【正文】 評(píng)閱人簽字 年 月 日 答辯小組成員簽字 姓 名 職 稱(chēng) 單 位 答辯小組評(píng)語(yǔ) 組長(zhǎng)簽字 年 月 日 答辯委員會(huì)結(jié)論 總評(píng)成績(jī) : 答辯委員會(huì)主任簽字 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )起止時(shí)間： 年 月 日至 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )答辯時(shí)間： 年 月 日 華 北 電 力 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )任務(wù)書(shū) 所在院系 電力 工程 系 專(zhuān)業(yè)班號(hào) 電自 023 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師簽名 審批人簽字 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )題目 非線(xiàn)性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì) 年 月 日 一 、畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )主要內(nèi)容 查閱文獻(xiàn)，撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告。 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析并改進(jìn)所涉及的勵(lì)磁控制器。 掌握 Matlab 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法和仿真軟件使用 。 按要求完成論文的書(shū)寫(xiě)并參加答辯。因此，為了尋求更優(yōu)控制性能，改進(jìn)和完善非線(xiàn)性勵(lì)磁控制方法就具有重要的理論和實(shí)踐意義。運(yùn)用 MATLAB 中的 Simulink 通過(guò)搭建單機(jī) — 無(wú)窮大 系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。 differential calculus method華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 摘要 ??????????????????????????????????? I Abstract ????????????????????????????????? II 1 引言 ?????????????????????????????????? 1 1． 1 課題的提出 ???????????????????????????? 1 1． 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ?????????????????????????? 1 1． 3 本文研究的工作 ?????????????????????????? 2 2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ????????????????????????????? 3 2． 1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)介紹 ???????????????????????? 3 2． 1． 1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的概念 ????????????????????? 3 2． 1． 2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 ??????????????? 3 2． 1． 3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展 ????????????????????? 3 2． 1． 4 勵(lì)磁系統(tǒng)的主要任務(wù) ???????? ?????????????? 4 2． 1． 5 對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求 ????????????????????? 4 2． 2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式 ???????????????????????? 4 2． 2． 1 單變量控制 ?????????????????????????? 4 2． 2． 2 多變量控制 ?????????????????????????? 5 2． 2． 3 非線(xiàn)性控制 ?????????????????????????? 5 2． 2． 4 智能控制 ??????????????????????????? 5 2． 2． 5 勵(lì)磁控制方式的比較 ?????????????????????? 6 3 非線(xiàn)性理論 ??????????????????????????????? 7 3． 1 概述 ??????????????????????????????? 7 3． 2 非線(xiàn)性勵(lì)磁控制所用的數(shù)學(xué)方法???????????????????? 8 3． 2． 1 非線(xiàn)性基本概念 ???????????????????????? 8 3． 2． 2 非線(xiàn)性基本理論 ??????????????????????? 10 4 非線(xiàn)性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì) ? ????????????????????????? 13 4． 1 概述???????????????????????????????? 13 4． 2 非線(xiàn)性勵(lì)磁的發(fā)展歷程???????????????????????? 13 4． 3 常見(jiàn)非線(xiàn)性控制設(shè)計(jì)方案??????????????????????? 14 4． 3． 1 微分幾何方法????????????????????????? 14 4． 3． 2 反饋無(wú)源性控制方案?????????????????????? 14 4． 3． 3 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論?????????? ???????????? 15 4． 3． 4 高增益觀(guān)測(cè)器????????????????????????? 15 4． 3． 5 Backstepping 方法??????????????????????? 15 4． 4 非線(xiàn)性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)???????????????????????? 15 4． 4． 1 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程 ???????????????????? 16 4． 4． 2 同步發(fā)電機(jī)輸出功率方程 ???????????????????? 18 4． 4． 3 同步發(fā)電機(jī)電磁動(dòng)態(tài)方程 ??????????? ????????? 