（交通信息工程及控制专业论文）基于智能控制的同步发电机励磁系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 随着铁路高速重载的快速发展，机车安全稳定运行的重要性日益突 出，对控制系统的要求越来越高。同步发电机励磁系统作为内燃机车的关 键设备，其性能直接影响机车运行的安全和稳定。由于同步发电机存在涡 流、饱和等现象，系统工作点时常变化，使得单一参数控制器的控制性能 恶化，甚至难以满足要求。另一方面，人工整定控制器参数费时费力，难 以保证控制效果。传统的励磁机组励磁控制方式效率低、惯性大，不利于 系统控制性能的改进和提高，难以满足铁路高速重载的需求。 本文提出了一套新型晶闸管整流励磁系统，采用整流技术控制同步发 电机的励磁，取代传统励磁机组方式，将提高励磁系统的控制性能。针对 同步发电机参数时变等特点使用递推最小二乘算法在线辨识系统参数，采 用极点配置法进行参数整定。提出变参数控制算法解决传统p i d 控制器快 速性和稳定性之间的矛盾，改善了系统的性能。 针对在线参数辨识时间长等缺点，提出模糊自整定控制器。在系统参 数辨识的基础上建立知识库，制定模糊控制规则，采用模糊推理建立模糊 决策表，对控制器参数进行在线自整定。当系统进入结构改变等未知状态 时，转入在线参数辨识模式，辨识成功后，更新模糊决策表，使系统具有 自学习功能。 对晶闸管整流励磁系统取代励磁机组方式进行了试验研究，对变参数 控制算法、递推最小二乘参数辨识算法和模糊自整定控制算法进行了大量 仿真，对各种算法进行了验证。结果表明模糊自整定控制算法能够提高系 统的控制性能，为解决现有问题提供了种有效途径。晶闸管整流励磁系 统完全满足内燃机车的要求，具有较大的推广价值。 关键词：同步发电机励磁系统，递推最小二乘算法，变参数算法，模糊自 校正算法 硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t hm ed e v e l o p m e n to f h i g hs p e e da i l dh e a 、，) rl o a do fm er a i l w a y ， p e o p l ew e r em o v i n gt o w a r d s 伊e a t e rr e l i a n c eo nt h es a f b t ) ，a n ds t a b i l i 哆o f l o c o m o t i v e ，t h ed e m a n d sf o rt h ec o n 仰ls y s t e m sw e r ci n c r e a s i n g t h e e x c i t a t i o ns y s t e mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rw a st h ei m p o r t a i l te l e m e n to f c o n 拓o ls y s t e m so fd i e s e ll o c o m o t i v e ，i t sp e r f o r n l a n c ea 行b c t e dt h ef u n c t i o no f m el o c o m o t i v e i nt h e p r o c e s s o fc o n t r o l l i n gt h cs y s t e m ，b e c a u s et h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x i s tv o r t e xa l l d s a t u r a t i o na l l dm es c t p o i n tw a s t i m e - v a 咖n g ，m ep e r f o r m a l l c eo fc o n n o l l c rw i t hf i x c dp a r 锄e t e r sw e n tt ot h e b a da n dc o u l d n ts a t i s f i e dt 1 1 en e e d i na d d i t i o n ，m et u n i n go fc o n 仃o n e r p a r a m e t e r sb a s e do nm a n u a lw o r kw a s t e dt i m ea n dc 1 1 e 唱y ，c o u l d n ta s s u m e 妇tm ec o n 仃0 l l e rs a t i s f i e dt h en e e d s t h el o w - e m c i c n c ya n d b i g i n e n i ao ft h e e x c i t a t i o ns e t sw e r ed i s a d v a n t a g e dt oi m p r o v i n ga n dr e f o m i n gm es y s t e m p e r f o h 】 1 a n c e s i