【正文】 主要工作如下：第二章研究了一類非線性系統(tǒng)的自適應魯棒控制問題。在這兩部分中，都分別包括模型描述及控制器的設計步驟，最后給出了控制器及自適應參數替換律的具體形式，并指出得出的結果可應用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。設計過程及仿真結果表明該類控制器不僅能保證系統(tǒng)狀態(tài)收斂，而且能夠抑制干擾對系統(tǒng)輸出的影響。然后對設計結果進行了討論，指出所得控制器獨立于網絡結構及參數，具有很強的魯棒性。設計過程及仿真結果表明該類控制器不僅能保證閉環(huán)誤差系統(tǒng)狀態(tài)收斂，而且能夠抑制干擾對系統(tǒng)輸出的影響。設計過程及仿真結果表明該類控制器不僅能保證閉環(huán)誤差系統(tǒng)狀態(tài)收斂，而且能夠抑制干擾對系統(tǒng)輸出的影響，同時所得控制器是分散的，且獨立于網絡結構及參數。在系統(tǒng)兼有阻尼系數不能精確測量和受外部擾動影響的情況下，首次使用自適應backstepping 方法設計了TCSC、STATCOM以及直流調節(jié)系統(tǒng)的非線性魯棒控制器。深入分析了本論文中自適應backstepping 方法的特點。對于系統(tǒng)中的外部干擾抑制問題，文[41]首次應用遞推方法研討了非線性勵磁系統(tǒng)L2增益干擾抑制控制器的設計，該方法避免了直接求解HJI不等式的困難。backstepping方法作為一種非線性控制的設計工具[83]，由Kokotovic等人于1991年首次提出后，由于其設計過程簡明且能有效處理系統(tǒng)參數不確定性，近來引起許多理論工作者的極大關注[84,85]。其中的自適應backstepping技術是通過非線性動態(tài)反饋，一步步地構造全系統(tǒng)的控制Lyapunov函數(CLF)，其根本思想是參數估計。backstepping方法的設計思想是視每一子系統(tǒng)中的為虛擬控制，通過適當的虛擬反饋使得前面的系統(tǒng)狀態(tài)達到漸近穩(wěn)定，但系統(tǒng)的解一般不滿足，為此引進誤差變量，期望通過控制的作用，使得與虛擬反饋間具有某種漸近特性，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定。誤差變量與原系統(tǒng)狀態(tài)變量本質為微分同胚，因此為鎮(zhèn)定原系統(tǒng)，只需鎮(zhèn)定誤差變量即可。backstepping方法有兩個主要優(yōu)點：1）通過反向設計使控制V函數和控制器的設計過程系統(tǒng)化、結構化；2）可以控制相對階為的非線性系統(tǒng)，消除了經典無源性設計中相對階為1的限制?？紤]如下在實際中大量存在、具有三角結構[7,76]的一類系統(tǒng)的控制器設計問題。（LasalleYoshizawa） 設是系統(tǒng) ()的一個平衡點且在及內是局部Lipschitz的；設是一個連續(xù)可微、正定且徑向無界的函數使得 ()，是一個連續(xù)函數。此時系統(tǒng)對干擾到調節(jié)輸出的L2增益小于或等于。則第三步：增廣（）式形成下面的存貯函數 ()其中為估計誤差；為自適應增益矩陣, ；。當時，在反饋控制律（）下的閉環(huán)誤差系統(tǒng)()漸近穩(wěn)定，則當時。仿真參數為：。由于沒有對原系統(tǒng)進行任何線性化處理，因而完整保留了系統(tǒng)的非線性特性。從仿真過程還可以注意到的值越小，系統(tǒng)的參數自適應及干擾抑制效果越好，但太小的值將增大控制器增益，從而限制了控制器的實用。證畢。 ()證明：合理選取使，則有令，則 ()又，將()式兩側分別積分得耗散不等式（）。第二步：增廣（）式，從而形成如下的存貯函數 ()定義函數，則有其中。 非線性自適應魯棒控制器的設計對于含有不確定參數及外部干擾的系統(tǒng)（），下面應用自適應backstepping方法進行非線性魯棒控制器的設計。 L2空間是指所有滿足以下條件的函數的集合，即. 非線性L2增益干擾抑制控制問題是指：對非線性系統(tǒng) ()設計控制器，使得存在足夠小的，滿足 ()其中 ，是要構造的存貯函數；且滿足當時，閉環(huán)系統(tǒng)在平衡點附近漸近穩(wěn)定。