一种励磁控制器控制方法及系统
阅读说明：本技术 一种励磁控制器控制方法及系统 (Excitation controller control method and system ) 是由 高红亮 詹习生 朱军 杨青胜 肖凌俊 徐丰 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种励磁控制器控制方法及系统,涉及电力系统稳定性控制技术领域。该方法包括：利用PID控制和励磁控制系统数学模型确定控制策略的参数；利用励磁控制系统的第k次采样误差值、第k次采样误差值与第k-1次采样误差值的第一误差差值以及第k-1次采样误差值与第k-2次采样误差值的第二误差差值确定励磁控制器当前状态对应的预设控制条件；采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出。本发明的励磁控制器控制方法及系统可根据励磁控制系统的工作状态及误差情况自动确定不同的预设控制条件,使控制策略更加灵活；自动调整励磁控制器的参数,提高了励磁控制器的适应性,使励磁控制系统的控制效果更好。(The invention relates to a control method and a control system for an excitation controller, and relates to the technical field of stability control of a power system. The method comprises the following steps: determining parameters of a control strategy by using a PID control and excitation control system mathematical model; determining a preset control condition corresponding to the current state of the excitation controller by using a kth sampling error value of the excitation control system, a first error difference value of the kth sampling error value and a kth-1 sampling error value, and a second error difference value of the kth-1 sampling error value and a kth-2 sampling error value; and controlling the output of the excitation controller by adopting a control strategy corresponding to the preset control condition corresponding to the current state. The excitation controller control method and the excitation controller control system can automatically determine different preset control conditions according to the working state and the error condition of the excitation control system, so that the control strategy is more flexible; the parameters of the excitation controller are automatically adjusted, the adaptability of the excitation controller is improved, and the control effect of an excitation control system is better.)
技术领域
本发明涉及电力系统稳定性控制技术领域，特别是涉及一种励磁控制器控制方法及系统。
背景技术
电力系统的稳定性对电网的安全性和可靠性有着重要影响，通过各种各样的措施来增强电力系统的稳定性，对于社会经济的健康发展和人们生活质量的提高有着十分重要的意义。励磁控制器是同步发电机控制系统的核心，可以对发电机励磁系统进行有效的控制，是使电力系统稳定运行的重要措施。常规PID控制(proportional-integral-derivative control，比例积分微分控制)在励磁控制器上的应用虽然非常成熟，但采用这种控制方式的励磁控制器的参数固定，控制律单一，无法根据发电机励磁系统的工作状态及误差情况来自动改变励磁控制律，以及调整励磁控制器的参数，导致励磁控制器适应对象特性的能力较差。因此，现有励磁控制器存在适应性差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种励磁控制器控制方法及系统，解决了现有励磁控制器适应性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种励磁控制器控制方法，包括：
获取励磁控制系统数学模型；
利用PID控制和所述励磁控制系统数学模型，确定励磁控制器的控制策略的参数；所述参数包括：比例系数、积分系数和微分系数；
