《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》是溫州大學於2013年7月15日申請的專利，該專利的申請號為201310300513X，公布號為CN103365213A，授權公布日為2013年10月23日，發明人是曾國強、陳杰、戴瑜興、張正江、鄭崇偉、陸康迪、彭文文、彭子舜。
《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》公開一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法。該方法為將兆瓦級逆變系統的模型輸入、系統誤差信號和可調參數初始值作為數字PID控制器輸入；將PID控制器控制參數Kp、Ki和Kd編碼成二進制序列，再通過二進制編碼極值最佳化求解器對二進制序列進行疊代最佳化，直到滿足工程設計人員預先設定的終止條件，從而自動整定出最優的二進制序列，通過二進制解碼轉化為PID控制器最優控制參數，並傳輸至兆瓦級逆變系統實現實時線上的最佳化控制。該發明的有益效果為：相比基於經驗規則的工程整定方法，該發明可以實時線上整定和最佳化PID控制器參數；相比遺傳算法等其它智慧型最佳化方法，該發明需設計的可調參數更少，實施更簡單，且最佳化整定效率更高。
2018年12月20日，《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法
- 公布號：CN103365213A
- 授權日：2013年10月23日
- 申請號：201310300513X
- 申請日：2013年7月15日
- 申請人：溫州大學
- 地址：浙江省溫州市茶山高教園區
- 發明人：曾國強、陳杰、戴瑜興、張正江、鄭崇偉、陸康迪、彭文文、彭子舜
- Int.Cl.：G05B13/04(2006.01)I
- 代理機構：杭州求是專利事務所有限公司
- 代理人：周烽
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
逆變是電力電子領域最基本的能量轉換方式之一，完成此功能的系統稱為逆變系統。現代逆變技術是研究現代逆變系統理論和實用設計的一門科學，是建立在半導體器件技術、現代控制技術、現代電力電子技術等諸多學科基礎之上的實用技術。逆變系統已經廣泛套用於電力系統、新能源、船舶岸電、消防應急供電、不間斷供電等國家重要行業。總體上，小功率逆變技術非常成熟，但兆瓦級逆變系統已有的研究開發主要集中在主電路的設計和實現方面，還存在控制、散熱、串並聯、抗干擾等技術難題亟待學術界和工程界解決。
截至2013年7月，工業界套用於兆瓦級逆變系統的最為有效和可靠控制方法仍然主要為PID控制，尤其是PI控制。PID控制概念明晰，實現簡單，魯棒性強，是工程實際中套用最廣的一類控制方法。兆瓦級逆變系統的PID控制原理是結合參考正弦波的前饋控制與輸出電壓誤差的PID控制，達到改善輸出波形的質量，提高逆變系統的動態回響性能的目的。薑桂賓、裴雲慶和王兆安等[A Novel Control Strategy for Sinusoidal Wave Inverter with PI Regulators and Capacitor Current Feedback．Academic Journal of Xi’an Jiaotong University,2003,15（1）:20-24]提出一種基於電容電流反饋正弦逆變電源PI控制；Rech，Pinheiro等人[Analysis and design of a repetitive predictive-PID controller for PWM inverters.IEEE Power Electr.Spec.Conf.Rec..America ：IEEE,2001,2531-2537]結合重複控制，提出了一種重複PID控制，用於彌補逆變系統的動態性能。但以上研發都僅僅針對中小功率的逆變器，並且都無法實現PID控制器參數的自動線上整定。兆瓦級逆變系統PID控制方法的最核心技術之一為PID控制器參數的整定。但是，工業界主要採用基於經驗規則的工程整定方法，通常很難整定出使兆瓦級逆變系統達到最佳運行性能的PID控制器參數。此外，一旦被控對象或運行工況發生變化，基於經驗規則的工程整定方法也很難實時線上調整PID控制參數，無法保證兆瓦級逆變系統安全可靠運行。即使是Mishra，Tiwari，Sharma等人[Novel optimization technique for PI controller parameters of ac/dc PWM converter usinggenetic algorithms,International Journal of Power Electronics and Drive System,2012,2（2）:151～159]新近提出的基於遺傳算法的PWM逆變器PI參數整定最佳化方法，仍舊存在遺傳算法中可調參數過多、設計和實施複雜、最佳化效率低下等缺點。
發明內容
專利目的
《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》提供一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法，可以實時線上整定和最佳化數字PID控制器參數，保證兆瓦級逆變系統安全可靠運行且達到最佳運行性能。
技術方案
