CN107968607B - 一种发电机励磁系统pid参数整定方法 - Google Patents

一种发电机励磁系统pid参数整定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，在发电机实际运行的空载额定电压状态下，用纯比例调节的方式寻找波动点；以波动点的比例增益值VP`乘于系数n作为发电机励磁系统PID参数整定的比例增益P参数的比例增益值VP；采用将PID参数中的积分时间I参数逐渐减少的方式测定PID运算器输出控制信号震荡发散收敛点的值Ta`，将该值Ta`乘于系数m作为发电机励磁系统PID参数整定的积分时间I参数的时间常数值Ta；将发电机PID参数整定的微分时间D参数Tb设定为0；通过在发电机实际运行的空载额定电压状态时观测PID控制器运算得出的PID控制信号变化来整定PID参数，可快速准确整定发电机PID参数，并真正达到运行时的最优效果，响应时间快又不产生震荡。

Description

一种发电机励磁系统PID参数整定方法
技术领域
本发明涉及一种PID控制器参数整定方法，具体涉及一种应用于发电机励磁系统的PID控制器PID参数整定方法
背景技术
现有技术发电机励磁系统PID整定非常困难 ，只能在发电机空载状态下，用阶跃法来设置PID参数，升一定的电压，观测二阶响应衰减震荡周期，凭经验来反复修改PID参数，不但效率低，而且整定的参数也极为不准，这种小范围的阶跃方法，很难真实反映发电机在额定状态带载的PID参数的最佳响应能力，造成负载大波动时系统控制不好，响应效果差，严重影响电网。小型发电机孤网运行，如舰船、矿山、石油钻井平台等负载突变供电影响更严重。
大、中型发电机无法带载做AVR动态PID参数整定不允许大幅度衰减震荡试验，特别是水轮发电机由于水头高低差距很大，发电机转速不一样，体积和惯量差距大，每个发电机都要在发电机现场整定PID 参数，工作量大且整定效果不好，一旦PID参数整定出错会严重影响到发电机的运行。所以市场迫切需要一种可以方便简单、快速的对发电机励磁系统进行PID参数整定的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，在发电机实际运行的空载额定电压状态下，用纯比例调节的方式寻找PID运算器输出控制信号波动点；以波动点的比例增益值VP`乘于系数n作为发电机励磁系统PID参数整定的比例增益P参数的比例增益值VP；采用将电机励磁系统PID参数中的积分时间I参数逐渐减少的方式测定PID运算器输出控制信号震荡发散收敛点的值Ta`，将该值Ta`乘于系数m作为发电机励磁系统PID参数整定的积分时间I参数的时间常数值Ta；所述系数n在0.6至0.7之间取值；所述系数m在2.5至3.2之间取值。
进一步的，包括以下步骤：
S1：发电机软起动到额定电压并空载运行至额定电压状态下，将发电机励磁系统PID控制器的积分时间I参数和微分时间D参数均设定为0，比例增益P参数为1；
S2：将PID控制器比例增益参数P从1开始逐渐增大，观测发电机励磁系统PID控制器运算输出PID控制信号，直至出现PID运算器输出控制信号波动点，记录此时的比例增益值为第一比例增益值VP`，将第一比例增益值VP`乘以系数n得到第二比例增益值VP，将发电机励磁系统PID控制器比例增益P参数设定为所述第二比例增益值VP，所述系数n在0.6至0.7之间取值；
S3：设定发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值为t，观测发电机励磁系统PID控制器运算输出PID控制信号，逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值t，直至出现PID运算器输出控制信号震荡发散的收敛点，记录此时积分时间设定值为第一积分时间设定值Ta`，将第一积分时间设定值Ta`乘以系数m得到第二积分时间设定值Ta，将发电机励磁系统PID控制器中的积分时间I参数设定为所述第二积分时间设定值Ta，所述系数m在2.5至3.2之间取值，所述初始值t在15秒至25秒之间取值；
S4：将发电机励磁系统PID参数整定的微分时间D参数Tb设定为0。
