非線性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

1、<p>　　×××電力大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)評(píng)定表</p><p>　　華 北 電 力 大 學(xué)</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)</p><p>　　所在院系 電力工程系 </p><p>　　專業(yè)班號(hào) 電自023 </p><p>　　學(xué)生

2、姓名 ××× </p><p>　　指導(dǎo)教師簽名 </p><p>　　審批人簽字 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目 非線性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì) </p><p>　　年 月 日<

3、/p><p>　　一、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)主要內(nèi)容</p><p>　　1、查閱文獻(xiàn)，撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告。</p><p>　　2、翻譯一篇相關(guān)外文文獻(xiàn)。</p><p>　　3、設(shè)計(jì)非線性勵(lì)磁控制器。</p><p>　　4、搭建非線性勵(lì)磁控制器的仿真模型并進(jìn)行仿真。 </p><p>　　5、對(duì)

4、仿真結(jié)果進(jìn)行分析并改進(jìn)所涉及的勵(lì)磁控制器。</p><p><b>　　6、撰寫(xiě)論文。</b></p><p><b>　　二、基本要求</b></p><p>　　1、查閱文獻(xiàn)數(shù)量達(dá)到15篇，文獻(xiàn)綜述字?jǐn)?shù)不少于2000字。</p><p>　　2、學(xué)習(xí)、掌握電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制的相關(guān)理論。</p

5、><p>　　3、掌握Matlab語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)方法和仿真軟件使用。</p><p>　　4、掌握非線性理論在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的應(yīng)用。</p><p>　　5、設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器必須達(dá)到較好的控制效果。</p><p>　　6、完成不少于3000字的外文文獻(xiàn)翻譯。</p><p>　　7、按要求完成論文的書(shū)寫(xiě)并參加答辯。<

6、;/p><p>　　三、設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度</p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)完成時(shí)間： 2006年 6月 23日</p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)答辯時(shí)間： 2006年 6月 24日</p><p><b>　　四、參考資料及文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 商國(guó)才.電力系統(tǒng)自動(dòng)化.天津大學(xué)出版社,

7、1999 </p><p>　　2 盧強(qiáng),孫元章.電力系統(tǒng)非線性控制.科學(xué)出版社,1993 </p><p>　　3 姜玉憲等.控制系統(tǒng)仿真.北航出版社,1998

8、 </p><p>　　4 歐陽(yáng)黎明.MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).國(guó)防工業(yè)出版社,2001 </p><p>　　5 商國(guó)才.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)數(shù)字仿真.華電教材科,1989 </p><p>

9、;　　6 熊光楞等.控制系統(tǒng)仿真與模型處理.科學(xué)出版社,1993 </p><p>　　7 韓璞,朱希彥.自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字仿真.中國(guó)電力出版社,1996 </p><p>　　8 黃道平.MATLAB與控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及CAD.化學(xué)工業(yè)出版社,2004

10、 </p><p>　　9 歐陽(yáng)黎明.MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用．高等教育出版社,2002 </p><p>　　10 陳在平.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真與CAD MATLAB語(yǔ)言應(yīng)用.天津大學(xué)出版社,2001 </p><p>　　11 吳天明.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析.國(guó)防工業(yè)出版社,

11、2004 </p><p><b>　　五、附錄</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有十分重要的意義，而改善與提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于控制。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制可以穩(wěn)定機(jī)端電壓、分配無(wú)功、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

12、，在電力系統(tǒng)控制中占有很重要的地位。然而由于電力系統(tǒng)是非線性的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)，并存在各種不確定因素，所以已有的各種勵(lì)磁控制方法還存在著不同的局限性。因此，為了尋求更優(yōu)控制性能，改進(jìn)和完善非線性勵(lì)磁控制方法就具有重要的理論和實(shí)踐意義。有關(guān)這方面的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍有許多問(wèn)題有待于解決。</p><p>　　本文闡述了勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和控制方式的演變和非線性理論的基本理論；介紹了目前流行的各種非線性勵(lì)磁控

13、制設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用微分幾何法設(shè)計(jì)了一種非線性勵(lì)磁控制器。運(yùn)用MATLAB中的Simulink通過(guò)搭建單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明這種勵(lì)磁控制器既能夠提高電壓精度，又能夠提高電力系統(tǒng)抗干擾的能力，具有非常好的控制效果。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：勵(lì)磁控制，非線性系統(tǒng)，微分幾何法</p><p><b>　　Abstract</b></p>

14、;<p>　　It is very important to the stable operation of the electric power system for the national economy, but the key lie in control to improve and enhance the electric power system stable. The generator excitati

15、on control can stabilize the generator end voltage, divide the reactive power and raise the electric power system stability, so it is very important in the electric power system control. However the power system is a big

16、 nonlinear dynamic system, and has various indetermination factors, so man</p><p>　　This paper elaborates the structure and constitute of the excitation system and the development of the control method, and

17、the basic theories of nonlinear theories. This paper introduces various nonlinear excitation control design spread currently too. Made use of a differential calculus method to design a kind of nonlinear excitation contro

18、ller. I imitate the model pass to build a single machine- infinite bus system model in the Simulink of MATLAB .The calculator imitates a true result to expre</p><p>　　Key word: excitation control; nonlinear

19、system; differential calculus method目錄</p><p>　　摘要 ……………………………………………………………………………………………I</p><p>　　Abstract ………………………………………………………………………………………II</p><p>　　1 引言 …………………………………………………………………

20、………………………1</p><p>　　1．1 課題的提出 …………………………………………………………………………1</p><p>　　1．2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………………………………………1</p><p>　　1．3 本文研究的工作 ……………………………………………………………………2</p><p>

21、　　2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) ……………………………………………………………………………3</p><p>　　2．1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)介紹 ………………………………………………………………3</p><p>　　2．1．1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的概念 ………………………………………………………3</p><p>　　2．1．2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 …………………

22、……………………3</p><p>　　2．1．3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展 ………………………………………………………3</p><p>　　2．1．4 勵(lì)磁系統(tǒng)的主要任務(wù) …………………………………………………………4</p><p>　　2．1．5 對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求 ………………………………………………………4</p><p>　　2．

23、2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式 ………………………………………………………………4</p><p>　　2．2．1 單變量控制 ……………………………………………………………………4</p><p>　　2．2．2 多變量控制 ……………………………………………………………………5</p><p>　　2．2．3 非線性控制 ……………………………………………………………

24、………5</p><p>　　2．2．4 智能控制 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2．2．5 勵(lì)磁控制方式的比較 …………………………………………………………6</p><p>　　3 非線性理論 …………………………………………………………………………………7</p><p>　　3．1 概述

25、 …………………………………………………………………………………7</p><p>　　3．2 非線性勵(lì)磁控制所用的數(shù)學(xué)方法……………………………………………………8</p><p>　　3．2．1 非線性基本概念 ………………………………………………………………8</p><p>　　3．2．2 非線性基本理論 ……………………………………………………………10

26、</p><p>　　4非線性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………13</p><p>　　4．1 概述……………………………………………………………………………………13</p><p>　　4．2 非線性勵(lì)磁的發(fā)展歷程………………………………………………………………13</p><p>　　4．3 常見(jiàn)非線