将励磁控制系统的第k次采样时的误差值与第k-1次采样时的第一误差值的差值确定为第一误差差值，将所述第一误差值与第k-2次采样时的第二误差值的差值确定为第二误差差值；其中k表示采样次数；
利用所述第k次采样时的误差值、所述第一误差差值和所述第二误差差值确定所述励磁控制器的当前状态对应的预设控制条件；所述预设控制条件包括：第一预设控制条件、第二预设控制条件、第三预设控制条件、第四预设控制条件和第五预设控制条件；
采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制所述励磁控制器的输出。
可选的，所述利用所述第k次采样时的误差值、所述第一误差差值和所述第二误差差值确定所述励磁控制器的当前状态对应的预设控制条件，具体包括：
判断所述第k次采样时的误差值的绝对值是否大于第一预设误差阈值，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则所述当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件；
若所述第一判断结果为否，则判断所述第k次采样时的误差值与所述第一误差差值的乘积是否大于零或所述第一误差差值是否等于零，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则所述当前状态对应的预设控制条件为第二预设控制条件；
若所述第二判断结果为否，则判断所述第k次采样时的误差值与所述第一误差差值的乘积是否小于零且所述第一误差差值与所述第二误差差值的乘积是否大于零，或者所述第k次采样时的误差值是否等于零，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则所述当前状态对应的预设控制条件为第三预设控制条件；
若所述第三判断结果为否，则判断所述第k次采样时的误差值与所述第一误差差值的乘积是否小于零且所述第一误差差值与所述第二误差差值的乘积是否小于零，得到第四判断结果；
若所述第四判断结果为是，则所述当前状态对应的预设控制条件为第四预设控制条件；
若所述第四判断结果为否，则判断所述第k次采样时的误差值的绝对值是否小于励磁控制系统误差的预设精度，得到第五判断结果；
若所述第五判断结果为是，则所述当前状态对应的预设控制条件为第五预设控制条件。
可选的，当所述当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件时，所述采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制所述励磁控制器的输出，具体包括：
将所述励磁控制器的输出确定为预设定值，并对所述励磁控制系统进行开环控制。
可选的，当所述当前状态对应的预设控制条件为第二预设控制条件时，所述采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制所述励磁控制器的输出，具体包括：
判断所述第k次采样时的误差值的绝对值是否大于或等于第二预设误差阈值，得到第六判断结果；
若所述第六判断结果为是，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k)确定所述励磁控制器的输出；其中，u(k)表示所述励磁控制器的输出，u(k-1)表示第k-1次采样时所述励磁控制器的输出，K1表示所述励磁控制系统的放大系数，Kp表示所述比例系数，e(k)表示所述第k次采样时的误差值；
若所述第六判断结果为否，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k)确定所述励磁控制器的输出；其中，K2表示所述励磁控制系统的抑制系数。
可选的，当所述当前状态对应的预设控制条件为第三预设控制条件时，所述采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制所述励磁控制器的输出，具体包括：
保持所述励磁控制器的输出。
可选的，当所述当前状态对应的预设控制条件为第四预设控制条件时，所述采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制所述励磁控制器的输出，具体包括：
判断所述第k次采样时的误差值的绝对值是否大于或等于所述第二预设误差阈值，得到第七判断结果；
若所述第七判断结果为是，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k-1)确定所述励磁控制器的输出；其中，u(k)表示所述励磁控制器的输出，u(k-1)表示第k-1次采样时所述励磁控制器的输出，K1表示所述励磁控制系统的放大系数，Kp表示所述比例系数，e(k-1)表示所述第一误差值；
若所述第七判断结果为否，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k-1)确定所述励磁控制器的输出；其中，K2表示所述励磁控制系统的抑制系数。
可选的，当所述当前状态对应的预设控制条件为第五预设控制条件时，所述采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制所述励磁控制器的输出，具体包括：
根据公式
一种励磁控制器控制系统，包括：
数学模型获取模块，用于获取励磁控制系统数学模型；
参数确定模块，用于利用PID控制和所述励磁控制系统数学模型，确定励磁控制器的控制策略的参数；所述参数包括：比例系数、积分系数和微分系数；
差值确定模块，用于将励磁控制系统的第k次采样时的误差值与第k-1次采样时的第一误差值的差值确定为第一误差差值，将所述第一误差值与第k-2次采样时的第二误差值的差值确定为第二误差差值；其中k表示采样次数；
