一種水輪發電機組勵磁系統pid控制參數的優選方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于優化技術領域，更具體地，設及一種水輪發電機組勵磁系統PID控制 參數的優選方法，用于在水輪發電機組勵磁系統中對PID控制器控制參數進行優選。
【背景技術】
[0002] 水輪發電機組勵磁系統是機組的核屯、控制系統之一，承擔調節機端電壓的重 任。水輪發電機組勵磁系統多采用比例積分微分控制器（PropcxrtionIntegration Differentiation,PID)控制。PID控制參數的選擇將直接影響到系統控制效果的好壞，從 而影響到輸電品質。在實際工作中，PID控制參數一般依賴專家整定，缺乏參數自動整定技 術。在理論研究方面，有研究通過優化技術來整定PID控制參數，常用的優化算法大多數為 啟發式優化算法。
[0003] 啟發式優化算法是現代優化方法的重要分支，其思想大多來源于自然規律，包括 生物現象W及物理定律。例如遺傳算法（GeneticAlgorithm,GA)模擬生物基因的進化過 程；粒子群優化算法（ParticleSwarm化timization，PS0)模擬鳥類飛行的活動。算法的 模式都需要W相當多數目的智能體（agent)來實現對某類問題的求解功能。此外還有的控 制參數優選方法包括梯度法、單純形法等。它們各有優點，但也存在明顯缺陷。梯度法要求 目標函數連續可導；單純形法受初值和計算步長的影響較大，易于收斂于局部最優解；遺 傳算法需要進行復制、交叉與變異操作，進化速度慢，易產生早熟收斂，并且其性能對參數 有較大的依賴性；PS0算法在復雜優化問題求解中存在早熟、陷入局部極小等不足。運些缺 陷均可能導致算法無法獲得最優的水輪發電機組勵磁系統控制參數。

【發明內容】

[0004] 針對傳統方法的不足，本發明提出了一種水輪發電機組勵磁系統PID控制參數的 優選方法，該方法基于新型啟發式優化算法，能有效提高水輪發電機組勵磁調速系統PID 控制器的調節品質，提高該調節系統的動態響應指標。 陽〇化]為了實現上述目的，本發明提供了一種水輪發電機組勵磁系統PID控制參數的優 選方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟（1):建立水輪發電機組勵磁系統的仿真模型。水輪發電機組勵磁系統結構 如圖1所示，所述的系統包括PID控制器、放大單元、勵磁機、水輪發電機、測量單元。具體 的，該勵磁系統是一個典型的反饋控制系統，通過測量單元測量到的水輪發電機機端電壓 與給定的參考電壓比較，得到系統輸出的偏移量，此偏移量經過PID控制器產生控制信號， 再經過放大單元放大后作用于勵磁機，實現對勵磁電壓的調節，達到進一步調節水輪發電 機機端電壓的目的。通過水輪發電機組勵磁仿真模型可獲得不同PID控制參數對應的勵磁 系統輸出。需要指出的是，非線性PID控制器和分數階PID控制器等改進型PID控制器也 可W應用在水輪發電機組勵磁系統中，也可利用本方法進行控制參數優選，均在本發明的 保護范圍之內。為方便說明，本發明W常規PID控制器作為水輪發電機組勵磁系統控制器 來闡述本發明思想。