【正文】 txV ，在原點(diǎn)任一領(lǐng)域內(nèi)，總存在點(diǎn) x 的可以使 )0(0),( ??txV ，并且 V 沿系統(tǒng)（ 41）的解對(duì) t 的全導(dǎo)數(shù)是正定的（負(fù)定的），則系統(tǒng)（ 41）的平衡點(diǎn) 0?x 就被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。反推法（ Back stepping）其實(shí)就是將較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)劃分為一個(gè)個(gè)不超過系統(tǒng)階數(shù)的子系統(tǒng)，這就是它的本質(zhì)，然后我們?cè)賳为?dú)設(shè)計(jì)這些分解好的子系統(tǒng)的部分李雅普諾夫函數(shù)，在確保子系統(tǒng)存在一定收斂性的前提下獲得子系統(tǒng)的虛擬控制率，在進(jìn)行下一個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，我們把上一個(gè)子系統(tǒng)的虛擬控制律看做這個(gè)子系統(tǒng)的跟蹤目標(biāo)。 u 為控制器的輸入量。 并用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論進(jìn)行了證明，證明了控制器可以使系統(tǒng)在擾動(dòng)情況下恢復(fù)穩(wěn)定。 加入控制器后的系統(tǒng)仿真 由于系統(tǒng)中出現(xiàn)了混沌振蕩，為了抑制混沌，在兩機(jī)并聯(lián)的基礎(chǔ)上引入第五章設(shè)計(jì)的控制器，控制器模型如式（ 44）所示。為了緩解不穩(wěn)定的現(xiàn)象，本文 在 船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)型非線性系統(tǒng) 中加入了自適應(yīng)控制器 。在船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)的模型上利用反推法和自適應(yīng)控制器來控制船舶的穩(wěn)定性。 本論文是在導(dǎo)師田燕老師的盡心指導(dǎo)下完成的，從論文的選 題 開始，再到框架的設(shè)計(jì)，以及最終的修改定稿，田老師都傾注了大量心血，不怕麻煩。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要就是將自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)和反推法相結(jié)合。 本章小結(jié) 本章根據(jù)前面的數(shù)學(xué)模型，給出了船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)時(shí)和加入控制器后的兩張仿真圖， 通過 simulink 仿真，得到了不加控制器時(shí)的功角 ? 、功角速度 ? 的波形圖和加入控制器后的功角 ? 、功角速度 ? 的波形圖，四張圖片的前后對(duì)比，證明了所設(shè)計(jì)的控制器的作用，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。 圖 52： 功角 ? 的時(shí)序圖 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 53： 功角速度 ? 的時(shí)序圖 從仿真波形中可以看出，功角和功角速度的波形具有遍歷性。首先介紹了自適應(yīng)控制器 的概念原理 ，接著介紹了李雅普諾夫穩(wěn)定性定理，然后介紹了反推法。 在第三章中，式（ 32）是建立的船舶電力系統(tǒng)非線性兩機(jī)并聯(lián)模型，根據(jù)這一模型可以設(shè)計(jì)出基于反推法的自適應(yīng)控制器模型 [14]，如式（ 44）所示： 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 ?????????????????uyxkkddyyddxs in21 （ 44） 控制器模型中 1k ， 2k 均為常數(shù)，它們的值分 別為 HPk m?1， HPk e??2。 基于 Back stepping 設(shè)計(jì)方法來分析自適應(yīng)控制理論是目前的新方法，在科技高速發(fā)展的今天，處理一些線性系統(tǒng)，尤其是非線性系統(tǒng)的時(shí)候，反步法常用來改善過渡過程品質(zhì)，反推法在電機(jī)控制、機(jī)器人控制、以及我們這里研究的船舶控制等工業(yè)控制范疇?wèi)?yīng)用廣泛 [30]。 定理 3 全局漸近穩(wěn)定定理 如果對(duì)于任 意 nRxIt ?? , ，存在一個(gè)無限大的正定函數(shù) ),( txV ，并且這個(gè)函數(shù)具有無窮小上界，若函數(shù) ),( txV 沿系統(tǒng)（ 41）的解對(duì) t 的全導(dǎo)數(shù)是全局負(fù)定的，那么系統(tǒng)（ 41）的平衡點(diǎn) 0?x 就被認(rèn)為是全局漸近穩(wěn)定的。 李雅普諾夫（ Lyapunov）第二方法的定理 李雅普諾夫第二方法又叫做直接方法，下面我們主要敘述一下判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的李雅普諾夫直接法的幾個(gè)基本定理。 ⑵ 負(fù)定性。第一方法是設(shè)法找到擾動(dòng)微分方程組的通解或特解，找到后以級(jí)數(shù)方式表示出來。但實(shí)現(xiàn)起來較困難。于是 就 得想出辦法來應(yīng)對(duì)被控對(duì)象的這種變化。 本章在對(duì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)做了一些介紹后， 建立了船舶電力系統(tǒng) 兩 機(jī)并聯(lián)模型 ， 并對(duì)其進(jìn)行了簡單的分析。 