预设控制条件确定模块，用于利用所述第k次采样时的误差值、所述第一误差差值和所述第二误差差值确定所述励磁控制器的当前状态对应的预设控制条件；所述预设控制条件包括：第一预设控制条件、第二预设控制条件、第三预设控制条件、第四预设控制条件和第五预设控制条件；
控制励磁控制器输出模块，用于采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制所述励磁控制器的输出。
可选的，所述预设控制条件确定模块，具体包括：
第一判断单元，用于判断所述第k次采样时的误差值的绝对值是否大于第一预设误差阈值，得到第一判断结果；
第一预设控制条件确定单元，用于当所述第一判断结果为是时，所述当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件；
第二判断单元，用于当所述第一判断结果为否时，判断所述第k次采样时的误差值与所述第一误差差值的乘积是否大于零或所述第一误差差值是否等于零，得到第二判断结果；
第二预设控制条件确定单元，用于当所述第二判断结果为是时，所述当前状态对应的预设控制条件为第二预设控制条件；
第三判断单元，用于当所述第二判断结果为否时，判断所述第k次采样时的误差值与所述第一误差差值的乘积是否小于零且所述第一误差差值与所述第二误差差值的乘积是否大于零，或者所述第k次采样时的误差值是否等于零，得到第三判断结果；
第三预设控制条件确定单元，用于当所述第三判断结果为是时，所述当前状态对应的预设控制条件为第三预设控制条件；
第四判断单元，用于当所述第三判断结果为否时，判断所述第k次采样时的误差值与所述第一误差差值的乘积是否小于零且所述第一误差差值与所述第二误差差值的乘积是否小于零，得到第四判断结果；
第四预设控制条件确定单元，用于当所述第四判断结果为是时，所述当前状态对应的预设控制条件为第四预设控制条件；
第五判断单元，用于当所述第四判断结果为否时，判断所述第k次采样时的误差值的绝对值是否小于励磁控制系统误差的预设精度，得到第五判断结果；
第五预设控制条件确定单元，用于当所述第五判断结果为是时，所述当前状态对应的预设控制条件为第五预设控制条件。
可选的，所述控制励磁控制器输出模块，具体包括：
开环控制单元，用于当所述当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件时，将所述励磁控制器的输出确定为预设定值，并对所述励磁控制系统进行开环控制。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种励磁控制器控制方法及系统。该方法包括：获取励磁控制系统数学模型；利用PID控制和励磁控制系统数学模型，确定励磁控制器的控制策略的参数；参数包括：比例系数、积分系数和微分系数；将励磁控制系统的第k次采样时的误差值与第k-1次采样时的第一误差值的差值确定为第一误差差值，将第一误差值与第k-2次采样时的第二误差值的差值确定为第二误差差值；其中k表示采样次数；利用第k次采样时的误差值、第一误差差值和第二误差差值确定励磁控制器的当前状态对应的预设控制条件；预设控制条件包括：第一预设控制条件、第二预设控制条件、第三预设控制条件、第四预设控制条件和第五预设控制条件；采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出。本发明的励磁控制器控制方法及系统可根据励磁控制系统的工作状态及误差情况自动确定不同的励磁控制律，即预设控制条件，使控制策略更加灵活；自动调整励磁控制器的参数，提高了励磁控制器的适应性，使励磁控制器的适应性更强，体现了智能控制的特点，使励磁控制系统的控制效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的励磁控制器控制方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的同步发电机励磁控制系统的结构图；
图3为本发明实施例所提供的励磁控制器控制系统的结构图；
图4为本发明实施例所提供的励磁系统的输出响应曲线图；
图5为本发明实施例所提供的励磁系统的误差变化曲线图；
图6为本发明实施例所提供的励磁系统的控制量变化曲线图。
符号说明：1、励磁控制器；2、功率放大单元；3、同步发电机；4、电压测量单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种励磁控制器控制方法及系统，解决了现有励磁控制器适应性差的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种励磁控制器控制方法，图1为本发明实施例所提供的励磁控制器控制方法的流程图，参见图1，励磁控制器控制方法包括：
步骤101，获取励磁控制系统数学模型。本实施例的励磁控制系统为同步发电机励磁控制系统，在确定励磁控制器的控制方法之前，需要分析同步发电机励磁控制系统各个环节的组成，得出同步发电机励磁控制系统的传递函数，从而得到同步发电机励磁控制系统的数学模型。
图2为本发明实施例所提供的同步发电机励磁控制系统的结构图。参见图2，励磁控制系统包括：励磁控制器1、功率放大单元2、同步发电机3和电压测量单元4。励磁控制器1的输出端与功率放大单元2的输入端连接，功率放大单元2的输出端与同步发电机3的输入端连接，电压测量单元4的输入端与同步发电机3的输出端连接，电压测量单元4的的输出端与励磁控制器1的输入端连接。
功率放大主要是指由励磁控制器输出小的控制信号到励磁功率器件的输出之间的功率转换作用，功率放大单元可认为是一阶惯性环节，其传递函数为：
式(1)中，G1(s)表示功率放大单元的传递函数，s表示复数域的变量，KA为放大环节的电压比例，TA为放大环节的时间常数。
