CN112947044B

CN112947044B - Pid控制方法和装置、计算机设备

Info

Publication number: CN112947044B
Application number: CN201911277690.4A
Authority: CN
Inventors: 马磊
Original assignee: Xinjiang Goldwind Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Jinfeng Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: CN112947044A

Abstract

本发明公开一种PID控制方法和装置、计算机设备。该PID控制方法包括：获取风力发电机组的目标控制变量的测量值；计算目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差；若偏差小于预设阈值，则调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，其中，修正系数大于1；调节参数包括：比例调节参数、积分调节参数和/或微分调节参数。采用本发明实施例的技术方案，能够在不需要进行PID参数的整定的前提下对风力发电机组的PID控制进行优化，精确地实现PID控制目的。

Description

PID控制方法和装置、计算机设备

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种PID控制方法和装置、计算机设备。

背景技术

PID控制是最常采用的控制方式。风力发电机组中两项最核心的控制是扭矩控制和桨距角控制均采用PID控制。考虑到被控对象模型的不同(比如叶片长度不一致、叶片气动性能不一致，顺桨速度不同)会影响PID参数的性能，因此需要对PID参数进行参数整定，即重新设置PID控制器中的调节参数。

目前针对PID参数的整定方法主要为人工整定，这需要工程人员凭借经验技巧通过凑试法来实现。

但是，对于风力发电机组而言，人工整定必须停机并且工程人员进入轮毂才能进行整定。一方面，停机会造成一定的发电量损失；另一方面，参数整定完毕后，需要对风电场的所有风机更新程序或参数，费时且费力；且当风力发电机的设备，例如叶片有更换后，需要重新重复上述过程。

发明内容

本发明实施例提供了一种PID控制方法和装置、计算机设备，能够在不需要进行PID参数的整定的前提下实现对风力发电机组的PID控制的优化，达到精确地实现PID控制目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种PID控制方法，用于风力发电机组，该PID控制方法包括：

获取风力发电机组的目标控制变量的测量值；

计算目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差；

若偏差小于预设阈值，则调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，其中，修正系数大于1；调节参数包括：比例调节参数、积分调节参数和/或微分调节参数。

在第一方面的一种可能的实施方式中，根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制的步骤，包括：将偏差输入目标控制变量的PID控制器，使PID控制器根据偏差输出相应的需求参数；计算需求参数和对应修正系数的乘积，得到修正后的需求参数；将修正后的需求参数发送至目标控制变量的关联执行机构，使关联执行机构根据修正后的需求参数执行相应动作。

在第一方面的一种可能的实施方式中，目标控制变量的PID控制器的输出值的对应修正系数由目标控制变量的PID控制器的历史输出值确定。

在第一方面的一种可能的实施方式中，修正系数的表达式为：

或者，

其中，α_n表示目标控制变量的PID控制器的输出值在第n个周期对应修正系数，V_m表示目标控制变量的PID控制器在第m个周期的输出值，V_n表示目标控制变量的PID控制器在第n个周期的输出值，V_i表示目标控制变量的PID控制器在第i个周期的输出值，m＜n，i＝1,2,..n。

在第一方面的一种可能的实施方式中，目标控制变量包括桨距角或者扭矩，关联执行机构为变桨电机，或者，目标控制变量包括扭矩，关联执行机构为变流器。

第二方面，本发明实施例提供一种PID控制装置，用于风力发电机组，该PID控制装置包括：

获取模块，用于获取风力发电机组的目标控制变量的测量值；

偏差计算模块，用于计算目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差；

PID控制模块，用于若偏差小于预设阈值，则调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，其中，修正系数大于1；调节参数包括：比例调节参数、积分调节参数和/或微分调节参数。

在第二方面的一种可能的实施方式中，PID控制模块具体用于，若偏差小于预设阈值，则若偏差小于预设阈值，则调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，并将偏差输入目标控制变量的PID控制器，使PID控制器根据偏差输出相应的需求参数；计算需求参数和对应修正系数的乘积，得到修正后的需求参数；将修正后的需求参数发送至目标控制变量的关联执行机构，使关联执行机构根据修正后的需求参数执行相应动作。