nt h i sp 印e r ，an e we x c i t a t i o ns y s t e mb a s e do nm es i l i c o n c o n 仃0 1 1 e d r e c t i f i e ri sp r o p o s e df o ri m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o m l a n c e s ，i n s t e a do ft h eo l d e x c i t a t i o ns y s t c m am o d i f i e dv e r s i o no fs t a n d a r dl e a s ts q u a r e sa l g o r i t l l l n sw a s u s e di nt h en o n l i n e a ra i l dt i m e v a r y i n gs y i l c h r o n o u sg e n e r a t o rs y s t e m t h e p 0 1 e sc o n f i g u r a t i o n sm e t h o dw a sp r o p o s e dt oo b t a i nm ep a r a m e t e r so fm e c o n 仃o l l e ra l l dt h ev 撕a b l ep a r a m e t e rc o n 仃o la l g 耐t 1 1 l l lw a sd e 们s e dt 0 i m p r o v i n gt h ed y n a i i l i ca n ds t a t i cc 印a b i l i t yo fs y s t e m a i m e da ts o n l ed e f e c t so ft h eo n 一1 i n ei d e n t i f i c a t i o n s u c ha sm e i d e n t i f i c a t i o nn e e d e dt o o l o n g t i m em a tm a y b em a k et h e c o n 缸d l l i n g p e r f o 咖a i l c ei n s t a b l e ，as e l f - t i l n i n g 旬z z yc o n 仃0 1 1 e r h a v eb e e l ld e s i 鲫e d k n o w l e d g eb a s e a l l dc o n 仃o lm l eb a s ew c r e d e s i g n e d b a s e do nm e i d e n t i f i c a t i o no fm es y s t e mp a r a m e t e r s ，m z z yd e c i s i o nl i s t sw c r eo b t a i n e db y 如z z yi n f e r e n c e ，m ec o n 臼0 1 1 e rp a r 锄e t c r s w e r cs e l f t u n i n go n - l i n e t h e e x c i t a t i o nc o n t r o l l e rw o r k e da to n l i n ei d e n t i f i c a t i o nm o d e lw h e nt h es y s t e m s t r u c t u r e sh a v eb e c nc h a i l g e da 1 1 du p d a t e dm z z yd e c i s i o nl i s tw h e nt h e i d e n t i f i c a t i o nh a v eb e e ns u c c e e d e d ，s ot h e s y s t e mh a v em ea b i l 毋o f a u t o l e 锄i n g t h ef e a s i b i l i t yo fm es i l i c o n - c o n 缸d 1 1 e dr e c 石f i e re x c i t a t i o ns y s t 锄0 nt h c 里生兰竺丝查 丝墨 d l e s e l l o c o m o t i v ew a ss t u d i e db ye x p 耐m e n t a t i o n ，t h ea v a i l a b i l i t i e so ft h e v 撕a b l ep a r a m e t e rc o n 仃o la l g 嘶n u n 、t 1 1 e 1 e a s t s q u a r e sa l g 嘶m ma 1 1 dt h e m z z ys e l f t u n i n ga l g o r i m mw e r ev a l i d a t e db ys i m u l a t i o n s t h er e