【文章內(nèi)容簡介】 磁裝置有刷勵(lì)磁裝置的特點(diǎn)是采用電刷和滑環(huán)裝置將直流勵(lì)磁電流送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組中。有刷勵(lì)磁裝置的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁裝置界限明顯，相對(duì)獨(dú)立，而且轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓容易取得，數(shù)值準(zhǔn)確，檢修方便。但是，由于電刷具有較大的接觸電阻，當(dāng)勵(lì)磁電流較大時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，甚至發(fā)生環(huán)火，燒毀滑環(huán)；電刷磨損時(shí)產(chǎn)生的碳粉會(huì)影響發(fā)電機(jī)絕緣，帶來安全隱患；另外，工作人員需要定時(shí)調(diào)節(jié)電刷的位置以保證電刷滑環(huán)接觸良好。無刷勵(lì)磁裝置的特點(diǎn)是采用了交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流子結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)取代了有刷勵(lì)磁裝置中的電刷滑環(huán)裝置，大大提高了勵(lì)磁裝置的可靠性，減輕了維護(hù)工作人員的負(fù)擔(dān)，延長了裝置的工作壽命；另外，降低了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置的電壓等級(jí)，使其更適于在大容量發(fā)電機(jī)中使用。(3) 勵(lì)磁裝置根據(jù)調(diào)節(jié)原理不同可以分為三類[27]：按機(jī)端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的勵(lì)磁裝置。以發(fā)電機(jī)端電壓作為被檢測量和被控制量，它的調(diào)節(jié)作用只與發(fā)電機(jī)端電壓的偏差有關(guān)，而與產(chǎn)生的擾動(dòng)無關(guān)，是一種閉環(huán)勵(lì)磁控制。這種勵(lì)磁裝置具有調(diào)節(jié)精度高，靜態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)；但是調(diào)節(jié)過程震蕩比較嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)性能比較差。按負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的勵(lì)磁裝置，以發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流作為被檢測量，而以發(fā)電機(jī)的端電壓作為被控制量，是一種按擾動(dòng)進(jìn)行超前調(diào)節(jié)的開環(huán)勵(lì)磁控制。這種勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程是非周期性的，振蕩比較小，動(dòng)態(tài)性能好；但是當(dāng)發(fā)電機(jī)受到轉(zhuǎn)速、溫度等負(fù)載電流以外的干擾時(shí)，勵(lì)磁裝置沒有響應(yīng)輸出，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓出現(xiàn)偏差，因此靜態(tài)性能比較差。按發(fā)電機(jī)端電壓和負(fù)載電流進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)的勵(lì)磁裝置，結(jié)合了上述兩種調(diào)節(jié)方式的特點(diǎn)，它的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都比較理想。因此，這種綜合調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置在船舶發(fā)電機(jī)中應(yīng)用比較廣泛，其中比較典型的一種是可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置。 相復(fù)勵(lì)無刷勵(lì)磁裝置現(xiàn)在船舶同步發(fā)電機(jī)大多采用自勵(lì)式無刷勵(lì)磁裝置，采用發(fā)電機(jī)端電壓、負(fù)載電流作為勵(lì)磁電源，經(jīng)過整流裝置整流成直流勵(lì)磁電源供給交流勵(lì)磁機(jī)，具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單可靠、成本較低等多方面優(yōu)點(diǎn)。常見的自勵(lì)式無刷勵(lì)磁裝置有三相諧波自勵(lì)式和相復(fù)勵(lì)式等結(jié)構(gòu)，本文以相復(fù)勵(lì)無刷勵(lì)磁裝置作為研究對(duì)象。Fig. The schematic circuit diagram of phase pound excitation brushless exciting device，其中相復(fù)勵(lì)單元是其核心，主要包括移相電抗器L、電流互感器TC、復(fù)勵(lì)變壓器T和諧振電容器C等部分[31]。當(dāng)發(fā)電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組中的剩磁在發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生剩磁電動(dòng)勢。該剩磁電動(dòng)勢在移相電抗器L和諧振電容C之間產(chǎn)生諧振，使復(fù)勵(lì)變壓器T的副邊輸出電壓升高。當(dāng)復(fù)勵(lì)變壓器副邊輸出的電壓足以克服整流元件的正向壓降時(shí)，整流裝置開始向交流勵(lì)磁機(jī)輸出直流電流。交流勵(lì)磁機(jī)獲得直流勵(lì)磁電源之后便開始通過旋轉(zhuǎn)整流子向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電來增強(qiáng)勵(lì)磁磁場，形成自勵(lì)內(nèi)反饋，這樣發(fā)電機(jī)電壓逐漸升高，直至達(dá)到空載電壓額定值，順利實(shí)現(xiàn)起勵(lì)建壓。諧振電容C增強(qiáng)了相復(fù)勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的起勵(lì)性能，省去了專門的起勵(lì)電路，使勵(lì)磁裝置更加簡單。當(dāng)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，移相電抗器L和電流互感器TC分別檢測發(fā)電機(jī)端電壓U和負(fù)載電流I信號(hào)，送到復(fù)勵(lì)變壓器T經(jīng)過電磁疊加得到交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電源，再經(jīng)過整流裝置整流送到交流勵(lì)磁機(jī)定子上的勵(lì)磁繞組，這樣交流勵(lì)磁機(jī)根據(jù)發(fā)電機(jī)端電壓和負(fù)載電流調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小。