對(duì)上面的模型進(jìn)行一些變換，令 HPt e /?? ， )()( tx ?? ? ， )(/)( tPHy e?? ? ，將式（ 31）進(jìn)行簡化得 負(fù)載 P、 Q 11 ??E 1dx x r r x 2dx 22 ??E 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 ?????????????xyxddyyddxs i nc oss i n ??????? （ 32） 式（ 32）中， HPD e /?? , em PP /?? ， p??? ， ePH /?? ? 。當(dāng)船舶電力系統(tǒng)雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)就形成 了互聯(lián)系統(tǒng)，雙機(jī)并聯(lián)基本供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 船舶在航行時(shí)一般都需要兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組一起在網(wǎng)運(yùn)行來保證電力系統(tǒng)的電能提供，即使在電網(wǎng)處于輕載的情況下。這時(shí)，我們用 a， b， c 表示定子三相繞組；磁場繞組用下標(biāo)為 fd；直軸繞組用下標(biāo)為 kd；交軸繞組下標(biāo)為 kq； k 為阻尼繞組數(shù)。這個(gè)磁場可以在電樞繞組中感應(yīng)出交流電動(dòng)勢。若建立坐標(biāo)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上相對(duì) 橫 縱坐標(biāo)是完全對(duì)稱的。提高了系統(tǒng)在大的擾動(dòng)下的穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)效果。在古典控制理論基礎(chǔ)上的電力系統(tǒng)圖穩(wěn)定器也是有一定缺點(diǎn)的，如它只 能反映輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系，而系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的變化情況它卻不可以反映出來。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ pps）的原理是 古典控制理論，這一原理來源于建立數(shù)學(xué)模型， 是 數(shù)學(xué)函數(shù)分析。當(dāng)一些干擾造成了頻率漸進(jìn)或不可控的降落時(shí)，頻率就會(huì)不穩(wěn)定。 與電壓不穩(wěn)定相比，電壓崩潰就復(fù)雜和嚴(yán)重了。許多設(shè)備都會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，對(duì)電力推進(jìn)船舶來說船舶 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)是非常重要的，如果推進(jìn)器負(fù)荷出現(xiàn)較大變化，那么就會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成巨大沖擊。由于各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模式千差萬別，所以電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象也大相近庭。再比如說，船舶進(jìn)出港靠離岸邊時(shí)，為保證船舶的機(jī)動(dòng)性，會(huì)出現(xiàn)頻繁的大功率推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止以及大功率推進(jìn)電機(jī)的大幅度加減速，這些工況都使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到較大影響，使系統(tǒng)進(jìn)入了非線性狀態(tài)，暫態(tài)過程表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定特征。船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)各不相同，則系統(tǒng)的負(fù)載變化也 就有很多種。 選擇船舶電氣設(shè)備要符合船用條件，下面給出一張船用條件的表格 (表 21)。配電裝置按用途主要可分為，主配電板，控制監(jiān)視主電站產(chǎn)生的電能，并對(duì)全船電網(wǎng)進(jìn)行配電；應(yīng)急配電板，控制監(jiān)視應(yīng)急電源產(chǎn)生的電能，并對(duì)應(yīng)急電網(wǎng)進(jìn)行配電；分配電箱，向成組的用電設(shè)備進(jìn)行配電；還有充放電板，監(jiān)視和控制充電設(shè)備。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 21 所示。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 船舶 電力系統(tǒng) 穩(wěn)定性 理論 船舶電力系統(tǒng)的概述 與陸地電力系統(tǒng)相比，船舶電力系統(tǒng)和它的區(qū)別主要在于：船舶在海上航行的獨(dú)立性決定了它是一個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)。最后 把傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法和現(xiàn)代的穩(wěn)定性控制方法 分別進(jìn)行了介紹 。 我國在理論研究、系統(tǒng)完整性分析設(shè)計(jì)方面與西方國家相比仍存在差距。 