只研究励磁控制系统的情况下，且不考虑发电机磁路的饱和特性时，同步发电机的传递函数可简化为以下一阶惯性环节：
式(2)中，G2(s)表示同步发电机的传递函数，KG为发电机放大系数，TG为发电机时间常数。
电压测量单元完成同步发电机输出电压到励磁控制器输入信号的转化，可用一阶惯性环节来描述，电压测量单元的传递函数可用下式表示：
式(3)中，G3(s)表示电压测量单元的传递函数，K3为电压比例系数，T3为测量回路时间常数。
可得励磁控制系统中被控对象的数学模型为：
其中，G(s)表示励磁控制系统中被控对象数学模型的传递函数，KA为放大环节的电压比例，TA为放大环节的时间常数，s表示复数域的变量，KG为同步发电机的放大系数，TG为同步发电机的时间常数。
本实施例的被控制对象为功率放大单元和同步发电机，步骤101的目的是给出被控制对象的具体形式，即把被控制对象以传递函数的形式给出。励磁控制器是对被控制对象进行控制，励磁控制器控制方法是针对被控对象的数学模型的，励磁控制器的具体参数需要已知被控对象的数学模型才能确定，所以需要建立在知道被控对象数学模型的基础上，参数包括：比例系数、积分系数、微分系数、积分时间常数、微分时间常数、采样时间、控制量的上限值S1、控制量的下限值S2、第一预设误差阈值L1和第二预设误差阈值L2。
步骤102，利用PID控制和励磁控制系统数学模型，确定励磁控制器的控制策略的参数；参数包括：比例系数、积分系数、微分系数、积分时间常数、微分时间常数、采样时间、控制量的上限值S1、控制量的下限值S2、第一预设误差阈值L1和第二预设误差阈值L2。实际应用中通过对被控对象的数学模型进行常规PID控制的仿真实验得到励磁控制器的控制策略的参数。
励磁控制系统加入PID控制器后，给励磁控制系统的输入端施加一个阶跃信号，经过励磁控制系统的响应，通过示波器可以观察到励磁控制系统的输出响应曲线、控制量的变化曲线和误差的变化曲线等。通过控制量的变化曲线确定控制量的上限值S1和下限值S2，以实现对控制量的饱和处理；通过误差的变化曲线确定第一预设误差阈值L1和第二预设误差阈值L2。误差为励磁控制系统的误差e(k)，励磁控制系统的输入r(k)与励磁控制系统的输出y(k)之间的偏差，即e(k)＝r(k)-y(k)。通过误差的变化曲线可以得到励磁控制系统的误差的最大值，在本实施例中，误差最大值为1，L1取为误差最大值的80％，即0.8；L2取为误差最大值的5％，即0.05；L1为很大的误差阈值，即当误差大于L1时，便认为误差很大；L2为较大的误差阈值，即当误差大于L2时，便认为误差较大。
使用PID控制方法对励磁控制系统进行控制，确定励磁控制器的输出，进而得到励磁控制器的参数。
其中，
上式中，u’(k)表示采用PID控制方法时励磁控制器的输出；Kp为比例系数；e(k)表示第k次采样时的误差值；Ki为积分系数；j和k均代表采样次数，j代表第j次采样，k代表第k次采样，且0≤j≤k；e(j)表示第j次采样时励磁控制系统的误差值；Kd为微分系数；Δe(k)表示励磁控制系统第k次采样时的误差值与第k-1次采样时的误差值的误差差值；T为采样时间；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。
步骤103，将励磁控制系统的第k次采样时的误差值与第k-1次采样时的第一误差值的差值确定为第一误差差值，将第一误差值与第k-2次采样时的第二误差值的差值确定为第二误差差值；其中k表示采样次数。
步骤103具体包括：获取励磁控制系统第k次采样时的误差值、第k-1次采样时的第一误差值和第k-2次采样时的第二误差值。
将第k次采样时的误差值与第一误差值的差值确定为第一误差差值，即△e(k)＝e(k)-e(k-1)，Δe(k)表示第一误差差值，e(k)表示第k次采样时的误差值，e(k-1)表示第一误差值。
将第一误差值与第二误差值的差值确定为第二误差差值，即△e(k-1)＝e(k-1)-e(k-2)，Δe(k-1)表示第二误差差值，e(k-2)表示第二误差值。
步骤104，利用第k次采样时的误差值、第一误差差值和第二误差差值确定励磁控制器的当前状态对应的预设控制条件；预设控制条件包括：第一预设控制条件、第二预设控制条件、第三预设控制条件、第四预设控制条件和第五预设控制条件。
步骤104具体包括：
判断第k次采样时的误差值的绝对值是否大于第一预设误差阈值，得到第一判断结果。
若第一判断结果为是，则当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件。
若第一判断结果为否，则判断第k次采样时的误差值与第一误差差值的乘积是否大于零或第一误差差值是否等于零，得到第二判断结果。
若第二判断结果为是，则当前状态对应的预设控制条件为第二预设控制条件。第二判断结果为是即e(k)△e(k)>0或△e(k)＝0，即(1)
若第二判断结果为否，则判断第k次采样时的误差值与第一误差差值的乘积是否小于零且第一误差差值与第二误差差值的乘积是否大于零，或者第k次采样时的误差值是否等于零，得到第三判断结果。
若第三判断结果为是，则当前状态对应的预设控制条件为第三预设控制条件。第三判断结果为是即e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)>0，或者e(k)＝0，即(1)e(k-2)<e(k-1)<e(k)<0或(2)0<e(k)<e(k-1)<e(k-2)或(3)r(k)-y(k)＝0，其中(1)和(2)意味着误差的绝对值在朝减小的方向变化，(3)意味着误差已达平衡状态。
若第三判断结果为否，则判断第k次采样时的误差值与第一误差差值的乘积是否小于零且第一误差差值与第二误差差值的乘积是否小于零，得到第四判断结果。