Fig. The schematic phasor diagram of phase pound excitation unit，交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流是由電壓分量和電流分量兩個(gè)向量合成，它的大小是由發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流以及負(fù)載電流與發(fā)電機(jī)端電壓之間的相位夾角即功率因數(shù)角φ決定的。由此可見，相復(fù)勵(lì)無刷勵(lì)磁裝置可以根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，將發(fā)電機(jī)的端電壓維持在一定的范圍內(nèi)，是一種典型的具有擾動(dòng)補(bǔ)償控制功能的勵(lì)磁裝置。 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不可控相復(fù)勵(lì)裝置具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，已經(jīng)能夠?qū)l(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。但是它屬于開環(huán)勵(lì)磁控制，當(dāng)發(fā)電機(jī)受到小范圍的干擾時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓靜態(tài)性能不夠理想，穩(wěn)態(tài)電壓變化率較大。因此，在不可控相復(fù)勵(lì)基礎(chǔ)上加自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，使之成為按發(fā)電機(jī)端電壓和負(fù)載電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的綜合勵(lì)磁裝置，可以大大提高電力系統(tǒng)的電壓靜態(tài)穩(wěn)定性能。，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器包括基本控制、輔助控制和勵(lì)磁限制三大部分[32]。Fig. The functional block diagram of the excitation regulator基本控制環(huán)節(jié)通過比較發(fā)電機(jī)端電壓測量值Ut和電壓給定值UG得到電壓偏差ΔU，然后由勵(lì)磁調(diào)節(jié)單元進(jìn)行計(jì)算得到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制輸出量uc，最后由uc控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小，是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的核心功能部分。輔助控制環(huán)節(jié)是為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)壓精度而附加的控制單元，如電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）、勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償器（ESS）等。船舶電力系統(tǒng)容量較小，電能傳送距離短，受低頻振蕩的影響微弱，因此船舶發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中一般很少有設(shè)置PSS[33]。勵(lì)磁限制環(huán)節(jié)是為了提高電力系統(tǒng)可靠性，對(duì)同步發(fā)電機(jī)在各種極限運(yùn)行狀態(tài)下的勵(lì)磁電流進(jìn)行限制的控制單元，如最大勵(lì)磁電流瞬時(shí)限制（OEL）、反時(shí)限延時(shí)過勵(lì)磁電流限制、最小勵(lì)磁電流限制（UEL）等。 勵(lì)磁調(diào)差裝置同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，它們的勵(lì)磁裝置必須能夠根據(jù)各發(fā)電機(jī)的容量比例對(duì)船舶電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行合理分配。在不可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置中，一般采用直流均壓線的方式，即將并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的相復(fù)勵(lì)直流輸出端并聯(lián)，這樣各發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流相等，只要各發(fā)電機(jī)有功功率相等，它們所承擔(dān)的無功功率也等。但是當(dāng)并聯(lián)的發(fā)電機(jī)容量不同時(shí)，它們的無功功率不能容量比例進(jìn)行分配。采用可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置的發(fā)電機(jī)，由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，電壓靜態(tài)穩(wěn)定性能好，單機(jī)運(yùn)行時(shí)基本夠?qū)崿F(xiàn)無差運(yùn)行，但是在與其他發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，不能自動(dòng)分配無功功率，對(duì)此人們在可控相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁裝置中附加了勵(lì)磁調(diào)差裝置。但是采用調(diào)差裝置犧牲了發(fā)電機(jī)的靜態(tài)調(diào)壓精度，因此只有在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)才投入使用。調(diào)差裝置按原理可以分為橫向電流補(bǔ)償和差動(dòng)電流補(bǔ)償兩種形式[24]： 橫向電流補(bǔ)償調(diào)差裝置電路原理圖Fig. The schematic circuit diagram of the horizontal current pensation adjustment device 橫向電流補(bǔ)償調(diào)差相量原理圖Fig The schematic phasor diagram of the horizontal current pensation adjustment。發(fā)電機(jī)工作時(shí)電壓互感器PT檢測與線電壓成正比的，同時(shí)調(diào)差電路則在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的檢測端附加一個(gè)與發(fā)電機(jī)負(fù)載電流成正比的電壓信號(hào)，兩個(gè)電壓信號(hào)合成為自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓檢測信號(hào)。