27、性控制設(shè)計(jì)方案……………………………………………………………14</p><p>　　4．3．1 微分幾何方法…………………………………………………………………14</p><p>　　4．3．2 反饋無(wú)源性控制方案…………………………………………………………14</p><p>　　4．3．3 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論…………………………………………………………15&l

28、t;/p><p>　　4．3．4 高增益觀測(cè)器…………………………………………………………………15</p><p>　　4．3．5 Backstepping 方法……………………………………………………………15</p><p>　　4．4 非線性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)………………………………………………………………15</p><p>　　4．4．1

29、 同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程 ……………………………………………………16</p><p>　　4．4．2 同步發(fā)電機(jī)輸出功率方程 ……………………………………………………18</p><p>　　4．4．3 同步發(fā)電機(jī)電磁動(dòng)態(tài)方程 ……………………………………………………17</p><p>　　4．4．4 同步坐標(biāo)系下的非線性勵(lì)磁控制規(guī)律 …………………………………

30、……18</p><p>　　5 非線性勵(lì)磁控制器的MATLAB 仿真 ……………………………………………………20</p><p>　　5．1 仿真環(huán)境………………………………………………………………………………20</p><p>　　5．2 仿真模型………………………………………………………………………………20</p><p>　　5

31、．3 結(jié)論……………………………………………………………………………………22</p><p>　　致謝……………………………………………………………………………………………24</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………25附錄A ………………………………………………………………………………………26</p><p&

32、gt;　　附錄B ………………………………………………………………………………………32</p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1．1 課題的提出</b></p><p>　　電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力工業(yè)也取得了迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日

33、趨復(fù)雜。這種大電力系統(tǒng)在取得較大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也使得電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性問(wèn)題變得更為嚴(yán)峻。</p><p>　　世界上很多大電力系統(tǒng)都曾發(fā)生過(guò)因局部系統(tǒng)故障導(dǎo)致全系統(tǒng)瓦解的重大停電故。例如1977年7月，美國(guó)紐約電網(wǎng)系統(tǒng)瓦解，造成紐約全市停電25小時(shí)，影響900萬(wàn)戶居民的供電，據(jù)保守估計(jì)，這次停電所帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失約3.5億美元；1978年12月法國(guó)電網(wǎng)瓦解，造成法國(guó)本土四分之三的地區(qū)停電，其經(jīng)濟(jì)損

34、失至少與50年經(jīng)濟(jì)調(diào)度工作取得的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)；而2003年8月發(fā)生在美國(guó)東北部和加拿大部分地區(qū)的大面積停電事故，最長(zhǎng)停電時(shí)間達(dá)到4天，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐暮娇蘸完懧方煌?、正常的科研、生產(chǎn)和居民生活，造成了每天多達(dá)300億美元的經(jīng)濟(jì)損失……近20年來(lái)，我國(guó)各大電力系統(tǒng)和一些省網(wǎng)的穩(wěn)定性遭到破壞的事故也時(shí)有發(fā)生：1972年7月華中電網(wǎng)、1973年7月東北電網(wǎng)、1989年1月華東電網(wǎng)、1990年2月×××電網(wǎng)、199

35、0年7月西北電網(wǎng)、1994年5月南方電網(wǎng)都曾發(fā)生過(guò)大的停電事故。這種大電網(wǎng)的穩(wěn)定性一旦遭到破壞造成的損失無(wú)疑是災(zāi)難性的[1]。因此，研究如何提高與改善電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，是電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制中首要的問(wèn)題。</p><p>　　提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)出路在于控制。目前，普遍應(yīng)用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要措施大致有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制、靜態(tài)電壓控制、電氣制動(dòng)控制、快速汽門(mén)控制以及快速切機(jī)切負(fù)荷控制等。其中，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控

36、制是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項(xiàng)既有效又經(jīng)濟(jì)的措施。它不僅節(jié)約投資、而且在正常運(yùn)行中能夠起到其他措施起不到的減小電壓波動(dòng)及頻率波動(dòng)、改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)以及提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用[2][3]！</p><p>　　1．2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式在70年代以前為單變量反饋方式(比例式控制方式，PID方式)，反饋量為電壓偏差。70年代，美國(guó)GE公司在電壓偏差外再增一個(gè)輔助反饋

37、變量的控制方式，這個(gè)輔助反饋量可以是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差Δω。，發(fā)電機(jī)頻率偏差Δf或發(fā)電機(jī)有功功率偏差ΔP。，為雙輸入控制系統(tǒng)，即PSS。</p><p>　　80年代的線性最優(yōu)勵(lì)磁控制（LOEC）采用電壓偏差，轉(zhuǎn)速(或頻率)偏差以及有功功率偏差作反饋?zhàn)兞俊８鞣答佔(zhàn)兞康脑鲆嫦禂?shù)是“線性二次型黎卡梯LQR問(wèn)題”的解。以上方式對(duì)提高小干擾穩(wěn)定性有顯著效果。</p><p>　　電力系統(tǒng)是非線性動(dòng)態(tài)系

38、統(tǒng)，但上述常規(guī)勵(lì)磁控制方式，附加PSS控制方式與線性最優(yōu)控制方式的設(shè)計(jì)方法都是將電力系統(tǒng)非線性狀態(tài)方程在某一特定運(yùn)行方式下近似線性化。這種在某一特定狀態(tài)X0下被近似線性化的數(shù)學(xué)模型只是在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)十分接近X0時(shí)才較準(zhǔn)確。即當(dāng)實(shí)際狀態(tài)偏離X0較遠(yuǎn)時(shí)，近似線性化的數(shù)學(xué)模型不能正確表述實(shí)際控制系統(tǒng)，需要用非線性系統(tǒng)控制理論與方法設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)控制器。</p><p>　　控制理論及其應(yīng)用是單變量—多變量，線性—非線性這

39、樣的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　1．3 本文研究的工作</p><p>　　傳統(tǒng)的勵(lì)磁控制器是基于某一平衡點(diǎn)附近近似線性化模型來(lái)設(shè)計(jì)的。由于力系統(tǒng)是強(qiáng)非線性系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生較大變化時(shí)，這些控制器的效果難以令人滿意。本文應(yīng)用非線性系統(tǒng)理論中的微分幾何法實(shí)施勵(lì)磁控制，達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高電壓精度的目的。</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容如下

40、：</b></p><p>　　1）對(duì)勵(lì)磁方式及勵(lì)磁控制方式發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行概述。</p><p>　　2）傳統(tǒng)的勵(lì)磁方式對(duì)電力系統(tǒng)這樣一個(gè)非線性系統(tǒng)的控制有很大局限性，因此本文討論了非線性勵(lì)磁控制，闡述非線性的基本概念和理論，介紹設(shè)計(jì)非線性勵(lì)磁控制器常用的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)非線性勵(lì)磁控制器來(lái)研究其控制效果。</p><p>　　3）用MATLAB仿真觀察分析

41、控制效果。</p><p><b>　　2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)</b></p><p>　　2．1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)介紹</p><p>　　2．1．1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的概念</p><p>　　同步發(fā)電機(jī)是將旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為三相電功率的機(jī)器設(shè)備。為完成這一轉(zhuǎn)換，它本身需要一個(gè)直流磁場(chǎng)，產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的直流電流稱為同步發(fā)

