CN111987951A - 一种基于自适应pi参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法。具有自动辨识过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控过程参数的变化等一系列优点；具有常规PI控制器的结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点；设置了预调制方法，预先模拟每个用电设备的电压理想调整曲线，然后将理想调整曲线与实际中检测的曲线进行比例整合，并逐步降低理想调整曲线的比例，使得实际调节时，可以一部分降低整个系统中由于自适应计算部分带来的延迟，从而使得实际负载变化时，自适应系统已经进行了对应的参数调整，可以直接起到调整效果，最大限度的接近理想调整曲线。

Description

一种基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压 稳定控制方法

技术领域

本发明涉及属于电气设备及电气工程领域，尤其涉及一种应用于民用航空领域的高压变频交流三级式发电系统的电压稳定控制装置结构设计。

背景技术

由于电力系统的时变性，运行条件、网络参数经常变化，恒定增益系数的PI控制器有时并不能满足系统的实际要求。为获得优良的控制效果，控制器参数需要随着频率的变化而变化。由此需要引入自适应控制来满足控制器设计的需求。

自适应控制系统的基本原理是：在该系统中，可以对被控对象实时变化的特性参数或者相关的性能指标进行辨识，然后由决策机构根据设定的既定准则修正控制器参数，从而使系统具备理想的性能，进而保证系统对内部和外界环境因素变化具有自适应的能力。自适应系统按照控制结构可以分为可变增益的自适应控制系统、自校正系统、模型参考自适应系统3类。

其中可变增益的自适应控制系统基本原理比较简单，即观测被控对象在工作过程中的某些参数变化，按照既定的规则来改变调节器的增益大小。此种增益调节过程为一个开环过程，它具有结构简单，响应迅速的特点，但是该系统仅仅是对增益的变化进行自适应调节，难以完全克服系统模型未知或模型参数变化带来的影响以实现完善的自适应控制。

自校正系统将在线参数辨识与调节器的设计结合在一起。系统正常运行时，根据辨识结果，进行调节器参数设计，并根据该设计结果改变控制器参数，以确保不受环境变化或被控对象内部参数变化而造成的干扰。但一般来说，自校正控制规律不一定是渐进最优的。因为未考虑未知参数的估计值是否等于真值，也未考虑与真值的偏离程度。且存在闭环可辨识性问题。

模型参考自适应系统(Model Reference Adapting Control，MARC)由参考模型、模型跟随调节器、控制器以及被控对象组成。通过测量被控对象和参考模型输出的差值，由调节器根据某种自适应规律产生反馈信号确保被控对象输出能够跟踪参考模型的输出，使被控对象具有和参考模型一样的性能。

申请号：CN201811269066.5公开了一种自适应补偿器，包括：补偿信号生成模块，用于检测发电机励磁绕组负端的实时电压，并根据实时电压生成补偿信号，且将补偿信号输出；补偿控制模块，用于检测发电机的负载的实时电流，并根据实时电流生成控制信号，且将控制信号输出；补偿信号输出模块，接收控制信号，根据其接收的控制信号具有：导通状态及关闭状态；其中，补偿信号输出模块处于导通状态时，能够接收补偿信号，且将补偿信号输出；以及一种包含上述自适应补偿器的高压直流发电机调压控制系统，其应用可有效克服高压直流电源系统存在的低转速卸载电压恢复超时和高转速卸载电压超调量过大的问题。

申请号CN201310274906.8公开了一种变参数PI调节器参数调整方法，包括以下步骤：确定当前直流母线电压与目标电压之间的误差；确定所述误差的偏离状态、以及所述误差的变化趋势，相应地调整比例调节系数Kp；根据所述Kp和积分项输出参数Ki调整最终的PI参数。通过上述步骤，按照误差的偏离状态及变化趋势相应调整比例调节系数Kp，最后调整PI参数。由于Kp是根据误差情况调整的，从而在通过参数控制PWM整流器的过程中，兼顾动态性能和稳态性能。

然而上述调节方式一方面不能保证系统没有过调发生，另一方面由于调节参数的控制需要大量的计算资源，而造成过大的延迟，由于延迟的产生导致整个系统的调节参数调整是滞后的，从而使得实际的调整曲线与理想的调整曲线有一定的差异。

发明内容

发电机调压系统中，随着频率升高，发电机调压系统自身的稳定性下降。所以需要对系统添加补偿器以提升系统的稳定性。此外，使用同一补偿器，可能会出现低频情况下工作良好，但在高频情况下使得调压系统发生震荡的不稳定现象。由此需要设计出在宽频域条件下工作性能良好的控制器。

