自抗扰控制技术研究及其在发电机励磁控制中的应用

论文摘要

自抗扰控制技术是由中科院韩京清提出的开创性技术,在一定程度上颠覆了控制工程中的模型化方法。其精妙的工作机理在方法论上同样具有重要的意义。但是由于在某些方面还不完善,理论上仍未被广为接受。发现和改进其不足之处必将有利于该控制技术的完善和发展。本文首先通过严格的数学分析和数字仿真实验,研究分析了线性扩张状态观测器有初始误差时存在的峰化现象。初始误差的各个分量中第一个分量造成的峰化现象最严重,同时扩张状态观测器的各个输出量中最后一个输出分量即扰动观测量的峰化最突出。该量虽然持续时间很短但幅值非常大,对控制效果产生严重的影响,甚至使控制量输出与控制规律相反的值。随后,本文对其产生机理进行了细致的分析。最后,本文提出三点解决方法。第一是在自抗扰的算法中加入初始化初值这样一个消除初始误差的步骤;二是给控制量限幅,这同时也符合控制工程的实际情况;三是针对量测噪声造成的峰化,加入滤波环节。仿真结果证明了上述方法的有效性。电力系统中存在有参数、结构不确定性和外部故障的随机性,这决定了励磁系统的控制对象的不确定性。通过自抗扰控制理论构造强鲁棒性的发电机励磁控制系统,有利于改善系统的电压稳定及功角稳定性,并最终提高我国的电能品质。实际应用中发现的不足,反过来加快理论上的进一步完善。不确定性分为两大类,即匹配不确定性和不匹配不确定性。本文的分析表明,由于匹配不确定性属于g张成的线性空间,存在此类不确定性的系统依然可以通过微分同胚坐标变换成为积分器串联形式。如此,不确定性就全部显式地出现在控制量通道内,进而可以用自抗扰控制器进行观测和补偿,最终达到抑制扰动和反馈线性化的目的。在以上理论基础上,本文对存在不确定性的发电机励磁控制系统进行了分析,提出了一种新的励磁控制规律。同时根据实际情况,提出扩张状态观测器的输入尽量取被观测系统的高价变量,从而可以降低观测器的阶数,提高准确度。最后通过编写PSASP(Power System Analysis Software Package)自定义程序,进行了仿真验证。结果表明其提高了电力系统稳定性水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究的现状和进展
• 1.2.1 微分几何方法
• 1.2.2 鲁棒控制设计
• 1.2.3 自抗扰控制技术
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 自抗扰控制技术及其参数整定
• 2.1 自抗扰控制技术的理论基础
• 2.1.1 非线性跟踪微分器
• 2.1.2 扩张状态观测器
• 2.1.3 非线性反馈
• 2.2 自抗扰控制器的分析与设计
• 2.2.1 TD 的频率分析
• 2.2.2 线性反馈与非线性反馈
• 2.2.3 ESO 分析
• 2.3 参数调整
• 2.3.1 跟踪微分器的参数调整
• 2.3.2 扩张状态观测器的参数调整
• 2.3.3 非线性反馈的参数调整
• 2.3.4 二阶自抗扰控制器参数讨论
• 2.4 小结
• 第三章 线性扩张状态观测器的峰化现象
• 3.1 理论分析
• 3.1.1 ESO 的误差收敛过程
• 3.1.2 结论
• 3.1.3 原因分析
• 3.2 数字仿真实验
• 3.2.1 峰化现象
• 3.2.2 对控制的影响
• 3.2.3 应用fal 函数
• 3.3 解决方法
• 3.3.1 扩张状态观测器运行前先设初值
• 3.3.2 控制器输出限幅
• 3.3.3 观测量y 滤波
• 3.4 小结
• 第四章 自抗扰励磁控制器设计
• 4.1 理论分析
• 4.1.1 不确定性系统的原理
• 4.1.2 微分几何方法的原理
• 4.1.3 匹配不确定性非线性系统的自抗扰控制
• 4.2 电力系统的励磁控制数学模型
• 4.2.1 同步发电机输出功率方程
• 4.2.2 同步发电机电磁动态方程
• 4.3 基于微分几何坐标变换和自抗扰控制技术的励磁控制器设计
• 4.4 基于PSASP 自定义程序的数字仿真
• 4.5 小结
• 第五章 结论和展望
• 参考文献
• 附录
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