《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》的目的是通過以下技術方案來實現的：一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法，該方法為通過數據採集和初始化設定模組將兆瓦級逆變系統的模型輸入、系統誤差信號和可調參數初始值作為數字PID控制器輸入；通過二進制編碼操作將PID控制器控制參數Kp、Ki和Kd編碼成二進制序列，再通過二進制編碼極值最佳化求解器對二進制序列進行疊代最佳化，直到滿足工程設計人員預先設定的終止條件，從而自動整定出最優的二進制序列，通過二進制解碼轉化為PID控制器最優控制參數Kp、Ki和Kd，並將上述最優控制參數Kp、Ki和Kd傳輸至兆瓦級逆變系統實現實時線上的最佳化控制。
該方法的具體實施步驟如下：
步驟1：數據採集與初始化設定模組：採集兆瓦級逆變系統模型輸入、控制系統誤差等各類信號，並對二進制編碼極值最佳化方法參數（包括最佳化時間、冪律機率分布可調參數等）進行初始化設定。
步驟2：二進制編碼操作：將PID控制器N個控制參數編碼成一串長度為L的二進制序列，其中
，li為第i個控制參數的二進制編碼長度，是PID控制器最佳化參數精度的重要影響因素之一。
步驟3：初始解生成模組：隨機產生初始二進制序列解S，按照式（1）計算初始適應度C（S），並設定當前最好解Sbest=S和對應的適應度Cbest=C（Sbest）。
其中，Ts為採樣周期，n為採樣次數且n=INT（t/Ts），e（k）為第k個採樣時刻的誤差信號，u（k）為第k個採樣時刻的PID（PI）控制器輸出信號
，tu為系統在單位階躍信號作用下輸出回響曲線的上升時間，w1，w2，w3，w4均為權重係數，且w4>>w1。
步驟4：隨機翻轉當前解S中第i個二進制位的數值，保持其它二進制位不變，從而生成解Si，並計算相應的適應度C（Si）。
步驟5：局部適應度計算與排序操作：計算第i個二進制位的局部適應度λi=C（Si）－Cbest，並對λi數值按照從大到小的順序進行排序。
步驟6：選擇操作：按照冪律機率分布
1≤k1≤L選擇的λi的排序號，其中τ為冪律分布可調參數，並將對應的二進制位標記為xj。
步驟7：變異操作和新解生成機制：翻轉二進制位xj的數值，保持當前解S中其它位數值不變，從而生成新解Snew。
步驟8：比較Cbest和C（Snew）的大小：若Cbest≤C（Snew），則保持Sbest和Cbest不變；否則，Sbest=Snew，Cbest=C（Snew）。
步驟9：無條件地接受S=Snew。
步驟10：判斷是否滿足終止條件（如最大疊代次數等）？若是，則轉向下一步驟；否則，則返回到步驟4。
步驟11：數據轉化與輸出模組：輸出最好解Sbest和對應的適應度Cbest，將二進制序列Sbest解碼轉化為對應的PID控制參數Kp、Ki和Kd，並將上述最優參數Kp、Ki和Kd傳輸至兆瓦級逆變系統實現實時線上控制。
1、《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》提供一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法，相比基於經驗規則的工程整定方法，可以實時線上整定和最佳化PID控制器參數，保證兆瓦級逆變系統安全可靠運行且達到最佳運行性能。
2、《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》提供一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法，相比遺傳算法等其它智慧型最佳化方法，需設計的可調參數更少，實施更為簡單，且整定和最佳化的效率更高。
附圖1為兆瓦級逆變極值最佳化自整定數字PID控制系統結構框圖；
附圖2為用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法的具體實施流程圖。
《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》屬於電力電子系統智慧型控制技術，具體涉及一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法。
1.一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法，其特徵在於，該方法為通過數據採集和初始化設定模組將兆瓦級逆變系統的模型輸入、系統誤差信號和可調參數初始值作為數字PID控制器輸入；通過二進制編碼操作將PID控制器控制參數Kp、Ki和Kd編碼成二進制序列，再通過二進制編碼極值最佳化求解器對二進制序列進行疊代最佳化，直到滿足工程設計人員預先設定的終止條件，從而自動整定出最優的二進制序列，通過二進制解碼轉化為PID控制器最優控制參數Kp、Ki和Kd，並將上述最優控制參數Kp、Ki和Kd傳輸至兆瓦級逆變系統實現實時線上的最佳化控制；該方法具體包括以下步驟：
步驟1：數據採集與初始化設定：採集兆瓦級逆變系統模型輸入、控制系統誤差信號，並對二進制編碼極值最佳化方法可調參數進行初始化設定；
步驟2：二進制編碼操作：將PID控制器N個控制參數編碼成一串長度為L的二進制序列，其中，li為第i個控制參數的二進制編碼長度，是PID控制器最佳化參數精度的重要影響因素之一。
步驟3：初始解生成模組：隨機產生初始二進制序列解S，按照式（1）計算初始適應度C（S），並設定當前最好解Sbest=S和對應的適應度Cbest=C（Sbest）。
其中，Ts為採樣周期，n為採樣次數且n=INT（t/Ts），e（k）為第k個採樣時刻的誤差信號，u（k）為第k個採樣時刻的PID（PI）控制器輸出信號，tu為系統在單位階躍信號作用下輸出回響曲線的上升時間，w1，w2，w3，w4均為權重係數，且w4>>w1。
