一種基于零、極點配置的多指標非線性控制設計方法及其在電力系統(tǒng)中的應用.pdf

1、隨著現(xiàn)代數(shù)學的發(fā)展，微分幾何方法逐漸被應用于非線性系統(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年來自動控制理論發(fā)展的一大成就。本博士論文簡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)中的應用狀況。在此基礎上，提出了基于微分幾何的非線性控制理論在電力系統(tǒng)應用中有待進一步研究的問題，并對其中一些問題提出了新的見解和解決方法。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)的應用中，人們已習慣于將輸出函數(shù)選取為

2、單狀態(tài)量的形式，對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一步深入研究和解決的問題：1.在上述非線性控制系統(tǒng)中，有時會出現(xiàn)被控系統(tǒng)狀態(tài)量的動、靜態(tài)性能難以滿意協(xié)調的問題。出現(xiàn)這些問題的深層次原因是什么？有無有效解決這一問題的方法？2.在線性系統(tǒng)控制的設計中，通過調整閉環(huán)系統(tǒng)的零極點位置可以有效調整受控系統(tǒng)的性能。在非線性控制系統(tǒng)中，能否找到類似的方法？3.在非線性設計方法中，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。本文對上述問題進行了深入的推證和分析，對其中一些問題的解決提出了新的觀點和思路。全文可歸納為如下三個部分：第一部分包含論文的第一和第二兩章。在對非線性系統(tǒng)的普遍性、復雜性及其特有現(xiàn)象進行了概要性的論述后，簡要地回顧了非線性控制系統(tǒng)設計方法的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀；綜述了非線性控制設計方法在電力系統(tǒng)中的應用研究現(xiàn)狀；簡要整理和介紹了微分動力系統(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、的控制設計方法進行了理論上的準備。第二部分包含論文的第三和第四兩章。這部分分別針對單輸入單輸出（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計方法；推導了輸出函數(shù)在非線性控制系統(tǒng)中零、極點配置的作用；討論了非線性控制設計中的完全和部分精確線性化問題；討論了非線性控制設計中輸出函數(shù)對系統(tǒng)性能指標的影響，并提出了一種通過恰當選取輸出函數(shù)實現(xiàn)多指標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、的一個長期被忽略的重要功能，即用來引導出一個非線性變換。研究發(fā)現(xiàn)選取不同的輸出函數(shù)可以達到改變系統(tǒng)零、極點位置的目的，并且還能夠用來更方便地調整系統(tǒng)的性能。根據(jù)這一研究結果，本文提出了非線性控制設計中輸出函數(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，可獲得多指標的控制效果，同時，輸出函數(shù)系數(shù)矩陣的引入還增加了調節(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

6、非線性控制在電力系統(tǒng)的具體應用，分別設計了如下非線性電力系統(tǒng)控制裝置：發(fā)電機多指標非線性勵磁控制；凝汽式汽輪發(fā)電機的多指標非線性綜合控制；中間再熱式汽輪發(fā)電機的多指標非線性綜合控制；水輪發(fā)電機的多指標非線性綜合控制和TCSC與水輪發(fā)電機兩設備的多指標非線性協(xié)調控制。發(fā)電機的多指標非線性勵磁控制設計的目的是為了尋找一個具有多指標的非線性勵磁控制規(guī)律，該控制律既可以改善發(fā)電機各狀態(tài)量的動態(tài)響應特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可有效地解決發(fā)電機端電

7、壓的調節(jié)精度問題。此外，由于該勵磁控制律采用可實際測量的物理量進行反饋，便于實現(xiàn)，具有工業(yè)實用價值。論文完成了該控制裝置樣機的研制，并進行了樣機的動態(tài)模擬實驗。仿真和動模實驗結果均表明，所提出的多指標非線性勵磁控制可以給出十分滿意的結果。凝汽式汽輪發(fā)電機和中間再熱式汽輪發(fā)電機多指標非線性控制設計的主要目的是為了驗證本文所提出的基于非完全精確線性化控制策略解決復雜多輸入多輸出非線性控制問題的能力。特別是對于中間再熱式汽輪發(fā)電機系統(tǒng)，本文同

8、時考慮了發(fā)電機勵磁，高壓缸汽門開度、中壓缸汽門開度這三個控制量的綜合控制問題，并且設計過程中還考慮了中間再熱器的動態(tài)過程。對這樣復雜的系統(tǒng)，采用完全精確線性化實現(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問題。仿真結果驗證了上述結論的正確性。水輪發(fā)電機的綜合控制和TCSC與水輪發(fā)電機的協(xié)調控制設計的主要目的是考察本文提出的多指標非線性控制在解決非最小相位復雜系統(tǒng)控制問題的能力，利用本文提出的方法設計了可以有效協(xié)調TCSC電抗