s u l t s m d i c a t e dt h a tm ep e r f o r m a n c e so fm ee x c i 协t i o ns y s t e mi m p r o v e d ，r a i l w a y g o t a g r e a ti m p r o v e m e n to fe 历c i c n c ya n dr c a l i z ct h ea i mo ft h cr a i l w a y d e v e l o p m e n t t h en e we x c i t a t i o ns y s t e mr e a c h e sm er e q u i r c m e n to ft h ed i e s e l l o c o m o t i v ea n dh a sah i 曲r e f b d c l l c ev a l u ef o rf i j n h e ra p p l i c a t i o n s 1 a e yw o r d s ： s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i 协廿o ns y s t e m ， l e a s t s q u a r e s a l g 耐m c i l ，v 撕a b l ep a r 啪e t c rc o n 仃o la l g 耐t h l i l ，如z z ) rs e l f t u l l i n g i l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：盟立互l 一 日期：- 2 竺l 年_ 生月寻日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：塑至塾导师签名盔兰二日期：巫年j 月草日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 同步发电机励磁系统 同步发电机是内燃机车的主设备，由柴油机直接拖动，发出三相交流电给机车电 力系统供电。励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分，它根据发电机及电力 系统运行的要求，自动调节输出的励磁电流，控制同步发电机机端电压，维持发电机 机端电压恒定或在给定的范围内。在发电机或者电力系统发生故障的情况下，完成发 电机保护功能。励磁系统控制不仅控制同步发电机的端电压，而且还控制发电机的功 率和电流等。由于这些参数直接影响系统的运行状态，所以励磁系统与发电机及其机 组相联的电力系统的运行经济指标和运行稳定性密切相关。 随着发电机容量和负载容量不断增大，而且电力系统在实际运行中也存在各种不 确定性，如稳态运行时负载的波动、故障引起的系统拓扑结构的改变等，电力系统及 发电机对控制的快速性、可靠性、稳定性等方面提出了更高的要求，需要更优的励磁 控制。另一方面，技术的发展为励磁系统的改进提供了可能。现代同步发电机系统励 磁技术正在经历深刻的变革，随着大功率电力电子器件的广泛应用，以晶闸管整流装 置为代表的静态励磁正在逐步取代旋转整流器构成的传统三机励磁方式。随着数字控 制技术、计算机技术及现代控制理论的发展和日益成熟，以微处理器为主要特征的数 字电子技术正在应用到现代励磁调节器控制系统之中，取代晶体管或集成电路构成的 传统模拟式励磁调节器。由于微处理器具有强大、快速的运算能力和逻辑判断功能， 数字式励磁系统可执行十分复杂的控制算法。 励磁系统的改进主要有两个方面：一方面是励磁系统本身即励磁控制方式的改进 研究，另一方面是励磁控制器的改进研究和参数整定优化。本文采用三相整流技术对 励磁控制方式进行改进研究和设计，然后在对同步发电机参数辨识的基础上进行励磁 控制器参数的整定研究。下面对同步发电机参数辨识技术和p d 控制器参数自整定技 术的发展做一下介绍。 1 2 同步发电机参数辨识方法综述 同步发电机系统动态数学模型或动态等值参数是励磁系统设计的基础，目前模型 参数的计算一般采用出厂铭牌数据或者查用典型参数，往往使计算结果与实际系统偏 离较远，影响了计算的准确性和可信度，使得励磁控制器的性能出现较大偏差，往往 不能满足要求，这就需要对同步发电机的模型参数进行在线或离线辨识。由于同步发 硕士学位论文第一章绪论 电机存在饱和、涡流和部分参数呈非线性，使得辨识的难度较大。目前，同步发电机 参数辨识方法主要有基于最小二乘法的各种改进算法【“羽、卡尔曼滤波法和模拟进化 法等。 最小二乘法首先由高斯提出用于行星轨道预测，现在已成为系统参数估计的主要 方法之一与其他一些辨识方法( 如极大似然法、b a y e s 法、模型参考辨识方法等) 相比，最小二乘法原理简单，易于理解和掌握，具有较好的统计特性( 一致性和无偏 性等) 。文 3 5 】中提出了一种采用最小二乘法测取同步发电机参数的在线辨识方法， 给出了运动方程和外部等效电路模型。该方法在不中断负载运行情况下测量发电机的 暂态响应，采用功角作为观测量辨识出系统的惯性常数和阻尼系数，一次性辨识出发 电机的电磁参数、运动方程参数和外部等效电路参数。