典型的勵磁系統傳遞函數圖如圖1所示。PID控制器中Κρ、Κι和Kd分 別為比例、積分和微分增益，是需要整定的控制參數；k,，τA分別為放大單元增益和時間常 數，kbτ。分別為勵磁機增益和時間常數，k<；，τ。分別為水輪發電機增益和時間常數，ks，Ts 分別為測量單元增益和時間常數；Vw為參考電壓，V。為PID控制器輸出，Vk為放大單元輸 出，Vp為勵磁機輸出，Vt為水輪發電機機端電壓，VS為測量單元輸出；
[0007] 步驟（2):建立上述水輪發電機組勵磁系統的控制參數優化目標函數，采用改進 時間誤差絕對值積分（ModifiedIntegralTimeAbsoluteRrror，MITAE)指標，即在傳統 的ITAE基礎上加入了超調量權重指標，作為控制參數優化的目標函數，目標函數定義為：
[0008]
[0009] 式中，優化變量X=恥，Ki，Kd]，Κρ、Κι和Kd分別為比例、積分和微分增益，Vfw為 參考電壓；Vt(k)為機端電壓，成為水輪發電機組勵磁系統輸出的采樣點數，A為尺度系數， W為權重。通過設置尺度系數，可W調節ITAE指標和超調量指標對目標函數的貢獻；
[0010] 步驟（3):運用新型啟發式優化算法求解步驟（2)中目標函數，獲得最優PID控制 參數。
[0011] St巧1:算法初始化。設置算法參數，包括：群體規模Np、總迭代次數T、個 體隨機捜索數量Ni，淘汰幅度系數σ、跳躍闊值P;確定PID控制參數的取值范圍。 Kpe怔p,mln，Kp,mJ，KIe怔I,mln，KI,mJ，KDe怔D,mm，KD,mJ，確定優化變量邊界怔L，BJ，BL= [Kp,min，Ki,min，K0,mJ，Βυ=化p,max，Ki,ma"K0,mJ，Kp,min，Kp,max分別為比例控制系數的最小值和最 大值，Κι,mi。，Κι,m。、分別為積分控制系數的最小值和最大值，KD,miwKd,。。、分別為微分控制系數 的最小值和最大值。在解空間怔^Β。]中隨機初始化群體中所有個體的位置向量，個體位置 向量表示為Xi=怔Ρ,Κι,Kd],i= 1，. . .，Νρ，代表一組控制參數；令當前迭代次數t= 0 ; 陽〇1引St巧2 :計算個體的目標函數值iV=fwiTAE化ω)，i= 1，. . .，Np，過程如下：從個 體i位置向量Xi(t)解碼得到控制參數，其中Κρ、Κι和KD分別為位置向量中的第一、第二和 第Ξ個元素，將控制參數代入步驟（1)中水輪發電機組勵磁系統仿真模型，仿真得到系統 狀態變量隨時間的變化過程。得到機端電壓Vt化)，按照步驟（2)中目標函數得到個體i的 目標函數值ΡΛ進一步，計算群體目標函數最小值，具有最小目標函數值的個體確定為最 優個體Xe(t); 陽〇1引 Step3:計算慣性向量的，！
[0014] Step3. 1 :令個體捜索次數1 = 0 ;
[0015] St巧3.2:觀望一個位置X嚴（0，計算X產"（0，?二l，...，Λ占；
[0016]
[0017] rand為（0，1)之間隨機數，eplay為觀望步長，εpiay= 0. 1 ·I|Bu-Bl|I;
[0018] St巧3. 3 :計算下一個當前位置(?)
