【正文】 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。 總之，船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究是一個(gè)非常重要的研究方向，值得研究，有待研究的內(nèi)容有很多，對(duì)船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究非常有實(shí)際意義。還有許多問題有待研究。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。在已經(jīng)進(jìn)行理 論證明的前提下，本文還通過 Matlab 仿真程序進(jìn)行了仿真。強(qiáng)化船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性意義非凡。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 。 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。進(jìn)行仿真后可以得到功角 ? 的時(shí)序圖（如圖 55 所示）和功角速度 ? 的時(shí)序圖（如圖 56 所示）。設(shè)置加入的控制器的參數(shù)： puD 3? ，sH ? ， kwPe 1380? ， kwPm 13? ， u 假設(shè)值為 0 ， ?? 。 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。 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。為了方便觀察分析，在這里再次寫出 ?????????????xyxddyyddxs i nc oss i n ??????? （ 51） 根據(jù)式（ 51）這一方程組，可以畫出其 simulink 仿真圖，如圖 51 所示 圖 51： 船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)仿真圖 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） 28 仿真前首先要對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為了使仿真更加接近實(shí)際情況，選擇如下參數(shù)，?? ， ?? ， ?? ， ?? 。本章的任務(wù)就是對(duì)前面建立的模型進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真出的功角 )(t? 和功角速度 )(t? 的時(shí)序圖來觀察系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證控制器的效果，從而得出結(jié)論 [38]。 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。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。當(dāng) 0?? 時(shí)，系統(tǒng)也能夠有效的抑制擾動(dòng)，在控制器的作用下回到原來的平衡點(diǎn) [35]。 令 xz?1 ，由式（ 44）的第一個(gè)方程，第一個(gè)子系統(tǒng)，為了使 211 21zV?的導(dǎo)函數(shù)?? ? 111 zzV 是負(fù)定的，所以取 y 為虛擬控制，給其設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定化函數(shù)，虛 擬反饋 )(x? ，對(duì)其進(jìn)行假設(shè) )1()( 111 ??? czcx? （ 45） 定義誤差變量 )(2 xyz ??? （ 46） 可以得到 ?? 121211111 )( zzzzzyzzzV ?????? ?? （ 47） 再次引入能量函數(shù) )(21 ~2212???? ?zVV ，式中 ~? 表示參數(shù)估計(jì)誤差，計(jì)算方法是??? ???~ ， ?? 表示參數(shù)估計(jì)值。 u 為控制器的輸入量。 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。 基于反推法的自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì) 為了減小和抑制船舶電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的混沌現(xiàn)象，使系統(tǒng)在參數(shù)不確定及外界擾動(dòng)情況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行。 Back stepping 設(shè)計(jì)方法沒有了以往系統(tǒng)不確定性滿足匹配條件的限制，為較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制問題找到了解決辦法。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)。 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]。反推法是一種回歸設(shè)計(jì)方法，它可以將控制器的設(shè)計(jì)和李雅普諾夫定理的應(yīng)用結(jié)合起來。 反推法（ back stepping）的基本 原理 介紹 通常說的反推法（ back stepping），又可以叫做逐步后推設(shè)計(jì)方法。 定理 4 不穩(wěn)定定理 ⑴ 如果存在一個(gè)連續(xù)可微的，具有無限小上界的函數(shù) ),( 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。 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。 ⑵ 如果滿足上述條件的正定（或負(fù)定）函數(shù) ),( txV 具有無窮小上界，那么對(duì)于系統(tǒng)（ 41）的平衡點(diǎn) 0?x 就被被認(rèn)為是一致穩(wěn)定的。當(dāng)換做研究全局穩(wěn)定時(shí)，就假設(shè) 0?x 是系統(tǒng)（ 41）的一個(gè)唯一平衡點(diǎn)。前提先進(jìn)行下列假設(shè)，假設(shè)系統(tǒng) ),( txfdtdx? ， nRDx ?? ， ),[ ???? ?It （ 41） 如果 )(0),( 0 ttxf ?? ，那么 0x 就是非自治系統(tǒng)的平衡點(diǎn)了。 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。 ⑸ 不定性。 ⑷ 半負(fù)定性。 ⑶ 半正定性。 ⑵ 負(fù)定性。標(biāo)量函數(shù) )(xV 對(duì)包含于域 S 中的非零狀態(tài)量 x ，當(dāng)有 0)( ?xV 并且0)0( ?V 的情況出現(xiàn)，那么包含于域 S（域 S 包涵狀態(tài)空間的原點(diǎn)）內(nèi)的標(biāo)量函數(shù) )(xV就是正定的。李雅普諾夫直接法因?yàn)槠鋬?yōu)越性得到很大發(fā)展，成為穩(wěn)定性研究的基本方法。一般這種方法應(yīng)用于非線性振動(dòng)的范疇。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。自適應(yīng)控制最大的功能就是通過檢查性能指標(biāo)的變化來了解被控對(duì)象的變化，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） 20 產(chǎn)生應(yīng)對(duì)這種變化的控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)可變控制規(guī)律的可調(diào)節(jié)的控制器。那么應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)這種變化呢？目前自適應(yīng)控制能做的就是不去檢測(cè)哪些因素發(fā)生變化，而是具體關(guān)注一個(gè)或者幾個(gè)指標(biāo)，只 要 它們發(fā)生變化，控制規(guī)律就開始實(shí)行。等到發(fā)現(xiàn)可能已經(jīng)對(duì)結(jié)果造成影響。