该方法试验简单，操作方便， 不影响电机的正常运行。考虑了电机饱和涡流等非线性问题，获得的同步发电机参数 与实际计算值有较好的一致性。文【6 】中提出了一种新型的同步发电机自校正p d 控制 器，该控制器以加权的电压偏差和转速偏差作为反馈信号，运用最小二乘算法在线辨 识同步发电机的参数，以极点配置的方法整定控制器的三个参数，获得了较好的控制 特性和功角响应特性。针对最小二乘法存在多值性及收敛性的问题，文【7 】提出了采用 玑标幺值系统下的同步电机数学模型，将奇异值分解理论应用于同步电机参数最小 二乘辨识中，采用d 轴和q 轴参数独立交替辨识，使算法的多值性和收敛性得到有效 改善。该算法具有速度快、迭代次数少、收敛范围大等优点。但受饱和的影响，辨识 的参数一部分偏小，另一部分偏大，无法辨识到真值，有待进一步研究。 卡尔曼滤波( k f ) 法是由卡尔曼和布西共同提出的一种现代滤波方法，主要用于系 统的状态估计。该方法首先将系统线性化，然后通过迭代递推计算对系统进行状态估 计，直到偏差满足要求为止，适合于线性系统。随着研究的不断深入，出现各种扩展 卡尔曼滤波器( e k f ) 【9 一们。扩展卡尔曼滤波将非线性系统线性化，线性化以后与卡 尔曼滤波法基本相同。文【8 】提出利用扩展卡尔曼滤波法估算转子转速，实现了异步电 机的转速辨识。但该方法在动态过程中存在滞后性，算法的收敛速度有待提高。初值 的选取主要依靠试凑的方法，仍需进一步研究。文 9 】提出利用修正扩展卡尔曼滤波法 在线辨识发电机暂态和次暂态的1 1 个参数，实现了电压解耦及在伪随机小扰动下发 电机参数的辨识。针对e k f 辨识中有差和迭代发散问题，引入修正项有效克服了噪 声统计不准确下的参数估计有偏问题。给出了目标函数的二阶导数阵，引入遗忘因子 实现了大范围参数初始误差下有效辨识，具有非常高的收敛精度。由于扩展卡尔曼滤 波法使用了线性逼近，与实际系统有一定偏差，滤波器可能会出现发散，因而限制了 这类方法的使用。 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 3p i d 参数自整定综述 p d 控制是应用最广、最为工程技术人员所熟知的控制策略，其历史最久、生命 力最强。尽管科学技术取得了很大进步，出现了许多新的控制方法，然而由于p m 控 制器结构简单、使用方便、适应性强和鲁棒性好等优点，仍然是应用最为广泛的控制 方式【1 1 15 1 。 由于实际系统中存在参数时变和结构时变等因数，所以控制器参数不变就会使系 统的性能变差甚至无法满足要求，这就要求p d 控制器能够在线整定其参数。随着 p d 控制的广泛应用，其整定技术也取得了长足的发展。按发展阶段可分为常规p d 参数自整定方法和智能p d 参数自整定方法，下面分别进行阐述。 1 3 1 常规p i d 参数自整定方法 常规p i d 参数自整定方法按工作机理又可分为两类：基于模型的自整定方法和基 于规则的自整定方法。 1 基于模型的自整定方法 基于模型的自整定方法是通过系统的暂态响应、参数估计及频率响应等几种方法 来获得过程模型，然后分析过程模型得到被控对象的特性，最后在模型的基础上按控 制要求来调整控制器的参数。 文【1 6 】提出了一种基于暂态响应技术的自整定方法，该方法以加权误差平方积分 指标( i s e ) 最小为准则，从系统的阶跃或脉冲响应中获得过程的数学模型，然后计 算p d 控制器的参数。与z n 阶跃响应法相比系统的抗干扰能力得到提高。 a s 仃o m 等人以辨识过程模型参数为基础，提出了多种整定计算方法【1 m ”。例如以 最小方差为控制性能指标的方法、极点配置方法、零极点相消方法等，这几种方法对 三阶以下系统具有较好的控制性能。文 2 2 】中a s t r o m 等人提出继电整定法，该方法引 入非线性的继电环节，使系统出现极限环，以此获得系统的频域信息来整定控制器的 参数。该方法具有简单易懂、整定时间短和稳定性能好等优点，已成为p d 整定中研 究和应用最多的一种【2 五2 4 1 。文 2 5 】中提出一种基于极限环法的p d 自整定算法，采用 满度零度继电特性生成极限环，应用自振荡自适应原理和离散f o l l r i e r 级数变换滤波 算法进行临界参数估计，引入自适应预调点概念处理白整定的安全问题。该方法优点 是不需要过多的验前信息就可获得满意的控制品质，缺点是存在过阻尼。 文【2 6 ，2 7 】中h o 等提出使用幅值裕度和相角裕度来整定p d 参数的方法，系统具 有较好的控制性能和鲁棒性能。幅值裕度法将幅相裕度和最优性能指标相结合。给出 3 硕士学位论文第一章绪论 了p i d 参数整定公式。相角裕度法综合考虑了系统幅值裕度和相角裕度，以误差平方 积分最小为控制率来整定控制参数，给出了计算公式。幅值裕度和相角裕度法研究2 8 啦! 较多，应用较广。文【3 3 】提出了一种自整定p i d 控制器，该方法引入继电反馈，测得 n y q u i s t 曲线上两点的频率特性，辨识出较好的二阶滞后模型，然后采用幅值裕度和 相角裕度法整定出p i d 控制器的参数。使用该方法获得了较好的控制性能，具有一定 的适应性能和鲁棒性能。 