17 4． 4． 4 同步坐標(biāo)系下的非線(xiàn)性勵(lì)磁控制規(guī)律 ??????????????? 18 5 非線(xiàn)性勵(lì)磁控制器的 MATLAB 仿真 ???????????????????? 20 5． 1 仿真環(huán)境?????????????????????????????? 20 5． 2 仿真模型?????????????????????????????? 20 5． 3 結(jié)論???????????????????????????????? 22 致謝???????????????????????????????? ??? 24 參考文獻(xiàn)????????????????????????????????? 25華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附錄 A ????????????????????????????????? 26 附錄 B ????????????????????????????????? 32 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 引言 1． 1 課題的提出 電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力工業(yè)也取得了迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。這種大電網(wǎng)的穩(wěn)定性一旦遭到破壞造成的損失無(wú)疑是災(zāi)難性的 [1]。其中，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項(xiàng)既有效又經(jīng)濟(jì)的措施。為雙輸入控制系統(tǒng)，即 PSS。 電力系統(tǒng)是非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，但上述常規(guī)勵(lì)磁控制方式，附加 PSS 控制方式與線(xiàn)性最優(yōu)控制方式的設(shè)計(jì)方法都是將電力系統(tǒng)非線(xiàn)性狀態(tài)方程在某一特定運(yùn)行方式下近似線(xiàn)性化。 1． 3 本文研究的工作 傳統(tǒng)的勵(lì)磁控制器是基于某一平衡點(diǎn)附近近似線(xiàn)性化模型來(lái)設(shè)計(jì)的。 2）傳統(tǒng)的勵(lì)磁方式對(duì)電力 系統(tǒng)這樣一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)的控制有很大局限性，因此本文討論了非線(xiàn)性勵(lì)磁控制，闡述非線(xiàn)性的基本概念和理論，介紹設(shè)計(jì)非線(xiàn)性勵(lì)磁控制器常用的方法。為完成這一轉(zhuǎn)換，它本身需要一個(gè)直流磁場(chǎng)，產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的直流電流稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，又稱(chēng)為轉(zhuǎn)子電流。 2． 1． 2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)包括勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁控制器兩個(gè)部分 [4]，整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)則由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁控制器和同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成，如 圖 2— 1 所示： 圖 2— 1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖 勵(lì)磁功率單元主要負(fù)責(zé)向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)發(fā)電機(jī)專(zhuān)用的可控直流電源。 早期，由于整流設(shè)備不能輸出很大的直流供發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)只好配用直流 勵(lì)磁機(jī)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，人們研制了計(jì)算機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，又稱(chēng)為數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。它勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)不可控硅整流器相配用就產(chǎn)生了“它勵(lì)旋轉(zhuǎn)硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)”。當(dāng)電氣距離很近的多臺(tái)發(fā)電機(jī)在母線(xiàn)上并列運(yùn)行時(shí)，由于各發(fā)電機(jī)的自動(dòng) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)中其它的無(wú)功電壓控制裝置的共同作用，使母線(xiàn)電壓變化很小。在故障情況下，調(diào)節(jié)器通過(guò)提高勵(lì)磁電壓，可使勵(lì)磁電壓上升到比額定值大得多的數(shù)值（強(qiáng)勵(lì)），從而改善了瞬時(shí)穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)裝有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器后，它能快速提高發(fā)電機(jī)的電壓，因而可以縮短電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)的時(shí)間。機(jī)組由于各種原因突然甩負(fù)荷時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，發(fā)電機(jī)定子電壓可能上升到危險(xiǎn)的程度。 2） 保證發(fā)電機(jī)有足夠的勵(lì)磁容量。 6） 保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)特性。要使閉環(huán)系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，必須將增益 K 的值限制在一定范圍；而要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就得使增益 K 大于某一值，有時(shí)這二者是無(wú)法滿(mǎn)足的。 所謂 PSS 的控制方式，實(shí)際上是采用雙狀態(tài)變量的反饋控制方式，就是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中除了用狀態(tài)量 Vt? 作為反饋量外再引入 一附加鎮(zhèn)定參量。