由于电力系统的时变性，运行条件、网络参数经常变化，恒定增益系数的PI控制器有时并不能满足系统的实际要求。比例积分控制中，比例系数大小与系统稳定性成反比关系。K_p，K_i值越大，稳定性越差，若要使高频情况下稳定裕度与低频情况相同，需要减小K_p，K_i值。但是稳定性与PI参数之间并非线性关系。如果不同频率下使用同一K_p，K_i参数，可能导致低频下满足调压系统指标要求，但高频不稳定的现象。为了保证调压系统的稳定性，需要随着频率的增加，适当减小PI参数。

在同一稳定性指标要求下的K_p，K_i可行域400hz要大于800hz，因为800hz时，开环增益大，且稳定性下降，所以对K_p，K_i参数整定的要求更为严格，因而其可行域更小。可行域有重叠部分,如果不同频率下使用同一PI参数，则该PI参数需落在可行域的重叠部分。但是这样的设计无法保证该PI参数对每个频率下的调压系统都是最优的。

采用同一PI控制参数难以保证系统稳定性，且难以获得最优的控制效果，因而需要采用自适应PI进行控制。其可以对被控对象实时变化的特性参数或者相关的性能指标进行辨识，然后由决策机构根据设定的既定准则修正控制器参数，从而使系统具备理想的性能，进而保证系统对内部和外界环境因素变化具有自适应的能力。

通过测量被控对象和参考模型输出的差值，由调节器根据某种自适应规律产生反馈信号确保被控对象输出能够跟踪参考模型的输出，使被控对象具有和参考模型一样的性能。

为克服恒定增益系数的PI控制器有时并不能满足系统实际要求的缺点，本发明采用自适应控制对双闭环系统的PI参数进行调节，设计出调压系统的MRAC控制器，实现对航空三级式变频交流发电系统电压的稳定控制。

本发明为解决以上技术问题所采取的技术方案是：

应用超稳定性理论设计模型参考自适应系统(MRAC)。设计时，首先要将各种形式的模型参考自适应系统等效为非线性时变反馈系统。再根据超稳定性原理，分别使等效反馈方块满足POPOV积分不等式和图2的使前向方块G(s)为正实传递函数，从而确定合适的自适应规律。具体的设计步骤可以归纳为以下4个部分：

1、将模型参考自适应系统等价为非线性时变反馈系统的标准误差模型的形式，由一个线性的前向方块和一个非线性的反馈方块组成。

2、使等价系统的反馈方块满足POPOV积分不等式，并由此确定合适的自适应规律。

3、确定等价系统的前向方块是严格正实的，从而决定另一部分自适应规律。

4、等价系统返回至原始系统，从而完成整个自适应系统的工作。

为了使PI控制也具有自适应控制的优越性，将单环自适应与PI电压环控制结合，设计出调压系统的MRAC控制器。其可以迅速地跟随参考模型的输出信号。MRAC上升时间更短，超调更小，且更快进入稳定状态。由于MRAC跟随的目标为参考模型的输出，所以，只要参考模型特性不发生改变，不论发电机转速如何变化时，输出仍能吻合参考模型，使得在不同频率下，控制器具有相同的控制效果。

一种基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，包括：

三级式变频交流发电系统的三级分别为永磁机、励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节；

调压方式为检测载端三相电压瞬时值计算得到的有效值U₁，然后将其与调压点电压U₀进行比较，得到误差dU；将dU作为PI控制器的输入，得到调节量；使用调节量对励磁回路进行PWM调节，从而实现对电压的调节；

PI控制中，K_p，K_i参数使用模型参考自适应控制器(MRAC)进行控制，自适应控制中选择参考模型的传递函数为：

自适应控制律为：

式中：k_i(i＝1～6)可以选择为任意正常数，v、u为输入，u_p选定为115V，K_p为PI控制器的参数，简化后为：

还包括预调节步骤：

将系统内的所有用电设备设置单独的延时开关，延时开关的延时启动时间为t₁，延时关闭时间为t₂；同时在计算机中模拟与真实系统相同的600Hz自适应PI参数控制下每个单独的用电设备在系统额定状态启动和关闭时的电压变化曲线；由于计算机模拟时忽略了自适应和PI调节时的计算延时，所以其得到了理想调整曲线；

由此可以获得每个单独的用电设备的启动理想调整曲线和关闭理想调整曲线；

在真实系统中，当延迟开关收到启动或者关闭信号时，将该启动或关闭信号发送给参数计算模块，参数计算模块收集当前系统负载端的电压U₁，然后获取对应用电设备的理想调整曲线上起点t₀时刻的数值U₂，计算U₁’＝U₂/M+U₁/(1-M)；其中M＝1-t/t_n；其中t为从收到启动或关闭信号开始的时间，t_n为理想调整曲线从开始到其稳定为额定电压的时刻；其中额定电压为115V；