在基于过程数学模型整定控制器参数的方法中，关键是要获得较为精确的数学模 型，然而，实际获得的数学模型都含有近似的部分，不可能做到完全精确，这对系统 的控制精度有一定的影响。再加上辨识工作量大，计算费时，不适应快速控制的系统， 限制了这类方法的使用。 2 基于规则的自整定方法 与基于模型的方法相似，基于规则整定的方法使用系统的暂态响应、设定值改变 或负载干扰等信息，观测被控过程的特性，按经验规则来整定控制器的参数。通常以 系统的超调量、衰减比、时间常数和振荡频率等作为整定的依据。基于规则的自整定 方法，根据所利用的经验规则的不同，又可分成采用临界比例度原则的方法和采用阶 跃响应曲线的模式识别方法 文 3 4 】z i e g l c r 和n i c h o l s 提出了非常著名的基于临界比例度的z n 工程整定法。 该方法不依赖于对象的数学模型，而是总结了前人在理论和实践中的经验，由经验公 式得到控制器的近似最优整定参数。用来确定被控对象的动态特性的两个参数：临界 增益足。和l 临界振荡周期l ，是系统在纯比例控制器作用下产生等幅振荡时的比例增 益和振荡周期。为避免l 临界稳定问题，在求取e 、时让系统作4 ：l 衰减振荡，被 称为衰减振荡法。由于z n 整定方法所用模型过于简单、超调量大且存在动态波动， 文【3 5 】中h a i l g 等人提出了改进型的z n 整定公式。改进的z n 法中引入了设定值权 值和积分时间修正系数，增加的计算量不多，但大大改善了设定值和负载扰动的影响。 b r i s t r o l 首先提出基于模式识别的p d 参数整定法，用闭环系统响应波形上的一 组能表征过程特性的特征量作为状态变量，以此作为设计通用自整定方法的依据。在 整定过程中，过程连接一个p d 控制器，构成闭环系统，控制器参数根据实测的阶跃 响应模式与理想响应模式的差别来进行整定。这种方法应用简单，不需要模型阶次等 信息。缺点是需要大量启发式规则，对存在正弦干扰、非最小相位及多变量交叉耦合 的系统性能较差。 在p d 参数规则整定法中还有一种根据广义对象的时间特性来整定参数的方法。 c o o nc o h e i l 提出的开环整定法【撕一7 1 就是在获取广义对象特性的基础上，在负载干扰 4 硕 学位论文第一章绪论 下并采用多种性能指标，如4 ：l 衰减、最小余差和最小积分平方误差( i s e ) ，综合整 定参数的方法。从原理上看，这种方法与模式识别法有异曲同工之处，优点是该方法 简单易行，缺点是需要解决怎样确定反应曲线的斜率最大处和怎样获得该处的切线。 由于这种方法近似程度太大，过于粗糙，给整定带来较大的误差。 1 3 2 智能p l d 参数自整定方法 基于智能控制的整定方法主要有两大类：基于模糊推理的自整定p i d 控制器和基 于神经元的p 学习控制器。 将模糊控制与常规的p d 控制相结合，用模糊控制器实现p d 参数【3 8 1 的自动整定， 就构成了模糊p d 自整定控制器。文【3 9 】提出了一种模糊自整定p d 控制器，根据专 家经验获得不同的p 1 d 参数，然后使用神经网络获得模糊控制规则，实现模糊整定控 制器的参数。对系统仿真表明该方法比a e 、“c 和c o h c n c o o n 方法优越，其响应 速度明显好于其它三种方法，而且响应曲线更加平滑，非常适合于设定值变化的系统。 文【4 0 】采用规则自适应模糊控制方案来解决系统在工作状态变化、强干扰等情况控制 性能恶化的问题，在模糊集比例因子给定的情况下，通过调节d 的取值来自适应调整 控制规则。该方法明显减少系统过渡过程的振荡次数和调节时间，改善了系统的暂态 性能，提高了系统的动态品质和稳定性能，获得更佳的阻尼特性。文【4 1 】采用启发式 规则构造调整比例因子的函数，在没有改变控制器复杂的基础上在线调整控制器的比 例因子，获得了更好的控制效果。文 4 2 】提出了模糊自适应p d 控制器，其根据现场 采集的数据和给定的性能指标，以非线性寻优的方法实现模糊规则、模糊参数的自动 调整。该方法具有较强的适应性和鲁棒性，改善了系统的稳定性能，并具有一定的通 用性。随着模糊推理功能的p d 参数自整定控制器不断发展和完善，模糊推理功能的 p d 参数自整定控制器也已逐步商品化，如日本三菱电机公司在1 9 8 8 年开发的 m a c l u s 2 l o 系列的模糊p d 自校正调节器，该产品采用模糊控制规则和推理优化 p d 控制器的参数，具有较强的适应性。 目前，将神经网络应用于p d 控制也是一大研究热点。神经网络具有自学习、自 组织能力，可用于模型辨识。用神经网络构造的p d 控制器，因为网络权系数的在线 自修正能力，因此能做到参数在线自整定。文 4 3 】提出了动态神经网络p d 控制器， 采用对角回归神经网络实现控制器三参数在线学习和整定，系统具有较强的自适应性 和鲁棒性，提高了系统的控制性能。但由于采用梯度下降法求解网络权值，使得神经 网络的收敛速度慢，还有可能产生局部收敛，需要寻找更快的回归神经网络学习算法 文 4 4 】提出了一种新型神经网络控制器的训练方法，用多步二次型性能指标函数去训 练控制器的权值，从而提高了控制器参数的收敛速度和系统的响应性能，降低了各通 5 硕士学位论文 第一章绪论 道问的祸合。