[發明專利]汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法及系統

在審

• 申請號: 201810001261.3
• 申請日: 2018-01-02
• 公開（公告）號: CN108181803A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 李創;唐榮年;陳凱;魏鵬娜
• 申請（專利權）人: 海南大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42;G05B13/04;G05D13/62;F01D17/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 文芳

1.一種汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法，其特征在于包括：

第一步驟：對汽輪發電機組轉速調節系統進行近似機理建模，以建立系統模型；

第二步驟：針對汽輪發電機組設計三個模糊控制器；

第三步驟：針對三個模糊控制器進行分數階PID控制器的數字化實現；

第四步驟：利用分數階PID控制器，在建立的系統模型上確立模糊自適應分數階PID控制器的離線參數；

第五步驟：以汽輪發電機組的轉速及轉速變化率作為三個模糊控制器的輸入，輸出分別在線整定分數階PID控制器的參數，然后基于輸出的參數通過所確立的模糊自適應分數階PID控制器來控制汽輪發電機組的閥門開度。

2.根據權利要求1所述的汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法，其特征在于還包括第六步驟：進行模糊自適應分數階PID控制器的PLC實現。

3.根據權利要求1或2所述的汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法，其特征在于，近似機理建模包括：

電液轉換器建模：

建立功率放大器輸出電流I與輸入電壓U的數學模型：

I＝K_aU

式中I為輸出電流；K_a為放大器增益；U為輸入電壓；

將伺服閥建模為二階振蕩環節：

式中x_v為活塞位置，ω_n為電液轉換器的固有頻率，ζ為電液轉換器的阻尼比，I^*＝I/I_sat，為標準輸入電流，I_sat為力矩馬達最大飽和電流；

油動機建模：

建立模型

式中，Q₁為油動機的其中一個液壓缸流量，C_d為油口的流量系數，w為油口寬度，P_s為進油壓力，P_r為回油壓力，ρ為油的密度，x_v為滑閥位移；

建立液壓缸流量的動態方程為：

式中，A為活塞橫截面積；

由此得到

汽輪機建模：

汽輪機包括兩個蓄能部分，一個是蒸汽容積，一個是汽輪機轉子；容積方程經過近似推導后得到

式中，ρ為室內氣體密度，μ_t為汽輪機閥門開度，V為蒸汽室體積，p為蒸汽壓力，k₁,k₂,n為常數系數；

轉子的功率平衡方程為

式中，J為轉子的轉動慣量，ω為轉子的角速度，P_T為汽輪機功率，P_L為外部負載功率。

4.根據權利要求1或2所述的汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法，其特征在于，設計三個模糊控制器包括：執行模糊規則的設計，然后利用模糊規則將實際測得的精確量通過量化因子變換成模糊量，根據模糊規則對模糊輸入量進行模糊推理得到模糊控制量，最后乘以比例因子得到控制輸出。

5.根據權利要求4所述的汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法，其特征在于，模糊規則包括：當轉速偏差較大時，應使得K_p增大，K_d減小，同時對K_i加以限制依避免出現超過預定范圍的超調；當轉速偏差處于中間范圍時，通過控制K_p、K_i的大小來控制超調；當轉速偏差處于預定小范圍時，使得K_p、K_d增大。

6.根據權利要求1或2所述的汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法，其特征在于，在第三步驟，采用有理函數近似法中的Oustaloup法對分數階微分算子進行處理，利用整數階微分算子逼近分數階微分算子，將一般的分數階系統轉化為近似整數階系統；并且，Outstaloup法所設計的分數階微積分算子的近似連續濾波器為：

其中，為濾波器的零點和極點。

7.一種汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節系統，包括：轉速傳感器、控制器、電液轉換器和油動機；其中轉速傳感器用于實時測量汽輪機的轉速，并將轉速信號傳送給控制器；控制器執行根據權利要求1至6之一所述的汽輪發電機組的模糊自適應分數階PID轉速調節方法，通過對轉速輸入的處理運算，輸出電壓信號傳送給電液轉換器；電液轉換器執行電液信號轉換處理和功率放大處理，將控制器傳輸過來的電壓信號轉化成機械位移信號并加以放大；油動機則借由位移變化引起的油差使得汽輪機執行調門動作，從而改變進入汽輪機的蒸汽流量。