這樣自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測的發(fā)電機(jī)端電壓虛假升高，這使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置減小勵(lì)磁電流，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓下降。帶有橫向電流補(bǔ)償調(diào)差電路的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器使發(fā)電機(jī)具有較大的調(diào)差率，這有利于發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)對(duì)無功負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)和分配。Fig. The schematic circuit diagram of the difference current pensation adjustment device，這種調(diào)差電路附加在補(bǔ)償電阻R1和R2上的電流為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流的差值，則兩臺(tái)發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上的附加電壓分別為： （） （）式中，URUR2為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器附加電壓；RR2為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器補(bǔ)償電阻；IRIR2為兩個(gè)電流互感器輸出電流。：Fig. The schematic phasor diagram of the difference current pensation adjustment，當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)有功功率相等時(shí)，1號(hào)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器附加電壓只與兩臺(tái)發(fā)電機(jī)無功電流差值有關(guān)。當(dāng)1號(hào)發(fā)電機(jī)無功電流大于2號(hào)發(fā)電機(jī)無功電流時(shí)，它的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測的發(fā)電機(jī)端電壓虛高，磁裝置減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，減小其承擔(dān)的無功負(fù)載；同時(shí)，2號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置增大發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，增加其承擔(dān)的無功負(fù)載，直到兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的無功電流相等。對(duì)于容量不同的發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電阻R1和R2的大小，可以保證它們并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的無功負(fù)載按容量比例進(jìn)行分配。19第三章 模糊參數(shù)自適應(yīng)PID勵(lì)磁控制器船舶同步發(fā)電機(jī)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器絕大多數(shù)都采用PID控制算法（如煙大渤?；疖囕喍缮习l(fā)電機(jī)的UNITROL 1000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用的便是數(shù)字式PID控制方式），但是船舶電力系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)的不確定性導(dǎo)致參數(shù)確定的普通PID控制器不能在系統(tǒng)的整個(gè)工作范圍內(nèi)都保持良好的控制效果。有一些數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器預(yù)設(shè)定多組PID控制參數(shù)（如巴斯勒電氣的DECS—100型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器預(yù)設(shè)20組標(biāo)準(zhǔn)PID參數(shù)選擇）[34]，能夠在船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)選擇合適的控制參數(shù)組。但是這無疑加重了處理器的工作負(fù)擔(dān)，影響勵(lì)磁裝置的響應(yīng)速度；另外，當(dāng)參數(shù)組選擇不合適時(shí)反而會(huì)影響控制器的效果。如果數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的PID控制器具有參數(shù)自適應(yīng)整定功能，能夠根據(jù)系統(tǒng)變化情況自動(dòng)修正參數(shù)，那么船舶電力系統(tǒng)在各個(gè)動(dòng)態(tài)過程中都將取得較好的控制效果。 數(shù)字式PID控制算法 PID控制器基本原理PID控制系統(tǒng)是按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的線性控制系統(tǒng)[35]，： PID控制器原理圖Fig. The schematic diagram of PID controllerPID控制系統(tǒng)工作時(shí)，比較系統(tǒng)的設(shè)定值r和控制對(duì)象實(shí)際輸出值uc得到偏差e，然后PID控制器對(duì)e分別進(jìn)行比例、積分、微分計(jì)算，之后將三個(gè)量線性疊加得到控制器的輸出量uc來控制被控對(duì)象的輸出，直到偏差消失。PID的理想控制算法為： （）其傳遞函數(shù)形式為： （）式中，Kp、Ti和Td分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，它們的取值對(duì)PID控制器的控制效果至關(guān)重要。比例放大環(huán)節(jié)在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，立即輸出與偏差成一定比例的控制量，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。