42、電機(jī)的勵(lì)磁電流，又稱為轉(zhuǎn)子電流。在電力系統(tǒng)中專門(mén)為同步發(fā)電機(jī)供應(yīng)勵(lì)磁電流的有關(guān)機(jī)械設(shè)備，稱為同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)。</p><p>　　同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流是電力系統(tǒng)無(wú)功功率的主要來(lái)源，所以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的特性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的作用，無(wú)論是正常情況還是在事故情況下都是十分重要的。為了改善勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行特性，提高其反事故能力，必須在勵(lì)磁系統(tǒng)中增加必要的自動(dòng)控制與自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備，該設(shè)備就是勵(lì)磁控制器。</p>

43、<p>　　2．1．2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)包括勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁控制器兩個(gè)部分[4]，整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)則由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁控制器和同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成，如圖2—1所示：</p><p>　　圖2—1勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　勵(lì)磁功率單元主要負(fù)責(zé)向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)發(fā)

44、電機(jī)專用的可控直流電源。</p><p>　　勵(lì)磁控制器通過(guò)檢測(cè)同步發(fā)電機(jī)的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)量，按指定的控制規(guī)律對(duì)勵(lì)磁功率單元發(fā)出控制信號(hào)，控制勵(lì)磁功率單元的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制功能。控制器最基本的功能就是調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和無(wú)功功率。</p><p>　　2．1．3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)由初級(jí)到

45、高級(jí)的發(fā)展歷程。</p><p>　　早期，由于整流設(shè)備不能輸出很大的直流供發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)只好配用直流勵(lì)磁機(jī)。而那時(shí)半導(dǎo)體尚未誕生或尚未成熟，直流勵(lì)磁機(jī)所配用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器也只能是電磁式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。</p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸成熟，人們把它引入了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)之中，誕生了半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與直流勵(lì)磁機(jī)和交流勵(lì)磁機(jī)配用就誕生了半導(dǎo)體直流勵(lì)磁系統(tǒng)和半導(dǎo)體交流勵(lì)磁系

46、統(tǒng)。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，人們研制了計(jì)算機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，又稱為數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。這種計(jì)算機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和不同的勵(lì)磁功率單元相配用，產(chǎn)生了一些不同原理不同名稱的勵(lì)磁系統(tǒng)。同時(shí)功率單元中各種交流電源和整流電路相配用，又產(chǎn)生了一些新的勵(lì)磁系統(tǒng)。如自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)和靜止可控硅整流電路相配用就產(chǎn)生了“自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)”。它勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)不可控硅整流器相配用就產(chǎn)生了“它勵(lì)旋轉(zhuǎn)硅整流勵(lì)磁系

47、統(tǒng)”。</p><p>　　2．1．4 勵(lì)磁系統(tǒng)的主要任務(wù)</p><p>　　1） 維持發(fā)電機(jī)極端或系統(tǒng)中某一點(diǎn)的電壓水平。正常運(yùn)行時(shí)隨著發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化，發(fā)電機(jī)端電壓將隨之變化，根據(jù)端電壓的變化情況調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，以保持發(fā)電機(jī)的端電壓為額定值或維持系統(tǒng)中的某一點(diǎn)的電壓保持在一定水平。</p><p>　　2） 并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率的合理分配。當(dāng)電氣距離

48、很近的多臺(tái)發(fā)電機(jī)在母線上并列運(yùn)行時(shí)，由于各發(fā)電機(jī)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)中其它的無(wú)功電壓控制裝置的共同作用，使母線電壓變化很小。這時(shí)，調(diào)節(jié)每一發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可使發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率得到合理的分配。</p><p>　　3） 提高系統(tǒng)運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性和輸電線路的傳輸能力，改善系統(tǒng)的瞬時(shí)穩(wěn)定性。靈敏而又快速的調(diào)節(jié)裝置可以大大提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和輸電線的傳輸能力。在故障情況下，調(diào)節(jié)器通過(guò)提高勵(lì)磁電壓，可使勵(lì)磁電壓上升到比額定

49、值大得多的數(shù)值（強(qiáng)勵(lì)），從而改善了瞬時(shí)穩(wěn)定。</p><p>　　4） 提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。勵(lì)磁系統(tǒng)的應(yīng)用可提高電力系統(tǒng)的阻尼特性，提高系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后平息系統(tǒng)震蕩的能力。</p><p>　　5） 加速短路切除后的電壓恢復(fù)過(guò)程和改善異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件。發(fā)電機(jī)裝有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器后，它能快速提高發(fā)電機(jī)的電壓，因而可以縮短電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)的時(shí)間。</p><p>　　

50、6） 改善自同期或發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行時(shí)電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件。發(fā)電機(jī)自同期并列或失磁進(jìn)入異步運(yùn)行時(shí)，將從系統(tǒng)吸收大量的無(wú)功功率，使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)甚至能導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。</p><p>　　7） 防止水輪發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)的電壓升高。機(jī)組由于各種原因突然甩負(fù)荷時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，發(fā)電機(jī)定子電壓可能上升到危險(xiǎn)的程度。由于水輪發(fā)電機(jī)都裝有強(qiáng)行減磁裝置，可在機(jī)組突然減負(fù)荷時(shí)減少勵(lì)磁電流，可防止電壓過(guò)度升高。</p>

51、;<p>　　由此可見(jiàn)，勵(lì)磁控制器在電力系統(tǒng)中起著重要作用。</p><p>　　2．1．5 對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求</p><p>　　1） 具有十分高的可靠性。</p><p>　　2） 保證發(fā)電機(jī)有足夠的勵(lì)磁容量。</p><p>　　3） 具有足夠的強(qiáng)勵(lì)能力。</p><p>　　4） 保證發(fā)電機(jī)電

52、壓調(diào)差率有足夠的調(diào)整范圍。</p><p>　　5） 保證發(fā)電機(jī)電壓有足夠的調(diào)節(jié)范圍。</p><p>　　6） 保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)特性。</p><p>　　2．2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式</p><p>　　從勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律來(lái)看，大體經(jīng)歷四個(gè)發(fā)展階段[5]：?jiǎn)巫兞靠刂齐A段，多變量控制階段，非線性控制階段，智能控制階

53、段。</p><p>　　2．2．1 單變量控制</p><p>　　單變量控制階段的控制規(guī)律是按發(fā)電機(jī)端電壓偏差的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)或的比例—積分—微分進(jìn)行調(diào)節(jié)(PID調(diào)節(jié)方式)。運(yùn)用古典控制理論建立按的比例進(jìn)行的勵(lì)磁調(diào)節(jié)無(wú)法對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型描述，對(duì)增益K的調(diào)整出現(xiàn)了矛盾。要使閉環(huán)系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，必須將增益K的值限制在一定范圍；而要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就得使增益K大于某一值，有時(shí)這

54、二者是無(wú)法滿足的。隨之，就誕生了PID調(diào)節(jié)方式，它在一定程度上緩和了單反饋量勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)按系統(tǒng)穩(wěn)定性與按穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度對(duì)調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)要求之間的矛盾，它就相當(dāng)于一臺(tái)可自動(dòng)改變?cè)鲆娴谋壤秸{(diào)節(jié)器。</p><p>　　2．2．2 多變量控制</p><p>　　為了進(jìn)一步改善與提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)與小干擾穩(wěn)定性，多變量反饋的勵(lì)磁控制方式便逐步發(fā)展起來(lái)。具有代表性的方法就是增加了PSS環(huán)節(jié)的P

