CN108646546B - 确定分数阶pid控制器参数的方法、装置、电力系统稳定器及电力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了确定分数阶PID控制器参数的方法、装置、电力系统稳定器及电力系统。所公开的确定分数阶PID控制器参数的方法，包括：确定由以下公式表示的函数W(P)作为目标函数：W(P)＝(1‑eβ)·(Mp+Ess)+e‑β·(ts‑tr)+J(P)
其中，P＝[KP,KI,KD,λ,μ]为由分数阶PID控制器的比例参数、积分参数、微分参数、积分阶次参数、微分阶次参数组成的控制器参数向量，β为加权因子，Mp为超调量，Ess为稳态误差，tr为上升时间，ts为调整时间，J(P)为惩罚函数，L大于等于0；基于帝国竞争算法来确定分数阶PID控制器的最优控制器参数向量。所公开的技术方案能够获取比现有技术能够获取到的分数阶PID控制器参数更优的分数阶PID控制器参数。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制和电力领域，尤其涉及确定分数阶PID控制器参数的方法、装置、电力系统稳定器及电力系统。
背景技术
PID控制广泛应用于自动控制过程中，由于其算法简单、可靠性好，所以在自动化、电力、通信等领域中都有着较为广泛的应用。
目前的PID控制器大致可以分为整数阶PID控制器和分数阶PID控制器。整数阶PID控制器是传统的PID控制器，仅仅包含比例参数KP、积分参数KI、微分参数KD，而分数阶PID控制器是对传统整数阶PID控制器的改进，增加了积分阶次λ、微分阶次μ两个新的参数。分数阶PID控制器的控制参数更多，因此，相比整数阶PID控制器能够更准确地描述实际系统的动态特性，从而也能够对实际系统进行更精确地控制。
以电力系统为例，由于引入励磁机制导致了电力系统存在低频振荡问题，一旦低频振荡得不到有效的抑制，就会造成线路过流跳闸或者系统间的失步现象，严重时会导致大面积停电，造成不可挽回的损失。因此，人们已经提出了结合整数阶或分数阶PID控制器来实现励磁控制的许多方案，并将这些方案应用于电力系统稳定器中，以减小甚至消除低频振荡问题。
无论选择整数阶PID控制器还是分数阶PID控制器用于过程控制，控制器参数的整定都至关重要。如何整定出能够应用于具体系统的控制器参数一直都是人们研究的一个重要方向。
因此，需要提出新的技术方案，以获取比现有技术能够获取到的分数阶PID控制器参数更优的分数阶PID控制器参数。
发明内容
根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的方法，包括：
确定由以下公式表示的函数W(P)作为目标函数：
W(P)＝(1-eβ)·(Mp+Ess)+e-β·(ts-tr)+J(P)
其中，P＝[KP,KI,KD,λ,μ]为由分数阶PID控制器的比例参数、积分参数、微分参数、积分阶次参数、微分阶次参数组成的控制器参数向量，β为加权因子，Mp为超调量，Ess为稳态误差，tr为上升时间，ts为调整时间，J(P)为惩罚函数，L大于等于0；
基于帝国竞争算法来确定分数阶PID控制器的最优控制器参数向量。
根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的方法，L大于1001。
根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的装置，包括：
目标函数定义模块，用于确定由以下公式表示的函数W(P)作为目标函数：
W(P)＝(1-eβ)·(Mp+Ess)+e-β·(ts-tr)+J(P)
其中，P＝[KP,KI,KD,λ,μ]为由分数阶PID控制器的比例参数、积分参数、微分参数、积分阶次参数、微分阶次参数组成的控制器参数向量，β为加权因子，Mp为超调量，Ess为稳态误差，tr为上升时间，ts为调整时间，J(P)为惩罚函数，L大于等于0；
最优控制器参数确定模块，用于基于帝国竞争算法来确定分数阶PID控制器的最优控制器参数向量。
根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的装置，L大于1001。
根据本发明的电力系统稳定器，包括：
使用由如上文所述的方法确定的最优控制器参数向量作为控制参数向量的分数阶PID控制器，用于实现对电力系统的稳定控制。
根据本发明的电力系统稳定器，适用于单发电机无穷大电力系统或多发电机电力系统。
根据本发明的电力系统，包括：
使用由如上文所述的方法确定的最优控制器参数向量作为控制参数向量的分数阶PID控制器，该分数阶PID控制器用于实现对发电机的励磁控制。
根据本发明的上述技术方案，能够获取比现有技术能够获取到的分数阶PID控制器参数更优的分数阶PID控制器参数。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与相关的文字描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示例性地示出了根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的方法的示意流程图。
图2示例性地示出了根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的装置的示意框图。
图3示例性地示出了现有技术的电力系统稳定器的传递函数的示意框图。