进一步的，将步骤S1至S4所确定的发电机励磁系统PID参数整定的比例增益P参数VP、积分时间I参数Ta和微分时间D参数Tb设定在发电机励磁系统中，将发电机带载或满载运行，同时，观测发电机励磁系统PID控制器运算得出PID控制信号，若所述PID控制信号小幅震荡，则增加发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数Ta或/和减小发电机励磁系统PID控制器比例增益P参数VP。
进一步的，在步骤S4中，将第二积分时间设定值Ta乘以系数k得到第一微分时间设定值Tb`，并将发电机励磁系统PID控制器微分时间D参数设定为第一微分时间设定值Tb`，所述系数k在0.05至0.1之间取值。
进一步的，步骤S3中，采用对分法或/和优选法逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值t。
进一步的，所述系数n取值为0.618，所述系数m取值为3。
进一步的，在计算机端人机界面显示PID控制信号。
进一步的，所述PID控制信号的采样周期在10毫秒与30毫秒之间取值。
进一步的，所述PID控制信号的采样周期取20毫秒。
本发明的有益效果是通过在发电机实际运行的空载额定电压状态时观测励磁系统PID控制器运算得出的PID控制信号变化来整定PID参数，可快速准确整定发电机PID参数，简单易行并真正达到运行时的最优效果，系统响应时间快又不易产生震荡。相对于传统发电机PID整定方法，本发明不用对发电机进行带载阶跃实验，可以不在发电机现场操作，可以远程进行PID参数整定。实践证明如图5所示采用本发明方法设定PID参数整定方法可以实现发电机突加载50%和甩载50%在200-300ms恢复到稳定的电压，比国标快5倍，比传统阶跃法整定的PID参数也快很多。在这极短的时间跌落对用户所有的用电设备几乎没有任何影响，对发电厂的发电机发电和稳定电网实现重大突破，具有划时代意义。
附图说明
图1为本发明发电机励磁系统PID参数整定方法的流程图；
图2为本发明发电机励磁系统PID参数整定方法第一比例增益值示意图；
图3为本发明发电机励磁系统PID参数整定方法第一积分时间值示意图；
图4为本发明发电机励磁系统PID参数整定方法的效果测试图；
图5为本发明发电机励磁系统PID控制结构图；
图6为本发明一实施例P值波动点确定人机界面示意图；
图7为本发明一实施例发散和收敛点确定人机界面示意图；
图8为本发明一实施例n值取0.7m值取3.2加载50%恢复时间人机界面示意图；
图9为本发明一实施例n值取0.7m值取3.2甩载50%恢复时间人机界面示意图；
图10为本发明一实施例n值取0.6m值取2.5加载50%恢复时间人机界面示意图；
图11为本发明一实施例n值取0.6m值取2.5甩载50%恢复时间人机界面示意图；
图12为本发明一实施例n值取0.618m值取3加载50%恢复时间人机界面示意图；
图13为本发明一实施例n值取0.618m值取3甩载50%恢复时间人机界面示意图；
图14为本发明对比例加载50%恢复时间人机界面示意图；
图15为本发明对比例甩载50%恢复时间人机界面示意图；
下面结合附图和具体实施例对本发明发电机励磁系统PID参数整定方法作进一步的说明。
具体实施方式
图1为本发明发电机励磁系统PID参数整定方法的流程图，图2为本发明发电机励磁系统PID参数整定方法第一比例增益值示意图，图3为本发明发电机励磁系统PID参数整定方法第一积分时间值示意图；图中，100为VP波动点，200为积分时间发散点，300为积分时间收敛点，400为PID控制信号观测器。
以下各PID参数整定实施例均在同一发电机的同一励磁系统上进行。
实施例1：
本发明提供一种发电机励磁系统PID参数整定方法，在发电机实际运行的空载额定电压状态下，用纯比例调节的方式寻找PID运算器输出控制信号；以波动点的比例增益值VP`乘于系数n作为发电机励磁系统PID参数整定的比例增益P参数的比例增益值VP；采用将电机励磁系统PID参数中的积分时间I参数逐渐减少的方式测定PID运算器输出控制信号震荡发散收敛点的值Ta`，将该值Ta`乘于系数m作为发电机励磁系统PID参数整定的积分时间I参数的时间常数值Ta；将发电机励磁系统PID参数整定的微分时间D参数Tb设定为0；所述系数n在0.6至0.7之间取值；所述系数m在2.5至3.2之间取值。
发电机在实际运行的空载额定电压状态下，将积分时间和微分时间参数设为0，取消励磁系统PID控制器中积分时间和微分时间作用的影响，先只考虑比例增益的影响，用比例增益P找出发电机自生的转动惯量不稳定点即波动点，