在第二方面的一种可能的实施方式中，目标控制变量包括桨距角或者扭矩，关联执行机构为变桨电机，或者，目标控制变量包括扭矩，关联执行机构为变流器。

在第二方面的一种可能的实施方式中，该装置包括PID控制器且设置在风力发电机组的主控制器或者变桨控制器中。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上所述的PID控制方法。

本发明实施例从PID控制器的原理出发，通过在目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差小于预设阈值时，调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，使PID控制器的输出速度适量变小，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，由此实现闭环控制，能够防止PID控制超调并使PID控制趋于稳定。因此，本发明实施例能够在不需要PID参数整定的前提下实现风力发电机组PID控制的优化，精确地实现PID控制目的。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为PID控制超调时的实际位置和PID输出速度的示意图；

图2为本发明实施例提供的PID控制方法的流程示意图；

图3为采用本发明实施例的PID修正策略且PID调节参数较小时的PID仿真测试曲线；

图4为未采用本发明实施例的PID修正策略且PID调节参数较大时的仿真测试曲线；

图5为未采用本发明实施例的PID修正策略且PID调节参数较小时的仿真测试曲线；

图6为本发明实施例提供的变桨系统的PID控制方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的PID控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。

图1为PID控制超调时的实际位置和PID输出速度的示意图。

其中，S1为PID控制过程中系统的目标位置。

S2为PID控制过程中系统的实际位置。

S3为PID控制过程中系统的给定位置。

对于变桨系统而言，S3来自变桨控制器输出的逐次变化的位置命令。

V1为PID控制过程中PID控制器的输出速度。

从图1可以看出，在t1时刻，即实际位置S2到达目标位置S1时，PID控制器的输出速度V1不为0，使得实际位置继续增加，超过目标位置S1，从而引起系统超调，导致系统不稳定。

下面从PID控制原理分析PID控制超调的原因。

以增量式PID为例，增量式PID的计算公式为：

u(k)＝Kp×(e(k)-e(k-1))+Ki×e(k)+Kd×(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (1)

其中，u(k)是PID控制器当前周期的输出速度，e(k)是当前周期的偏差(即实际位置和目标位置的偏差，当实际位置到达目标位置时也是实际位置和目标位置的偏差)，e(k-1)是向前第一个周期的偏差，e(k-2)是向前第二个周期的偏差，Kp是比例调节参数，Ki是积分调节参数，Kd是微分调节参数。

从公式(1)可以看出，当前周期的输出速度u(k)受向前第一个周期和向前第二个周期的偏差的影响。

以Kp为例，在对PID控制器进行参数整定时，如果增大Kp，PID控制器当前周期的输出速度变大，容易导致当前周期与向前第一个周期，以及当前周期与向后第一个周期的偏差增大，而偏差增大后，又会进一步增大PID控制器的输出值，导致系统超调。而如果减小Kp值，PID控制器当前周期的输出速度变小，容易导致当前周期与向前第一个，以及当前周期与向后第一个的偏差减小，而偏差值减小后，又会进一步减小PID控制器的输出值，导致系统的响应时间变慢。因此，对PID控制器的参数整定过程会较为繁琐，并且效果难以达到预期。

基于上述分析，本发明实施例提供了一种PID控制方法和装置、计算机设备，用于风力发电机组控制技术领域。采用本发明实施例中的技术方案，能够对风力发电机组的PID控制进行优化，实现风力发电机组运行过程中的自寻优，在不需要进行PID参数的整定的前提下，达到使系统精确地到达目标位置以及提高系统响应速度的效果。