分析方面研究的是：當系統(tǒng)存在不確定及外部干擾時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能的分析；綜合方面研究的是：當系統(tǒng)存在不確定及外部干擾時，如何設計有效的控制律使閉環(huán)系統(tǒng)具有更強的魯棒性。但現(xiàn)在未知，合理的途徑是用估計值代替，則獲得一個自適應控制律 （）第二步：為獲得全系統(tǒng)的Lyapunov函數，必須在的基礎上增廣一個參數誤差 的二次項，通過使其導數負定，最終得到參數替換律。第一步：考慮（），將看作虛擬控制，設計鎮(zhèn)定函數，形成Lyapunov函數。由于它沒有對原系統(tǒng)進行任何線性化，因而完整保留了系統(tǒng)的非線性特性。 自適應backstepping方法backstepping(也稱逆推、后推、反步)方法通常與Lyapunov型自適應律結合使用，即綜合考慮控制律和自適應律，使整個閉環(huán)系統(tǒng)滿足期望的動靜態(tài)性能，它主要適用于可狀態(tài)線性化或下三角結構（也稱參數嚴格反饋結構）[86]的不確定非線性系統(tǒng)。但由于反饋線性化方法[7]要求系統(tǒng)參數必須精確可知，因此它不具備對參數和模型變化的魯棒性。第二章 一類非線性系統(tǒng)的自適應魯棒backstepping設計 引言對于電力系統(tǒng)等一類強非線性、多維、動態(tài)大系統(tǒng)，其在運行中不可避免地受到干擾的影響；同時由于所建模型的不準確性，設計所用控制對象參數的誤差或控制器量測部件的誤差等也都將對系統(tǒng)形成廣義的干擾[41]。最后指出該方法也可用于SVC的控制器設計當中。第七章將第二章的結果應用到電力系統(tǒng)FACTS控制。第六章探討了第二章的結果向多機系統(tǒng)應用的可能性，研究了多機系統(tǒng)勵磁及汽門的非線性魯棒控制問題。其次，作為綜合協(xié)調控制的例子，研究了勵磁與汽門的綜合控制的非線性魯棒控制問題。首先分別針對僅帶有常參數不確定性和帶有常參數不確定及外部擾動的汽輪機調速系統(tǒng)，首次利用自適應backstepping 方法設計了發(fā)電機汽門非線性魯棒控制器及非線性L2增益干擾抑制控制器。針對帶勵磁控制的單機無窮大母線系統(tǒng)，分別在阻尼系數不能精確測量、以及系統(tǒng)兼有阻尼系數不能精確測量和受外部擾動影響的情況下，首次使用自適應backstepping 方法設計了非線性自適應魯棒控制器及非線性L2增益干擾抑制控制器。首先，作為預備知識，在系統(tǒng)存在常參數不確定性的情況下，引進了backstepping方法，并介紹了如何進行控制器設計的步驟?；诖?，本文將先進的控制方法─backstepping方法引入電力系統(tǒng)，并就其如何進行電力系統(tǒng)的魯棒控制器的設計問題進行討論。 小結1). 采用上述方法所設計的控制器,大部分都是在作了一定假設下得出的結論[82]；同時由于網絡參數、系統(tǒng)運行點、運行方式都在不斷變化，系統(tǒng)不可避免地受到未建模動態(tài)、外部干擾以及各種故障的影響等，因此如何有效處理這些不確定性，有效提高系統(tǒng)系統(tǒng)對運行參數或網絡結構的魯棒穩(wěn)定性是當前研究的熱點。其原理是利用切換控制將系統(tǒng)的運動軌跡引導到一個由設計者所選擇的切換面上，其上的運動是漸進穩(wěn)定的。變結構在電力系統(tǒng)的應用研究始于七十年代中期，其出發(fā)點是針對含有非線性系統(tǒng)在內的一般系統(tǒng)，但對非線性系統(tǒng)變結構控制的難點在于切換函數的選擇比較困難。若與魯棒控制（包括H∞控制）、變結構控制、自適應控制相結合，則可以解決參數魯棒問題。逆系統(tǒng)方法通過構造實際對象的階積分逆構成偽線性系統(tǒng)來達到控制要求，它具有和DFL一樣的優(yōu)點，不局限于仿射系統(tǒng)，研究表明，逆系統(tǒng)方法與微分幾何方法等價[65]。