无刷串级发电机组励磁控制方法研究与设计

摘要

励磁控制系统是微型燃机供电系统中的一个重要组成部分，它直接影响发电机的输出电能指标。
　　本论文以东北大学与某公司合作开发的微型无刷串级同步发电机励磁控制系统为课题背景。本文首先对同步发电机输出交流电压电流的采样进行了深入研究。然后根据串级发电机组各环节的物理分析，推导出了各环节的传递函数，建立了无刷机组的连续状态空间模型，并对孤岛运行状态下负荷对机组数学模型影响进行了深入分析。之后本文基于该模型，设计了基于输出电压和励磁电流的双闭环PID控制器，对该控制器分别进行了仿真实验和现场实验。为了提高该系统的鲁棒性，本文应用滑模自适应控制理论设计了发电机组的励磁控制器，并通过仿真证明，在滑模自适应控制器作用下系统的各项性能指标达到了设计要求，在快速性和超调量控制上优于PID控制器。
　　本文主要完成了以下几个方面的工作:
　　(1)对三点采样法，傅里叶采样法，直流采样法等交流采样方法进行深入分析与仿真，成功得到最适合本项目的采样方法-三点采样法，经过对DSP2812的AD采样校正后，设计了基于三点采样法的硬件和软件，得到了实际波形和采样数字量。
　　(2)基于发电机运行于孤岛状态的实际情况，分别建立了发电机组各环节的数学模型，从而建立了包括BUCK电路和滤波电路在内的六阶同步发电机组数学模型。
　　(3)根据合作方给出的串级无刷交流发电机组的实际参数，和重新建立的标幺值系统，计算出标幺值系统下，带有实际参数的该机组各环节的传递函数和状态空间方程，并最终推导出三缴无刷交流发电机组状态空间方程。
　　(4)利用频域法设计双闭环PID控制器，并应用SIMULINK的同步发电机仿真模型对三级无刷同步发电机组整体系统进行双闭环PID控制的仿真，证明了控制系统设计方案的可行性;此外，设计了离散PID控制器，进行了现场试验，取得满意的效果。
　　(5)针对一阶滤波器和同步发电机组成的系统进行滑模自适应控制器的设计，并在状态空间方程模型基础上进行SIMULINK仿真，验证了方法的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题意义

1．2 课题设计问题概述

1．2．1 采样问题概述

1．2．2 数学建模的研究概述

1．2．3 控制问题概述

1．3 国内外基于同步发电机励磁控制系统研究现状

1．3．1 国内对于同步发电机励磁控制的研究

1．3．2 国外对于同步发电机励磁控制的研究

1．4 本文主要工作

第2章 同步发电机交流电压的采样研究

2．1 交流电压的交流采样法的研究

2．1．1 三点采样法的研究

2．1．2 傅里叶采样的研究

2．1．3 直接正弦拟合采样法的研究

2．2 直流采样法的研究

2．2．1 硬件电路原理

2．2．2 直流采样法的仿真

2．3 采样的实现与结果的比较

2．3．1 采样的仿真结果比较

2．3．2 采样的具体实现

2．4 本章小结

第3章 同步发电机组系统模型分析

3．1 三机同轴同步发电机无刷励磁控制系统的结构

3．2 同步发电机励磁控制系统的各级数学模型

3．2．1 同步发电机的数学模型

3．2．2 主励磁机的数学模型

3．2．3 BUCK电路的设计、仿真、实现与数学模型

3．2．4 采样电路与采样软件实现的数学模型

3．3 无刷同步发电机组的数学模型

3．3．1 发电机组状态空间模型

3．3．2 发电机组传递函数

3．3．3 发电机组的主要扰动与变结构原因

3．4 本章小结

第4章 双闭环PID在同步发电机励磁控制方法研究

4．1 线性化后的同步发电机组数学模型

4．2 基于线性化数学模型的PID参数计算

4．3 PID算法在SIMULINK环境下的仿真

4．4 PID算法在现场中的应用研究

4．4．1 数字化PID算法的基准值计算

4．4．2 增量式PID算法的研究

4．5 本章小结

第5章 滑模自适应控制方法的励磁控制系统中应用研究

5．1 滑模变结构方法与自适应方法的基本原理

5．1．1 滑模变结构的基本原理

5．1．2 自适应方法的基本原理

5．2 针对发电机组的自适应辨识系统设计

5．3 针对发电机组可变模型的滑模变结构控制系统设计

5．4 基于三级发电机组离散模型的自适应滑模控制器仿真

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间所做的工作