基于模糊PID控制的水轮机调节系统的研究

论文摘要

水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外,对电网电能质量也有十分严格的要求。按我国电力部门规定,电网的额定频率为50Hz,大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。随着电力用户对电网质量要求的提高,水电站在向电网供电时必须保证电压和频率的稳定,于是水轮发电机组的调节问题受到人们极大的关注。水轮机调节系统是一个非线性、时变、非最小相位的系统,其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的多变性等增加了控制的难度。目前,国内外的水轮机调节规律还是采用常规PID控制。然而,对于这类系统,常规的PID控制由于采用固定的参数难以保证系统在任何工况下始终具有最佳的控制性能,因而没有较好的控制效果;随着新一代智能控制器的出现并逐步被应用到各类控制系统中,大大改善了控制系统的性能。为此,本文将设计一种模糊PID控制系统,并通过仿真研究,证明其优越性,为改善水轮机调节系统的性能提供理论上的支持。文中首先论述了模糊PID控制的理论基础,介绍了模糊控制的原理及模糊PID控制器的结构和设计步骤。然后分析了水轮机调节系统的组成、结构等基本情况,介绍了水轮机调节系统的工作原理及工作过程,建立水轮机调节系统的数学模型。在此基础上,设计了适用于水轮机调节系统的模糊PID控制器,然后利用Matlab进行仿真并对控制效果进行了详细分析比较。仿真结果表明,基于模糊PID控制的频率调节过程,所得到的系统响应曲线过冲极小,具有较强的抗扰动能力,调节速度快且调节过程平稳,具有良好的调节品质,与传统方法相比表现出更强的鲁棒性,是一种行之有效的控制方法。由于该控制器在微机控制系统中比较容易实现,该控制器在工业控制系统中将会有非常广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.2 课题的提出
• 1.2 水轮机调节系统分析发展概况
• 1.2.1 传统方法
• 1.2.2 新型FNNS控制策略
• 1.2.3 基于Simulink的水轮机调节系统仿真
• 1.2.4 智能权函数模糊控制
• 1.3 控制方案的选取
• 1.4 课题研究的内容
• 第二章 模糊PID控制算法的理论基础
• 2.1 PID控制算法的理论基础
• 2.1.1 PID控制器的基本原理
• 2.1.2 数字PID的控制算法
• 2.1.3 数字PID控制器采样周期的选择
• 2.1.4 PID参数整定方法
• 2.1.5 PID控制的特点
• 2.2 模糊控制算法的理论基础
• 2.2.1 模糊控制器的工作原理
• 2.2.2 模糊控制器的特点
• 2.3 模糊PID控制器
• 2.3.1 模糊PID控制器的结构
• 2.3.2 模糊PID控制器的基本形式
• 第三章 水轮机调节系统原理与数学模型
• 3.1 水轮机调节原理
• 3.1.1 水轮机调节的基本任务
• 3.1.2 水轮机调节系统的结构
• 3.1.3 水轮发电机组转动部分的运动方程
• 3.1.4 水轮机调节系统的特点
• 3.1.5 水轮机调节系统的稳定性和动态品质
• 3.2 步进式水轮机调速器
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 系统组成
• 3.2.3 调节规律
• 3.2.4 水轮机调速器的运行
• 3.3 水轮机调节系统的数学模型
• 3.3.1 数学模型的类型
• 3.3.2 水轮机调节系统的数学模型
• 第四章 模糊PID控制器的设计及仿真
• 4.1 控制系统结构及仿真任务的确定
• 4.2 各环节的传递函数模型及仿真结构图
• 4.3 模糊PID控制器的设计
• 4.3.1 确定系统的输入输出变量
• 4.3.2 PID参数模糊规则设计
• 4.3.3 逆模糊化处理及输出量的计算
• 4.4 系统仿真
• 4.4.1 仿真软件介绍
• 4.4.2 仿真模型
• 4.4.3 控制系统仿真
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