本发明发电机励磁系统PID参数整定方法，包括以下步骤：
S1：发电机软起动到额定电压并空载运行，将发电机励磁系统PID控制器的积分时间I参数和微分时间D参数均设定为0，比例增益P参数为1；
S2：将PID控制器比例增益参数P从1开始逐渐增大，观测发电机励磁系统PID控制器运算输出PID控制信号，直至出现PID运算器输出控制信号波动点，记录此时的比例增益值为第一比例增益值VP`，将第一比例增益值VP`乘以系数n得到第二比例增益值VP，将发电机励磁系统PID控制器比例增益P参数设定为所述第二比例增益值VP，所述系数n在0.6至0.7之间取值；
发电机空载运行在额定电压，其实际电压与额定电压值存在微小的差额，逐步增大P参数的设定会增大励磁系统PID控制器对于实际电压与额定电压差额的敏感度，当P参数增大到一定程度后即会触发发电机励磁系统PID控制器信号波动，进而找到准确的发电机转动惯量不稳定点。
S3：设定发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值为t，观测发电机励磁系统PID控制器运算输出PID控制信号，逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值t，直至出现PID运算器输出控制信号震荡发散的收敛点，记录此时积分时间设定值为第一积分时间设定值Ta`，将第一积分时间设定值Ta`乘以系数m得到第二积分时间设定值Ta，将发电机励磁系统PID控制器中的积分时间I参数设定为所述第二积分时间设定值Ta，所述系数m在2.5至3.2之间取值，所述初始值t在15秒至25秒之间取值；
发电机空载运行在额定电压，其实际电压与额定电压存在微小的差额，逐步减小积分时间参数的设定可以增大积分效应，进而增大励磁系统PID控制器对于实际电压与额定电压值差额的敏感度，当积分时间参数小到一定程度后即会触发发电机励磁系统PID控制器信号波动，此刻转而增大积分时间参数设定，可以减小积分效应，当积分时间设定值增大到一定程度积分效应减小到一定程度后信号波动消失，从而找到准确的PID整定积分时间收敛点
S4：将发电机励磁系统PID参数整定的微分时间D参数Tb设定为0。
将步骤S1至S4所确定的发电机励磁系统PID参数整定的比例增益P参数VP、积分时间I参数Ta和微分时间D参数Tb设定在发电机励磁系统中，将发电机带载或满载运行，同时，观测发电机励磁系统PID控制器运算得出PID控制信号，若所述PID控制信号小幅震荡，则增加发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数Ta或/和减小发电机励磁系统PID控制器比例增益P参数VP。
在步骤S4中，将第二积分时间设定值Ta乘以系数k得到第一微分时间设定值Tb`，并将发电机励磁系统PID控制器微分时间D参数设定为第一微分时间设定值Tb`，所述系数k在0.05至0.1之间取值。
步骤S3中，采用对分法或/和优选法逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值t。
所述系数n取值为0.618，所述系数m取值为3。
n值取0.618是因为0.618是黄金分割点，实践证明0.618是最佳取值。
m值取3是因为，当发电机带载运行时，突加负载，或者突减负载导致系统出现波动的PID参数积分时间收敛点的取值是一种随即现象，符合正态分布定律，m值取3可以最大程度的避免发电机带载运行时，突加负载、突减负载系统大范围波动。
所述PID控制信号观测器在计算机端人机界面显示PID控制信号。
操作人员通过在计算机端显示界面观测PID控制器运算得出的信号变化，用户体验极佳，并且可以远程操作，可以由熟悉励磁系统的励磁系统生产厂家专业人员在远程进行PID参数设定。
所述PID控制信号观测器的采样周期为20毫秒。
在另一实施例中所述PID控制信号观测器的采样周期为10毫秒。
在另一实施例中所述PID控制信号观测器的采样周期为30毫秒。
极小的采样周期可以使用户准确观测PID控制器运算得出的信号变化，提高PID参数整定的准确度。
实施列2:
本实施例采用下述步骤来进行发电机励磁系统PID参数整定。
S1：发电机软起动到额定电压并空载运行，设定发电机励磁系统PID控制器积分时间参数和微分时间参数为0，比例增益参数为1；