若第四判断结果为是，则当前状态对应的预设控制条件为第四预设控制条件。第四判断结果为是即e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)<0，即(1)0<e(k)<e(k-1)>e(k-2)或(2)(1)和(2)均意味着误差处于极值状态。
若第四判断结果为否，则判断第k次采样时的误差值的绝对值是否小于励磁控制系统误差的预设精度，得到第五判断结果。
若第五判断结果为是，则当前状态对应的预设控制条件为第五预设控制条件。第五判断结果为是即|e(k)|<ε，ε为励磁控制系统误差的预设精度，说明误差已经很小，可在励磁控制器中加入积分环节，以减小稳态误差。
步骤105，采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出。
步骤105具体包括：
当当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件时，采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出，具体包括：将励磁控制器的输出确定为预设定值，并对励磁控制系统进行开环控制。将励磁控制器输出的控制量调整为预设定值，并对励磁控制系统进行开环控制。
当第k次采样时的误差值超过励磁控制系统的误差的最大值的80％，即超过L1时，控制量就以控制量的上限值S1给出。本实施例将L1的取值细化为误差最大值的80％，60％，40％，20％或1％。控制量的上限值S1与L1相对应，即当第k次采样时的误差值大于励磁控制系统的误差的最大值的80％，60％，40％，20％或1％时(L1分别取误差最大值的80％，60％，40％，20％或1％时)，控制量的上限值S1分别对应为100,80,40,10或0.1，即控制量输出的预设定值分别对应为：100,80,40,10或0.1。第k次采样时的误差值大于误差最大值的80％时S1＝100；第k次采样时的误差值大于误差最大值的60％时S1＝80；第k次采样时的误差值大于误差最大值的40％时S1＝40；第k次采样时的误差值大于误差最大值的20％时S1＝10；第k次采样时的误差值大于误差最大值的1％时S1＝0.1。本实施例仅将L1的取值细化为误差最大值的80％，60％，40％，20％或1％这5个值，但L1的取值并不局限于这5个值，L1的取值根据实际需要进行调整，可以将L1的取值细化为大于5个值或小于5个值。
当当前状态对应的预设控制条件为第二预设控制条件时，采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出，具体包括：
判断第k次采样时的误差值的绝对值是否大于或等于第二预设误差阈值，得到第六判断结果。
若第六判断结果为是，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k)确定励磁控制器的输出；其中，u(k)表示励磁控制器的输出，u(k-1)表示第k-1次采样时励磁控制器的输出，K1表示励磁控制系统的放大系数，K1>1，Kp表示比例系数，e(k)表示第k次采样时的误差值。第六判断结果为是，说明误差在朝误差的绝对值增大的方向变化且误差较大，需要励磁控制器产生较强的控制作用，以迅速减小误差的绝对值。
若第六判断结果为否，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k)确定励磁控制器的输出；其中，K2表示励磁控制系统的抑制系数，K2<1。第六判断结果为否，说明误差虽然在朝误差的绝对值增大的方向变化但误差并不是很大。
当当前状态对应的预设控制条件为第三预设控制条件时，采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出，具体包括：保持励磁控制器的输出。励磁控制器的输出可以保持不变，即u(k)＝u(k)。
当当前状态对应的预设控制条件为第四预设控制条件时，采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出，具体包括：
判断第k次采样时的误差值的绝对值是否大于或等于第二预设误差阈值，得到第七判断结果。
第七判断结果为是，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k-1)确定励磁控制器的输出；其中，e(k-1)表示第一误差值。第七判断结果为是，说明此时误差的绝对值较大，励磁控制器可实施较强的控制作用。
若第七判断结果为否，则根据公式u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k-1)确定励磁控制器的输出。第七判断结果为否，说明误差的绝对值较小，励磁控制器可实施较弱的控制作用。
当当前状态对应的预设控制条件为第五预设控制条件时，采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出，具体包括：
根据公式
本发明的励磁控制器控制方法及系统可根据励磁控制系统的工作状态及误差情况自动确定不同的励磁控制律，即预设控制条件，使控制策略更加灵活；自动调整励磁控制器的参数，使得励磁控制器的适应性更强，体现了智能控制的特点，使励磁控制系统的控制效果更好。
本实施例还提供一种励磁控制器控制系统，图3为本发明实施例所提供的励磁控制器控制系统的结构图。参见图3，励磁控制器控制系统包括：
数学模型获取模块201，用于获取励磁控制系统数学模型。励磁控制系统中被控对象的数学模型为：
