[发明专利]汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法及系统

权利要求书

1.一种汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法，其特征在于包括：

第一步骤：对汽轮发电机组转速调节系统进行近似机理建模，以建立系统模型；

第二步骤：针对汽轮发电机组设计三个模糊控制器；

第三步骤：针对三个模糊控制器进行分数阶PID控制器的数字化实现；

第四步骤：利用分数阶PID控制器，在建立的系统模型上确立模糊自适应分数阶PID控制器的离线参数；

第五步骤：以汽轮发电机组的转速及转速变化率作为三个模糊控制器的输入，输出分别在线整定分数阶PID控制器的参数，然后基于输出的参数通过所确立的模糊自适应分数阶PID控制器来控制汽轮发电机组的阀门开度。

2.根据权利要求1所述的汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法，其特征在于还包括第六步骤：进行模糊自适应分数阶PID控制器的PLC实现。

3.根据权利要求1或2所述的汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法，其特征在于，近似机理建模包括：

电液转换器建模：

建立功率放大器输出电流I与输入电压U的数学模型：

I＝K_aU

式中I为输出电流；K_a为放大器增益；U为输入电压；

将伺服阀建模为二阶振荡环节：

式中x_v为活塞位置，ω_n为电液转换器的固有频率，ζ为电液转换器的阻尼比，I^*＝I/I_sat，为标准输入电流，I_sat为力矩马达最大饱和电流；

油动机建模：

建立模型

式中，Q₁为油动机的其中一个液压缸流量，C_d为油口的流量系数，w为油口宽度，P_s为进油压力，P_r为回油压力，ρ为油的密度，x_v为滑阀位移；

建立液压缸流量的动态方程为：

式中，A为活塞横截面积；

由此得到

汽轮机建模：

汽轮机包括两个蓄能部分，一个是蒸汽容积，一个是汽轮机转子；容积方程经过近似推导后得到

式中，ρ为室内气体密度，μ_t为汽轮机阀门开度，V为蒸汽室体积，p为蒸汽压力，k₁,k₂,n为常数系数；

转子的功率平衡方程为

式中，J为转子的转动惯量，ω为转子的角速度，P_T为汽轮机功率，P_L为外部负载功率。

4.根据权利要求1或2所述的汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法，其特征在于，设计三个模糊控制器包括：执行模糊规则的设计，然后利用模糊规则将实际测得的精确量通过量化因子变换成模糊量，根据模糊规则对模糊输入量进行模糊推理得到模糊控制量，最后乘以比例因子得到控制输出。

5.根据权利要求4所述的汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法，其特征在于，模糊规则包括：当转速偏差较大时，应使得K_p增大，K_d减小，同时对K_i加以限制依避免出现超过预定范围的超调；当转速偏差处于中间范围时，通过控制K_p、K_i的大小来控制超调；当转速偏差处于预定小范围时，使得K_p、K_d增大。

6.根据权利要求1或2所述的汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法，其特征在于，在第三步骤，采用有理函数近似法中的Oustaloup法对分数阶微分算子进行处理，利用整数阶微分算子逼近分数阶微分算子，将一般的分数阶系统转化为近似整数阶系统；并且，Outstaloup法所设计的分数阶微积分算子的近似连续滤波器为：

其中，为滤波器的零点和极点。

7.一种汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节系统，包括：转速传感器、控制器、电液转换器和油动机；其中转速传感器用于实时测量汽轮机的转速，并将转速信号传送给控制器；控制器执行根据权利要求1至6之一所述的汽轮发电机组的模糊自适应分数阶PID转速调节方法，通过对转速输入的处理运算，输出电压信号传送给电液转换器；电液转换器执行电液信号转换处理和功率放大处理，将控制器传输过来的电压信号转化成机械位移信号并加以放大；油动机则借由位移变化引起的油差使得汽轮机执行调门动作，从而改变进入汽轮机的蒸汽流量。