文[50，51]選擇轉子相對角為控制目標，使用微分幾何方法將系統(tǒng)模型進行了輸入對狀態(tài)的精確線性化，設計了發(fā)電機非線性勵磁控制器；文[52]選擇發(fā)電機端電壓為控制目標，使用微分幾何方法設計了發(fā)電機非線性勵磁控制器。i) 反饋線性化。大量的實際應用已證明了無模型控制器的良好品質。因此，智能控制器的應用以首先作為原有控制器 (如PID控制，PSS，LOEC等 )的附加控制器而不是取代原有控制器為宜，這樣既可節(jié)約資金又可少冒風險?；谧赃m應、人工神經網絡(ANN)、模糊控制(FC)和專家系統(tǒng)的智能控制由于具有處理各種非線性 (包括強非線性)的能力、并行計算的能力、自適應、自學習、自組織的能力以及容許模型不精確甚至不確定等多方面優(yōu)點，使之可以綜合解決多機電力系統(tǒng)控制所面臨的諸多問題。文[40]在相關假設及四個邊界函數的限定下使用非線性H∞控制進行了勵磁控制器的設計。非線性H∞控制是80年代提出的一種魯棒控制理論。從無源系統(tǒng)的角度看，李函數的構造過程正是使系統(tǒng)無源化的過程，此時的 Lyapunov函數正是保證系統(tǒng)無源性的存儲函數。Lyapunov直接法（第二法）由于直接考慮了系統(tǒng)的非線性特性，且物理概念清晰，在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析及控制器的設計中得到了廣泛的應用。迄今國內外對電力系統(tǒng)非線性控制已作了不少有益的工作。文[30]討論了應用LQG方法設計魯棒TCSC控制器的過程；文[31]對一個互聯(lián)電力系統(tǒng)使用部分輸出反饋提出了修改的最優(yōu)控制器，該方法避免了權重矩陣選擇的困難，可將機電和勵磁方式轉移到一個預先指定的垂直帶。這種采用在某一點處近似線性化模型作為設計依據的控制方式盡管大大改善了電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，但對暫態(tài)穩(wěn)定性沒有明顯改善。而嚴重故障后的緊急控制措施可將由于安全性破壞而對系統(tǒng)造成的影響減小到最低程度。用現(xiàn)代控制理論解決這樣復雜動態(tài)大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題，需要面臨一系列的問題[11]。因此，如何減小各控制器之間的相互影響，解決各控制器之間的協(xié)調問題，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性將會受到更多的關注。例如：由于串聯(lián)電容補償引起的機電扭振互作用造成軸系扭振破壞；由于變壓器分接頭調節(jié)不合理，在動態(tài)過程中起壞作用，而造成電壓穩(wěn)定性破壞和系統(tǒng)崩潰；由于快速勵磁的應用，在重負荷輸電線上引起功率振蕩，造成線路跳閘和大面積停電等[18]。它們可以在不切機的情況下，從根本上提高機組與電網的穩(wěn)定運行水平。這里的狀態(tài)向量分別代表頻率偏差增量 ，發(fā)電機有功輸出增量變化，調節(jié)器閥門位置增量變化、及電壓角度增量變化。用于電氣制動的TCBR一般被安裝在發(fā)電機端用以吸收當系統(tǒng)發(fā)生故障時的過剩暫態(tài)能量，保持電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。它在某種控制規(guī)律下，可根據系統(tǒng)的參數狀態(tài)，快速地調節(jié)變流器的輸出電壓的幅度和相位，從而控制系統(tǒng)潮流[12]。此外，當系統(tǒng)遭受干擾或發(fā)生故障時，通過調節(jié)輸出無功功率，SVC可以起到穩(wěn)定系統(tǒng)的作用。串聯(lián)補償裝置，如可控串補(TCSC)，靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)等，則主要用于控制系統(tǒng)的潮流。而對其控制規(guī)律進行設計研究則是理論工作者關注的熱點之一。FACTS的出現(xiàn)無疑也為動態(tài)無功功率補償及抑制振蕩提供了新的有效手段。由于機組群與它們的自然機電振蕩頻率的不同，使得系統(tǒng)在某種狀況下發(fā)生低頻振蕩，其振蕩頻率約為每分鐘1至5次。