其中，G(s)表示励磁控制系统中被控对象数学模型的传递函数，KA为放大环节的电压比例，TA为放大环节的时间常数，s表示复数域的变量，KG为同步发电机的放大系数，TG为同步发电机的时间常数。
参数确定模块202，用于利用PID控制和励磁控制系统数学模型，确定励磁控制器的控制策略的参数；参数包括：比例系数、积分系数、微分系数、积分时间常数、微分时间常数、采样时间、控制量的上限值S1、控制量的下限值S2、第一预设误差阈值L1和第二预设误差阈值L2。
差值确定模块203，用于将励磁控制系统的第k次采样时的误差值与第k-1次采样时的第一误差值的差值确定为第一误差差值，将第一误差值与第k-2次采样时的第二误差值的差值确定为第二误差差值；其中k表示采样次数。
差值确定模块203具体包括：
误差值获取单元，用于获取励磁控制系统第k次采样时的误差值、第k-1次采样时的第一误差值和第k-2次采样时的第二误差值。
第一误差差值确定单元，用于将第k次采样时的误差值与第一误差值的差值确定为第一误差差值，即△e(k)＝e(k)-e(k-1)，Δe(k)表示第一误差差值，e(k)表示第k次采样时的误差值，e(k-1)表示第一误差值。
第二误差差值确定单元，用于将第一误差值与第二误差值的差值确定为第二误差差值，即△e(k-1)＝e(k-1)-e(k-2)，Δe(k-1)表示第二误差差值，e(k-2)表示第二误差值。
预设控制条件确定模块204，用于利用第k次采样时的误差值、第一误差差值和第二误差差值确定励磁控制器的当前状态对应的预设控制条件；预设控制条件包括：第一预设控制条件、第二预设控制条件、第三预设控制条件、第四预设控制条件和第五预设控制条件。
预设控制条件确定模块204具体包括：
第一判断单元，用于判断第k次采样时的误差值的绝对值是否大于第一预设误差阈值，得到第一判断结果。
第一预设控制条件确定单元，用于当第一判断结果为是时，当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件。
第二判断单元，用于当第一判断结果为否时，判断第k次采样时的误差值与第一误差差值的乘积是否大于零或第一误差差值是否等于零，得到第二判断结果。
第二预设控制条件确定单元，用于当第二判断结果为是时，当前状态对应的预设控制条件为第二预设控制条件。第二判断结果为是即e(k)△e(k)>0或△e(k)＝0，即(1)
第三判断单元，用于当第二判断结果为否时，判断第k次采样时的误差值与第一误差差值的乘积是否小于零且第一误差差值与第二误差差值的乘积是否大于零，或者第k次采样时的误差值是否等于零，得到第三判断结果。
第三预设控制条件确定单元，用于当第三判断结果为是时，当前状态对应的预设控制条件为第三预设控制条件。第三判断结果为是即e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)>0，或者e(k)＝0，即(1)e(k-2)<e(k-1)<e(k)<0或(2)0<e(k)<e(k-1)<e(k-2)或(3)r(k)-y(k)＝0，其中(1)和(2)意味着误差的绝对值在朝减小的方向变化，(3)意味着误差已达平衡状态。
第四判断单元，用于当第三判断结果为否时，判断判断第k次采样时的误差值与第一误差差值的乘积是否小于零且第一误差差值与第二误差差值的乘积是否小于零，得到第四判断结果。
第四预设控制条件确定单元，用于当第四判断结果为是时，当前状态对应的预设控制条件为第四预设控制条件。第四判断结果为是即e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)<0，即(1)0<e(k)<e(k-1)>e(k-2)或(2)(1)和(2)均意味着误差处于极值状态。
第五判断单元，用于当第四判断结果为否时，判断第k次采样时的误差值的绝对值是否小于励磁控制系统误差的预设精度，得到第五判断结果。
第五预设控制条件确定单元，用于当第五判断结果为是时，当前状态对应的预设控制条件为第五预设控制条件。第五判断结果为是即|e(k)|<ε，ε为励磁控制系统误差的预设精度，说明误差已经很小，可在励磁控制器中加入积分环节，以减小稳态误差。
控制励磁控制器输出模块205，用于采用当前状态对应的预设控制条件对应的控制策略控制励磁控制器的输出。
控制励磁控制器输出模块205具体包括：
开环控制单元，用于当当前状态对应的预设控制条件为第一预设控制条件时，将励磁控制器的输出确定为预设定值，并对励磁控制系统进行开环控制。
第六判断单元，用于当当前状态对应的预设控制条件为第二预设控制条件时，判断第k次采样时的误差值的绝对值是否大于或等于第二预设误差阈值，得到第六判断结果。
第一输出单元，用于当第六判断结果为是时，根据公式u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k)确定励磁控制器的输出；其中，u(k)表示励磁控制器的输出，u(k-1)表示第k-1次采样时励磁控制器的输出，K1表示励磁控制系统的放大系数，K1>1，Kp表示比例系数，e(k)表示第k次采样时的误差值。第六判断结果为是，说明误差在朝误差的绝对值增大的方向变化且误差较大，需要励磁控制器产生较强的控制作用，以迅速减小误差的绝对值。
第二输出单元，用于当第六判断结果为否时，根据公式u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k)确定励磁控制器的输出；其中，K2表示励磁控制系统的抑制系数，K2<1。第六判断结果为否，说明误差虽然在朝误差的绝对值增大的方向变化但误差并不是很大。
保持输出单元，用于当当前状态对应的预设控制条件为第三预设控制条件时，保持励磁控制器的输出。励磁控制器的输出可以保持不变，即u(k)＝u(k)。