图2为本发明实施例提供的PID控制方法的流程示意图。如图2所示，该PID控制方法包括步骤201至步骤203。

在步骤201中，获取风力发电机组的目标控制变量的测量值。

风力发电机组不同控制系统的目标控制变量不同。

比如，桨距角PID控制时的目标控制变量为桨距角，关联执行机构为变桨电机。扭矩PID控制时的目标控制变量为扭矩，关联执行机构为变流器。

在步骤202中，计算目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差。

在步骤203中，若偏差小于预设阈值，则调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制。

这里，预设阈值是一个极小值。

“偏差小于预设阈值”说明目标控制变量的测量值在数值上接近对应目标控制变量的给定值(参见图1中的t1时刻)，此时容易出现超调问题。

为解决超调问题，本发明实施例先调低了目标控制变量的PID控制器的调节参数。其中，PID控制器的调节参数包括：比例调节参数Kp、积分调节参数Ki和/或微分调节参数Kd。具体实施时，可以根据实际情况适量减小Kp、Ki和Kd中的一个或者多个。

根据PID控制特性，在只有PID控制器的输出值的情况下，到达目标位置是时间会偏长。因此，在实际位置接近目标位置的时刻，本发明实施例在调低目标控制变量的PID控制器的调节参数的同时，还根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，即从PID控制器外部对PID控制器的输出速度进行了修正。

其中，修正系数大于1，说明发送至修正后的目标控制变量的关联执行机构的给定速度大于PID控制器的输出速度，能够避免了因调节参数变小对系统响应时间的影响。

下面以桨距角PID控制为例对本发明实施例的PID控制方法进行说明。

在进行桨距角PID控制时，桨距角的测量值和对应桨距角的目标值的偏差被输入桨距角的PID控制器，桨距角的PID控制器会根据偏差输出相应的变桨需求速度。

在桨距角测量值接近目标桨距角时，计算变桨需求速度和对应修正系数的乘积，得到修正后的变桨需求速度，然后将修正后的变桨需求速度发送至变桨电机，使变桨电机根据修正后的变桨需求速度执行相应动作。

下面结合PID仿真测试曲线对本发明实施例的PID控制效果进行说明。

图3为采用本发明实施例的PID修正策略且PID调节参数较小时的PID仿真测试曲线。其中，横坐标为时间，纵坐标为位置。从图3中可以看出，在实际位置S2到达目标位置S1的过程中，实际位置S2的曲线平滑稳定且响应时间t3较短，达到了很好的控制效果。

图4为未采用本发明实施例的PID修正策略且PID调节参数较大时的仿真测试曲线。从图4可以看出，在实际位置S2到达目标位置S1时，发生了严重的超调现象且输出速度有明显的波动(虚线框所示)。因此，通过对比图4与图3，可以说明本发明实施例的PID控制方法防止超调的效果明显。

图5为未采用本发明实施例的PID修正策略且PID调节参数较小时的仿真测试曲线。从图5可以看出，在实际位置S2到达目标位置S1的过程中，需要的时间整体上比图3中的长，且在实际位置S2接近目标位置S1时的响应时间t5也比图3中的时间t3长。因此，通过对比图5与图3，可以验证本发明实施例的PID控制方法具有提高系统响应时间的作用和效果。

如上所述，本发明实施例从PID控制器的原理出发，通过在目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差小于预设阈值时，调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，使PID控制器的输出速度变小，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，由此实现闭环控制，能够防止PID控制超调并使PID控制趋于稳定；因此，本发明实施例能够在不需要PID参数整定的前提下实现风力发电机组PID控制的优化，精确地实现PID控制目的。

进一步地，在PID控制过程中，实际位置接近目标位置时，由于实际位置与给定位置的差值变小，PID控制器输出的速度也会随之变小，为了使修正系数能够适应PID控制过程中的变化，可以使修正系数会随着PID控制器的输出而变小，从而使实际位置最终到达目标位置后，PID控制器的最终输出速度趋近于0，进一步保证系统不会超调，即实现修正系数在风力发电机组运行过程中的自寻优。

具体地，目标控制变量的PID控制器的输出值的对应修正系数可以由目标控制变量的PID控制器的历史输出值确定。

在一些实施例中，可以利用向前第m个周期的输出值对PID控制器在当前周期的输出值进行修正。

具体地，修正系数的表达式为：

其中，α_n表示目标控制变量的PID控制器的输出值在第n个周期对应修正系数，V_m表示目标控制变量的PID控制器在第m个周期的输出值，V_n表示目标控制变量的PID控制器在第n个周期的输出值，m＜n。