然后参数计算模块将U₁’作为PI调整的输入电压，然后将其与调压点电压U₀进行比较，得到误差dU；将dU作为PI控制器的输入，得到调节量；使用调节量对励磁回路进行PWM调节，从而实现对电压的调节。

设置不同的t₁和t₂的取值，并对每个用电设备进行启动和关闭实验，实时检测整个系统负载端的电压；获取对应的用电设备启动和关闭时造成的电压变化的最大值dU，并绘制以t₁为横坐标，用电设备启动对应的dU为纵坐标的曲线，以及并绘制以t₂为横坐标，用电设备关闭对应的dU为纵坐标的曲线；

实际工作中，取每个用电设备的dU最小值对应的t₁和t₂作为实际工作时该用电设备对应的t₁和t₂，从而将系统的电压跳跃降至最小。

t1和t2的取值范围为：1ms<t₁<100ms,1ms<t₂<100ms。

本发明的有益效果是：1)具有自动辨识过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控过程参数的变化等一系列优点；2)具有常规PI控制器的结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点；3)设置了预调制方法，预先模拟每个用电设备的电压理想调整曲线，然后将理想调整曲线与实际中检测的曲线进行比例整合，并逐步降低理想调整曲线的比例，使得实际调节时，可以一部分降低整个系统中由于自适应计算部分带来的延迟，从而使得实际负载变化时，自适应系统已经进行了对应的参数调整，可以直接起到调整效果，最大限度的接近理想调整曲线。随着时间的延长，理想调整曲线的比例逐步降低，实际电压逐步增加，从而可以提高实际的调整作用，避免由于理想调整曲线带来过大的误差。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为MRAC系统控制结构框图；

图2为非线性系统控制结构框图；

图3为双环闭环控制框图；

图4为400Hz下的调压系统的模型参考自适应仿真模型；

图5为自适应PI控制的仿真模型图；

图6为400Hz-800Hz自适应PI系统输出波形图；

图7为不同频率下PI控制的系统输出与自适应PI系统输出对比图。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：

以三级发电机作为被控对象为例，其传递函数为

在设计模型参考自适应控制器时，假设式中：K_p、a_p1、a_p0为可以调节的参数。根据参考模型的选取原则，取参考模型传递函数为：

在MRAC的仿真中，为了使调压系统获得较好的输出，选择参考模型如下：

在400Hz下的调压系统的模型参考自适应仿真模型中，取c＝800,d₀＝140,d₁＝3；取参考输入u(t)＝115V。

采用如下自适应控制律：

式中：k_i(i＝1～6)可以选择为任意正常数。

为了使PI控制也具有自适应控制的优越性，将单环自适应与PI电压环控制结合。从式(4)中可以看出，K_p的自适应律计算公式中，由于K_i为可以任意选择的正常数，所以输入u_p选定为115V这一常数时，式(4)可以简化为下面的形式：

选定参考模型为比例系数1，再省略状态滤波器，则此时的单比例自适应仿真模型就可以变形成PI控制下的仿真模型。就可以利用单比例自适应律计算PI控制器的参数K_p。

通过搭建自适应PI控制的仿真模型可以获得的400Hz-800Hz自适应PI系统输出波形图。由图6可以看出，自适应PI的控制效果不因频率的变化而改变。且当参考输出一直为115V时，自适应PI系统的输出上升时间短，且无超调，具有较好的控制效果。

综上，自适应PI控制器吸收了自适应控制器与常规PI控制的两者的优点。既具有自动辨识过程参数、自动整定控制器参数、能够适应被控过程参数的变化等一系列优点；其次，它又具有常规PI控制器的结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点。。

实施例2：

一种基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，包括：

三级式变频交流发电系统的三级分别为永磁机、励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节；

调压方式为检测载端三相电压瞬时值计算得到的有效值U₁，然后将其与调压点电压U₀进行比较，得到误差dU；将dU作为PI控制器的输入，得到调节量；使用调节量对励磁回路进行PWM调节，从而实现对电压的调节；

PI控制中，K_p，K_i参数使用模型参考自适应控制器(MRAC)进行控制，自适应控制中选择参考模型的传递函数为：

自适应控制律为：

式中：k_i(i＝1～6)可以选择为任意正常数，v、u为输入，u_p选定为115V，K_p为PI控制器的参数，简化后为：

还包括预调节步骤：

将系统内的所有用电设备设置单独的延时开关，延时开关的延时启动时间为t₁，延时关闭时间为t₂；同时在计算机中模拟与真实系统相同的600Hz自适应PI参数控制下每个单独的用电设备在系统额定状态启动和关闭时的电压变化曲线；由于计算机模拟时忽略了自适应和PI调节时的计算延时，所以其得到了理想调整曲线；

