【正文】 儲(chǔ)，其機(jī)械過程的時(shí)間常數(shù)和電磁過程的時(shí)間常數(shù)存在很大差距，是一個(gè)多自由度的系統(tǒng)，另外船舶電力系統(tǒng)的非線性和非自治性都很強(qiáng)。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。這樣一方面為船舶的用電設(shè)備，尤其是一些重要設(shè)備提供安全、可靠、連續(xù)的供電。下面舉例說明，在船舶進(jìn)出港、停泊或行駛于狹水道等狀態(tài)時(shí)，需要兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)在網(wǎng)，保證航行的安全；又如船舶的備車狀態(tài)，這時(shí)發(fā)電機(jī)處于輕載運(yùn)行，大的電氣設(shè)備還沒有投入運(yùn)行 ，這時(shí)也需要兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)運(yùn)行。輕載的情況會(huì)對(duì)船舶電力系統(tǒng)造成影響，會(huì)使電力系統(tǒng)的周期出現(xiàn)振蕩，影響其穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺娏ο到y(tǒng)崩潰瓦解。 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。這是一幅電力系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖。由于船舶電力系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，線路較短，所以線路電阻也就小了，我們常常忽略不計(jì)， P 和 Q 都是系統(tǒng) 負(fù)載。 現(xiàn)代船舶上使用的船舶電力系統(tǒng)一般情況都是同型號(hào)的發(fā)電機(jī)，我們先把兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的相對(duì)功角和相對(duì)功角速度表示出來，分別是 21 ??? ?? ， 21 ??? ?? 。 )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。式（ 32）就是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)時(shí)存在電磁功率擾動(dòng)的模型。 由上面的建?？梢钥闯觯簝蓹C(jī)并聯(lián)型電力系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)。可以看出在系統(tǒng)發(fā)電機(jī)電磁功率和機(jī)械功率都不改變的情形下，再加上系統(tǒng)沒有負(fù)荷的周期性擾動(dòng)的條件，那么系統(tǒng)就可以工作于穩(wěn)定的運(yùn)行平衡點(diǎn)；如果有系統(tǒng)被周期性的負(fù)荷擾動(dòng)影響，那么系統(tǒng)的運(yùn)行軌道就是通過該點(diǎn)的周期軌道，這時(shí)有可能是穩(wěn)定的，也有可能進(jìn)入混沌振蕩，嚴(yán)重的將失去穩(wěn)定性。 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。 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） 19 第四章 基于反推法的 自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì) 自適應(yīng)控制的概念 控制就是控制者按自己的意思去 操作被控制對(duì)象，讓被控制對(duì)象完成其意愿。當(dāng)然設(shè)計(jì)合理的控制規(guī)律和制作出合格的控制器是必須由人來完成的，自動(dòng)是指規(guī)律設(shè)定好、控制器制造出來之后，就不需要麻煩控制者了，被控對(duì)象將會(huì)按照設(shè)計(jì)規(guī)則自動(dòng)運(yùn)行，完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)控制者的目標(biāo)效果。這就會(huì)使原先設(shè)計(jì)的模型變得不準(zhǔn)確了。變化的對(duì)象使預(yù)定目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)。工程中有兩種方法來解決。魯棒控制就是：面對(duì)被控對(duì)象的變化，人們（控制者）設(shè)計(jì)的規(guī)律都可以應(yīng)對(duì)。魯棒控制沒有適應(yīng)對(duì)象變化的反饋。自適應(yīng)控制非常符合客觀規(guī)律，可行性強(qiáng)。被控對(duì)象的變化很難辨別，一些被控對(duì) 象的變化很緩慢，難以察覺，是潛移默化的，難以檢測。有時(shí)候我們已經(jīng)感覺到了被控對(duì)象的變化，但是沒有合適的指標(biāo)去描述這種變化，我們無法知道是哪種因素導(dǎo)致了被控對(duì)象發(fā)生變化，自動(dòng)控制設(shè)備很難在沒有控制的操作下檢測、識(shí)別、記錄這種變化。總的來說，自適應(yīng)控制是一種適應(yīng)性的控制方法，它根據(jù)檢測到的被控對(duì)象的性能指標(biāo)變化情況，配合產(chǎn)生相應(yīng)的反饋控 制，來消除被控對(duì)象的這種變化，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。 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。用這種方法研究穩(wěn)定性問題，理論上來說是完整的，但在實(shí)際應(yīng)用起來卻有較大的局限性。第二方法則非常巧妙，避開了求微分方程的 麻煩，第二方法借助于一個(gè)類似于能量泛函的標(biāo)量函數(shù) ),...,( 1 nxxtV ，簡稱李氏 V 函數(shù)和根據(jù)擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程所計(jì)算得到的 dtdx 的符號(hào)性質(zhì)來直接推斷穩(wěn)定性問題，所以也被叫做直接方法。 