我國在船舶電力系統(tǒng)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域起步較晚，但在我們的努力下取得了不少成果： ⑴ 船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電率逐年上升。燃汽輪機(jī)作為主動(dòng)力也是未來船舶發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向 。這雖然是一個(gè)復(fù)雜的研究方面，但西方發(fā)達(dá)國家憑借自身雄厚的經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力已經(jīng)設(shè)計(jì)了一些供電的集成方案。船舶在大海上航行，被水包圍，一旦發(fā)生事故，想立刻得到救援肯定不可能，一旦船舶電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定性很可能造成全船停電，會(huì)嚴(yán)重威脅船舶和船上人員的安全，導(dǎo)致船毀人亡的悲劇。船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立電力系統(tǒng)的典型，它規(guī)模較小，但非常復(fù)雜，有許多特點(diǎn)。通過前后兩個(gè)量的波形對(duì)比分析，得出結(jié)論，證明控制器可以在系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)使系 統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定?？茖W(xué)技術(shù)日新月異，船舶電力 系統(tǒng)容量在不斷提高，生產(chǎn)技術(shù)在不斷進(jìn)步，船舶電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷發(fā)展，除了船舶的電氣照明和電力拖動(dòng)之外，現(xiàn)在船舶大部分使用電力推進(jìn)裝置。它是一個(gè)典型的獨(dú)立電力系統(tǒng)，規(guī)模較小，但卻十分復(fù)雜。 仿真主要研究在不加控制器時(shí)和加控制器之后，功角 ? 和功角速度 ? 兩個(gè)量的時(shí)序圖。 因此船舶電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)相比在容量，輸配電等方面都存在很大差異。這些都是船舶航行時(shí)的安全隱患。西方在船舶電力系統(tǒng)方面的研究側(cè)重于 : ⑴ 集成技術(shù)的研究。燃汽輪機(jī)作為主動(dòng)力不僅可以提高供電密度，還可以節(jié)約船舶空間。在未來電力諧波處理也將被放入智能管理系統(tǒng)中。 我國在工業(yè)基礎(chǔ)方面還是有一定的基礎(chǔ)和優(yōu)勢的，如船舶原動(dòng)機(jī)、船舶發(fā)電機(jī)以及船舶配電、船舶的變頻調(diào)速等關(guān)鍵性技術(shù)。在對(duì)船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有了一 定 了解的 基礎(chǔ)上，介紹了船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念和船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定的分類。通過對(duì)比前后兩次仿真的功角 ? 、功角速度 ? 的波形圖，證明了加入所設(shè)計(jì)的控制器后，系統(tǒng)可以在外界擾動(dòng)下恢復(fù)穩(wěn)定。船舶電力系統(tǒng)包括電能的產(chǎn)生、輸送、分派以及消耗等全部裝置以及它們所形成的網(wǎng)絡(luò) [8]。配電裝置包括各種轉(zhuǎn)換和控制開關(guān)、互感器、連接線路、保護(hù)設(shè)備、自動(dòng)化裝置等一些附屬設(shè)備。動(dòng)力負(fù)載約占總用電量的 70%。 4 鹽霧 有 8 振動(dòng) 有 5 油霧 有 9 沖擊 有 6 霉菌 有 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行 工況及 特點(diǎn) 對(duì)船舶的航行進(jìn)行分析，首先要了解船舶的 經(jīng)典 工況，比如海洋遠(yuǎn)航、靠離岸邊、裝卸物品與進(jìn)港停泊等。在極端天氣下，比如冬季，天氣寒冷，水溫低，海洋航行環(huán)境不可預(yù)測，水動(dòng)力負(fù)荷的變化大，且毫無規(guī)律可言，這時(shí)船舶的 一些工況會(huì) 導(dǎo)致推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大幅度變化，這 就 會(huì)造成船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性 受到 極大影響。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定概念 首先可以這樣理解船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，給它下一個(gè)定義：系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件都具備的情況下，可以達(dá)到工作的平衡狀態(tài)，在受到外界擾動(dòng)后能夠自動(dòng)恢復(fù)穩(wěn)定，返回到允許的平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)面對(duì)一些特別嚴(yán)重的擾動(dòng)時(shí)，如電網(wǎng)突然短路，失去一臺(tái)發(fā)電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)也要能保持運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)力矩不夠就會(huì)延長起動(dòng)時(shí)間，假如電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，電流則會(huì)變大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，若保護(hù)裝置拒動(dòng)就會(huì)燒壞電動(dòng)機(jī)。 