柴油发电机组并联运行混沌控制研究

论文摘要

在船舶航行中,随着外界环境的变化船舶将受到不同程度的冲击,多次观测到船舶电力系统出现了混沌振荡现象,尤其在目前船舶电力推进应用不断发展的情况下,避免船舶电力系统因外界扰动而造成系统崩溃和设备损坏就显得尤为重要。混沌理论是目前非线性科学中的一项重要研究内容,已经渗透到诸多学科以及工程领域。随着船舶电力系统规模越来越大,其非线性特点越来越明显,在一定条件下会发生混沌运动行为,表现为无规则的机电振荡,对系统的安全稳定运行构成威胁。基于此,本文以混沌动力学理论为基础,研究船舶电力系统混沌动力学行为的特点、诱发机理、船舶电力系统混沌现象检测方法和消除其混沌振荡的有效措施。首先在单台柴油发电机模型的基础上,加上并联时电压电流耦合关系和负载电流关系确立船舶电力系统柴油发电机组双机并联的非线性数学模型,包括调速系统模型和调压系统模型。本文结合柴油机的特点,并考虑了发电机励磁暂态的变化过程,忽略阻尼绕组的作用,相比以往所用的模型维数更高,更能精确表述柴油发电机组的特点。采用常规PI控制方法设计调速和调压控制器,通过仿真得到并联前后两台发电机的变化波形图,验证了所建数学模型的有效性。其次,采用了观测法和Lyapunov指数分析法相结合的方法对双机并联系统的混沌振荡现象进行分析,既从直观的角度又从特征量的角度分析了系统的混沌动力学特征。以Lyapunov指数分析法作为分析混沌振荡产生条件的判据,使用Jacobian方法求解出双机系统中的单台柴油发电机组的Lyapunov指数,将得到的Lyapunov指数谱图作为判断混沌出现条件的判据,通过仿真得到对应不同条件下发电机组的功角转速相图及随时间变化的波形图,验证了所得Lyapunov指数谱的准确性。再次,考虑到周期功率扰动影响的是机电暂态模型,对励磁暂态模型没有影响。同时H∞鲁棒控制方法对系统模型参数具有鲁棒性,并不依赖于精确地数学模型。而且船舶电力系统受到外界的干扰因素多,属强非线性系统,故采用非线性H∞鲁棒控制方法进行调速器设计。同时鉴于鲁棒非线性控制方法计算量大,设计过程复杂,故依然采用PI控制方法设计励磁控制器。仿真结果表明在所设计控制器的作用下,柴油发电机组双机并联系统的混沌运动得到了迅速的抑制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 混沌及混沌控制研究的背景和意义
• 1.2 电力系统混沌振荡的研究
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 混沌和鲁棒理论介绍
• 2.1 引言
• 2.2 混沌的定义及特征
• 2.3 混沌的分析与控制
• 2.3.1 混沌系统的动力学行为分析和判据
• 2.3.2 混沌系统的控制方法
• 2.4 非线性鲁棒控制理论及设计方法
• 2.4.1 非线性鲁棒控制理论
• 2.4.2 非线性鲁棒控制器设计及稳定性
• 2.5 本章小结
• 第3章 船舶电力系统非线性建模
• 3.1 引言
• 3.2 船舶电力系统的结构和特点
• 3.2.1 船舶电力系统的结构
• 3.2.2 船舶电力系统的特点
• 3.3 柴油发电机组数学模型
• 3.3.1 柴油机调速系统的数学模型
• 3.3.2 同步发电机调压系统的数学模型
• 3.3.3 并联柴油发电机组简化三阶模型
• 3.3.4 并联机组的负载分配
• 3.4 负荷的数学模型
• 3.4.1 静负荷数学模型
• 3.4.2 动负荷数学模型
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 船舶电力系统混沌振荡分析
• 4.1 引言
• 4.2 LYAPUNOV指数分析法
• 4.3 直观分析法
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 船舶电力系统混沌振荡H∞鲁棒非线性控制
• 5.1 引言
• 5.2 直接反馈线性化方法
• 5.3 并联柴油发电机组混沌振荡的非线性H∞鲁棒控制
• 5.3.1 非线性H∞鲁棒控制方法
• 5.3.2 柴油发电机组并联运行非线性鲁棒调速器的设计
• 5.4 柴油发电机组并联运行调压器的设计
• 5.5 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录