图4示例性地示出了根据本发明的电力系统稳定器的传递函数的示意框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
图1示例性地示出了根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的方法的示意流程图。
如图1所示，根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的方法，包括：
步骤S102：确定由公式(1)和(2)表示的函数W(P)作为目标函数：
W(P)＝(1-eβ)·(Mp+Ess)+e-β·(ts-tr)+J(P) (1)
其中，P＝[KP,KI,KD,λ,μ]为由分数阶PID控制器的比例参数、积分参数、微分参数、积分阶次参数、微分阶次参数组成的控制器参数向量，β为加权因子，Mp为超调量，Ess为稳态误差，tr为上升时间，ts为调整时间，J(P)为惩罚函数，L大于等于0；
步骤S104：基于帝国竞争算法(ICA)来确定分数阶PID控制器的最优控制器参数向量(即，使上述代价函数值W(P)最小的P向量)。
由于分数阶PID控制器较整数阶PID控制器多出2个参数λ、μ，所以需要对分数阶PID控制器的各个参数的整定或求解的过程进行优化。相比于查表法或者其他参数优化算法，本发明所选择的帝国竞争算法具有收敛速度快、精度高、全局收敛性强的特点。
因此，根据本发明的技术方案能够获取比现有技术能够获取到的分数阶PID控制器参数更优的分数阶PID控制器参数。
例如，帝国竞争算法可以包括以下步骤：
(1)初始化帝国，包括国家数量、帝国数量、算法维度、最小优化参数、最大优化参数、革命系数、同化系数、同化系数角、β、阻尼比；
(2)确定初始帝国位置和帝国代价(即，根据具体的P值及公式(1)中的其他相关参数，计算该P值对应的目标函数W(P)的具体值)；
(3)确定各个帝国殖民地位置和殖民地数量；
(4)模拟殖民地同化程度，并根据殖民地势利确定是否与该帝国进行位置交换；
(5)对帝国势利进行计算，并瓜分最弱帝国；
(6)进行竞争后所存在的唯一国家位置，则为最优位置(即，最优的控制器参数向量P的值)。
可选地，L大于1001。
图2示例性地示出了根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的装置的示意框图。
如图2所示，根据本发明的确定分数阶PID控制器参数的装置200包括：
目标函数定义模块201，用于确定由公式(1)和(2)表示的函数W(P)作为目标函数；
最优控制器参数确定模块203，用于基于帝国竞争算法来确定分数阶PID控制器的最优控制器参数向量。
可选地，L大于1001。
基于结合图1和图2所分别描述的上述方法和装置，还提出了一种电力系统稳定器，包括：
使用由如上文所述的方法确定的最优控制器参数向量作为控制参数向量的分数阶PID控制器，用于实现对电力系统的稳定控制。
为了使本领域技术人员更清楚地了解根据本发明的上述电力系统稳定器，下面将结合一个具体实施例进行描述。
电力系统稳定器(PSS)是一种附加励磁控制装置，可以为电力系统中的励磁装置提供一个与转子速度偏差同相的电气转矩分量，从而抑制系统的低频振荡，保证电力系统的稳定性。
图3示例性地示出了现有技术的电力系统稳定器的传递函数的示意框图。
如图3所示，该电力系统稳定器从左至右依次包括：比例放大环节、隔直环节、超前滞后环节、输出限幅环节，其对应的传递函数如公式(3)所示：
其中，Ks为放大倍数，Tw为隔直时间常数，Ts1为一阶超前时间常数，Ts2为一阶滞后时间常数，Ts3为二阶超前时间常数，Ts4为二阶滞后时间常数，Upss为限幅电压值。
尽管图3中将输入控制信号示出为角频率的增量(即，Δω)，将Δω作为输入控制信号可以有效跟踪发电机负荷，即当发电机负荷增大时，传递函数G的增益也会随之增大，加强PSS的励磁调节作用。然而，本领域技术人员也可以考虑其他的控制量(比如，电压增量、功率增量等)。
图4示例性地示出了根据本发明的电力系统稳定器的示意框图。
图4所示的电力系统稳定器相对于图3的改进之处在于，增加了如上文所述的使用如结合图1所述的方法确定的最优控制器参数向量的分数阶PID控制器。即，图4中的分数阶PID控制器参数向量[KP,KI,KD,λ,μ]是根据本发明的上述方法和装置所确定的最优控制器参数向量。
可选地，图4所示的电力系统稳定器适用于单发电机无穷大电力系统或多发电机电力系统。
基于结合图1和图2所分别描述的上述方法和装置，还提出了一种电力系统，包括：
使用由如上文所述的方法确定的最优控制器参数向量作为控制参数向量的分数阶PID控制器，分数阶PID控制器用于实现对发电机的励磁控制。
根据本发明的上述技术方案，能够获取比现有技术能够获取到的分数阶PID控制器参数更优的分数阶PID控制器参数。即，能够对分数阶PID控制器参数进行优化，以有效扩大控制器参数整定范围以及灵活控制受控对象，保证受控对象(例如，电力系统)的稳定性。
根据本发明的上述技术方案，例如，还具有以下优点：
1、可以将分数阶PID控制器应用于PSS中，扩大分数阶PID控制器参数的整定范围以及灵活控制受控对象。
2、可以提高电力等系统对低频振荡的抑制能力，提高了电力等系统的稳定性。
3、利用ICA算法对控制参数进行优化，收敛速度快、精度高，有效避免了“早熟收敛”现象的发生。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种确定分数阶PID控制器参数的方法，其特征在于，包括：
确定由以下公式表示的函数W(P)作为目标函数：
W(P)＝(1-eβ)·(Mp+Ess)+e-β·(ts-tr)+J(P)
