CN104281057A

CN104281057A - 一种应用于变压器冷却系统的复合pid模糊控制方法

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Publication number: CN104281057A
Application number: CN201410485017.0A
Authority: CN
Inventors: 陈洪涛; 任洪民; 赵建明; 项福军; 佟辉
Original assignee: SONGYUAN POWER SUPPLY COMPANY STATE GRID JILIN ELECTRIC POWER Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: SONGYUAN POWER SUPPLY COMPANY STATE GRID JILIN ELECTRIC POWER Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2015-01-14

Abstract

本发明公开了一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，包括以下步骤：通过测温仪获取温度值；求输入量偏差E和偏差变化EC，并量化后模糊化；计算模糊控制表，查模糊控制表获取模糊控制量；求实际控制量、、，并作为PID的输入量；求控制量，并输出给变频器。本发明将模糊控制和PID控制结合起来，在常规PID控制的基础上引入模糊控制构成复合PID模糊控制方法，利用PID的比例控制提高动态响应速度，利用PID的积分控制消除稳态误差，从而改善模糊控制的稳态性能，从而进一步提高变压器冷却系统运行的节能效果。

Description

一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法

技术领域

本发明属于电力电网及自动化设计技术领域，尤其涉及一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法。

背景技术

变压器是发电厂和变电所的重要设备。随着电力系统规模的不断扩大和电压等级的提高，目前电力系统中的变压器总容量己达到9-10倍发电总容量。因此，变压器能否安全、稳定的运行直接关系到工农业和民用供电的可靠性。根据研究，变压器绕组温度每升高6℃，使用年限将缩短一半，因此对变压器实时监控并实施降温是极其必要的。

目前，我国大型电力变压器的冷却装置的配置情况是根据变压器容量的大小，配置多组风冷油循环冷却装置，每组风冷油循环冷却装置由１台油泵和３-４台风扇组成。运行中为满足变压器的各种运行工况，一般要求１台备用冷却器（当运行冷却器发生故障时可自动投入运行）、１台辅助冷却器（变压器负荷电流或上层油温高于设定阈值时自动投入运行），其余冷却器全部投入运行。传统的冷却器控制系统存在种种弊端，在安全性和可靠性上已经满足不了电力系统日益发展的智能化控制需求，所以对冷却器控制系统进行改造势在必行。

发明内容

为了克服传统控制器和控制方法在分布参数系统控制中的不足，并提高对于分布参数系统的控制性能，本发明的目的是提供一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，解决常规PID控制器不能实时调整参数和控制参数变化过程的问题。在常规PID控制的基础上引入模糊控制构成复合PID模糊控制方法，利用PID的比例控制提高动态响应速度，利用PID的积分控制消除稳态误差，从而改善模糊控制的稳态性能，从而进一步提高变压器冷却系统运行的节能效果。

为实现上述目的，本发明提供一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，通过测温仪获取温度值；

步骤二，求输入量偏差E和偏差变化EC，并量化后模糊化；

步骤三，计算模糊控制表，查模糊控制表获取模糊控制量；

步骤四，求实际控制量、、，并作为PID的输入量；

步骤五，求控制量，并输出给变频器。

所述步骤一，通过测温仪获取温度值，具体温度值为测温仪表实时测量得到的变压器油温。

所述步骤二，求输入量偏差E和偏差变化EC，并量化后模糊化，具体为将测温仪表实时测量得到的变压器油温与事先存入的设定值相比较得到e和ec，在本控制系统中变压器油温偏差e的基本论域为

其中为变压器油温运行最高安全值，为实际运行中的最低温度值。

通过试验得出变压器油温偏差的基本变化率ec的最大值为0.5℃，因此，油温偏差变化率ec的基本论域为：为。在进行模糊控制器的设计时，需要将精确的输入量乘以量化因子进行量化，使模糊控制器的输入量落在设定的模糊论域内，其中e和ec的模糊量分别为：E和EC。由于只要选定适当的量化因子，就可以得到对应的模糊论域，不会影响到模糊控制器的设计。在控制器的设计中，选定量化因子，。

所述步骤三，计算模糊控制表，查模糊控制表获取模糊控制量，具体为根据偏差e所取的模糊集合的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量值{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}偏差变化率ec所取得模糊集合的论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量值{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；在复合PID模糊控制器中，输入变量e和ec的模糊子集均为（NB，NM，NS，O，PS，PM，PB），通过总结操作者的经验的方法来确定其输入量的隶属度，可得到模糊变量控制表，通过查模糊控制表获取模糊控制量。

所述步骤四，求实际控制量、、的增益的调节量，，，并作为PID的输入量，具体为模糊控制器的输入为温度偏差e和温度偏差的变化率ec，输出为PID控制器的3个增益的调节量，，。取输入输出语言变量模糊子集为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，将输入输出量化为7个等级，其模糊论域均为{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，所有的模糊子集选用三角形分布隶属函数，定义、、调整公式为：

其中、、分别为、、的初始化参数，实时运行时，通过发动机冷却系统的输出响应值，并实时计算出偏差e和偏差变化率ec，然后模糊化得到E和EC，再通过查询模糊变量表得到、、的3个增益的调节量，，，完成对控制器的参数调整。

所述的步骤五，求控制量，并输出给变频器，具体为根据下述公式可得到输出量y

其中为采样周期，为积分I时间常数，为微分D时间常数。

其中，所述的变压器冷却是通过一定的方法将运行中的变压器所产生的热量散发出去。变压器运行时，绕组和铁心中的损耗所产生的热量必须及时散逸出去，以免过热而造成绝缘损坏。对小容量变压器，外表面积与变压器容积之比相对较大，可以采用自冷方式，通过辐射和自然对流即可将热量散去。自冷方式适用于室内小型变压器，为了预防火灾，一般采用干式，不用油浸。由于变压器的损耗与其容积成比例，所以随着变压器容量的增大，其容积和损耗将以铁心尺寸三次方增加，而外表面积只依尺寸的二次方增加。因此，大容量变压器铁心及绕组应浸在油中，并采取以下各种冷却措施。