這種控制規(guī)律比起 PID 十 PSS 具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這種組合能夠保證系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中各狀態(tài)量對(duì)其穩(wěn)態(tài)值的平方誤差的積分最小，故其控制效果不受振蕩頻率的影響。對(duì)于 LOEC 控制方式，其控制效果對(duì)于大干擾穩(wěn)定性的改善尚不能令人滿(mǎn)意。 自適應(yīng)控制的思想產(chǎn)生于七十年代，當(dāng)時(shí)稱(chēng)為自調(diào)整調(diào)節(jié) (selfturned Regulator， STR)，八十年代初用于勵(lì)磁控制領(lǐng)域，主要思想是根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)改變控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以達(dá)到在較大的運(yùn)行制問(wèn)題時(shí)，實(shí)時(shí)控制要求采樣間隔必須很小，華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 否則無(wú)法跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 從九十年代初開(kāi)始，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 (Artificial Neural Network Method, ANN)被應(yīng)用于勵(lì)磁控制領(lǐng)域。在訓(xùn)練過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)調(diào)整其權(quán)重，這樣 ANN 就可以學(xué)習(xí)到樣本中所包含的訓(xùn)練系統(tǒng)的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)特性了。 2． 2． 5 勵(lì)磁控制方式的比較 綜上所述，勵(lì)磁控制方式設(shè)計(jì)是采用不同的數(shù)學(xué)工具和不同的設(shè)計(jì)思想，就決定了其在系統(tǒng)運(yùn)行中所起的作用也不相同，具有不同的控制特性。 PSS 這種多變量的勵(lì)磁控制方式，把電壓調(diào)節(jié)信道確認(rèn)為主要信道，是在電壓調(diào)節(jié)信道完成的情況下實(shí)現(xiàn)的。 采用線(xiàn)形最優(yōu)勵(lì)磁控制方 法設(shè)計(jì)以提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性為目標(biāo)的多變量勵(lì)磁控制方式，同時(shí)確定發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)信道和其它附加勵(lì)磁控制信道的增益，沒(méi)有確定電壓調(diào)節(jié)信道的主導(dǎo)地位，只以權(quán)系數(shù)方法加以考慮，其結(jié)果雖然能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求，但能否滿(mǎn)足電壓調(diào)節(jié)的要求還不能確定。因此，從理論上講，可以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異、適應(yīng)性強(qiáng)的勵(lì)磁控制器。我們知道，大多數(shù)工程控制 系統(tǒng)本質(zhì)上都是非線(xiàn)性的，線(xiàn)性是在一定的范圍內(nèi)和一定的程度上對(duì)系統(tǒng)的近似描述，由于以前對(duì)控制系統(tǒng)的精度和性能要求較低，有一部分系統(tǒng)可以在基本滿(mǎn)足工程需要的條件下將其在某一平衡點(diǎn)處加以近似線(xiàn)性化，然后應(yīng)用線(xiàn)性系統(tǒng)控制理論來(lái)設(shè)計(jì)控制方案。有許多非線(xiàn)性 現(xiàn)象是無(wú)法用線(xiàn)性系統(tǒng)理論來(lái)刻畫(huà)的： 1） 有限逃逸時(shí)間：不穩(wěn)定的線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)可能會(huì)在時(shí)間趨于無(wú)窮的時(shí)候也隨之趨向無(wú)窮大，但是非線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)，可能會(huì)在有限的時(shí)間內(nèi)就趨向于無(wú)窮大。因此，線(xiàn)性系統(tǒng)中參數(shù)的微小變化都將會(huì)破壞周期解的存在，引起系統(tǒng)的振蕩，而且系統(tǒng)振蕩的幅值還會(huì)和初始條件有關(guān) .所以說(shuō)有周期解的時(shí)不變系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的變化不具有魯棒性實(shí)際上，穩(wěn)定的振蕩都是由非線(xiàn)性系統(tǒng)產(chǎn)生的，而且這些振蕩的振幅和頻率和系統(tǒng)的初始狀態(tài)無(wú)關(guān)，這類(lèi)穩(wěn)定的振蕩被稱(chēng)之為極限環(huán)。這種行為被稱(chēng)作混沌，也就是說(shuō)一個(gè)確定的非線(xiàn)性系統(tǒng)，在一定條件下，其狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出類(lèi)似隨機(jī)的復(fù)雜現(xiàn)象，或者說(shuō)一個(gè)描述非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的確定的狀態(tài)方程的解，在一定條件下呈現(xiàn)隨機(jī)性。同時(shí)，計(jì)算機(jī)以及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，也為我們實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜非線(xiàn)性控制算法奠定了理論基礎(chǔ)。 3． 2 非線(xiàn)性勵(lì)磁控制所用的數(shù)學(xué)方法 微分幾何法用于勵(lì)磁控制系統(tǒng)，很好的完成了系統(tǒng)精確線(xiàn)性化的過(guò)程，使我們可以利用非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型來(lái)描述勵(lì)磁控制系統(tǒng)，從而得到精確的結(jié)果，下面我們首先敘述一下非線(xiàn)性控制所需要的一些基本概念和基本理論： 3． 2． 1 基本概念 1） 微分同坯：如果非線(xiàn)性坐標(biāo)變換滿(mǎn)足： ① 逆變換存在且單值， ② 變換同逆變換兼為光滑函數(shù)即任意階偏導(dǎo)數(shù)都是存在的，那么關(guān) 系式 Z=Φ(X)就是一個(gè)合格的坐標(biāo)變換，同時(shí)該表達(dá)式 Φ(X)被稱(chēng)為兩個(gè)坐標(biāo)空間之間的微分同坯。 3） 向量場(chǎng)的導(dǎo)出映射：設(shè)有一選定的以 X 為坐標(biāo)的 n 維空間 nR 至以 Z 為坐