文 4 5 】提出了一种神经元自适应p d 控制器与p m 继电自整定相结合的 整定控制方法，该方法利用p m 继电自整定算法来获取神经元自适应p i d 控制器三参 数的初值，然后进入神经元整定算法。该方法在超调量和平衡时间等方面比神经元p i d 控制优越，有较好的白适应性、鲁棒性和控制品质。文 4 6 】提出了基于神经网络的自 适应p i d 控制器。运用神经网络和b p 算法在线调整控制器的参数，控制器参数的仞 值由继电整定方法确定。控制器具有较好的控制效果和鲁棒性，能够提高系统的控制 品质，非常适合在时变和非线性系统中应用。随着神经网络的迅速发展，基于神经网 络的p i d 学习控制器也已经商品化，如日本山武、霍尼韦尔公司的s d c 3 0 系列智能 数字调节器等。从原理上看，这是非常有吸引力的研究方向，但神经网络在网络层数、 隐节点个数和全局最小问题等几个方面仍然需要解决。 从上面综述可以看出，各种方法都有其优缺点。基于模型的自整定法适合于参数 未知或参数时变的系统，但遇到结构也是时变的系统时控制性能就会恶化。基于规则 的整定法不需要系统模型，只需少量先验知识就可以取得较好的控制效果，但对复杂 过程或未知情况系统的控制品质将受到影响。虽然各种整定算法在理论和实现机理上 相差较大，但从控制发展上看是一脉相承、相互补充的，多种方法相互结合、综合应 用能够取得较好的控制效果。本文将自适应控制、模糊控制和p d 控制相结合，实现 控制器的自整定，提高系统的控制性能。 1 4 选题背景与研究意义 随着铁路高速重栽的快速发展，对控制系统的要求越来越严格。励磁系统作为发 电机自动调节系统中的重要组成部分，根据柴油机、同步发电机及牵引电动机的要求， 调节同步发电机的励磁电流，控制同步发电机输出功率恒定。在同步发电机或牵引电 动机故障的情况下，完成同步发电机保护功能。励磁系统性能指标的好坏和可靠性直 接关系到同步发电机和牵引电动机的安全稳定运行。国内内燃机车大都采用励磁机组 给同步发电机励磁，其工作稳定、性能可靠，技术成熟。但励磁机组体积和重量大， 占用机车较大的空间，损耗了大量额外机械能，降低了柴油机的有效利用率，且存在 维修困难等缺点，因此有必要对励磁控制方式进行研究和改进。 在同步发电机运行过程中，随着工况的改变，同步发电机的特性参数也相应发生 很大改变，常规的p d 控制器不能实现在线自调整，难以取得满意的控制效果。另一 方面，目前p d 控制器参数的整定主要是基于人工手动调整的p i d 参数工程整定法， 这种常规p d 控制器参数的整定方法技巧多于科学，整定参数的选择取决于多种因 素，如被控过程的动态性能、控制目标以及操作人员对过程的理解等等。回路整定仍 然比较费时费力，过程特性及操作条件的频繁变化，操作人员对回路整定方法不熟悉 硕士学位论文 第一章绪论 都可造成整定失误。因此有必要对p d 参数进行整定研究，这对保证机组的安全稳定 运行以及节能、节时、减少人工操作都很必要。 同步发电机励磁控制算法的改进有利于提高同步发电机的控制精度和电力系统 的稳定性，提高机车的效率和控制性能，从而保障列车的行车安全。另一方面，算法 改进将完成参数的自调整，减少人工操作和工作量，避免大量现场试验及试凑的方法 来确定p d 控制器的参数。 1 5 本文的主要研究内容与篇章结构安排 本文主要工作包括三个方面内容：励磁控制方式的改进研究、同步发电机参数辨 识的研究和励磁控制器参数自整定技术的研究。励磁控制方式将采用三相整流技术取 代三机传动励磁控制方式，详见第二章，达到改进和提高系统性能，提高柴油机效率 的目的。同时采用递推最小二乘算法对同步发电机进行在线参数辨识，以期获得精确 的参数。最后，在同步发电机参数辨识的基础上建立知识库，采用模糊推理的方法对 p d 控制器参数进行在线整定。全文工作及安排如下： 第一章绪论，介绍了同步发电机励磁控制系统、同步发电机参数辨识技术和p d 参数自整定技术，结合励磁控制系统的现状，提出了在同步发电机参数辨识、励磁控 制方式改进和励磁控制参数整定等三个方面进行研究，以期改进励磁控制系统的性 能。并对本文所作的工作作了简要概括。第二章介绍了同步发电机励磁控制方式的改 进研究，并对新励磁方式进行了分析。第三章介绍了递推最小二乘算法及对同步发电 机参数辨识，给出了基于极点配置的自适应p d 控制算法。提出了采用变参数的方法 解决经典p i d 控制快速性和稳定性之间的矛盾。第四章为解决在线参数的辨识时间长 的问题，提出模糊白整定p d 控制算法。第五章对系统各个方法进行了仿真研究，并 对结果进行了分析。第六章总结回顾全文，并展望了今后的工作前景及方向。 7 硕t 学位论文 第二章同步发电机励磁控制方式改进研究 第二章同步发电机励磁控制方式改进研究 本章首先介绍了同步发电机的基本原理和工作特性，给出了同步发电机的理想工 作外特性。同时对传统励磁机组励磁控制系统进行了分析，提出了新型晶闸管整流器 励磁控制系统。在新型系统中采用双闭环控制策略提高励磁系统的控制性能，对系统 进行了试验研究，给出了试验结果和试验波形。 2 1 同步发电机 2 1 1 同步发电机的基本原理 同步发电机三相对称绕组在旋转磁场作用下产生对称电势。