基本介紹
- 中文名：混合PI參數
- 外文名：Mixed PI parameter
- 分類：電力系統
混合算法在定電流控制器參數最佳化中的套用,混合遺傳算法,PI參數的混合遺傳算法最佳化步驟,最優參數仿真驗證,PI 參數混合在閉環矢量控制系統中的套用,離線整定,階躍回響和突加負載對比實驗,
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JITAE計算模組。
步驟3：PSCAD/EMTDC仿真確定Kp、Ki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Kp和Ki，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Xopt及最優變數Kpo和Kio ；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Idref、Imeas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tr<10ms，同時超調量Mp<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。