S2：观测发电机励磁系统PID控制器运算得出PID控制信号，将PID控制器比例增益参数从1开始逐渐增大。当PID控制器比例增益参数增大至20时，PID控制信号出现波动如图6所示，记录此时的比例增益值20为第一比例增益值，第一比例增益值乘以0.618得到第二比例增益值12.36，将发电机励磁系统PID控制器比例增益参数设定为第二比例增益值为12.36；
S3：设定发电机励磁系统PID控制器积分时间参数初始值为25s，观测发电机励磁系统PID控制器运算得出PID控制信号，逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间设定值直至PID控制信号发生震荡，停止减小发电机励磁系统PID控制器积分时间设定值，转而逐步加大发电机励磁系统PID控制器积分时间设定值直至PID控制信号震荡收敛，记录此时积分时间设定值为第一积分时间设定值0.007s如图7所示，第一积分时间设定值乘以3得到第二积分时间设定值0.021，将发电机励磁系统PID控制器中的积分时间参数设定为第二积分时间设定值0.021。
在另一实施例中积分时间参数初始值为15s
在本实施例中发动机运行在额定电压加载50%负荷后，经过200ms系统停止波动，如图12所示。
在本实施例中发动机运行在额定电压甩载50%负荷后，经过100ms系统停止波动，如图13所示。
实施例3：
S1：发电机软起动到额定电压并空载运行，设定发电机励磁系统PID控制器积分时间参数和微分时间参数为0，比例增益参数为1；
S2：观测发电机励磁系统PID控制器运算得出PID控制信号，将PID控制器比例增益参数从1开始逐渐增大。当PID控制器比例增益参数增大至20时，PID控制信号出现波动如图6所示，记录此时的比例增益值为第一比例增益值，第一比例增益值乘以n得到第二比例增益值，将发电机励磁系统PID控制器比例增益参数设定为所述第二比例增益值，所述n值取0.6；
在另一实施例中n值取0.7。
S3：设定发电机励磁系统PID控制器积分时间参数初始值为25，观测发电机励磁系统PID控制器运算得出PID控制信号，逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间设定值直至所述PID控制信号发生震荡，停止减小发电机励磁系统PID控制器积分时间设定值，转而逐步加大发电机励磁系统PID控制器积分时间设定值直至所述PID控制信号震荡收敛，记录此时积分时间0.007s为第一积分时间设定值，第一积分时间设定值乘以m得到第二积分时间设定值，将发电机励磁系统PID控制器中的积分时间参数设定为所述第二积分时间设定值，所述m值取2.5；
在另一实施例中m值取3.2。
在PID控制器中设定不同的比例增益值和不同的积分时间值会导致不同的控制效果，以上各实施例在同一发电机的同一励磁系统设定PID参数后，加载50%和甩载50%的系统响应实验如下述表格所示，实验证明n取0.618，m值取3效果最好。在对比例中对同一发电机的同一励磁系统用阶跃法测定PID参数为P取6，I取0.3s，实验加载50%需要840ms系统响应时间如图14所示，甩载50%需要760ms系统响应时间如图15所示，本发明所述的发电机加载50%和甩载50%意为发电机带负荷运行状态下定子电流增加50%和减少50%。
系数n取值 第一积分时间设定值 系数m取值 第二比例增益设定值 第二积分时间设定值 加载50%负荷响应时间 加载50%负荷响应截图 甩载50%负荷响应时间 甩载50%负荷响应截图
0.6 0.007s 2.5 12 0.0175s 260ms 图10 140ms 图11
0.7 0.007s 3.2 14 0.0224s 220ms 图8 100ms 图9
0.618 0.007s 3 12.36 0.021s 200ms 图12 100ms 图13
本发明的有益效果是通过在发电机额定电压空载时观测励磁系统PID控制器运算得出的信号变化来整定PID参数，可快速准确整定发电机PID参数，简单易行并真正达到运行时的最优效果，系统响应时间快又不易产生震荡。相对于传统发电机PID整定方法，本发明不用对发电机进行带载阶跃实验，可以不在发电机现场操作，远程进行PID参数整定。实验证明采用本发明方法设定PID参数整定方法可以实现发电机突加载50%和甩载50%在200-300ms恢复到稳定的电压，比国标快5倍，相比传统阶跃法整定的PID参数也快很多，在这极短的时间跌落对用户所有的用电设备几乎没有任何影响，对发电厂的发电机发电和稳定电网实现重大突破，具有划时代意义。