標(biāo)量函數(shù)定號(hào)性簡介 ⑴ 正定性。 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]。如果證得 )(xV? 是一個(gè)正定函數(shù)，那么標(biāo)量函數(shù) )(xV 就是一個(gè)負(fù)定函數(shù)。假如標(biāo)量函數(shù) )(xV 除了在原地及某些狀態(tài)處為零值，其余的，在域S 內(nèi)的所有狀態(tài)都為正定的，那么 )(xV 就是一個(gè)半正定函數(shù)。如果證得 )(xV? 是一個(gè)半正定函數(shù)，那么就說標(biāo)量函數(shù) )(xV 是一個(gè)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） 21 半負(fù)定函數(shù)。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)。 要研究非自治系統(tǒng)的在平衡點(diǎn)處的穩(wěn)定性問題。一般的，假設(shè) 0?x 作為系統(tǒng)（ 41）的一個(gè)平衡點(diǎn)。 在上面假設(shè)的基礎(chǔ)上，再規(guī)定一下 ),( txV 沿非自治系統(tǒng)的解對(duì) t 的全導(dǎo)數(shù)為下面這個(gè)算式 ),( fVtVdtdxxVtVdtdV ??????????? （ 42） 定理 1 穩(wěn)定性定理 ⑴ 如果對(duì)于 , DxIt ???? 若存在一個(gè)正定（或負(fù)定）的函數(shù) ),( txV ，且這個(gè)正定（或負(fù)定）函數(shù) ),( txV 沿非自治系統(tǒng)（ 41）的解對(duì) t 的全導(dǎo)數(shù)是常正（常負(fù)）的，那么對(duì)于系統(tǒng)（ 41）的平衡點(diǎn) 0?x 就被認(rèn)為是穩(wěn)定的 [27]。 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）的平衡點(diǎn) 0?x 就被認(rèn)為是一致漸近穩(wěn)定的。 注意：第一，在定理 1 和定理 3 中，對(duì) ),( txV 的要求是具有無窮小上界，但對(duì) dV/dt沒有要求其具有無窮小上界；第二，在定理 3 中，對(duì) ),( txV 的要求是無限大正定函數(shù)，但如果 dV/dt 只是 要 求為全局負(fù)定，則 dV/dt 不需要為無限大正定函數(shù)。 ⑵ 如果存在一個(gè)連續(xù)可微的函數(shù) ),( txV ，滿足 0),0( ?tV ，且在原點(diǎn)的任一領(lǐng)域內(nèi)，總存在點(diǎn) x 可以使 )0(0),( 0 ??xtV ， V 沿系統(tǒng)（ 41）的解對(duì) t 的全導(dǎo)數(shù)可以寫為 ),(),( txUtxVdtdV ?? ? （ 43） 式中， 0?? ；函數(shù) ),( txU 恒等于零或是常正（常負(fù)）的，則系統(tǒng)（ 41）的平衡點(diǎn) 0?x就被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。反推法是一種江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 系統(tǒng)化的控制器綜合方 法，對(duì)不確定系統(tǒng)比較有針對(duì)性。反推法的實(shí)質(zhì)為虛擬控制概念，一般從系統(tǒng)的最少階數(shù)微分方程入手，根據(jù)人們要求達(dá)到的虛擬控制分布設(shè)計(jì)，通過一步步的累計(jì)，最終設(shè)計(jì)求 出 真正的控制律來。 用 Back stepping 設(shè)計(jì)方法處理非線性系統(tǒng)問題時(shí)有特殊的優(yōu)勢，所以人們對(duì)這種方法展開了深入的研究。也就是說通過上個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，獲得下個(gè)子系統(tǒng)的虛擬控制律；根據(jù)這個(gè)規(guī)律類推，最后就可以得到 全部閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際控制律，而且這種方法結(jié)合了李雅普諾夫穩(wěn)定性定理，所以保證了系統(tǒng)的收斂性。也使非線性系統(tǒng)的李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)更簡單了，也使具有反饋結(jié)構(gòu)的非線性系統(tǒng)的在穩(wěn)定性分析和控制器 設(shè)計(jì) 方面取得進(jìn)步。我們采用基于反推法的自適應(yīng)控制方法將系統(tǒng)的狀態(tài)控制回 原點(diǎn)，迅速控制混沌。 ? 是未知常數(shù)，其值為 HD??? 。 ? 為常數(shù)，表示外界擾動(dòng)。那么 2V 的導(dǎo)數(shù)為 ??????? ??????? ????? ~22121~~2212 zzzzzzzVV （ 48） 在不確定系統(tǒng)中，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，輸入 u 的表示為 dtdzfdz zdfzzzu?? ????? ?? )()()(211 1122 （ 49） 那么將式（ 49）和式（ 44）帶入到式（ 48)中計(jì)算整理得到 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） 25 ?? 24~32222112 zffzfzfzV ?????? （ 410） 式（ 410 ）中， ??1f ； ????112112 s i n dxduzkkzf ?????? ?