所谓三相对称电势就 是三相交变电势的频率、最大值和波形是相同的，仅在相位上依次滞后1 2 0 。因此分 析同步发电机的感应电势只需讨论一相绕组的电势即可。 当磁极对数为p 转速为n 时，电机电势频率为： 厂2 莆 ( 胞)( 2 1 ) 上式为同步发电机电势频率的通式。正弦交变电势的大小是以有效值表示的，导体电 势的有效值为： = 等- 2 2 2 力 ( 2 _ 2 ) 式中，巾为极磁通量，即平均磁密乘以磁极面积。由于线圈电势相当于两根单体电势 串联，所以线圈电势为： 乓= 2 如= 4 4 4 膨 ( 2 3 ) 若线圈匝数为w 。，则线圈电势有效值为： e = 4 “嗥彤 ( 2 4 ) 根据克希霍夫第二定律，建立同步发电机的电势平衡方程式： 或= d + j ( + 少) ( 2 5 ) 式中，d 为发电机的端电压，t 是同步电抗，为相绕组漏电抗与电枢反应电抗之和， 为电枢绕组电阻。根据电势平衡方程式，可以把同步发电机每相绕组看作一个电势 为e o 、内阻为( + 以) 的电源。 8 硕 学位论文 第二章同步发电机励磁控制方式改进研究 2 1 2 同步发电机的工作特性 同步发电机的特性有空载特性、短路特性、负载特性和调整特性。空载特性、短 路特性和负载特性是电机基本参数决定的，反映了电机基本性能：外特性和调整特性 试运行时电机参数问的相互变化规律。 1 空载特性 空载特性是在电机保持同步转速( n = n 。) ，负载电流i 为零的条件下，空载电压u 0 ( 即 e o ) 随励磁电流变化的规律，即乩= 厂( j ，) 。我们采用试验的办法测量发电机的空载特 性。试验时，发电机保持同步转速，电枢绕组开路。先增大励磁电流，分段记取， 和空载电压u o 的对应值，至砜= 1 3 u 。，再减小励磁电流，分段记取，r 、u 0 的值。 分别绘出上升、下降的两条乩= ，u ，) 曲线，取两条曲线的平均值，所得曲线就是同 步发电机的空载特性曲线 空载特性虽然只是同步发电机的空载电压( 势) 和励磁电流( 磁势) 的简单关系， 但却反映电机最基本的电磁关系：多大的气隙磁势感应多大的电势。因此，空载特性 是同步发电机的最基本的特性之一。改变发电机的转速，可以获得不同的空载特性。 2 负载特性 在同步转速，l 。、负载电流i 和功率因数不变的条件下，同步发电机端电压u 随励 磁电流，变化的规律，即u = ，( ，) ，称为负载特性。由负载特性可知，负载特性低 于空载特性，且负载电流愈大，功率因数愈低，负载特性就愈低。因为大电流、小功 率因数时，发电机具有较强的直轴去磁反应。同步发电机的端电压不但与负载电流有 关，而且和负载的功率因数有关。在电机短路时，同一负载电流但功率因数不同的一 簇特性曲线将具有相同的短路励磁电流，不同簇的负载特性，由于负载电流不同，短 路时励磁电流值将不相同，负载电流越大，短路励磁电流值也越大。 3 调整特性 作为电源，同步发电机应能提供稳定的( 或满足负载要求) 电压，因此负载电流 变化时需调节励磁电流保持端电压的稳定或满足负载要求。在同步转速n 。、功率因数 c o s 妒和端电压u 不变的条件下，励磁电流，随负载电流，变化的规律称为同步发电 机的调整特性，即，= 厂( ，) 。 负载性质不同，调整特性也不相同。在图2 1 中，曲线l 、2 和曲线3 分别为感性 负载和电阻负载时的调节特性，这是曲线是向上弯曲的，即励磁电流随负载电流的增 硕士学位论文 第二章同步发电机励磁控制方式改进研究 大而增大，且功率因数越小，励磁电流增大的速率越大。曲线4 为容性负载时调整特 性，由于容性负载的直轴增磁电枢反应，其调整特性是向下弯曲的，励磁电流随着负 载电流的增大而减小。 图2 1同步发电机的调整特性 4 内燃机车同步发电机的理想外特性 在电传动内燃机车上，同步发电机由柴油机拖动，组成柴油机发电机组。由柴油 机的特性可知，要充分利用柴油机的功率，必须使柴油机始终在额定工况下工作，保 持柴油机功率恒定不变，即要使发电机输出功率恒定。同步发电机发出的三相交流电 经整流后，再向直流电动机供电，同步发电机的作用就是将机械能转换成电能。由于 发电机和整流器有损耗，所以同步发电机整流后的输出功率应等于同步发电机的输出 功率乘上效率n ( 包括同步发电机及整流后的总效率) ，同步发电机功率p 就是同步 发电机整流后的输出功率，即： p = ( 一兄切 ( 2 6 ) 式中：p 同步发电机整流后输出功率( k w ) ； 只柴油机的有效功率( k w ) ； 匕辅助装置所消耗的功率( k w ) ； 当同步发电机电流变化时，辅助装置所消耗的功率和同步发电机的效率变化很 小，为了便于研究起见，可认为不变。这样，为了使柴油机的有效功率只保持恒定， 只要近似地保持同步发电机的功率恒定就可以了。即： 尸= u ，l o _ 3 * 常数 ( 2 7 ) 式中：【，同步发电机整流后的电压( v ) ； ，同步发电机整流后的电流( a ) ； 由此式可知，要使u 及，的乘积近似地等于常数，当，变化时，u 必须与，成反比地 变化。同步发电机的外特性曲线u = ，( d 应该是一条等边双曲线，或称为恒功率双曲 硕士学位论文第二章同步发电机励磁控制方式改进研究 线，如图2 - 2 中的b c d 曲线所示。 