第七判断单元，用于当当前状态对应的预设控制条件为第四预设控制条件时，判断第k次采样时的误差值的绝对值是否大于或等于第二预设误差阈值，得到第七判断结果。
第三输出单元，用于当第七判断结果为是时，根据公式u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k-1)确定励磁控制器的输出；其中，e(k-1)表示第一误差值。第七判断结果为是，说明此时误差的绝对值较大，励磁控制器可实施较强的控制作用。
第四输出单元，用于当第七判断结果为否时，根据公式u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k-1)确定励磁控制器的输出。第七判断结果为否，说明误差的绝对值较小，励磁控制器可实施较弱的控制作用。
第五输出单元，用于当当前状态对应的预设控制条件为第五预设控制条件时，根据公式
本实施例还提供一种基于专家PID的发电机励磁控制器控制方法，该发电机励磁控制器控制方法包括：
1、励磁控制系统数学模型建立
本实施例的励磁控制系统为同步发电机励磁控制系统，在确定励磁控制器的控制方法之前，需要分析同步发电机励磁控制系统各个环节的组成，得出同步发电机励磁控制系统的传递函数，从而建立同步发电机励磁控制系统的数学模型。
励磁控制系统包括：励磁控制器、功率放大单元、同步发电机和电压测量单元。励磁控制器的输出端与功率放大单元的输入端连接，功率放大单元的输出端与同步发电机的输入端连接，电压测量单元的输入端与同步发电机的输出端连接，电压测量单元的的输出端与励磁控制器的输入端连接。
1.1功率放大单元的传递函数为：
1.2同步发电机的传递函数为：
1.3电压测量单元的传递函数为：
同步发电机励磁控制系统中被控对象的数学模型为：
上式中，G1(s)表示功率放大单元的传递函数，s表示复数域的变量，KA为放大环节的电压比例，TA为放大环节的时间常数，G2(s)表示同步发电机的传递函数，KG为发电机放大系数，TG为发电机时间常数，G3(s)表示电压测量单元的传递函数，K3为电压比例系数，T3为测量回路时间常数，G(s)表示励磁控制系统中被控对象数学模型的传递函数。
2、基于专家PID的发电机励磁控制器的控制方法
在确定基于专家PID的发电机励磁控制器的控制方法之前，先要对励磁控制系统进行常规PID控制器的控制，得到常规PID控制时的相关参数，从而为确定专家PID控制器的控制方法提供相关依据和基础。
步骤一：通过常规PID控制得到相关参数，相关参数包括：比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd、积分时间常数Ti、微分时间常数Td、采样时间T、控制量的上限值S1、控制量的下限值S2、第一预设误差阈值L1和第二预设误差阈值L2。
根据常规PID控制器的PID控制算法，即其中
励磁控制系统加入PID控制器后，给励磁控制系统的输入端施加一个阶跃信号，通过励磁控制系统的响应，得到控制量的变化曲线，进而通过控制量的变化曲线确定控制量的上限值S1和下限值S2，以实现对控制量的饱和处理；即必须根据控制量的变化曲线观察控制量的变化范围和相应的持续时间，结合仿真实验观察系统的响应曲线，便可确定控制量的上限和下限，如果没有经过这个过程，便无从知道控制量的上限值和下限值。
励磁控制系统加入PID控制器后，给励磁控制系统的输入端施加一个阶跃信号，通过励磁控制系统的响应，得到误差的变化曲线，进而确定第一预设误差阈值L1和第二预设误差阈值L2。该误差是励磁控制系统的误差e(k)，就是励磁控制系统的系统输入r(k)和系统输出y(k)之间的偏差，即e(k)＝r(k)-y(k)。利用误差的变化曲线也就可以确定对应的误差范围，本实施例中，误差最大值为1，L1取为误差最大值的80％，即0.8；L2取为误差最大值的5％，即0.05；L1为很大的误差阈值，即当误差大于L1时，便认为误差很大；L2为较大的误差阈值，即当误差大于L2时，便认为误差较大。励磁控制系统的输出响应曲线、控制量的变化曲线和误差的变化曲线等都可以通过示波器观察到。
步骤二：确定专家PID控制条件。令e(k)表示离散化的第k次采样时的误差值，e(k-1)表示第k-1次采样时的误差值(即第一误差值)，e(k-2)表示第k-2次采样时的误差值(即第二误差值)，则有：△e(k)＝e(k)-e(k-1)，△e(k-1)＝e(k-1)-e(k-2)，Δe(k-1)表示第二误差差值，e(k-2)表示第二误差值。
条件1：如果|e(k)|>L1，说明励磁控制系统的误差很大，需要施加较大的控制量，结合步骤一中的误差的变化曲线和误差大小的程度，将控制量以一个定值输出，对励磁控制系统实施开环控制。在本实施例中，当误差大于其最大值的80％，60％，40％，20％或1％时，控制量分别输出的定值为100,80,40,10或0.1，对励磁控制系统实施开环控制。当误差超过误差最大值的80％时，控制量就以控制量的上限值S1给出。可对L1再进一步细化为多个点分别实施开环控制，即将L1细分为多个点，比如在本实施例中，将L1细分为5个点，分别为误差最大值的80％，60％，40％，20％或1％，即当误差大于其最大值的80％，60％，40％，20％或1％时，控制量分别对应输出的定值(控制量的上限值S1)为：100,80,40,10或0.1，以达到快速减小励磁控制系统误差的效果。根据实际控制的需要，将L1细化为多个点，励磁控制器的控制效果会更好，如果对控制效果要求不是很高，也可以不必细化为多个点或减少细化的点数。
条件2：如果e(k)△e(k)>0或△e(k)＝0时，即(1)或(2)
进而如果|e(k)|≥L2，说明误差在朝误差的绝对值增大的方向变化且误差较大，需要励磁控制器产生较强的控制作用，以迅速减小误差的绝对值，励磁控制器的输出为：u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k)；K1>1，为放大系数。
