一種基于零、極點(diǎn)配置的多指標(biāo)非線性控制設(shè)計(jì)方法及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，微分幾何方法逐漸被應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的控制，并成為研究非線性系統(tǒng)的主要方法之一，被視為是近20年來(lái)自動(dòng)控制理論發(fā)展的一大成就。本博士論文簡(jiǎn)要地回顧了非線性控制理論的發(fā)展歷史和非線性控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況。在此基礎(chǔ)上，提出了基于微分幾何的非線性控制理論在電力系統(tǒng)應(yīng)用中有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題，并對(duì)其中一些問(wèn)題提出了新的見(jiàn)解和解決方法。在傳統(tǒng)的基于微分幾何的非線性控制理論在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中，人們已習(xí)慣于將輸出函數(shù)選取為

2、單狀態(tài)量的形式，對(duì)這樣的非線性控制系統(tǒng)，本文首先提出了以下一些有待進(jìn)一步深入研究和解決的問(wèn)題：1.在上述非線性控制系統(tǒng)中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)被控系統(tǒng)狀態(tài)量的動(dòng)、靜態(tài)性能難以滿意協(xié)調(diào)的問(wèn)題。出現(xiàn)這些問(wèn)題的深層次原因是什么？有無(wú)有效解決這一問(wèn)題的方法？2.在線性系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整閉環(huán)系統(tǒng)的零極點(diǎn)位置可以有效調(diào)整受控系統(tǒng)的性能。在非線性控制系統(tǒng)中，能否找到類似的方法？3.在非線性設(shè)計(jì)方法中，輸出函數(shù)的作用到底是什么？是否可尋找到一種對(duì)大部分非

3、線性系統(tǒng)都比較有效的具有一定普適性的輸出函數(shù)形式。本文對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深入的推證和分析，對(duì)其中一些問(wèn)題的解決提出了新的觀點(diǎn)和思路。全文可歸納為如下三個(gè)部分：第一部分包含論文的第一和第二兩章。在對(duì)非線性系統(tǒng)的普遍性、復(fù)雜性及其特有現(xiàn)象進(jìn)行了概要性的論述后，簡(jiǎn)要地回顧了非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀；綜述了非線性控制設(shè)計(jì)方法在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀；簡(jiǎn)要整理和介紹了微分動(dòng)力系統(tǒng)的基本概念和基本理論，為后續(xù)章節(jié)深入討論非線性系統(tǒng)

4、的控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了理論上的準(zhǔn)備。第二部分包含論文的第三和第四兩章。這部分分別針對(duì)單輸入單輸出（SISO）和多輸入多輸出（MIMO）非線性控制系統(tǒng)討論了微分幾何非線性控制設(shè)計(jì)方法；推導(dǎo)了輸出函數(shù)在非線性控制系統(tǒng)中零、極點(diǎn)配置的作用；討論了非線性控制設(shè)計(jì)中的完全和部分精確線性化問(wèn)題；討論了非線性控制設(shè)計(jì)中輸出函數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，并提出了一種通過(guò)恰當(dāng)選取輸出函數(shù)實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)非線性控制的具有一定普適性的方法。本文發(fā)現(xiàn)了非線性控制中輸出函數(shù)

5、的一個(gè)長(zhǎng)期被忽略的重要功能，即用來(lái)引導(dǎo)出一個(gè)非線性變換。研究發(fā)現(xiàn)選取不同的輸出函數(shù)可以達(dá)到改變系統(tǒng)零、極點(diǎn)位置的目的，并且還能夠用來(lái)更方便地調(diào)整系統(tǒng)的性能。根據(jù)這一研究結(jié)果，本文提出了非線性控制設(shè)計(jì)中輸出函數(shù)的一種新的選取形式，即多狀態(tài)量線性組合的形式。研究發(fā)現(xiàn)，將輸出函數(shù)選取為多狀態(tài)量的線性組合，可獲得多指標(biāo)的控制效果，同時(shí)，輸出函數(shù)系數(shù)矩陣的引入還增加了調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)性能的手段。第三部分包含論文的第五、第六和第七章，是本文提出的多指標(biāo)

6、非線性控制在電力系統(tǒng)的具體應(yīng)用，分別設(shè)計(jì)了如下非線性電力系統(tǒng)控制裝置：發(fā)電機(jī)多指標(biāo)非線性勵(lì)磁控制；凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)的多指標(biāo)非線性綜合控制；中間再熱式汽輪發(fā)電機(jī)的多指標(biāo)非線性綜合控制；水輪發(fā)電機(jī)的多指標(biāo)非線性綜合控制和TCSC與水輪發(fā)電機(jī)兩設(shè)備的多指標(biāo)非線性協(xié)調(diào)控制。發(fā)電機(jī)的多指標(biāo)非線性勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)的目的是為了尋找一個(gè)具有多指標(biāo)的非線性勵(lì)磁控制規(guī)律，該控制律既可以改善發(fā)電機(jī)各狀態(tài)量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可有效地解決發(fā)電機(jī)端電

7、壓的調(diào)節(jié)精度問(wèn)題。此外，由于該勵(lì)磁控制律采用可實(shí)際測(cè)量的物理量進(jìn)行反饋，便于實(shí)現(xiàn)，具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值。論文完成了該控制裝置樣機(jī)的研制，并進(jìn)行了樣機(jī)的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)。仿真和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，所提出的多指標(biāo)非線性勵(lì)磁控制可以給出十分滿意的結(jié)果。凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)和中間再熱式汽輪發(fā)電機(jī)多指標(biāo)非線性控制設(shè)計(jì)的主要目的是為了驗(yàn)證本文所提出的基于非完全精確線性化控制策略解決復(fù)雜多輸入多輸出非線性控制問(wèn)題的能力。特別是對(duì)于中間再熱式汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，本文同

8、時(shí)考慮了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，高壓缸汽門開(kāi)度、中壓缸汽門開(kāi)度這三個(gè)控制量的綜合控制問(wèn)題，并且設(shè)計(jì)過(guò)程中還考慮了中間再熱器的動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，采用完全精確線性化實(shí)現(xiàn)非線性控制非常困難，本文提出的方法卻可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述結(jié)論的正確性。水輪發(fā)電機(jī)的綜合控制和TCSC與水輪發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)的主要目的是考察本文提出的多指標(biāo)非線性控制在解決非最小相位復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題的能力，利用本文提出的方法設(shè)計(jì)了可以有效協(xié)調(diào)TCSC電抗