以m＝n-1为例(即提前一个周期计算)。若PID控制器在第n个周期的输出值为5.691737，第n-1个周期的输出值为6，则第n个周期目标控制变量的PID控制器的输出值的对应修正系数α为：6÷5.691737＝1.05416。最终下发的速度指令为：6×1.05416＝6.32496。

具体计算时，不限于只提前一个周期计算，也可以提前数个周期(比如3个周期或5个周期)且周期间隔越大，修正系数的作用越大。

在一些实施例中，也可以利用从PID控制器的输出速度开始下降，至临近目标位置的时间段内向前的多个周期的输出值对PID控制器在当前周期的输出值进行修正。

具体地，修正系数的表达式为：

其中，α_n表示目标控制变量的PID控制器的输出值在第n个周期对应修正系数，V_n表示目标控制变量的PID控制器在第n个周期的输出值，V_i表示目标控制变量的PID控制器在第i个周期的输出值，i＝1,2,..n。

表1中示出了第1-28周期的PID输出值和每相邻两周期(用括号标出)的速度比值，以及计算得到的速度比值的平均值1.091973391。根据公式(3)，第28个周期对应的修正系数α为1.091973391。最终下发的速度指令为：0.5363853×1.091973391＝0.58571847。

表1

下面结合风力发电机组变桨系统的叶片调桨、顺桨控制，对本发明实施例的PID控制方法进行进一步说明。

图6为本发明实施例提供的变桨系统的PID控制方法的流程示意图。如图6所示，该变桨系统的PID控制方法包括步骤601至步骤605。

在步骤601中，判断风机是否处于变桨状态。若是，比如风力发电机处于启动状态或停机状态，则执行步骤602，否则跳转到结束。

在步骤602中，读取上次的PID控制器的输出速度。

在步骤603，判断实际位置是否将到达目标位置。若是则跳转到结束，否则执行步骤604。

在步骤604中，启动并执行PID控制器。

具体地，根据上次的PID控制器的输出速度对PID控制器的输出值进行修正，并将修正后的输出值发送至变桨电机，由变桨电机根据修正后的输出值控制叶片变桨。

需要说明的是，每次启动、结束PID控制器时，修正系数也可以执行一次自优化。对于变桨系统而言，如果修改了停机顺桨速度，在顺桨过程中可以参照公式(2)和(3)自动完成PID修正系数的优化，以适应最新的顺桨速度，降低风力发电机组载荷。

在步骤605中，记录PID控制相关过程变量，比如响应时间(即实际位置从接近目标位置至完全到达目标位置的时间差值)，以供后续优化使用，比如可以根据时间差值对修正系数进行适量的微调。

图7为本发明实施例提供的PID控制装置的结构示意图，图2中的解释说明可以应用于本实施例。如图7所示，该PID控制装置包括获取模块701(其具有与步骤201对应的功能)、偏差计算模块702(其具有与步骤202对应的功能)和PID控制模块703(其具有与步骤203对应的功能)。

其中，获取模块701用于获取风力发电机组的目标控制变量的测量值；

偏差计算模块702用于计算目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差；

PID控制模块703用于若偏差小于预设阈值，则调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，其中，修正系数大于1；调节参数包括：比例调节参数、积分调节参数和/或微分调节参数。

其中，目标控制变量包括桨距角或者扭矩，关联执行机构为变桨电机，或者，目标控制变量包括扭矩，关联执行机构为变流器。

在一些实施例中，PID控制模块具体用于若偏差小于预设阈值，则若偏差小于预设阈值，则调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，并将偏差输入目标控制变量的PID控制器，使PID控制器根据偏差输出相应的需求参数；计算需求参数和对应修正系数的乘积，得到修正后的需求参数；将修正后的需求参数发送至目标控制变量的关联执行机构，使关联执行机构根据修正后的需求参数执行相应动作。

