混合PI參數

混合PI參數

參數也叫參變數。P:比例、I:積分。混合PI參數即在所討論的某個數學和物理問題中,與給定條件下取固定值的比例和積分的混合變數。

混合算法在定電流控制器參數最佳化中的套用

為了改進遺傳算法的局部收斂能力,提出了一種新的融合遺傳算法和單純形法的混合遺傳算法。該算法兼具遺傳算法的全局收斂性和單純形法良好的局部收斂能力,當遺傳算法陷入停滯後,由單純形法引導進化方向。針對直流輸電定電流控制器參數最佳化的具體問題,設計了一套系統化混合遺傳算法尋優方案, 並詳盡敘述了該方案的流程及具體實現步驟。該方案選取ITAE為目標函式,直流輸電準穩態模型為目標函式的計算模型;PI參數的可行域由基於直流輸電PSCAD/EMTDC模型仿真的直流電壓穩定性計算確定。最後通過CIGRE HVDC Benchmark模型的PSCAD/EMTDC仿真驗證所設計參數最佳化方案的有效性。

混合遺傳算法

提出了一種遺傳-單純形混合算法。該算法以遺傳算法為主,單純形法為輔,在保留了傳統遺傳算法種群的個體差異性,不影響其全局搜尋能力的同時,又利用了單純形法局部尋優快的優勢。混合遺傳算法具有全局收斂性和局部收斂迅速的顯著優點,其計算過程可以分為以下三個階段:

(1)傳統的遺傳算法全局的最佳化。

(2)遺傳算法進化漸趨停滯後,嵌入單純形算法引導遺傳算法最佳化。當遺傳算法最佳化得到的參數趨於穩定時,以遺傳算法得到的最優成員參數作為單純形法的初值進行最佳化,並將結果返回並更新最優成員參數,其他一般個體不進行操作保持原有屬性;得到新的全體成員然後按傳統遺傳算法進化。

(3)終止判定。單純形法得到的最優成員參數連續若干次均方差小於設定值,該條件滿足時算法結束。

PI參數的混合遺傳算法最佳化步驟

將設計的混合遺傳算法運用於直流輸電定電流控制器PI參數最佳化,各步詳盡描述如下。

步驟1:參數初始化。設定種群規模,並隨機產生初始種群;設定參數搜尋空間維度;設定新個體產生比例、交叉機率、變異率。

步驟2:搭建高壓直流輸電準穩態Simulink模型和J計算模組。

步驟3:PSCAD/EMTDC仿真確定Kp、K參數尋優的可行域。

步驟4:遺傳算法最佳化。將各個成員變數值賦予K和K,調用Simulink模型計算階躍回響中各成員的目標函式值JITAE ;由指標值計算適應度,並以此對成員進行排序;完成遺傳算法中三個模擬生物基因遺傳操作的遺傳運算元:選擇、交叉和變異。

步驟5:嵌入單純形法條件判斷。選取進化過程中連續n代群體最優成員的適應度差值小於某足夠小的正數ξ為判斷條件,若滿足則認為遺傳算法趨於收斂,執行步驟6;否則轉到步驟4。

步驟6:混合算法尋優。將步驟5得到的最優成員變數作為單純形法的初值,啟用單純形法尋優,得到最優目標函式值X及最優變數K和K ;並將它們更新至遺傳算法最優成員。

最優參數仿真驗證

為了校驗基於準穩態模型經混合遺傳算法最佳化得到的PI參數的最優解的可行性,採用PSCAD/EMTDC仿真對所得結果進行驗證。由混合遺傳算法的最優解設定PI參數進行階躍回響:t=5s時使電流參考值升高10%。整個過程的直流電流階躍回響曲線中I、I分別為電流參考值與測量值。當整流側電流整定值發生階躍變化時,上升時間t<10ms,同時超調量M<20%,過渡時間約為50ms,滿足動態要求。