[0019]
[0020] rand為（0,1)之間隨機數，εstep為慣性步長，εstep= 0. 2 ·ΜBu-BlΜ;
[0021] Step3. 4 :1 = 1+1，如果 1 <Ni，轉至St巧 3. 2 ;否貝ij，轉至St巧 4 ;
[0022] St巧4:計算每個個體受當前最優個體召喚向量Xf''片M= 1，...，W,;
[0023]
[0024] 其中δi為中第i個個體與當前最優個體距離向量，隨機數C1= 2 ·rand,C2= (2 ·rand-1)exp(-10 ·t/T)為（0，1)之間隨機數；由此可知Cl為（0J)之間的隨機數，表 示當前最優個體的號召力，當ci> 1時，表示當前最優個體的影響力增強，反之減弱；C2為 動態隨機數，所W其C2的隨機范圍由1也線性遞減到0 ;
[00巧]Step5:按照個體位置更新公式更新個體位置：
[0026]
[0027]Step6:判斷個體是否需要被淘汰并重新初始化：
[0028]Step6. 1:如果第i個個體滿足公式則該個體被淘汰并重新初始化：
[0029]
[0030] 其中，巧，是t代種群所有個體目標函數值的平均值，是最小的目標函數值， ω是一個隨迭代次數而線性遞增的參數，@=:σ·(2·^-Ι).取值范圍為[-0, 0];
[0031] St巧6. 2 :被淘汰的個體初始化：
[0032] Xi=rand(1,D)X度u-Bl)+Bl 陽03引其中，D為位置向量維數，D= 3 ;
[0034] Step 7:判斷是否連續P代當前最優個體位置未發生移動，如果是，則認為種群滅 亡，按照下式反演重構新的種群：
[0035]
[0036]其中R=0. 1· ||Bu-Bl|I為反演半徑；
[0037]Step8:t=t+1，如果t〉T，算法結束，輸出當前最優個體位置作為終解；否則，轉 入Step2。當前最優個體位置即為最優控制參數向量。
[0038] 與現有技術相比，本發明有如下優點和效果：
[0039] (1)本發明設計的水輪發電機組勵磁系統PID控制參數的優選方法，采用一種新 型啟發式優化算法優化，具有較高全局捜索能力，可W有效避免在尋優過程中過早陷入局 部最優，從而獲得更優的PID控制參數。
[0040] (2)與PS0優化算法等傳統方法相比，本發明提出的控制參數優選方法獲得的PID 控制參數能使水輪機勵磁系統動態性能更好，調節品質更高。
【附圖說明】
[0041] 圖1為本發明方法水輪發電機組勵磁系統的傳遞函數框圖；
[0042] 圖2為本發明方法和PS0算法進行控制參數捜索的收斂曲線對比圖。
[0043] 圖3為本發明所述方法和PS0優化算法優選得到的PID控制參數對應的系統響應 對比圖。
【具體實施方式】 W44] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用W解釋本發明，并不 用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所設及到的技術特征只要彼 此之間未構成沖突就可W相互組合。
[0045]本發明設及一種水輪發電機組勵磁系統的PID控制參數優化，該系統由PID控制 器、放大單元、勵磁機、水輪發電機、測量單元組成，如圖1所示。本發明的目的是提出一種 該系統的PID控制參數優選方法，從而提高水輪發電機組勵磁系統動態控制品質，提升該 控制系統的穩定性。
[0046] 為說明本發明效果，下面W某一水輪發電機組勵磁系統作為本發明的實施對象對 本發明方法進行進一步的說明：
[0047] 步驟（1):勵磁系數結構圖如圖1所示，所述的水輪發電機組勵磁系統包括PID控 制器、放大單元、勵磁機、水輪發電機、測量單元。
[0048] 具體的，該勵磁系統是一個典型的反饋控制系統，通過測量單元測量到的水輪發 電機機端電壓與給定的參考電壓比較，得到系統輸出的偏移量，此偏移量經過PID控制器 產生控制信號，再經過放大單元放大后作用于勵磁機，實現對勵磁電壓的調節，達到進一步 調節水輪發電機機端電壓的目的。
[0049] 建立水輪發電機組勵磁系統的仿真模型。設置勵磁系統的各種參數，系統參數設 定如表1所示；仿真參數設定為：參考電壓Vw= 1，仿真時間8秒，仿真步長0. 01秒；
[0050] 表1水輪發電機組勵磁系統傳遞系數參數設定表
[0051]
[0052]
[0053] 步驟（2):建立上述水輪發電機組勵磁系統的控制參數優化目標函數，采用改進 時間誤差絕對值積分（ModifiedIntegralTimeAbsoluteRrror，MITAE)指標，即在傳統 的ITAE基礎上加入了超調量權重指標，作為控制參數優化的目標函數，目標函數定義為：
[0054]
陽05引式中，優化變量X=恥，Κι，Kd]，Κρ、Κι和Kd分別為比例、積分和微分增益，Vfw為 參考電壓；Vt(k)為機端電