由此可以获得每个单独的用电设备的启动理想调整曲线和关闭理想调整曲线；

在真实系统中，当延迟开关收到启动或者关闭信号时，将该启动或关闭信号发送给参数计算模块，参数计算模块收集当前系统负载端的电压U₁，然后获取对应用电设备的理想调整曲线上起点t₀时刻的数值U₂，计算U₁’＝U₂/M+U₁/(1-M)；其中M＝1-t/t_n；其中t为从收到启动或关闭信号开始的时间，t_n为理想调整曲线从开始到其稳定为额定电压的时刻；其中额定电压为115V；

然后参数计算模块将U₁’作为PI调整的输入电压，然后将其与调压点电压U₀进行比较，得到误差dU；将dU作为PI控制器的输入，得到调节量；使用调节量对励磁回路进行PWM调节，从而实现对电压的调节。

设置不同的t₁和t₂的取值，并对每个用电设备进行启动和关闭实验，实时检测整个系统负载端的电压；获取对应的用电设备启动和关闭时造成的电压变化的最大值dU，并绘制以t₁为横坐标，用电设备启动对应的dU为纵坐标的曲线，以及并绘制以t₂为横坐标，用电设备关闭对应的dU为纵坐标的曲线；

实际工作中，取每个用电设备的dU最小值对应的t₁和t₂作为实际工作时该用电设备对应的t₁和t₂，从而将系统的电压跳跃降至最小。

t1和t2的取值范围为：1ms<t₁<100ms,1ms<t₂<100ms。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

三级式变频交流发电系统的三级分别为永磁机、励磁机和主发电机；使用PWM调节励磁回路的励磁电流从而实现对发电机电压的调节；

调压方式为检测载端三相电压瞬时值计算得到的有效值U₁，然后将其与调压点电压U₀进行比较，得到误差dU；将dU作为PI控制器的输入，得到调节量；使用调节量对励磁回路进行PWM调节，从而实现对电压的调节；

PI控制中，K_p，K_i参数使用模型参考自适应控制器(MRAC)进行控制，自适应控制中选择参考模型的传递函数为：

自适应控制律为：

式中：k_i(i＝1～6)可以选择为任意正常数，v、u为输入，u_p选定为115V，K_p为PI控制器的参数，简化后为：

2.根据权利要求1所述的基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，其特征在于还包括预调节步骤：

将系统内的所有用电设备设置单独的延时开关，延时开关的延时启动时间为t₁，延时关闭时间为t₂；同时在计算机中模拟与真实系统相同的600Hz自适应PI参数控制下每个单独的用电设备在系统额定状态启动和关闭时的电压变化曲线；由于计算机模拟时忽略了自适应和PI调节时的计算延时，所以其得到了理想调整曲线；

由此可以获得每个单独的用电设备的启动理想调整曲线和关闭理想调整曲线；

在真实系统中，当延迟开关收到启动或者关闭信号时，将该启动或关闭信号发送给参数计算模块，参数计算模块收集当前系统负载端的电压U₁，然后获取对应用电设备的理想调整曲线上起点t₀时刻的数值U₂，计算U₁’＝U₂/M+U₁/(1-M)；其中M＝1-t/t_n；其中t为从收到启动或关闭信号开始的时间，t_n为理想调整曲线从开始到其稳定为额定电压的时刻；其中额定电压为115V；

然后参数计算模块将U₁’作为PI调整的输入电压，然后将其与调压点电压U₀进行比较，得到误差dU；将dU作为PI控制器的输入，得到调节量；使用调节量对励磁回路进行PWM调节，从而实现对电压的调节。

3.根据权利要求2所述的基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

设置不同的t₁和t₂的取值，并对每个用电设备进行启动和关闭实验，实时检测整个系统负载端的电压；获取对应的用电设备启动和关闭时造成的电压变化的最大值dU，并绘制以t₁为横坐标，用电设备启动对应的dU为纵坐标的曲线，以及并绘制以t₂为横坐标，用电设备关闭对应的dU为纵坐标的曲线；

实际工作中，取每个用电设备的dU最小值对应的t₁和t₂作为实际工作时该用电设备对应的t₁和t₂，从而将系统的电压跳跃降至最小。

4.根据权利要求3所述的基于自适应PI参数的航空三级式变频交流发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

t1和t2的取值范围为：1ms<t₁<100ms,1ms<t₂<100ms。

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