55、ID勵(lì)磁控制和LOEC（線性最優(yōu)勵(lì)磁控制）。</p><p>　　所謂PSS的控制方式，實(shí)際上是采用雙狀態(tài)變量的反饋控制方式，就是在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中除了用狀態(tài)量作為反饋量外再引入一附加鎮(zhèn)定參量。為了得到盡可能好的控制效果，所引的鎮(zhèn)定參量不是直接進(jìn)行反饋于另一反饋量相加，而是經(jīng)過(guò)一定的校正環(huán)節(jié)后再與反饋量相加，目前所采用的附加鎮(zhèn)定參量種類有轉(zhuǎn)速Δω，發(fā)電機(jī)端電壓的頻率Δf,發(fā)電機(jī)電磁功率ΔPe等。PSS環(huán)節(jié)的存在，在其

56、參數(shù)設(shè)計(jì)和選取得比較合適的條件下，可使原有的PID控制系統(tǒng)主導(dǎo)特征值左移，起到改善電力系統(tǒng)阻尼特性和小干擾穩(wěn)定性的作用。</p><p>　　為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)品質(zhì)，科學(xué)工作者提出了線性最優(yōu)勵(lì)磁控制方式，簡(jiǎn)稱LOEC。這種控制規(guī)律比起PID十PSS具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它是基于電力系統(tǒng)狀態(tài)變量的線性組合，這種控制方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，可直接根據(jù)解析結(jié)果整定控制器的最優(yōu)參數(shù)。第二，系統(tǒng)在偏離設(shè)計(jì)的

57、最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與設(shè)計(jì)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間相差甚微。第三，最優(yōu)勵(lì)磁控制規(guī)律是全部狀態(tài)量的最優(yōu)線性組合。這種組合能夠保證系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中各狀態(tài)量對(duì)其穩(wěn)態(tài)值的平方誤差的積分最小，故其控制效果不受振蕩頻率的影響。第四，可使系統(tǒng)獲得高的微動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限。</p><p>　　2．2．3 非線性勵(lì)磁控制</p><p>　　以上所述的前兩個(gè)階段中的勵(lì)磁控制方式，無(wú)論是PID、PSS還

58、是LOEC，都存在一個(gè)共同的問(wèn)題，那就是勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)所依據(jù)的是電力系統(tǒng)某一特定狀態(tài)下近似線性化的數(shù)學(xué)模型，它們不可避免的存在一個(gè)共同缺點(diǎn)，當(dāng)電力系統(tǒng)遭受大干擾使實(shí)際的狀態(tài)點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)所選的平衡點(diǎn)較遠(yuǎn)，繼而產(chǎn)生較大幅度的振蕩時(shí)，控制效果就會(huì)大大減弱。如PSS控制方式，甚至還可能起相反作用，使得對(duì)電力系統(tǒng)大干擾穩(wěn)定性反為不利。對(duì)于LOEC控制方式，其控制效果對(duì)于大干擾穩(wěn)定性的改善尚不能令人滿意。</p><p>　　

59、電力系統(tǒng)是一個(gè)大非線性系統(tǒng)，它具有強(qiáng)非線性、時(shí)變性，對(duì)于非線性系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)在大干擾下的穩(wěn)定性，采用非線性控制勢(shì)在必行。而長(zhǎng)期困擾大家的是，即使建立了非線性勵(lì)磁控制的模型，由于沒(méi)有適用的數(shù)學(xué)工具來(lái)分析處理非線性系統(tǒng)使得非線性控制成了紙上談兵，而正如線性代數(shù)概念和方法的引入在單輸入單輸出及多變量線性系統(tǒng)方面所帶來(lái)的重大變革一樣，微分幾何方法的引入使得非線性控制的研究向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步，它可以將非線性系統(tǒng)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成線

60、性系統(tǒng)，這就使得人們可以利用成熟的線性系統(tǒng)最優(yōu)控制理論來(lái)分析解決非線性問(wèn)題，值得一提的是由于我國(guó)著名電力系統(tǒng)及控制論專家盧強(qiáng)院士等人的不懈努力使我國(guó)在電力系統(tǒng)非線性控制領(lǐng)域居國(guó)際領(lǐng)先水平，并且在實(shí)際工程中對(duì)非線性勵(lì)磁控制進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用取得了不錯(cuò)的效果。</p><p>　　2．2．4 智能勵(lì)磁控制</p><p>　　在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方面，人工智能也取得了豐碩成果。</p>

61、<p>　　自適應(yīng)控制的思想產(chǎn)生于七十年代，當(dāng)時(shí)稱為自調(diào)整調(diào)節(jié)(self-turned Regulator， STR)，八十年代初用于勵(lì)磁控制領(lǐng)域，主要思想是根據(jù)系統(tǒng)不同的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)改變控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以達(dá)到在較大的運(yùn)行制問(wèn)題時(shí)，實(shí)時(shí)控制要求采樣間隔必須很小，否則無(wú)法跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，勵(lì)磁控制器的速度對(duì)于自適應(yīng)控制來(lái)說(shuō)是非常重要的。</p><p>　　模糊控制應(yīng)用在勵(lì)磁控制領(lǐng)域中的研

62、究主要集中在設(shè)計(jì)模糊式電力系統(tǒng)穩(wěn)定器方面。在原有輔助信號(hào)的PSS基礎(chǔ)上再引入一個(gè)模糊輔助信號(hào)，模糊邏輯控制輸入信號(hào)取自發(fā)電機(jī)每個(gè)瞬間速度偏差及加速度偏差，經(jīng)模糊推理算出注入勵(lì)磁回路的阻尼信息，確定輸出是正或負(fù)，以及幅值大小，并與原有的PSS信號(hào)一起加入到勵(lì)磁控制系統(tǒng)中。</p><p>　　從九十年代初開(kāi)始，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(Artificial Neural Network Method, ANN)被應(yīng)用于勵(lì)磁

63、控制領(lǐng)域。對(duì)于大規(guī)模非線性系統(tǒng)，例如電力系統(tǒng)，ANN方法有著其固有的優(yōu)點(diǎn)：① ANN是以并行方式處理信息，這樣可獲得極高的信息處理速度。② ANN能夠模擬絕對(duì)的非線性系統(tǒng)。③ 可以通過(guò)使用樣本訓(xùn)練ANN。在訓(xùn)練過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)調(diào)整其權(quán)重，這樣ANN就可以學(xué)習(xí)到樣本中所包含的訓(xùn)練系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)特性了。ANN勵(lì)磁控制器的一個(gè)較大的問(wèn)題就是學(xué)習(xí)過(guò)程相當(dāng)煩瑣和復(fù)雜。如何解決這個(gè)問(wèn)題是ANN能否應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。</p&g

64、t;<p>　　雖然人工智能在勵(lì)磁控制領(lǐng)域的研究非?；钴S，但只是仍停留在理論研究試驗(yàn)階段，距實(shí)際應(yīng)用還需要大量工作要做。</p><p>　　2．2．5 勵(lì)磁控制方式的比較</p><p>　　綜上所述，勵(lì)磁控制方式設(shè)計(jì)是采用不同的數(shù)學(xué)工具和不同的設(shè)計(jì)思想，就決定了其在系統(tǒng)運(yùn)行中所起的作用也不相同，具有不同的控制特性。</p><p>　　以拉氏變換和

