硕士论文-电力系统、永磁同步电动机混沌控制研究

广西师范大学硕士学位论文电力系统、永磁同步电动机混沌控制研究姓名：韦笃取申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：罗晓曙20060401广西师范大学硕士学位论文I电力系统、永磁同步电动机混沌控制研究研究生：韦笃取导师：罗晓曙教授2003级电路与系统专业非线性电路理论及应用论文摘要已有的研究表明，在一定的参数和工作条件下，电力系统、永磁同步电动机（PMSM）呈现出混沌行为。电力系统处于混沌振荡将严重危及电力系统的稳定、安全运行，甚至会导致互联电力系统的崩溃。混沌的存在同样会严重影响PMSM运行的稳定性，甚至会引起机电系统的解列。因此研究电力系统、PMSM的混沌控制方法对保证其稳定、安全运行具有极其重要的意义。本文对电力系统、PMSM的混沌控制方法进行了深入研究，并取得一些对电力系统、PMSM稳定运行具有理论意义和实用价值的成果。全文主要完成了以下工作：（1）归纳和总结了现有的电力系统、PMSM的混沌模型，并对它们的混沌特性进行了系统、详细的阐述；介绍了近十年来国内外几种具有代表性的混沌控制方法；重点讨论了当前电力系统、PMSM混沌控制方法的研究现状及存在的问题；提出了本文研究的目的和意义。（2）首先基于无源性理论，构造自适应反馈控制器使混沌振荡的电力系统等效为闭环无源系统，然后证明该无源系统可以实现在平衡点的稳定，从而达到控制电力系统混沌振荡的目的。数值仿真表明，该控制策略不仅行之有效，还具有较强的鲁棒性。（3）利用Lyapunov渐近稳定理论设计自适应混沌控制器，对考虑励磁限制电力系统的混沌振荡进行控制。该控制策略不需要使用除系统状态变量以外的任何有关被控系统的信息,并且能在线跟踪系统的不确定性参数,因此不仅简单直接，易于工程实现，还能消除系统参数的不确定性和外部噪声干扰的影响，具有较强的鲁棒性。（4）利用微分几何控制理论中的状态反馈精确线性化方法控制PMSM中的混沌运动，这种精确线性化与传统的近似线性化不同，它在线性化过程中没有忽略任何高阶非线性项，因此不仅是精确的，而且具有全局意义。数值仿真时和传统的近似线性化控制方法进行了比较，得到的结果与理论分析相一致。（5）利用鲁棒自适应动态面控制器对PMSM混沌运动进行控制，动态面控制器设计过程采用类似传统的Backstepping（反演）控制方法的逐步设计法，其优点是通过引入一阶低通滤波器来克服传统的Backstepping（反演）控制器设计过程由于虚拟反馈控制输入微分而引起的“微分项爆炸”的问题。此外，该方法对系统的不确定参数具有鲁棒性。（6）基于极点配置方法对非均匀气隙PMSM一般情形下的混沌运动进行线性状态反馈控制，由于反馈增益由极点配置方法获得，因此系统的动态响应特性完全符合期望的综合指标要求。数值仿真表明了该控制方法的有效性。广西师范大学硕士学位论文II关键词：混沌控制电力系统永磁同步电动机无源自适应控制微分几何动态面控制广西师范大学硕士学位论文IIIStudyonChaosControlforpowersystemandpermanentmagnetsynchronousmotorGraduatestudent:WeiDuquAdvisor:Prof.LuoXiaoshuGrade:2003Major:CircuitandSystemAbstractRecentinvestigateshaveindicatedthatpowersystemandpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)behaviorchaoswithsomeparametersorundercertainworkconditionswhichthreatenthesecureandstableoperationofpowersystemandmotordrivesystem.Thus,itisindispensabletostudythemethodsofcontrollingorsuppressingchaosinpowersystemandPMSM.Inthisthesis,someproperandapplicablemethodsareresearchedtocontrolchaosinpowersystemandPMSM.Theresearchworkofthisdissertationmayhelptomaintainthepowersystemandindustrialdrivesystem’ssecurityoperation.Themainresearchworkofthisdissertationhassixpartsasfollows:First,expoundsystematicallythemodelandbasicchaoticpropertyofpowersystemandPMSM.Summarizetheseveraltypicalmethodsofchaoscontrol,andthengiveabriefintroductionaboutcurrentchaoscontroltechniqueforpowersystemandPMSM,meanwhiledescribethedisadvantagesofthosetechniques,finallypointouttheaimandsignificanceofthisdissertation.Second,apassivity-basedadaptivecontrollawispresented,whichtransformsthepowersystemintoanequivalentpassivesystem.Itisprovedthattheequivalentsystemcanbeasymptoticallystabilizedatdifferentequilibriumpointswithoutinfluenceofundeterministicparameters.SimulationresultsshowtheproposedcontrollawisveryeffectiveandrobustagainstboththeuncertaintyinsystemparametersandexternalnoiseinterferenceThird,astraightforwardadaptivechaoscontrollerbasedonLyapunovasymptoticalstabilitytheoryisdesignedtocontrolchaosinpowersystemwithexcitationlimits.Simulationresultsshowtheproposedcontrollawisveryeffectiveandrobustagainstboththeuncertaintiesinsystemparametersandexternalnoiseinterference.Fourth,usingtheexactlinearizationtheoryofdifferentialgeometry,alawofcontrollingchaosinPMSMisdeduced.Andthen,theprocessofcontrollingissimulatedandanalyzed.Theoryanalysisandsimulationresultsshowthatthedesignedcontrollawiseffectiveanditscontrolpropertyisbetterthanthatofothers.Fifth,tocontroltheundesirablechaosinPMSM,anadaptivedynamicsurfacecontrol(DSC)lawisdesigned,whichovercomestheproblemof“explosionofterms”associatedwiththe广西师范大学硕士学位论文IVtraditionalBacksteppingdesignprocedurebyintroducingfirst-orderlow-passfilters.Simulationresultsshowthatthepresentedcontrollawisveryeffectiveandrobustagainsttheuncertaintiesinsystemparameters.Sixth,basedonthepoleassignmentmethod,astatevariablefeedbackcontrollerisdesignedtoeliminatechaosinPMSM.Simulationresultsshowthatthedesignedcontrolleriseffectiveandthecontrolsystemhaveadvantagesinthedynamicresponseperformancebecauseofthefeedbackgainbeingdeterminedbypole-placementmethod.Keywords:chaoscontrol,powersystem,permanentmagnetsynchronousmotor,passivity-basedadaptivecontrol,differentialgeometry,dynamicsurfacecontrol1论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。研究生签名：日期：论文使用授权声明本人完全了解广西师范大学有关保留、使用学位论文的规定。广西师范大学、中国科学技术信息研究所、清华大学论文合作部，有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权广西师范大学学位办办理。研究生签名：日期：导师签名：日期：广西师范大学硕士学位论文1绪论1.1引言大电网之间的互联是现代电力系统发展的必然趋势，它将使电网的发电和输电变得更经济，更高效。与此同时，电力系统运行的稳定性受到前所未有的挑战。近几十年来，国内外一些大电网相继发生电压、频率振荡失稳甚至崩溃的事故[1-5]，如2003年8月14日美加大停电，2005年5月23日莫斯科大停电等[6,7]，这些事故给国民经济和人们的生活造成了巨大损失和严重危害。最初，研究人员认为电力系统负阻尼引起的低频振荡是导致其失稳的根本原因，但是他们在通过附加励磁控制器增强系统阻尼之后，发现振荡仍有发生[8,9]。随着分岔、混沌理论在电力系统非线性动力学行为研究中的应用，人们发现电力系统中除了低频振荡外，还存在混沌振荡，其外在表现为非周期、无规则、突发性或阵发性的病态机电振荡。这种振荡不仅对系统的稳定具有极强的破坏力，而且不能依靠附加传统的励磁控制器来抑制或消除，因而很有必要对电力系统的混沌振荡产生机理及其控制进行深入研究。自上个世纪九十年代以来，国内外许多研究人员对电力系统的分岔、混沌振荡产生机理进行了充分、有益的探讨[10-32]，但对电力系统混沌控制方法的研究尚属少见，因此研究电力系统的混沌控制对保证电力系统的稳定运行具有极其重要的意义。永磁同步电动机（PMSM）由于其结构简单、高效节能，因而在工业上得到越来越广泛的应用。近年来，它的稳定性、可靠性研究受到人们广泛的关注，这是由于永磁同步电动机的稳定、可靠运行是工业自动化生产的关键问题。已有的研究表明[33-40]，