、5所示。

　　结果表明，规则自适应模糊控制器能明显减小系统过渡过程的振荡次数，稳定时间明显缩短，暂态性能明显提高。该控制器为系统提供了更佳的阻尼作用，提高了电力系统在扰动作用下的动态品质，改善了电力系统的稳定性。

　　参考文献

　　[1] 王红君，赵辉，华岩．模糊参数自适应PID控制器在同步发电机励磁系统中的应用[J]．电气传动，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《电网技术》

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