65、多項(xiàng)式為基礎(chǔ)以描述系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)為工具的PID勵(lì)磁控制方式，形式上簡(jiǎn)單可靠，其電壓調(diào)節(jié)性能優(yōu)異，能有效的抑制故障后的電壓波動(dòng)。但由于所用的數(shù)學(xué)工具決定其只能較好的實(shí)用于單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)，無(wú)法兼顧Pe、ω等其它量的調(diào)節(jié)性能。因此，這種單變量控制理論設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制方式很難有效的改善電力系統(tǒng)的阻尼特性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。</p><p>　　PSS這種多變量的勵(lì)磁控制方式，把電壓調(diào)節(jié)信道確認(rèn)為

66、主要信道，是在電壓調(diào)節(jié)信道完成的情況下實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)中考慮了電壓調(diào)節(jié)信道對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的不利影響，PSS參數(shù)是在有了電壓調(diào)節(jié)作用下確定的。其能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)某一對(duì)應(yīng)的較窄頻帶內(nèi)的震蕩具有較好的控制效果，但從理論上說(shuō)并不能給出最佳的控制效果。并且由于其在設(shè)計(jì)和參數(shù)整定上的問(wèn)題以及設(shè)計(jì)方法決定了其不能對(duì)多機(jī)系統(tǒng)見(jiàn)相互作用進(jìn)行協(xié)調(diào)，所有這些都限制了PSS發(fā)揮其最佳效果。</p><p>　　采用線形最優(yōu)勵(lì)磁控制方法設(shè)計(jì)以提高

67、電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性為目標(biāo)的多變量勵(lì)磁控制方式，同時(shí)確定發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)信道和其它附加勵(lì)磁控制信道的增益，沒(méi)有確定電壓調(diào)節(jié)信道的主導(dǎo)地位，只以權(quán)系數(shù)方法加以考慮，其結(jié)果雖然能滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求，但能否滿足電壓調(diào)節(jié)的要求還不能確定。并且在線形最優(yōu)勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)中，采用以某一性能指針為最小要求，求得控制參數(shù)，而沒(méi)有考慮也無(wú)法考慮當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)改變參數(shù)，因而而有較差的魯棒性。</p><p>　　非線性勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

68、從理論上講，比PSS+PID和線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器具有更廣泛的系統(tǒng)穩(wěn)定控制域。</p><p>　　在人工智能應(yīng)用于勵(lì)磁控制時(shí)，并不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，其控制效果是由控制規(guī)則及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的自適應(yīng)能力決定的。因此，從理論上講，可以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異、適應(yīng)性強(qiáng)的勵(lì)磁控制器。但由于控制規(guī)則的確定很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)值，并且控制參數(shù)的確定沒(méi)有完整的理論依靠，適時(shí)性較低，這就限制了人工智能控制在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。<

69、/p><p><b>　　3 非線性理論</b></p><p><b>　　3．1 概述[6]</b></p><p>　　線性系統(tǒng)不僅在理論上己經(jīng)逐步完善，而且己經(jīng)成功地應(yīng)用于各種工業(yè)控制問(wèn)題之中。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的線性反饋控制已經(jīng)很難滿足各種實(shí)際需求。我們知道，大多數(shù)工程控制系統(tǒng)本質(zhì)上都是非

70、線性的，線性是在一定的范圍內(nèi)和一定的程度上對(duì)系統(tǒng)的近似描述，由于以前對(duì)控制系統(tǒng)的精度和性能要求較低，有一部分系統(tǒng)可以在基本滿足工程需要的條件下將其在某一平衡點(diǎn)處加以近似線性化，然后應(yīng)用線性系統(tǒng)控制理論來(lái)設(shè)計(jì)控制方案。</p><p>　　控制理論發(fā)展到現(xiàn)在面臨著一系列的挑戰(zhàn)。最明顯的就是對(duì)象的本質(zhì)非線性，而且近代控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)是大范圍的，例如衛(wèi)星的定位與姿態(tài)控制，機(jī)器人控制，電力系統(tǒng)及精密數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制等，這

71、些都不可能采用線性模型。而且線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性已不足以解釋許多常見(jiàn)的非線性現(xiàn)象。有許多非線性現(xiàn)象是無(wú)法用線性系統(tǒng)理論來(lái)刻畫(huà)的：</p><p>　　1） 有限逃逸時(shí)間：不穩(wěn)定的線性系統(tǒng)的狀態(tài)可能會(huì)在時(shí)間趨于無(wú)窮的時(shí)候也隨之趨向無(wú)窮大，但是非線性系統(tǒng)的狀態(tài)，可能會(huì)在有限的時(shí)間內(nèi)就趨向于無(wú)窮大。</p><p>　　2） 多個(gè)孤立平衡點(diǎn)：一個(gè)線性系統(tǒng)只會(huì)有一個(gè)孤立的平衡點(diǎn)，也就是說(shuō)系統(tǒng)只會(huì)有一

72、個(gè)孤立的和初始狀態(tài)無(wú)關(guān)的穩(wěn)定工作點(diǎn)，但是非線性系統(tǒng)可能會(huì)有多個(gè)孤立的平衡點(diǎn)，根據(jù)不同的初始條件，系統(tǒng)的狀態(tài)可能會(huì)被不同的孤立平衡點(diǎn)所吸引。很多的實(shí)際系統(tǒng)都存在多個(gè)孤立的平衡點(diǎn)，例如二進(jìn)制邏輯電路中至少有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)允許有多個(gè)平衡點(diǎn)等等，因此采用傳統(tǒng)的線性模型是無(wú)法來(lái)描述這些系統(tǒng)的。</p><p>　　3） 極限環(huán)：對(duì)于一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，當(dāng)其在虛軸上有一對(duì)特征值的話，系統(tǒng)將有一個(gè)連續(xù)的周期解，此

73、時(shí)若系統(tǒng)中出現(xiàn)小的參數(shù)擾動(dòng)將引起特征值的實(shí)部不為零而使周期解不復(fù)存在。因此，線性系統(tǒng)中參數(shù)的微小變化都將會(huì)破壞周期解的存在，引起系統(tǒng)的振蕩，而且系統(tǒng)振蕩的幅值還會(huì)和初始條件有關(guān).所以說(shuō)有周期解的時(shí)不變系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的變化不具有魯棒性實(shí)際上，穩(wěn)定的振蕩都是由非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的，而且這些振蕩的振幅和頻率和系統(tǒng)的初始狀態(tài)無(wú)關(guān)，這類穩(wěn)定的振蕩被稱之為極限環(huán)。</p><p>　　4） 分頻諧波，諧波，或殆周期振蕩：一個(gè)穩(wěn)定的線

74、性系統(tǒng)在周期輸入的驅(qū)動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同樣頻率的輸出。一個(gè)非線性系統(tǒng)在周期輸入的激勵(lì)下會(huì)以輸入頻率的因數(shù)或者倍數(shù)的頻率振蕩，有時(shí)甚至可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)殆周期振蕩。</p><p>　　5） 混沌：一個(gè)非線性系統(tǒng)可能有一個(gè)非常復(fù)雜的穩(wěn)定狀態(tài)行為，既不是平衡點(diǎn)，也不是周期振蕩或者殆周期振蕩。這種行為被稱作混沌，也就是說(shuō)一個(gè)確定的非線性系統(tǒng)，在一定條件下，其狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出類似隨機(jī)的復(fù)雜現(xiàn)象，或者說(shuō)一個(gè)描述非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的確定的狀