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，在发电机实际运行的空载额定电压状态下，用纯比例调节的方式寻找PID运算器输出控制信号波动点；以波动点的比例增益值VP`乘于系数n作为发电机励磁系统PID参数整定的比例增益P参数的比例增益值VP；采用将电机励磁系统PID参数中的积分时间I参数逐渐减少的方式测定PID运算器输出控制信号震荡发散收敛点的值Ta`，将该值Ta`乘于系数m作为发电机励磁系统PID参数整定的积分时间I参数的时间常数值Ta；所述系数n在0.6至0.7之间取值；所述系数m在2.5至3.2之间取值。
2.如权利要求1所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：发电机软起动到额定电压并空载运行至额定电压状态下，将发电机励磁系统PID控制器的积分时间I参数和微分时间D参数均设定为0，比例增益P参数为1；
S2：将PID控制器比例增益参数P从1开始逐渐增大，观测发电机励磁系统PID控制器运算输出PID控制信号，直至出现PID运算器输出控制信号波动点，记录此时的比例增益值为第一比例增益值VP`，将第一比例增益值VP`乘以系数n得到第二比例增益值VP，将发电机励磁系统PID控制器比例增益P参数设定为所述第二比例增益值VP，所述系数n在0.6至0.7之间取值；
S3：设定发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值为t，观测发电机励磁系统PID控制器运算输出PID控制信号，逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值t，直至出现PID运算器输出控制信号震荡发散的收敛点，记录此时积分时间设定值为第一积分时间设定值Ta`，将第一积分时间设定值Ta`乘以系数m得到第二积分时间设定值Ta，将发电机励磁系统PID控制器中的积分时间I参数设定为所述第二积分时间设定值Ta，所述系数m在2.5至3.2之间取值，所述初始值t在15秒至25秒之间取值；
S4：将发电机励磁系统PID参数整定的微分时间D参数Tb设定为0。
3.如权利要求2所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，将步骤S1至S4所确定的发电机励磁系统PID参数整定的比例增益P参数VP、积分时间I参数Ta和微分时间D参数Tb设定在发电机励磁系统中，将发电机带载或满载运行，同时，观测发电机励磁系统PID控制器运算得出PID控制信号，若所述PID控制信号小幅震荡，则增加发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数Ta或/和减小发电机励磁系统PID控制器比例增益P参数VP。
4.如权利要求2所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，在步骤S4中，将第二积分时间设定值Ta乘以系数k得到第一微分时间设定值Tb`，并将发电机励磁系统PID控制器微分时间D参数设定为第一微分时间设定值Tb`，所述系数k在0.05至0.1之间取值。
5.如权利要求2所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，步骤S3中，采用对分法或/和优选法逐步减小发电机励磁系统PID控制器积分时间I参数的初始值t。
6.如权利要求1所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，所述系数n取值为0.618，所述系数m取值为3。
7.如权利要求1所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，在计算机端人机界面显示PID控制信号。
8.如权利要求2所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，所述PID控制信号的采样周期在10毫秒与30毫秒之间取值。
9.如权利要求8所述的发电机励磁系统PID参数整定方法，其特征在于，所述PID控制信号的采样周期取20毫秒。
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