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《哈尔滨工程大学》 2003年
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H_∞控制理论在船舶电站中的应用研究

黄曼磊  
【摘要】: H_∞控制理论是分析和设计不确定系统的一种强有力的工具,主要解决对象建模中的误差和在一定范围内因模型摄动而引起控制品质恶化的控制难题。本文对H_∞控制理论在船舶电站中的应用进行了研究,着重解决了在船舶电站柴油发电机组控制系统中出现的特殊控制问题。本文在详细分析和研究柴油发电机组数学模型的基础上,首次应用H_∞控制理论对船舶电站柴油发电机组控制系统进行了混合灵敏度的优化设计研究,首次提出了应用H_∞控制理论对船舶电站柴油发电机组进行综合控制的控制方案,获得了满意的结果。 本文提出了柴油发电机组机电暂态过程的数学模型,分析了柴油机转矩的脉动和滞后,准确地描述了柴油机输出轴扭矩与柴油机转速和喷油泵齿杆位移之间的关系,全面揭示了柴油发电机组的运动规律,利用分段线性化的方法解决了柴油发电机组的非线性问题。本文给出了同步发电机电磁暂态过程实用模型和船舶电站负荷的数学模型。 本文首次提出了应用H_∞控制器的船舶电站柴油机调速系统的数学模型。给出了H_∞优化设计的一般步骤,建立了柴油机调速系统的数学模型,把柴油机调速系统H_∞控制器的设计归结为混合灵敏度问题,阐述了广义对象的状态空间实现,提出了加权函数的选择方法和特点,针对柴油机这一控制对象,分析了柴油机模型的不确定性,合理地选择了加权函数,建立了柴油机广义对象的数学模型,通过求解Riccati方程,得到低阶次的简单控制器,对控制器的性能进行了检验,系统性能和系统鲁棒稳定性的要求均得到满足,用混合灵敏度问题的数学模型成功地解决了系统的鲁棒性、干扰抑制和控制器输出约束的H_∞控制问题。本文分析了H_∞优化设计方法的实质,对系统设计中每一步遇到的主要问题都做了深入的研究。 本文首次提出了应用H_∞控制器的船舶电站同步发电机调压系统的数学模型。分别给出了船舶电站相复励励磁系统、可控硅励磁系统、无刷励磁系统的数学模型,把同步发电机调压系统H_∞控制器的设计归结为混合灵敏度问题,针对同步发电机这一控制对象,分析了其模型的不确定性,建立了同步发电机广义对象的数学模型。研究了参数摄动和加权函数改变对结果的影响,讨论了加权函数的选择问题。对同步发电机的数学模型进行了讨论,阐述了在船舶电力系统设计中使用五阶模型的必要性。 本文首次提出了应用H_∞控制理论对船舶电站柴油发电机组进行综合控制的控制方案和应用H_∞综合控制器的柴油发电机组综合控制系统的数学模型。首先给出了针对H_∞综合控制器的柴油发电机组数学模型,然后在此基础上建立了柴油发电机组综合控制系统的数学模型,把柴油发电机组H_∞综合控制器 哈尔滨工程大学博士学位论文 的设计归结为混合灵敏度问题,针对柴油发电机组这一控制对象,建立了柴油 发电机组广义对象的数学模型。本文设计的H。综合控制器在充分考虑系统模 型不确定性的情况下,成功地解决了由于转速和电压相互祸合所带来的综合控 制问题。 通过计算机仿真实验结果表明,本文运用H。控制理论设计的控制器能够 在充分考虑柴油发电机组模型不确定性的情况下,有效地提高调速系统和调压 系统的精度及抑制扰动的能力,解决了转速和电压的综合控制问题。
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