PI 參數混合在閉環矢量控制系統中的套用

為使閉環矢量控制系統工作在最佳狀態,提出了基於模型的離線式整定與模糊PI線上整定相結合的混合整定法。該方法首先根據矢量控制原理推導出系統的數學模型,採用恆轉矩啟動並自由停機的方法計算出轉動慣量。然後根據數學模型計算PI參數和內環補償量,構建了模糊PI控制器,提出了新的PI控制規則表。最後的對比實驗表明,PI參數混合整定法提高了系統的動態性能和穩態精度,優於僅採用單一整定法的系統,驗證了方法的有效性。

離線整定

為了獲得更加優良的控制效果,採用改進的基於模型的整定方法。在實際電機控制系統中,通常都採用PI控制。整個控制系統是一個雙閉環調速系統,轉矩環和磁通環屬於內環,速度環為外環。未加PI調節器的內環和外環的開環傳遞函式構成的系統都不是典型系統,難以穩定運行,需要添後,在電機運行過程中便不再改變參數,這是離線式整定;有的系統則採用智慧型整定法對系統進行實時PID參數修正,這是線上實時整定。單一的整定方式都有其局限性,如果只採用離線整定,系統運行過程中通常環境或系統本身會發生變化(如外部干擾或因電機長時間運行導致電機自身電阻、電感等參數發生變化等),僅採用系統運行前整定的參數難以適應這些變化,導致控制系統性能下降甚至無法穩定運行;如果只採用線上實時整定,通常系統啟動時的參數都未經整定,若參數選擇不合適,會導致實時線上整定時間過長甚至無法正常啟動,對於一些精密系統,啟動時的較大波動容易引起設備損壞。因此,最佳的整定方法應為離線與線上整定相結合的方式,首先根據系統運行之前的狀態整定出較好的PID 參數,保證系統正常啟動,並使系統平滑過渡到線上整定狀態;在運行過程中,線上整定可使系統能根據環境或系統自身的變化而自動修正PID參數,讓系統始終運行在最佳狀態。

階躍回響和突加負載對比實驗

實驗採用ABB的15kW異步交流電機,分別用4種方法作2個對比實驗。4種方法分別為:1)僅採用繼電反饋法整定P參數;2)僅採用模型法整定PI參數;3)僅採用模糊控制整定PI參數;4)採用混合整定法。2個實驗為階躍回響和突加負載對比實驗,突加負載採用直流電機施加反向力矩的方式。實驗步驟如下:

1)採用繼電反饋法計算出PI參數,並記錄階躍回響和突加負載的速度曲線。

2)利用繼電反饋法整定出PI參數作為初始值,加入模糊PI控制器,記錄階躍回響和突加負載的速度曲線。

3)採用基於模型的離線整定法,設定內外環相同阻尼比ζ=0.707,磁通環補償係數ε=1,轉矩環補償係數β=2,速度環取H=8,計算轉動慣量時採用6%額定轉矩啟動,達到600r/min時自由停機,整定出PI 參數,記錄階躍回響和突加負載的速度曲線。

4)利用離線整定法計算出PI參數作為初始值,加入模糊PI控制器,記錄相關速度曲線。

由實驗結果可以看出:

1)繼電反饋法整定出的PI參數在階躍給定下的回響時間長,超調量大;在突加負載時速度跌落大,恢復時間最長。

2)在繼電反饋法整定出的PI參數下,模糊控制器可以很好地調整系統,其在階躍回響下的超調量最小,上升時間也僅次於混合控制,但其調節時間太長,容易引起振盪;在突加負載時速度跌落小於繼電反饋法,但恢復時間也較長。

3)基於模型的離線整定法計算出的PI參數在階躍給定下性能優於繼電反饋法,超調量大於模糊控制,但調節時間小於模糊控制;在突加負載時性能優於繼電反饋法和模糊控制。

4)提出的混合控制方法,既使採用動態性能比較折衷的參數選擇,其在階躍回響和突加負載實驗中的綜合性能都優於其他方法,完全滿足對調速系統性能要求較高的套用。

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