75、態(tài)方程的解，在一定條件下呈現(xiàn)隨機(jī)性?；煦鐮顟B(tài)的一個(gè)最基本的特征就是系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡對(duì)于初始狀態(tài)極端的敏感。</p><p>　　6） 多模式行為：同樣的非線性系統(tǒng)可能會(huì)表現(xiàn)出多樣的行為，一個(gè)沒(méi)有輸入的系統(tǒng)可能會(huì)有不只一個(gè)極限環(huán)一個(gè)非線性系統(tǒng)在不同頻率和幅值的輸入激勵(lì)下可能會(huì)出現(xiàn)諧波振蕩，分頻諧波振蕩或者更復(fù)雜的穩(wěn)定狀態(tài)行為，甚至在激勵(lì)輸入的幅值或頻率平滑變化時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的跳躍行為。</p>

76、<p>　　近幾十年來(lái)非線性控制己經(jīng)成為控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，受到了國(guó)內(nèi)外控制界的普遍重視。同時(shí)，計(jì)算機(jī)以及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，也為我們實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜非線性控制算法奠定了理論基礎(chǔ)。很多的專家和學(xué)者都把精力投入到該方向中來(lái)，同時(shí)也出現(xiàn)了一大批相關(guān)的文獻(xiàn)和書(shū)籍來(lái)記錄這一段時(shí)間以來(lái)的進(jìn)展情況，一些新的非線性系統(tǒng)的關(guān)于穩(wěn)定性、最優(yōu)性以及不確定性等概念也被相繼提出來(lái)描述非線性系統(tǒng)中不斷遇到的各種新情況，同時(shí)針對(duì)一些有某些特性的系統(tǒng)，也有

77、很多新的結(jié)構(gòu)性的控制器設(shè)計(jì)方案被提出來(lái)穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)。非線性控制理論正在不斷發(fā)展與完善中，它的應(yīng)用前景也是非常廣闊的。但是總的來(lái)說(shuō)，由于非線性控制系統(tǒng)本身所包含的現(xiàn)象十分復(fù)雜，非線性控制系統(tǒng)的分析與綜合問(wèn)題要比線性系統(tǒng)困難和復(fù)雜的多，許多出現(xiàn)的具體方法都有其局限性不能成為分析和設(shè)計(jì)非線性控制系統(tǒng)的通用方法，非線性控制系統(tǒng)理論的研究中還有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步探討。</p><p>　　3．2 非線性勵(lì)磁控制所用的數(shù)學(xué)

78、方法</p><p>　　微分幾何法用于勵(lì)磁控制系統(tǒng)，很好的完成了系統(tǒng)精確線性化的過(guò)程，使我們可以利用非線性數(shù)學(xué)模型來(lái)描述勵(lì)磁控制系統(tǒng)，從而得到精確的結(jié)果，下面我們首先敘述一下非線性控制所需要的一些基本概念和基本理論： </p><p><b>　　3．2．1基本概念</b></p><p>　　1） 微分同坯：如果非線性坐標(biāo)變換滿足：① 逆變

79、換存在且單值，② 變換同逆變換兼為光滑函數(shù)即任意階偏導(dǎo)數(shù)都是存在的，那么關(guān)系式Z=Φ(X)就是一個(gè)合格的坐標(biāo)變換，同時(shí)該表達(dá)式Φ(X)被稱為兩個(gè)坐標(biāo)空間之間的微分同坯。</p><p>　　2） 仿射非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)的壓縮形式可以表示為</p><p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　這里為狀態(tài)向量，為控制量，和 為n

80、維函數(shù)向量。對(duì)于狀態(tài)向量X(t)是非線性的，但對(duì)于控制量卻是線性的關(guān)系。這種形式的非線性系統(tǒng)叫做仿射非線性系統(tǒng)。</p><p>　　3） 向量場(chǎng)的導(dǎo)出映射：設(shè)有一選定的以X為坐標(biāo)的n維空間至以Z為坐標(biāo)的同維空間的微分同坯映射中Φ：Z = Φ(X)，亦即</p><p>　　Φ： （3—2）</p><p>　　

81、同時(shí)有一X空間的向量場(chǎng)</p><p><b>　?。?—3）</b></p><p>　　若以表示的雅可比矩陣，即</p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　在空間映射下的導(dǎo)出映射定義為</p><p><b>　?。?—5）</b

82、></p><p>　　4） 李導(dǎo)數(shù)：給定向量的標(biāo)量函數(shù)，即向量場(chǎng)</p><p><b>　　，以表示的運(yùn)算：</b></p><p><b>　?。?—6） </b></p><p>　　該新標(biāo)量函數(shù)定義為函數(shù)延沿向量場(chǎng)f (X)的導(dǎo)數(shù)，稱為李導(dǎo)數(shù)。</p><p&

83、gt;　　5）李括號(hào)：給定兩個(gè)向量場(chǎng) 和以或表示的按以下運(yùn)算</p><p><b>　?。?—7）</b></p><p>　　得出一個(gè)新的向量場(chǎng)定義為對(duì)于的李括號(hào)。</p><p>　　6） 向量場(chǎng)集合的對(duì)合性：如果有個(gè)維向量場(chǎng)</p><p><b>　?。?—8）</b></p>

84、<p><b>　　若由它們組成矩陣</b></p><p><b>　?。?—9）</b></p><p>　　在X=X0 點(diǎn)處的秩為k，又若對(duì)每一整數(shù)和，，增廣矩陣 </p><p>　　在X=X0處的秩仍為k，則稱向量的集合</p><p>　　是對(duì)合的或具有對(duì)合性。</p

85、><p>　　7） 控制系統(tǒng)的關(guān)系度：給出一個(gè)單輸入單輸出的非線性系統(tǒng)</p><p><b>　?。?—10）</b></p><p><b>　　如果：</b></p><p>　?、?輸出函數(shù)對(duì)向量場(chǎng)的k階李導(dǎo)數(shù)對(duì)向量場(chǎng)g的李導(dǎo)數(shù)在的鄰域內(nèi)的值為0，即 對(duì)于所有在鄰域內(nèi)的</p>

86、<p>　?、?對(duì)的階李導(dǎo)數(shù)對(duì)的李導(dǎo)數(shù)在鄰不為0。即</p><p>　　則說(shuō)系統(tǒng)在的鄰域中的關(guān)系度為。</p><p>　　3．2．2 非線性基本理論</p><p>　　1) 關(guān)系度的單輸入單輸出仿射非線性系統(tǒng)的線性化</p><p>　　關(guān)系度的情況下，所選定的坐標(biāo)變換為</p><p><b&g

87、t;　?。?—11）</b></p><p>　　或可以寫(xiě)成，此處要求為局部微分同坯，則以新的坐標(biāo)系描述的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為</p><p><b>　?。?—12）</b></p><p><b>　　輸出方程為 </b></p><p><b>　?。?—13）</b>

