用于兆瓦级逆变系统的极值优化自整定数字PID控制方法

摘要

本发明公开一种用于兆瓦级逆变系统的极值优化自整定数字PID控制方法。该方法为将兆瓦级逆变系统的模型输入、系统误差信号和可调参数初始值作为数字PID控制器输入；将PID控制器控制参数K_p、K_i和K_d编码成二进制序列，再通过二进制编码极值优化求解器对二进制序列进行迭代优化，直到满足工程设计人员预先设定的终止条件，从而自动整定出最优的二进制序列，通过二进制解码转化为PID控制器最优控制参数，并传输至兆瓦级逆变系统实现实时在线的优化控制。该发明的有益效果为：相比基于经验规则的工程整定方法，本发明可以实时在线整定和优化PID控制器参数；相比遗传算法等其它智能优化方法，本发明需设计的可调参数更少，实施更简单，且优化整定效率更高。

主权项

一种用于兆瓦级逆变系统的极值优化自整定数字PID控制方法，其特征在于，该方法为通过数据采集和初始化设置模块将兆瓦级逆变系统的模型输入、系统误差信号和可调参数初始值作为数字PID控制器输入；通过二进制编码操作将PID控制器控制参数K_p、K_i和K_d编码成二进制序列，再通过二进制编码极值优化求解器对二进制序列进行迭代优化，直到满足工程设计人员预先设定的终止条件，从而自动整定出最优的二进制序列，通过二进制解码转化为PID控制器最优控制参数K_p、K_i和K_d，并将上述最优控制参数K_p、K_i和K_d传输至兆瓦级逆变系统实现实时在线的优化控制；该方法具体包括以下步骤：步骤1：数据采集与初始化设置：采集兆瓦级逆变系统模型输入、控制系统误差信号，并对二进制编码极值优化方法可调参数进行初始化设置；步骤2：二进制编码操作：将PID控制器3个控制参数编码成一串长度为L的二进制序列，其中l_i为第i个控制参数的二进制编码长度，是PID控制器优化参数精度的重要影响因素之一；步骤3：初始解生成模块：随机产生初始二进制序列解S，按照式(1)计算初始适应度C(S)，并设置当前最好解S_best＝S和对应的适应度C_best＝C(S_best)；$C\left(S\right)=\left\{\begin{array}{ccc}\underset{k=0}{\overset{n}{\Sigma }}\left(w_1\right|e\left(k\right)|+w_2{u}^2(k\left)\right)+w_3{t}_u,& if& e\left(k\right)\ge 0\\ \underset{k=0}{\overset{n}{\Sigma }}\left(w_1\right|e\left(k\right)|+w_2{u}^2(k)+w_4|e\left(k\right)\left|\right)+w_3{t}_u,& if& e\left(k\right)<0\end{array}\right.---\left(1\right)$其中，T_s为采样周期，n为采样次数且n＝INT(t/T_s)，e(k)为第k个采样时刻的误差信号，u(k)为第k个采样时刻的PID控制器输出信号，$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i{T}_s\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}e\left(j\right)+\frac{K_d}{T_s}[e\left(k\right)-e(k-1)],$t_u为系统在单位阶跃信号作用下输出响应曲线的上升时间，w₁,w₂,w₃,w₄均为权重系数，且w₄>>w₁；步骤4：随机翻转当前解S中第i个二进制位的数值，保持其它二进制位不变，从而生成解S_i，并计算相应的适应度C(S_i)；步骤5：局部适应度计算与排序操作：计算第i个二进制位的局部适应度λ_i＝C(S_i)－C_best，并对λ_i数值按照从大到小的顺序进行排序；步骤6：选择操作：按照幂律概率分布P(k₁)∝k₁^‑τ，选择λ_i的排序号，其中1≤k₁≤L，其中τ为幂律分布可调参数，并将对应的二进制位标记为x_j；步骤7：变异操作和新解生成机制：翻转二进制位x_j的数值，保持当前解S中其它位数值不变，从而生成新解S_new；步骤8：比较C_best和C(S_new)的大小：若C_best≤C(S_new)，则保持S_best和C_best不变；否则，S_best＝S_new，C_best＝C(S_new)；步骤9：无条件地接受S＝S_new；步骤10：判断是否满足终止条件，若是，则转向下一步骤；否则，则返回到步骤4；步骤11：数据转化与输出模块：输出最好解S_best和对应的适应度C_best，将二进制序列S_best解码转化为对应的PID控制参数K_p、K_i和K_d，并将所述PID控制参数K_p、K_i和K_d传输至兆瓦级逆变系统实现实时在线控制。