其中，P＝[KP，KI，KD，λ，μ]为由分数阶PID控制器的比例参数、积分参数、微分参数、积分阶次参数、微分阶次参数组成的控制器参数向量，β为加权因子，Mp为超调量，Ess为稳态误差，tr为上升时间，ts为调整时间，J(P)为惩罚函数，L大于等于0；
基于帝国竞争算法来确定所述分数阶PID控制器的最优控制器参数向量；
其中，帝国竞争算法包括以下步骤：
(1)初始化帝国，包括国家数量、帝国数量、算法维度、最小优化参数、最大优化参数、革命系数、同化系数、同化系数角、β、阻尼比；
(2)确定初始帝国位置和帝国代价；其中，帝国代价为根据具体的P值及公式中的其他相关参数，计算该P值对应的目标函数W(P)的具体值；
(3)确定各个帝国殖民地位置和殖民地数量；
(4)模拟殖民地同化程度，并根据殖民地势利确定是否与该帝国进行位置交换；
(5)对帝国势利进行计算，并瓜分最弱帝国；
(6)进行竞争后所存在的唯一国家位置，则为最优位置；其中，最优位置为最优的控制器参数向量P的值。
2.如权利要求1所述的确定分数阶PID控制器参数的方法，其特征在于，L大于1001。
3.一种确定分数阶PID控制器参数的装置，其特征在于，包括：
目标函数定义模块，用于确定由以下公式表示的函数W(P)作为目标函数：
W(P)＝(1-eβ)·(Mp+Ess)+e-β·(ts-tr)+J(P)
其中，P＝[KP，KI，KD，λ，μ]为由分数阶PID控制器的比例参数、积分参数、微分参数、积分阶次参数、微分阶次参数组成的控制器参数向量，β为加权因子，Mp为超调量，Ess为稳态误差，tr为上升时间，ts为调整时间，J(P)为惩罚函数，L大于等于0；
最优控制器参数确定模块，用于基于帝国竞争算法来确定所述分数阶PID控制器的最优控制器参数向量；
最优控制器参数确定模块具体用于：
(1)初始化帝国，包括国家数量、帝国数量、算法维度、最小优化参数、最大优化参数、革命系数、同化系数、同化系数角、β、阻尼比；
(2)确定初始帝国位置和帝国代价；其中，帝国代价为根据具体的P值及公式中的其他相关参数，计算该P值对应的目标函数W(P)的具体值；
(3)确定各个帝国殖民地位置和殖民地数量；
(4)模拟殖民地同化程度，并根据殖民地势利确定是否与该帝国进行位置交换；
(5)对帝国势利进行计算，并瓜分最弱帝国；
(6)进行竞争后所存在的唯一国家位置，则为最优位置；其中，最优位置为最优的控制器参数向量P的值。
4.如权利要求3所述的确定分数阶PID控制器参数的装置，其特征在于，L大于1001。
5.一种电力系统稳定器，其特征在于，包括：
使用由如权利要求1或2所述的方法确定的最优控制器参数向量作为控制参数向量的分数阶PID控制器，用于实现对电力系统的稳定控制。
6.如权利要求5所述的电力系统稳定器，其特征在于，所述电力系统稳定器适用于单发电机无穷大电力系统或多发电机电力系统。
7.一种电力系统，其特征在于，包括：
使用由如权利要求1或2所述的方法确定的最优控制器参数向量作为控制参数向量的分数阶PID控制器，所述分数阶PID控制器用于实现对发电机的励磁控制。
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Effective date of registration: 20240116 Address after: Room 539, 540, 541, 542, 543, and warehouse room on the fifth floor of the Comprehensive Management Building of the Booster Pump Station, No. 1 Longjian Street, Longfeng District, Daqing City, Heilongjiang Province, 163000 yuan Patentee after: Daqing Kairong Technology Co.,Ltd. Address before: 073000 West 200m northbound at the intersection of Dingzhou commercial street and Xingding Road, Baoding City, Hebei Province (No. 1910, 19th floor, building 3, jueshishan community) Patentee before: Hebei Kaitong Information Technology Service Co.,Ltd. Effective date of registration: 20240116 Address after: 073000 West 200m northbound at the intersection of Dingzhou commercial street and Xingding Road, Baoding City, Hebei Province (No. 1910, 19th floor, building 3, jueshishan community) Patentee after: Hebei Kaitong Information Technology Service Co.,Ltd. Address before: 066004 No. 438, Hebei Avenue, Qinhuangdao, Hebei Patentee before: Yanshan University |