如果|e(k)|<L2，说明误差虽然在朝误差的绝对值增大的方向变化但误差并不是很大，励磁控制器的输出为：u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k)；K2<1，为抑制系数。
条件3：如果e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)>0时，或者e(k)＝0时，即(1)e(k-2)<e(k-1)<e(k)<0或(2)0<e(k)<e(k-1)<e(k-2)或(3)r(k)-y(k)＝0，其中(1)和(2)意味着误差的绝对值在朝减小的方向变化，(3)意味着误差已达平衡状态。此时励磁控制器的输出可以保持不变，即u(k)＝u(k)。
条件4：如果e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)<0时，即(1)0<e(k)<e(k-1)>e(k-2)或(2)(1)和(2)均意味着误差处于极值状态。
进而如果|e(k)|≥L2，说明此时误差的绝对值较大，励磁控制器可实施较强的控制作用，励磁控制器的输出为：u(k)＝u(k-1)+K1Kpe(k-1)。
进而如果|e(k)|<L2，说明误差的绝对值较小，励磁控制器可实施较弱的控制作用，励磁控制器的输出为：u(k)＝u(k-1)+K2Kpe(k-1)。
条件5：当|e(k)|<ε时，ε为励磁控制系统误差的预设精度，说明误差已经很小，可在励磁控制器中加入积分环节，以减小稳态误差。此时加入积分环节后励磁控制器的输出为：
为了便于体现本发明发电机励磁控制器控制方法的控制效果，分别对励磁控制系统实施简单负反馈闭环控制方法、常规PID控制方法和本发明发电机励磁控制器控制方法三种控制方法，三种控制方法对应的同步发电机励磁控制系统的输出响应曲线、误差变化曲线和控制量变化曲线分别如图4、图5和图6所示，图4、图5和图6的横轴为励磁控制系统的响应时间，单位：秒(s)；图4中系统输入表示励磁控制系统的系统输入r，常规PID控制表示实施常规PID控制方法的励磁控制系统的系统输出y，专家PID控制表示实施本发明发电机励磁控制器控制方法的励磁控制系统的系统输出y，简单负反馈闭环控制表示实施简单负反馈闭环控制方法的励磁控制系统的系统输出y。从图5和图6可以看出误差和控制量这两个参数在三种控制方法下的变化情况；从图4可以明显看出，当励磁控制系统采用本发明的发电机励磁控制器控制方法时，励磁控制系统的超调量和调节时间等动态性能指标明显优于另外两种控制方法，且将三种控制方法的输出响应分别与系统输入对比，可见本发明发电机励磁控制器控制方法的输出相比另外两种控制方法更接近系统输入，所以励磁控制系统的控制效果更好。
本实施例还提供一种励磁控制器控制方法的具体应用实例：以一同步发电机励磁控制系统为例，确定发电机励磁控制器的控制方法。
励磁控制系统数学模型建立：同步发电机励磁控制系统的具体参数如表1所示：
表1 同步发电机励磁控制系统的具体参数
可得对应的被控对象数学模型为：
其中，G(s)表示同步发电机励磁控制系统中被控对象数学模型的传递函数，s表示复数域的变量。
发电机励磁控制器的控制方法：通过常规PID控制得到相关参数。
对上述同步发电机励磁控制系统使用常规PID控制器，相关参数调整好以后，可得到常规PID控制时，对应的Kp、Ki、Kd、Ti、Td和T分别为60、40、25、0.0015秒、0.00042秒和0.001秒。通过同步发电机励磁控制系统的阶跃响应，得到控制量的变化曲线，确定控制量的上限值S1＝100和下限值S2＝-100。通过同步发电机励磁控制系统的响应，得到误差的变化曲线，进而确定第一预设误差阈值L1和第二预设误差阈值L2，在本应用实例中，将L1细分为5个点，分别是0.8、0.6、0.4、0.2和0.01，最大值是0.8，最小值是0.01，具体表示为L10＝0.8、L11＝0.6、L12＝0.4、L13＝0.2和L14＝0.01，L2＝0.05。
条件1：当|e(k)|>L10＝0.8时，u(k)＝S1＝100。当|e(k)|>L11＝0.6时，u(k)＝80。当|e(k)|>L12＝0.4时，u(k)＝40。当|e(k)|>L13＝0.2时，u(k)＝10。当|e(k)|>L14＝0.01时，u(k)＝0.1。在本条件1中，励磁控制器输出的控制量均根据L1的具体值以不同的定值方式输出，对同步发电机励磁控制系统实施开环控制，以迅速减小误差。
条件2：当e(k)△e(k)>0或△e(k)＝0时，
如果|e(k)|≥0.05，控制器的输出为：u(k)＝u(k-1)+1.5×60e(k)，K1＝1.5；
如果|e(k)|<0.05，控制器的输出为：u(k)＝u(k-1)+0.4×60e(k)，K2＝0.4。
条件3：当e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)>0时，或者当e(k)＝0时，此时励磁控制器的输出可以保持不变，即u(k)＝u(k)。
条件4：当e(k)△e(k)<0且△e(k)△e(k-1)<0时，
如果|e(k)|≥0.05，说明此时误差的绝对值较大，励磁控制器可实施较强的控制作用，u(k)＝u(k-1)+1.5×60e(k-1)；
如果|e(k)|<0.05，说明误差的绝对值较小，励磁控制器可实施较弱的控制作用，u(k)＝u(k-1)+0.4×60e(k-1)。
条件5：当|e(k)|<ε＝0.001时，此时励磁控制器的输出为：
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。