； dtdf ?????3 ；????? ?? )(224 zzf 因?yàn)?2222 2121 ?? ?? zz，所以 24~32222112 21)21( ?? ??????? ffzfzfzV （ 411） 為了使 2V 負(fù)定，系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，取 )s i n()21( 121122 ???? ?? ????????? zkkzzdtdcu (412) 把參數(shù)估計(jì)誤差值降到零，取參數(shù)自適應(yīng)率為 )( 22 ?? ???? zz （ 413） 將式（ 47）和（ 412）還有（ 413）帶入式（ 411）計(jì)算得到 22222112 21 ?????? zczcV 整理得 0)1()1()1()1( 222211222212222112 ??????????????? zczczzzczcV ? 得到 02??V ，是負(fù)定的，當(dāng) 0?? 時(shí)，系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的。 本章小結(jié) 本章 主要是理論的介紹，分析證明 。最 后 設(shè)計(jì)了基于反推法的自適應(yīng)控制江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 器。 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） 27 第五章 系統(tǒng)仿真 在第三章和第四章我們分別建立了船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)型非線性數(shù)學(xué)模型和基于反推法的自適應(yīng)控制器模型。 船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)型非線性數(shù)學(xué)模型仿真 第三章中給出船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)數(shù)學(xué) 模型，如式（ 32）所示。進(jìn)行仿真后可以得到功角 ? 的時(shí)序圖（如圖 52所示）和功角速度 ? 的時(shí)序圖（圖 53 所示）。說明此時(shí)系統(tǒng)中存在混沌現(xiàn)象，系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了方便觀察分析，在這里再次寫出 ?????????????????uyxkkddyyddxs in21 （ 52） 根據(jù)式（ 52）這一方程組，可以畫出其 simulink 仿真圖，如圖 54 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） 30 圖 54： 加入控制器后的船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)仿真圖 保持前面設(shè)置的雙機(jī)并聯(lián)模型參數(shù)不變。所以控制器常數(shù)項(xiàng)的值為 1 ?????? HPuk m?， ???? HD? ， 2 ??? HPk 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） 31 圖 55： 功角 ? 的時(shí)序變化曲線 圖 56： 功角速度 ? 的時(shí)序變化曲線 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） 32 從圖（ 55）和圖（ 56）的波形中可以看出，功角和功角速度在前 50s 時(shí)間里處于混沌狀態(tài)，不穩(wěn)定， 50s 后功角和功角速度漸漸進(jìn)入穩(wěn)定，收斂速度很快，這表明了在控制器的作用下，電力系統(tǒng)迅速趨于穩(wěn)定，說明設(shè)計(jì)的控制器起了效果。 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） 33 結(jié) 論 本文主要研究了船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)型 非 線性數(shù)學(xué)模型的建模，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)不確定或者發(fā)電機(jī)受到外部擾動(dòng)時(shí)，船舶電力系統(tǒng)就會(huì)受到影響，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。同時(shí)將反推法 應(yīng)用到 自適應(yīng)控制器 中 ， 使 設(shè)計(jì)更加簡單，使用起來效果更加明顯。研究中通過李雅普諾夫穩(wěn)定理論對(duì)設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的控制器可以在外界擾動(dòng)下將系統(tǒng)快速的收斂到平衡點(diǎn)。 再次 證明了本文所設(shè)計(jì)的控制器可以使系統(tǒng)快速收斂至平衡點(diǎn) ，使系統(tǒng)穩(wěn)定 。讓其各自發(fā)揮出優(yōu)點(diǎn)。 本文研究的只是船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的一個(gè)小方面。比如本文中采用的兩機(jī)并聯(lián)型非線性數(shù)學(xué)模型與實(shí)際船舶電力系統(tǒng)模型有一定差別，可以合理增加模型的維數(shù)；還有本文設(shè)計(jì)的是基于反推法的自適應(yīng)控制器，其實(shí)控制器的種類很多 ，可以有更加智能，高效的控制器來提高控制質(zhì)量，提高船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 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） 34 致 謝 四年的大學(xué)生活在這個(gè)天高云淡的初夏即將畫上一個(gè)句號(hào)，這四年的大學(xué)生活只是我人生的一站，離開了大學(xué)，我即將踏上新