一般情況下頻率穩(wěn)定就是指系統(tǒng)在規(guī)定的額定運(yùn)行條件下運(yùn)行時(shí)或系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，系統(tǒng)中所有母線都長時(shí)間的保持可承受的頻率變化的能力，與專制角穩(wěn)定也有關(guān)系。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定 轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定 頻率穩(wěn)定 電壓穩(wěn)定 小信號(hào)擾動(dòng) 角度穩(wěn)定 大擾動(dòng) 電壓穩(wěn)定 小擾動(dòng) 電壓穩(wěn)定 短期 短期 短期 短期 長期 暫態(tài)穩(wěn)定 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制 技術(shù) 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法是用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行控制。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以選取和低頻振蕩有關(guān)的信號(hào)，比如發(fā)電機(jī)的有功功率、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率等等一些信號(hào)，在原信號(hào)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)作為附加信號(hào)，送到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中去，產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。面對(duì)更加復(fù)雜的電能變換控制可以清晰的通過方程分析出來。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 三 章 船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)型非線性數(shù)學(xué)模型 船舶電力系統(tǒng)建模 一般情況下，對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，我們假設(shè)系統(tǒng)是理想電機(jī)系統(tǒng)：電機(jī)磁鐵部分的磁導(dǎo)率，不考慮其磁滯，但可以考慮一定的磁飽和，并且不考慮渦流與磁滯效應(yīng)，將其看為常數(shù)。在繞組中通入直流電形成磁場。假設(shè)阻尼繞組中的電流在一個(gè)磁鏈與 d 軸磁場同軸的閉合回路和一個(gè)磁鏈與 q 軸磁場同軸的閉合回路中流通。除此之外，船舶電力系統(tǒng)會(huì)受到一些代數(shù)方程的限制，如負(fù)荷特性和潮流方程等。 研究人員得出結(jié)論，船舶電力系統(tǒng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間有功率的傳輸，若這時(shí)系統(tǒng)受到一定量的周期性負(fù)荷擾動(dòng)的影響，就會(huì)出現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)的混沌現(xiàn)象。 )cos( tPP e ??? 是為了研究而引入的電磁擾動(dòng)，這里面擾動(dòng)幅值是用 ePP?? 來表示的， ? 是擾動(dòng)頻率。 本章小結(jié) 通過 本章 分析我們知道了，對(duì)船舶電力系統(tǒng)來說同步發(fā)電機(jī)至關(guān)重要，它保證了船舶的穩(wěn)定運(yùn)行。變化的對(duì)象使預(yù)定目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)控制非常符合客觀規(guī)律，可行性強(qiáng)。 李雅普諾夫穩(wěn)定性理論 李雅普諾夫在研究運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題方面提出了兩種方法：分別是第一方法和第二方法。 若 ),( txV 這個(gè)時(shí)變函數(shù)有一個(gè)定常的正定函數(shù)作為它的下限，那么就存在一個(gè)正定函數(shù) )(xW ，可以使 )(),( xWtxV ? ， 0),0( ?tV ， 0tt? ，那么就說時(shí)變函數(shù) ),( txV 在域 S（域 S 包涵狀態(tài)空間的原點(diǎn)）內(nèi)是正定的 [25]。假如在域 S 之中，存在不管域 S 有多小，只要 )(xV 既可為正值也可為負(fù)值，那么就說標(biāo)量函數(shù) )(xV 是一個(gè)不定函數(shù)。 定理 2 漸近穩(wěn)定定理 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 如果對(duì)于 DxIt ???? , ，存在一個(gè)正定（或負(fù)定 ）的函數(shù) ),( txV ，并且這個(gè)函數(shù)具有無窮小上界，如果函數(shù) ),( txV 沿系統(tǒng)（ 41）的解對(duì) t 全導(dǎo)數(shù)是負(fù)定的，那么系統(tǒng)（ 41