步驟4：隨機翻轉當前解S中第i個二進制位的數值，保持其它二進制位不變，從而生成解Si，並計算相應的適應度C（Si）。
步驟5：局部適應度計算與排序操作：計算第i個二進制位的局部適應度λi=C（Si）－Cbest，並對λi數值按照從大到小的順序進行排序。
步驟6：選擇操作：按照冪律機率分布1≤k1≤L選擇的λi的排序號，其中τ為冪律分布可調參數，並將對應的二進制位標記為xj。
步驟7：變異操作和新解生成機制：翻轉二進制位xj的數值，保持當前解S中其它位數值不變，從而生成新解Snew。
步驟8：比較Cbest和C（Snew）的大小：若Cbest≤C（Snew），則保持Sbest和Cbest不變；否則，Sbest=Snew，Cbest=C（Snew）。
步驟9：無條件地接受S=Snew。
步驟10：判斷是否滿足終止條件（如最大疊代次數等）？若是，則轉向下一步驟；否則，則返回到步驟4。
步驟11：數據轉化與輸出模組：輸出最好解Sbest和對應的適應度Cbest，將二進制序列Sbest解碼轉化為對應的PID控制參數Kp、Ki和Kd，並將上述最優參數Kp、Ki和Kd傳輸至兆瓦級逆變系統實現實時線上控制。
2.根據權利要求1所述的用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法，其特徵在於，所述可調參數包括最佳化時間和冪律分布可調參數τ。
實施方式
兆瓦級逆變極值最佳化自整定數字PID控制系統結構框圖如附圖1所示。用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法的具體實施流程圖如附圖2所示。該方法為通過數據採集和初始化設定模組將兆瓦級逆變系統的模型輸入、系統誤差信號和可調參數初始值作為數字PID控制器輸入；通過二進制編碼操作將PID控制器控制參數Kp、Ki和Kd編碼成二進制序列，再通過二進制編碼極值最佳化求解器對二進制序列進行疊代最佳化，直到滿足工程設計人員預先設定的終止條件，從而自動整定出最優的二進制序列，通過二進制解碼轉化為PID控制器最優控制參數Kp、Ki和Kd，並將上述最優控制參數Kp、Ki和Kd傳輸至兆瓦級逆變系統實現實時線上的最佳化控制。《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》具體實施步驟如下：
步驟1：數據採集與初始化設定模組：採集兆瓦級逆變系統模型輸入、控制系統誤差等各類信號，並對二進制編碼極值最佳化方法參數（包括最佳化時間、冪律機率分布可調參數等）進行初始化設定。
步驟2：二進制編碼操作：將PID控制器N個控制參數編碼成一串長度為L的二進制序列，其中，li為第i個控制參數的二進制編碼長度，是PID控制器最佳化參數精度的重要影響因素之一。
步驟3：初始解生成模組：隨機產生初始二進制序列解S，按照式（1）計算初始適應度C（S），並設定當前最好解Sbest=S和對應的適應度Cbest=C（Sbest）。
其中，Ts為採樣周期，n為採樣次數且n=INT（t/Ts），e（k）為第k個採樣時刻的誤差信號，u（k）為第k個採樣時刻的PID（PI）控制器輸出信號，tu為系統在單位階躍信號作用下輸出回響曲線的上升時間，w1，w2，w3，w4均為權重係數，且w4>>w1。
步驟4：隨機翻轉當前解S中第i個二進制位的數值，保持其它二進制位不變，從而生成解Si，並計算相應的適應度C（Si）。
步驟5：局部適應度計算與排序操作：計算第i個二進制位的局部適應度λi=C（Si）－Cbest，並對λi數值按照從大到小的順序進行排序。
步驟6：選擇操作：按照冪律機率分布1≤k1≤L選擇的λi的排序號，其中τ為冪律分布可調參數，並將對應的二進制位標記為xj。
步驟7：變異操作和新解生成機制：翻轉二進制位xj的數值，保持當前解S中其它位數值不變，從而生成新解Snew。
步驟8：比較Cbest和C（Snew）的大小：若Cbest≤C（Snew），則保持Sbest和Cbest不變；否則，Sbest=Snew，Cbest=C（Snew）。
步驟9：無條件地接受S=Snew。
步驟10：判斷是否滿足終止條件（如最大疊代次數等）？若是，則轉向下一步驟；否則，則返回到步驟4。
步驟11：數據轉化與輸出模組：輸出最好解Sbest和對應的適應度Cbest，將二進制序列Sbest解碼轉化為對應的PID控制參數Kp、Ki和Kd，並將上述最優控制參數Kp、Ki和Kd傳輸至兆瓦級逆變系統實現實時線上控制。
針對兆瓦級逆變系統的實施例
按照以上給出的《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》的具體實施步驟，將《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》提供的一種用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法套用於1兆瓦、2兆瓦、5兆瓦系列逆變系統產品中，其測試結果表明：相比有基於經驗規則的工程整定方法，可以實時線上整定和最佳化PID控制器參數，保證兆瓦級逆變系統安全可靠運行且達到最佳運行性能；相比遺傳算法等其它智慧型最佳化方法，需設計的可調參數更少，實施更為簡單，且整定和最佳化的效率更高。
榮譽表彰
2018年12月20日，《用於兆瓦級逆變系統的極值最佳化自整定數字PID控制方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