88、</p><p>　　式中的前個(gè)方程都是被線性化了的，且不顯含控制量只有最后一個(gè)顯含控制量的方程是非線性的。</p><p>　　2） 精確線性化的條件</p><p><b>　　給定一個(gè)系統(tǒng)：</b></p><p><b>　?。?—14）</b></p><p>　　

89、。這里，是控制變量，g (X)和f (X)都是維向量場(chǎng)。如果并且僅僅如果以下兩個(gè)條件成立：</p><p>　　① 矩陣，對(duì)于在附近的所有X，其秩不變且等于。</p><p>　?、?向量場(chǎng)集合在處是對(duì)合的。</p><p>　　那么，就必然存在一個(gè)函數(shù)，使得在處該系統(tǒng)的關(guān)系度r等于系統(tǒng)的階數(shù)n。于是，所給的系統(tǒng)可在的一個(gè)開(kāi)集上被精確線性化為一個(gè)完全可控的系統(tǒng)。&l

90、t;/p><p>　　3） 非線性系統(tǒng)的線性化標(biāo)準(zhǔn)型</p><p>　　考慮系統(tǒng)（3—14），此處。其關(guān)系度。如果所選的坐標(biāo)映射為</p><p><b>　?。?—15）</b></p><p><b>　　其中滿足關(guān)系</b></p><p><b>　?。?—1

91、6）</b></p><p>　　且在點(diǎn)處的雅可比矩陣是非奇異的，若令</p><p><b>　?。?—17）</b></p><p><b>　　以及</b></p><p><b>　?。?—18）</b></p><p>　　則原非線

92、性系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化為以下形式，即</p><p><b>　　（3—19）</b></p><p>　　上式所表述的系統(tǒng)模型為標(biāo)準(zhǔn)型，為了得到這樣的標(biāo)準(zhǔn)型要解偏微分方程組，因此在使用中往往使用某種算法以避免直接求解這樣的方程組。</p><p>　　4非線性勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4．1 概述&l

93、t;/b></p><p>　　不僅電力系統(tǒng)是一個(gè)巨大的非線性系統(tǒng)，就是一個(gè)單獨(dú)的同步發(fā)電機(jī)環(huán)節(jié)也是非線性的。隨著控制理論的發(fā)展，直接采用對(duì)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的任何擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程都能得到精確描述的非線性模型來(lái)設(shè)計(jì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器己經(jīng)變成可能，即采用非線性的控制原理來(lái)進(jìn)行勵(lì)磁控制。非線性控制的核心是將原系統(tǒng)經(jīng)過(guò)選定的坐標(biāo)變換后，在所得到的新的可控的線性系統(tǒng)上求出非線性反饋。在這種理論體系中，非線性系統(tǒng)狀態(tài)反饋精確線性

94、化理論運(yùn)用相對(duì)成熟。</p><p>　　目前，對(duì)于非線性勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)，有兩種不同的思路，一種是僅從系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，一種是對(duì)前者的改進(jìn)，兼顧了電壓調(diào)節(jié)精度，兩者都是運(yùn)用微分幾何的方法將系統(tǒng)狀態(tài)方程精確線性化，從而得出控制規(guī)律。研究表明，僅考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)出來(lái)的控制規(guī)律無(wú)法滿足機(jī)端電壓調(diào)節(jié)精度的要求。因此，實(shí)用的非線性勵(lì)磁控制器必須在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之滿足電壓調(diào)節(jié)精度的要求。</p><

95、;p>　　本章接下來(lái)介紹一下常見(jiàn)非線性控制設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　4．2 非線形勵(lì)磁的發(fā)展歷程</p><p>　　20 世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)[7]論述了非線性控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，推出了多機(jī)系統(tǒng)非線性勵(lì)磁控制規(guī)律。</p><p>　　在此之后許多學(xué)者提出比較合理的非線性勵(lì)磁規(guī)律。文獻(xiàn)[8]基于微分幾何方法給出了電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)非線性勵(lì)磁控制

96、規(guī)律的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)[9]以單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)為對(duì)象設(shè)計(jì)了輸入—輸出反饋線性化的非線性勵(lì)控制器，該控制器有精確的電壓跟蹤效果。文獻(xiàn)[10][11] 則是提出用模型預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)勵(lì)磁控制器并推導(dǎo)出了含有有功功率、角速度和機(jī)端電壓偏差量的非線性預(yù)測(cè)控制規(guī)律。</p><p>　　采用發(fā)電機(jī)采用幾階模型合理呢？科學(xué)家們做了大量的工作。大部分同步發(fā)電機(jī)非線性控制器都是基于發(fā)電機(jī)三階簡(jiǎn)化模型()，此時(shí)，選擇轉(zhuǎn)子相對(duì)角為控制

97、目標(biāo)同步發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)輸入對(duì)狀態(tài)的精確線性化；若選發(fā)電機(jī)端電壓為控制目標(biāo)，同步發(fā)電機(jī)只可以實(shí)現(xiàn)輸入對(duì)輸出部分精確線性化。文獻(xiàn)[12]將輸入對(duì)狀態(tài)反饋線性化方法應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)控制。其中，發(fā)電機(jī)采取五階模型，又加入了勵(lì)磁電壓和機(jī)械功率作為控制量。文獻(xiàn)[13]主要證明了五階模型描述的發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)的精確線性化，以直軸次暫態(tài)電壓作為輸出，勵(lì)磁電壓作為輸入。研究表明，基于五階模型設(shè)計(jì)的控制器比基于三階簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)的控制器具有更大的穩(wěn)定運(yùn)行

98、范圍。文獻(xiàn)[14]研究了基于發(fā)電機(jī)詳細(xì)模型(發(fā)電機(jī)七階，汽輪發(fā)電機(jī)二階)的多輸入多輸出的非線性控制器。該文選擇轉(zhuǎn)子相對(duì)角和發(fā)電機(jī)端電壓作為控制目標(biāo)，汽輪發(fā)電機(jī)組汽門(mén)開(kāi)度和勵(lì)磁電壓作為控制輸入，設(shè)計(jì)了部分反饋線性化控制器。理論上講，發(fā)電機(jī)模型的階數(shù)越高，勵(lì)磁控制器將具有更大的運(yùn)行范圍。但是，其控制量的計(jì)算時(shí)間、測(cè)量參量的延時(shí)對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。</p><p>　　也有許多學(xué)者從控制的目標(biāo)入手也做出了大量成果。

99、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制有2個(gè)控制目標(biāo)，即改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和滿足發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)特性，這2個(gè)控制目標(biāo)往往是相互矛盾的。大多數(shù)非線性勵(lì)磁控制器以控制發(fā)電機(jī)的功角為目標(biāo)來(lái)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [15]；非線性勵(lì)磁控制也被用于發(fā)電機(jī)的端電壓調(diào)節(jié)[16]；對(duì)同時(shí)考慮轉(zhuǎn)子相對(duì)角和端電壓調(diào)節(jié)的非線性協(xié)調(diào)控制也有研究 [17]。文獻(xiàn)[18]提出一種改進(jìn)的非線性勵(lì)磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：即保留電壓反饋信號(hào)以保證電壓調(diào)節(jié)精度，非線性反饋補(bǔ)償作為一個(gè)附加控制，既保證了電