同時，電力系統(tǒng)需要的無功功率也比有功功率大，若綜合有功發(fā)電最大負荷為100%，則無功總需要約為120140%，它包括負荷的無功功率和線路、變壓器的無功損耗。盡管目前在FACTS的定義和范疇方面看法不一，但在電力系統(tǒng)中廣泛采用電力電子技術的趨勢則是不爭的事實。 1972年第一條基于晶閘管的直流輸電線路投運。[10]，系統(tǒng)間輸送的有功功率由圖中的方程所確定。從水輪發(fā)電機組的非線性模型出發(fā)，對其控制規(guī)律進行研究，從而得到水門非線性調節(jié)規(guī)律則十分必要。早期的水輪機水門調節(jié)方式是根據機組轉速的偏差進行比例調節(jié)。對電力系統(tǒng)汽門的非線性控制，一般針對以狀態(tài)變量構成的三階系統(tǒng)模型進行研究。根據多年的電廠接入系統(tǒng)設計結果，一般情況下，除電廠出線始端發(fā)生三相短路必須采取切機減出力措施外，其它的單一故障，通過采取快關汽門措施，可達到電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行目的。但它也存在造價較高，不是很經濟的缺點。雖然模型階數越高，對發(fā)電機動態(tài)行為的模擬就越詳細，但同時復雜程度也相應增加。長期以來，發(fā)電機勵磁控制作為改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的易于實現(xiàn)、經濟、有效措施，一直受到廣大電力工作者的關注。 發(fā)電單元的主要控制部件[8]，水輪機或汽輪機將水力或蒸汽力轉換為機械力，調速器控制原動機的水力或蒸汽力，發(fā)電機進行機電能量的轉換，而勵磁機和電壓調節(jié)器控制電力的輸出，同時調速器及勵磁系統(tǒng)又都可以控制電力系統(tǒng)穩(wěn)定，所以將調速器稱為水門或汽門開度控制器則更為合適。因而從上述意義上來看，控制理論的發(fā)展正面臨新的機遇。 在控制理論的應用方面，控制理論越來越緊密的與其他相關學科和新興產業(yè)相交叉、滲透、融合與應用。工業(yè)生產和技術裝置的大型化和復雜化，工業(yè)企業(yè)管理與控制的一體化，對控制理論提出了新的課題，必須開辟對大型復雜系統(tǒng)控制這一重要研究方向，尋求適應生產技術水平不斷提高的新的控制律的設計理論與方法。這使控制理論面臨著新的挑戰(zhàn)，決定了它目前處于新一輪大發(fā)展的前夕。70年代出發(fā)展起來的非線性控制理論解決了這一問題，并涌現(xiàn)出許多新結果，如微分幾何、變結構、非線性H∞控制等。從50年代末到60年代起，由于航天、航空、航海的發(fā)展，要求有更快、更精、更可靠的控制方法，這就導致控制理論的新一輪發(fā)展高潮，出現(xiàn)了基于狀態(tài)空間描述的控制理論。另一方面，隨著工程技術的發(fā)展以及其他學科的影響與滲透， 控制理論它也經歷了幾次大發(fā)展。文獻 [6]的大量應用實例及工程實際研究進一步表明應用控制理論于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制的巨大效益以及現(xiàn)實可用性和廣闊前景?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)分布地域極廣，且輸送巨大的電功率，對其電能的質量（頻率、電壓和波形）、數據要求極嚴格，由此決定了安全穩(wěn)定控制技術復雜，涉及面廣，應具有很強的抗干擾能力和事故恢復能力，可靠性要求很高，因此還存在不少問題需要進一步解決和完善。我國電力系統(tǒng)中安全穩(wěn)定控制技術的開發(fā)應用較早，50年代起即普遍應用的低頻減載和后來應用于某些電網的穩(wěn)定控制，曾對保證電網的安全穩(wěn)定運行起了重要作用。50年代當發(fā)電機容量小，電網供電規(guī)模不大時，電力系統(tǒng)的控制常以PID控制為主要的控制手段。長期以來，國內外的專家、學者對如何保證和提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了大量的研究工作，并且至今仍將