但實(shí)現(xiàn)起來較困難。 另一種就是“你變我也變”的自適應(yīng)控制。再怎么變化也都在 人們 的掌控之中，被控對(duì)象還是會(huì)達(dá)到控制者的愿望，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)；或者對(duì)象實(shí)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)會(huì)有點(diǎn)偏差，但是在允許范圍之內(nèi)。 一種是“以不變應(yīng)萬變”的魯棒控制。于是 就 得想出辦法來應(yīng)對(duì)被控對(duì)象的這種變化。對(duì)象改變了，而規(guī)律沒 變，這顯然不合理。 被控對(duì)象是會(huì)變化的，隨著時(shí)間的增加、元件的損壞、環(huán)境的變化，控制對(duì)象都會(huì)發(fā)生改變。那么自動(dòng)控制就是在控制過程中不需要人這個(gè)控制者的干預(yù)的，由控制器來取代人，來控制被控對(duì)象，使其按照設(shè)定的程序、規(guī)律運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)控制者的愿望。 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(jiǎn)單的分析。電力系統(tǒng)的混沌現(xiàn)象表現(xiàn)為無規(guī)則的發(fā) 電機(jī)振蕩現(xiàn)象，在混沌振蕩幅度增大和時(shí)間增加的情況下，會(huì)使系統(tǒng)難于控制，使系統(tǒng)的控制質(zhì)量下降；嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐呻娋W(wǎng)電壓或頻率的大幅度波動(dòng)，引起發(fā)電機(jī)逆功率，最終導(dǎo)致互聯(lián)系統(tǒng)的解列 [23]。發(fā)電機(jī)互聯(lián)電力系統(tǒng)很有肯能出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。系統(tǒng)狀態(tài)量 x 是由 ? 變換得到的，它的物理意義是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角差；系統(tǒng)狀態(tài)量 y 是由 ?變換得到的，它的物理意義是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角差相對(duì)速度 [22]。 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(jiǎn)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 /?? ? 。兩機(jī)并聯(lián)型船舶電力系統(tǒng)具有以下形式 [20]，描述如下 （式 31）所示 ： ???????????????????s i n)c os1( tPPDPdtdHdtdem （ 31） 模型中， H 表示等值轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， D 表示等值阻尼系數(shù)， eP 表示建立起來的系統(tǒng)的輸出電磁功率， mP 表示發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率。圖 32 所畫的船舶電力系統(tǒng)是沒有變壓器的船舶電力系統(tǒng) [19]。 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） 17 圖 32： 船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)時(shí)的模型 圖中 11 ??E 和 22 ??E 是系統(tǒng)中并聯(lián)的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電勢(shì)， 1dx 及 2dx 是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的同步電抗， r 和 x 是 線路電阻和電抗。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。假如船舶正行駛在 無邊的 大海上，電力系統(tǒng)突然瓦解，后果是不堪設(shè)想的，所以進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)的研究具有深刻的意義。如果出現(xiàn)多臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)輕載運(yùn)行的情況，也可以等效為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組供電運(yùn)行。另一方面也使電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的工作效率有所 提 高。 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。從理論方面來說，船舶電力系統(tǒng)中的一些特殊器件的動(dòng)態(tài)特性都可以用微分方程的形 式來表示，如發(fā)電裝置，調(diào)速器，還有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等。忽略磁滯影響和磁飽 和影響。 為了研究方便，同步發(fā)電機(jī)建模時(shí)通常做以下假設(shè)：定子繞組沿氣隙是正弦分布的。這時(shí)，我們用 a， b， c 表示定子三相繞組；磁場(chǎng)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)。直流電源與磁場(chǎng)繞組相連接。 同步發(fā)電機(jī)的繞組分配 同步發(fā)電機(jī)的定子回路包括三相電樞繞組，同 步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路包括磁場(chǎng)繞組和阻尼繞組，勵(lì)磁繞組接直流電源。 交軸，又稱 q 軸，超前直軸 90 度。這個(gè)磁場(chǎng)可以在電樞繞組中感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)。同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中最重要是磁場(chǎng)和電樞兩塊。 同步發(fā)電機(jī)電氣結(jié)構(gòu) 對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，最重要的就是同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。繞組在氣隙中產(chǎn)生正弦磁動(dòng)勢(shì)。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。 為下面研究船舶電力系統(tǒng)模型打下一些理論基礎(chǔ)。 接著 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。這也是以后新一江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 代高質(zhì)量電能變換測(cè)量控制的發(fā)展方向 [15]。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。添加了內(nèi)部變量之后，控制算法的設(shè)計(jì)就可以使用狀態(tài)空間概念，這樣提高了對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的控 制質(zhì)量和限制能力，實(shí)現(xiàn)了控制理論受限的最優(yōu)控制。給出基于線性代數(shù)的系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程。 現(xiàn)代穩(wěn)定性控制方法 現(xiàn)代控制理論和傳統(tǒng)的古典控制理論相比首先從數(shù)學(xué)模型上給與突破。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