100、壓調(diào)節(jié)精度水平，又能夠利用非線性控制的優(yōu)越性來(lái)改善系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[19]對(duì)各種非線性模型進(jìn)行綜合，表明幾種模型具有等價(jià)控制和相同的控制效果。</p><p>　　考慮到電力系統(tǒng)的全局性，非線性在多機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中逐漸廣泛。電力系統(tǒng)中實(shí)際存在的大多為多機(jī)電力系統(tǒng)，任何1臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行參變量的變化，或者電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，都會(huì)在不同程度上引起每臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出功率的相應(yīng)改變，引起全系統(tǒng)潮流的相應(yīng)變化，那么每個(gè)子系統(tǒng)僅僅

101、采用本子系統(tǒng)的狀態(tài)量或輸出量作為反饋量，而得到的卻是最大可能地改善全系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)的效果。文獻(xiàn)[20]用DFL方法設(shè)計(jì)了多機(jī)電力系統(tǒng)的解耦非線性勵(lì)磁控制器。該文獻(xiàn)指出，DFL方法不能直接得到解耦的多機(jī)電力系統(tǒng)的非線性勵(lì)磁控制規(guī)律，只能先設(shè)計(jì)1個(gè)DFL的補(bǔ)償器將非線性系統(tǒng)部分線性化，然后將系統(tǒng)的耦合等當(dāng)作擾動(dòng)，進(jìn)一步采取魯棒控制。目前，幾乎所有基于DFL方法的控制器都采用這種方式。由于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題上具有全局性。隨著廣域測(cè)量技

102、術(shù)的深入研究運(yùn)用，基于廣域測(cè)量的全局非線性勵(lì)磁由于引進(jìn)某些全局信息，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)承受大干擾的能力[21]。</p><p>　　非線性控制理論正在不斷發(fā)展與完善中，非線性控制系統(tǒng)理論的研究中還有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步探討。</p><p>　　4．2 常見(jiàn)非線性控制設(shè)計(jì)方案</p><p>　　非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性使得我們?cè)趯ふ蚁到y(tǒng)性的控制方案來(lái)達(dá)到控制目標(biāo)時(shí)遇到了

103、極大的困難，很顯然面對(duì)著如此之多的非線性特性，我們不可能期望找到一種控制方案來(lái)來(lái)處理所有的非線性系統(tǒng)，一個(gè)控制工程師要做的是掌握一系列的分析和設(shè)計(jì)方法，當(dāng)遇到具體的控制問(wèn)題時(shí)，找到一種最適合的控制方案來(lái)。</p><p>　　針對(duì)不同的非線性特性，也有很多非線性控制方案被提了出來(lái)，在這里我們回顧幾種比較常用的非線性控制方案，微分幾何的方法描述了非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性；同時(shí)也對(duì)一類系統(tǒng)提供了一種反饋設(shè)計(jì)控制律的方法，

104、并且取得了較好的成果。</p><p>　　非線性控制在90年代有了一個(gè)突破，backstepping方法的出現(xiàn)，一種非線性系統(tǒng)的遞歸控制律設(shè)計(jì)方案。隨后又出現(xiàn)了自適應(yīng)的、魯棒的和基于觀測(cè)器的backstepping方案。</p><p>　　4．2．1 微分幾何方法 </p><p>　　為了分析非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，將系統(tǒng)置于微分流行上進(jìn)行考慮，認(rèn)為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是定義在

105、流形上的向量場(chǎng)，應(yīng)用微分流形上的向量場(chǎng)研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方法，即為微分幾何法。微分幾何法為非線性系統(tǒng)反饋線性化的方法，應(yīng)用于電力系統(tǒng)控制中解決許多實(shí)際的問(wèn)題。它可以通過(guò)選擇合適的微分同坯坐標(biāo)變換和非線性反饋，將原來(lái)的仿射非線性系統(tǒng)變換為線性系統(tǒng)。</p><p>　　4．2．2 反饋無(wú)源性控制方案</p><p>　　無(wú)源性和存儲(chǔ)函數(shù)的概念是從對(duì)電網(wǎng)絡(luò)和其它物理分支系統(tǒng)的研究中得到的，它從能

106、量耗散的角度定義了系統(tǒng)的性質(zhì)。由于它有著較深的物理意義以及和Lyapunov函數(shù)有著密切的聯(lián)系，因此在非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的應(yīng)用，成為控制系統(tǒng)理論中一個(gè)非常有力的設(shè)計(jì)工具。</p><p>　　4．2．3 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制策略。這種控制策略與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)變化的開(kāi)關(guān)特

107、性。該特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即滑動(dòng)模態(tài)(Sliding Mode)運(yùn)動(dòng).這種滑動(dòng)模態(tài)是可以設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這樣處于滑模運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性。滑模變結(jié)構(gòu)控制可以用于多種線性和非線性系統(tǒng)。</p><p>　　在滑?？刂浦?，必須解決滑動(dòng)模態(tài)存在的條件、滑動(dòng)模態(tài)的一般數(shù)學(xué)描述及如何選擇切換流形與控制規(guī)律，使得系統(tǒng)的狀態(tài)確實(shí)能到達(dá)切換流形并沿其滑

108、動(dòng)到原點(diǎn)，使之具有良好的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)在實(shí)際系統(tǒng)中由于切換裝置不可避免地存在慣性，變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在不同的控制邏輯中來(lái)回切換，導(dǎo)致實(shí)際滑動(dòng)模態(tài)不是準(zhǔn)確地發(fā)生在切換面上，容易引起系統(tǒng)劇烈抖動(dòng)，從而成為它在實(shí)際應(yīng)用中的一大障礙。此外，各種滯后和未建模動(dòng)力學(xué)因素也可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。目前變結(jié)構(gòu)控制理論的研究對(duì)象也己涉及到離散系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)、廣義系統(tǒng)、滯后系統(tǒng)、非線性大系統(tǒng)及非完整力學(xué)系統(tǒng)等眾多復(fù)雜系統(tǒng)，自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法

109、等先進(jìn)控制技術(shù)也被綜合應(yīng)用到了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以解決變結(jié)構(gòu)控制器所存在的不利抖動(dòng)現(xiàn)象對(duì)實(shí)際應(yīng)用所帶來(lái)的困難。但是目前很多研究還僅僅局限在數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)實(shí)驗(yàn)階段，迫切需要開(kāi)展系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究工作。</p><p>　　4．2．4 高增益觀測(cè)器</p><p>　　在很多非線性設(shè)計(jì)方案中，都假定系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是可用的，然后再來(lái)設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制律。但是在很多實(shí)際問(wèn)題中我們不可能

110、得到全部的系統(tǒng)狀態(tài)，或者由于技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的原因，我們可能會(huì)選擇只測(cè)量其中的部分狀態(tài).在很多情況下，我們也可以選擇去設(shè)計(jì)輸出反饋控制律來(lái)代替狀態(tài)反饋控制律，在設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器時(shí)，模型誤差會(huì)影響到系統(tǒng)的估計(jì)誤差方程，有時(shí)候會(huì)使得系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。</p><p>　　在這里我們介紹高增益觀測(cè)器的方法，對(duì)于一類非線性系統(tǒng)在觀測(cè)器增益足夠大的情況下可以保證輸出反饋可以達(dá)到狀態(tài)反饋的特性，并且可以使得觀測(cè)器對(duì)模型不確定性有一定的