u 【，g u d 图2 2同步发电机的理想外特性 为了使u 与，成反比地变化，必须对【，进行调节。我们知道发电机的电压【，近似地为： 【，* e n 驴 式中；c 与发电机结构有关的常数； 露发电机转速； 毋发电机励磁磁通。 在转速不变的情况下，通过调节磁通毋对【，进行调节，以满足【，= 常数的要求。 从理论上，为了使同步发电机保持恒功率，在图2 2 中u 与，将沿着坐标轴无限 延长，同步发电机的电压和电流都可以达到无穷大，但实际上是不可能的。任何一台 发电机，都有一个不能超过的最高电压值，这是因为电压受到磁路饱和、励磁线圈发 热和绝缘强度等因素的限制。同样，任何一个发电机都有一个不能超过的最大电流值， 这是因为电流受到发电机电枢线圈的发热以及车轮和钢轨之间的粘着等因素的限制。 考虑上述情况，同步发电机的理想外特性不再是无限延伸的双曲线，而是如图2 2 所 示的a b c d e 线段。a b 段表示受最高电压的限制，d e 段表示受最大电流的限制，b c d 段 表示受柴油机额定功率的限制。a b 段不一定水平，可以有些倾斜，因为当电流增加时， 使许用电压略有下降。同样d e 段也不一定水平，因为从发热的观点来看，许用电流 因磁损的减少可以略有增加。另外从粘着的角度来看，许用电流也因速度的降低可以 有所增加。 以上是在转速不变时的理想外特性，当柴油机以不同转速工作时，所发出的有功 功率也不相同，为了使发电机和柴油机相配合，当转速不同时也应有不同的理想外特 性曲线。 硕士学位论文 第二章同步发电机励磁控制方式改进研究 2 2 励磁机组励磁控制系统 同步发电机的励磁系统由励磁电源和励磁调节装置两大部份，励磁电源是给同步 发电机的励磁绕组供电，通常由柴油机带动一台专门的励磁发电机作为同步发电机的 励磁电源，而励磁调节装置的作用是调节励磁电流的大小。根据励磁调节装置与励磁 电源所处的位置不同，励磁系统分为直接控制的励磁系统和问接控制的励磁系统，励 磁方式主要有他励式和并励式两大类，目前内燃机车上普遍使用他励式日】接励磁控制 方式，即同步发电机的励磁由励磁机发出的三相交流电经励磁整流柜整流后供给的。 励磁机组励磁控制系统采用专用励磁机为同步发电机提供励磁电源，交流励磁机 的交流电经整流后送给同步发电机的励磁绕组，励磁装置通过控制励磁机的励磁电流 来调节同步发电机的励磁电流，励磁机相当于一个放大器，这种励磁系统称为间接控 制系统。在励磁机组励磁控制系统中，通过励磁调节装置对励磁机的励磁电流加以控 制和调节，使励磁机的电压按同步发电机的励磁要求变化，而励磁机则起中自j 放大作 用。这种励磁控制系统调节的时间常数较大，流过励磁元件的电流较小，可以采用低 功率等级的调节元件。 2 3 改进的他励晶闸管整流器励磁系统 国内内燃机车大都采用励磁机组给同步发电机励磁，其工作稳定、性能可靠，技 术成熟。但是励磁机组体积和重量大，占用机车较大的空间，损耗了大量额外机械能， 降低了柴油机的有效利用率，存在维修困难等缺点。为此，综合考虑现有条件和现有 控制技术的特点，采用三相整流技术实现同步发电机励磁，研制了他励晶闸管整流器 励磁系统。用该装置替代励磁机组，将减少系统占用空间，减轻重量，提高柴油机的 利用率，改善机车的控制性能。 他励晶闸管整流器励磁系统的结构框图如图2 3 所示，其中，g m 为同步发电机， e w 为它的励磁绕组，g f 为辅助发电机，v s 为晶闸管整流装置，t v 为电压互感器， 为励磁控制单元提供机端电压信号。同步发电机的励磁电流由辅助发电机的三相交流 电经晶闸管整流器整流后供给，励磁控制单元通过调节晶闸管的触发角来控制励磁电 流。 硕t 学位论文 第二章同步发电机励磁控制方式改进研究 图2 3 励磁控制系统结构 司机控制器档位信号( 柴油机转速) 作为基本给定量m 1 ，机车励磁控制系统 ( l c s 3 2 ) 根据档位信号计算柴油机允许( 给定) 的输出功率l c s 3 2 根据同步发电 机输出电压和牵引电动机电枢电流计算发电机输出功率呻1 ，加上辅助系统消耗的功 率后得到柴油机实际输出功率。柴油机允许输出功率与实际输出功率进行比较，计 算得到发电机励磁电流，从而控制发电机输出功率，保证柴油机从最低到最高转 速均能恒功率运行。 2 3 1 励磁控制 励磁电流的控制是励磁控制系统的核心，采用新方法后同步发电机的励磁电流 由三相全控桥整流控制，三相交流电由辅助发电机提供。由于辅助发电机产生的是随 柴油机转速变化的变频变压三相交流电( 频率在4 2 1 2 0 h z 、电压在7 8 2 1 5 v 调节) ， 为了提高系统控制的精度，得到更好的动态、静态性能，采用双闭环控制。外环进行 功率控制，内环进行励磁电流控制，如图2 4 所示。 n tt 辅助功率修正r p dh ：= 4 外环 柴油机转 一if il 蛀旦! 1 监匠刁 速n i ! 苎= l ul 三兰u i - 一l l l 励磁电 l 沪黻触一掌撇州 流i f l 一j 图2 4 双闭环恒功控制框图 双闭环励磁控制系统外环为功率控制环节，励磁控制系统根据柴油机转速计算出 给定的功率，与实际的功率比较，p i d 调节后计算出励磁电流。内环进行励磁电流控 i3 硕士学位论文第二章弼步发电机励磁控制方式改