其中，所述PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。

其中，所述的模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是日本，得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制。

附图说明

图1 一种复合PID模糊控制方法框图；

图2 参数、、隶属函数分布曲线图。

具体实施方式

参照图1，本发明控制方法包括以下步骤：

步骤S101，通过测温仪获取温度值；

步骤S102，求输入量偏差E和偏差变化EC，并量化后模糊化；

步骤S103，计算模糊控制表，查模糊控制表获取模糊控制量；

步骤S104，求实际控制量、、，并作为PID的输入量；

步骤S105，求控制量，并输出给变频器。

所述步骤S101，通过测温仪获取温度值，具体为温度值为测温仪表实时测量得到的变压器油温。

所述步骤S102，求输入量偏差E和偏差变化EC，并量化后模糊化，具体为将测温仪表实时测量得到的变压器油温与事先存入的设定值相比较得到e和ec，在本控制系统中变压器油温偏差e的基本论域为

其中为变压器油温运行最高安全值，为实际运行中的最低温度值；

所述步骤S103，计算模糊控制表，查模糊控制表获取模糊控制量，具体为根据偏差e所取的模糊集合的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量值{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}偏差变化率ec所取得模糊集合的论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量值{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；在复合PID模糊控制器中，输入变量e和ec的模糊子集均为（NB，NM，NS，O，PS，PM，PB），通过总结操作者的经验的方法来确定其输入量的隶属度。可得到模糊变量控制表，通过查模糊控制表获取模糊控制量。

所述步骤S104，求实际控制量、、的增益的调节量，，，并作为PID的输入量；具体为模糊控制器的输入为温度偏差e和温度偏差的变化率ec，输出为PID控制器的3个增益的调节量，，。取输入输出语言变量模糊子集为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，将输入输出量化为7个等级，其模糊论域均为{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，

所有的模糊子集选用三角形分布隶属函数。

定义、、调整公式为：

所述步骤S105，求控制量，并输出给变频器，具体为根据下述公式可得到输出量y

其中为采样周期，为积分I时间常数，为微分D时间常数。

参照图2，本发明的参数、、隶属函数分布曲线图，具体为：

将测得的变压器上层油温与设定油温的偏差e和偏差变化率ec作为输入量，根据输入量通过模糊推理作出相应决策，实时整定PID调节器的三个参数、、，精确控制冷却风机的转速，使变压器的发热量与散热达到实时平衡。

根据在现场的试验情况得到的实施例中，在采用常规PID控制器时，在不同的温差下实时调整PID运算指令中三个控制参数、、，最终得到三个控制参数的范围为[20,70]，[3,15]，[0,10]。因此PID控制器的三个控制参数、、的基本论域为[0,100]，[0,20]，[0,10]，选定输出控制量、、的比例因子分别为，，,模糊论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，语言变量值语言变量值（NB，NM，NS，O，PS，PM，PB）。

Claims

1.一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，通过测温仪获取温度值；

步骤二，求输入量偏差E和偏差变化EC，并量化后模糊化；

步骤三，计算模糊控制表，查模糊控制表获取模糊控制量；

步骤四，求实际控制量、、，并作为PID的输入量；

步骤五，求控制量，并输出给变频器。

2.根据权利要求1所述的一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，其特征在于：通过测温仪获取温度值，具体为温度值为测温仪表实时测量得到的变压器油温。

3.根据权利要求1所述的一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，其特征在于：求输入量偏差E和偏差变化EC，并量化后模糊化，具体为将测温仪表实时测量得到的变压器油温与事先存入的设定值相比较得到e和ec，在本控制系统中变压器油温偏差e的基本论域为

通过试验得出变压器油温偏差的基本变化率ec的最大值为0.5℃，因此，油温偏差变化率ec的基本论域为：，在进行模糊控制器的设计时，需要将精确的输入量乘以量化因子进行量化，使模糊控制器的输入量落在设定的模糊论域内，其中e和ec的模糊量分别为：E和EC，由于只要选定适当的量化因子，就可以得到对应的模糊论域，不会影响到模糊控制器的设计，在控制器的设计中，选定量化因子，。

4.根据权利要求1所述的一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，其特征在于：计算模糊控制表，查模糊控制表获取模糊控制量，具体为根据偏差e所取的模糊集合的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量值{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}偏差变化率ec所取得模糊集合的论域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量值{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；在复合PID模糊控制器中，输入变量e和ec的模糊子集均为（NB，NM，NS，O，PS，PM，PB），通过总结操作者的经验的方法来确定其输入量的隶属度，可得到模糊变量控制表，通过查模糊控制表获取模糊控制量。

5.根据权利要求1所述的一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，其特征在于：求实际控制量、、的增益的调节量，，，并作为PID的输入量；具体为模糊控制器的输入为温度偏差e和温度偏差的变化率ec，输出为PID控制器的3个增益的调节量，，，取输入输出语言变量模糊子集为{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，将输入输出量化为7个等级，其模糊论域均为{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，所有的模糊子集选用三角形分布隶属函数，定义、、调整公式为：

6.根据权利要求1所述的一种应用于变压器冷却系统的复合PID模糊控制方法，其特征在于：求控制量，并输出给变频器，具体为根据下述公式可得到输出量y

其中为采样周期，为积分I时间常数，为微分D时间常数。