如上所述，本发明实施例从PID控制器的原理出发，通过在目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差小于预设阈值时，调低目标控制变量的PID控制器的调节参数，使PID控制器的输出速度变小，并根据目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，由此实现闭环控制，能够防止PID控制超调并使系统的控制趋于稳定。因此，本发明实施例能够在不需要PID参数整定的前提下实现风力发电机组PID控制的优化，精确地实现PID控制目的。

需要说明的是，本发明实施例中的PID控制装置包括PID控制器且可以设置在风力发电机组主控制器或者变桨控制器中，从而不需要变更任何硬件，即风力发电机组的硬件、控制策略变化后(如叶片、变流器、停机速度等)，不需要更新变桨程序，也不需要人工参与；也可以是具有独立运算功能的逻辑器件，此处不进行限定。除风力发电机组中的PID控制外，也适用于其它行业的PID控制。

本发明实施例还提供一种计算机设备，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上所述的PID控制方法。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims

1.一种PID控制方法，其特征在于，用于风力发电机组，所述PID控制方法包括：

获取所述风力发电机组的目标控制变量的测量值；

计算所述目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差；

若所述偏差小于预设阈值，则调低所述目标控制变量的PID控制器的调节参数，并根据所述目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对所述目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，其中，所述修正系数大于1，且所述修正系数由所述目标控制变量的PID控制器的历史输出值确定；所述调节参数包括：比例调节参数、积分调节参数和/或微分调节参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对所述目标控制变量的关联执行机构进行PID控制的步骤，包括：

将所述偏差输入所述目标控制变量的PID控制器，使所述PID控制器根据所述偏差输出相应的需求参数；

计算所述需求参数和对应修正系数的乘积，得到修正后的需求参数；

将所述修正后的需求参数发送至所述目标控制变量的关联执行机构，使所述关联执行机构根据所述修正后的需求参数执行相应动作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正系数的表达式为：

或者，

其中，α_n表示所述目标控制变量的PID控制器在第n个周期的输出值的对应修正系数，V_m表示所述目标控制变量的PID控制器在第m个周期的输出值，V_n表示所述目标控制变量的PID控制器在第n个周期的输出值，V_i表示所述目标控制变量的PID控制器在第i个周期的输出值，m＜n，i＝1,2,..n。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述目标控制变量包括桨距角，所述关联执行机构为变桨电机，或者，所述目标控制变量包括扭矩，所述关联执行机构为变流器。

5.一种PID控制装置，其特征在于，用于风力发电机组，所述PID控制装置包括：

获取模块，用于获取所述风力发电机组的目标控制变量的测量值；

偏差计算模块，用于计算所述目标控制变量的测量值和对应目标控制变量的目标值之间的偏差；

PID控制模块，用于若所述偏差小于预设阈值，则调低所述目标控制变量的PID控制器的调节参数，并根据所述目标控制变量的PID控制器的输出值和对应修正系数的乘积对所述目标控制变量的关联执行机构进行PID控制，其中，所述修正系数大于1，且所述修正系数由所述目标控制变量的PID控制器的历史输出值确定；所述调节参数包括：比例调节参数、积分调节参数和/或微分调节参数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述PID控制模块具体用于，若所述偏差小于预设阈值，则若所述偏差小于预设阈值，则调低所述目标控制变量的PID控制器的调节参数，并将所述偏差输入所述目标控制变量的PID控制器，使所述PID控制器根据所述偏差输出相应的需求参数；计算所述需求参数和对应修正系数的乘积，得到修正后的需求参数；将所述修正后的需求参数发送至所述目标控制变量的关联执行机构，使所述关联执行机构根据所述修正后的需求参数执行相应动作。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述目标控制变量包括桨距角或者扭矩，所述关联执行机构为变桨电机，或者，所述目标控制变量包括扭矩，所述关联执行机构为变流器。

8.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述装置包括所述PID控制器且设置在风力发电机组的主控制器或者变桨控制器中。

9.一种计算机设备，其上存储有程序，其中，程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的PID控制方法。