Kp越大比例作用越強(qiáng)，調(diào)節(jié)作用更快，但是超過極限值系統(tǒng)會(huì)失去穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，只要有偏差存在就一直起作用，直到偏差消失。Ti過大時(shí)，積分作用會(huì)消失；Ti過小時(shí)，積分作用過強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性都會(huì)下降；微分環(huán)節(jié)根據(jù)偏差變化率產(chǎn)生超前調(diào)節(jié)作用，能夠提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。Td過小微分作用微弱；過大則會(huì)破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，加劇震蕩。因此必須根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行合適的取值才能保證控制器取得理想的控制效果。 位置式PID控制算法在數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，PID控制器用軟件實(shí)現(xiàn)，這是一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻電壓偏差值來計(jì)算控制量，因此必須對(duì)連續(xù)PID算法離散化[36]。以T作為采樣周期，以k作為采樣序號(hào)，那么可以用離散化的采樣時(shí)間kT來表示t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可做如下近似變換： （）為了簡明起見，可以用ek來表示e(kT)，： （）也可以寫為： （）只要采樣周期T足夠小，離散式PID算法便與連續(xù)PID算法足夠接近，能夠獲得足夠的控制精度。 增量式PID控制算法位置式PID控制算法每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，控制器運(yùn)行時(shí)需要對(duì)ek進(jìn)行累加，不僅使計(jì)算繁瑣還會(huì)占用大量的內(nèi)存空間。另外，當(dāng)計(jì)算錯(cuò)誤時(shí)，uk發(fā)生較大變化，執(zhí)行器也隨之發(fā)生較大變動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此采用遞推原理對(duì)上式改進(jìn)可得： （）此時(shí)控制器輸出的只是控制量的增量，這種算法稱為增量式PID控制算法[36]。該算法中，控制器的輸出只與前后三次測量偏差有關(guān)，大大簡化了處理器的計(jì)算；當(dāng)處理器計(jì)算錯(cuò)誤時(shí)，執(zhí)行器的變化較之位置式PID算法小很多，更加可靠。 PID控制器參數(shù)自整定方法PID控制器的三個(gè)控制參數(shù)的取值非常重要，直接決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。PID控制器理想的控制參數(shù)應(yīng)能夠保證控制系統(tǒng)受到干擾后控制器的超調(diào)量小、減幅振蕩次數(shù)少、過渡時(shí)間短、靜態(tài)偏差小等[37]。PID控制器的參數(shù)自整定是指控制器能夠根據(jù)控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，按照一定的性能指標(biāo)或者控制規(guī)則自動(dòng)地調(diào)整三個(gè)參數(shù)，以使控制系統(tǒng)達(dá)到上述要求。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，必須對(duì)控制系統(tǒng)充分了解才能夠保證在對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行自整定時(shí)取得良好效果。PID控制器的參數(shù)自整定方法多種多樣，根據(jù)整定方式的不同大致可將其分為系統(tǒng)辨識(shí)法和控制規(guī)則法兩大類[38]。 系統(tǒng)辨識(shí)法采用系統(tǒng)辨識(shí)法對(duì)PID參數(shù)在線整定適用于控制對(duì)象模型結(jié)構(gòu)已知而參數(shù)未知的情況[37,38]。這種自整定方法，首先根據(jù)控制對(duì)象精確模型確定某個(gè)參數(shù)最優(yōu)化指標(biāo)或者閉環(huán)期望特性，然后采用最小二乘法、遞推法等參數(shù)辨識(shí)技術(shù)對(duì)被控制對(duì)象模型的各參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，當(dāng)對(duì)象控制對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生變化偏離期望性能指標(biāo)時(shí)，自動(dòng)地調(diào)整PID控制器的參數(shù)，保持控制系統(tǒng)穩(wěn)定在理想狀態(tài)。這種辨識(shí)參數(shù)整定方法本質(zhì)上是自適應(yīng)控制理論與系統(tǒng)辨識(shí)理論的結(jié)合[39]。： PID辨識(shí)法參數(shù)整定原理圖Fig. The schematic block diagram of PID parameters tuning basing on identification method采用辨識(shí)法整定PID參數(shù)時(shí)，需要在精確的控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上制定系統(tǒng)性能指標(biāo)，比較傳統(tǒng)方法有極點(diǎn)配置原理、幅相裕度原理和零極點(diǎn)相消原理等?？刂评碚摰陌l(fā)展使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、群智能算法等智能控制也應(yīng)用到PID參數(shù)自整定中[4042]。這些整定方法在控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上制定某一性能指標(biāo)，通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分析，自動(dòng)整定PID控制器的三個(gè)參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的性能，因此也屬于辨識(shí)法PID自整定方法。采用辨識(shí)法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自整定的方式具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是需要建立準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)模型，并對(duì)反映控制系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，控制對(duì)象的精確模型很難建立，大都采用近似模型，這就影響了控制器的控制效