CN113900375B - 考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，属于微电网运行控制技术领域，流程包括：首先对三阶系统进行坐标变换，然后加入可估计扰动的非线性扰动观测器，根据扰动估计量设计滑模面，进一步设计出滑模控制器，通过Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性进行分析，在考虑干扰信号和扰动估计量的情况下，所设计的滑模控制器能够实现系统的平衡控制。仿真结果验证了系统的状态能够收敛至期望的平衡点，且该方法收敛速度较快，并具有鲁棒性和可靠性。

Description

考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法
技术领域
本发明属于微电网运行控制技术领域，具体涉及一种考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法。
背景技术
滑模控制的结构简单，可操作性强，具有强大的抗干扰能力，被广泛地应用于工业生产中，但现阶段关于滑模面的设计大多集中在匹配不确定方面，即干扰与控制输入在同一个频道上。然而，很多实际的系统并不满足匹配不确定情况，在微电网中，就存在跟踪输入干扰和控制输入在不同的频道上的情况，也就是存在不匹配不确定或是不匹配干扰。虽然滑模控制对于干扰信号具有很强的鲁棒性，并具有响应速度快、易于实现等优点，但是普通的滑模控制器在进行控制时，如果微电网存在不匹配干扰的情况，会产生稳态误差，且无法对扰动进行估计，控制效果不能达到要求的性能指标。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供的一种考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，对于三阶系统，首先进行坐标变换，然后加入可估计扰动的非线性扰动观测器，根据扰动估计量设计改进的滑模面，进一步设计出滑模控制器，来解决不匹配干扰问题。在不匹配干扰下，系统状态也可以通过滑模面渐近运动到期望的平衡状态，仿真结果验证了系统的状态能够收敛至期望的平衡点。
本发明的目的是这样实现的：一种考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，包括如下步骤：
步骤1：建立系统模型，其表达式为：
Figure BDA0003289491620000021
其中，x为系统的状态变量，x(t)＝[Δf，ΔPt，ΔXg]，Δf为频率偏差，ΔPt为功率输出，ΔXg为调速器阀位，ΔPs(t)和ΔPd(t)为系统的干扰信号，u为控制输入，
Figure BDA0003289491620000022
设C＝[0 0 1]；
Tp、Tg、Tt分别为电力系统时间常数、调速器时间常数和汽轮机时间常数，kp为系统增益，R为速度控制系数；
步骤2：设置坐标变换为γ＝γx，
Figure BDA0003289491620000023
在该坐标变换下，系统可以表示为：
Figure BDA0003289491620000024
其中，
Figure BDA0003289491620000025
Figure BDA0003289491620000031
步骤3：令ΔPs(t)+ΔPd(t)＝d，加入可估计扰动的NDOB；
步骤4：根据扰动估计量设计滑模面；
步骤5：根据滑模面，设置可使系统在有限时间到达滑模面的控制器。
进一步地，通过Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性进行证明，Lyapunov函数为：
Figure BDA0003289491620000032
进一步地，所述坐标变换还可以得到：
Figure BDA0003289491620000033
即
Figure BDA0003289491620000034
进一步地，所述步骤3可表述为：
Figure BDA0003289491620000035
其中，
Figure BDA0003289491620000036
为扰动估计量，p为非线性观测器内部状态，λ为设计的观测器增益；通过上述内容可得：/>
Figure BDA0003289491620000037
进一步地，所述步骤4中的滑模面表述为：
Figure BDA0003289491620000041
其中，C1＝[c1 c2 c3]，c3＝1，
Figure BDA0003289491620000042
为NDOB给出的扰动估计量，控制参数c1、c2、c3满足多项式c3p2+c2p+c1是Hurwitz的；
由
Figure BDA0003289491620000043
选择到达条件为：
Figure BDA0003289491620000044
其中，k1、k2为正数，可以得到：
Figure BDA0003289491620000045
假设扰动为连续的，且满足：
Figure BDA0003289491620000046
进一步地，所述步骤5中，控制器的表达式为：
Figure BDA0003289491620000047
本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：本发明的效果和优点是针对微电网不匹配干扰的情况，可以使系统状态通过滑模面渐近运动到期望的平衡状态，设计的滑模控制器能够根据非线性扰动观测器得到的扰动估计量实现系统的平衡控制，且该方法收敛速度较快，并具有鲁棒性和可靠性。
附图说明
图1为改进滑模控制流程图；
图2为改进滑模控制的调速器阀位仿真图；
图3为改进滑模控制的系统状态仿真图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明中的技术方案，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，包括如下步骤：
步骤1：考虑常见的三阶系统，建立系统模型，通过建模可将系统表达为：
Figure BDA0003289491620000051
其中，x为系统的状态变量，x(t)＝[Δf，ΔPt，ΔXg]，Δf为频率偏差，ΔPt为功率输出，ΔXg为调速器阀位，ΔPs(t)和ΔPd(t)为系统的干扰信号，u为控制输入，
Figure BDA0003289491620000052
设C＝[0 0 1]；
Tp、Tg、Tt分别为电力系统时间常数、调速器时间常数和汽轮机时间常数，kp为系统增益，R为速度控制系数；
步骤2：设置坐标变换为γ＝γx，
Figure BDA0003289491620000053
在该坐标变换下，系统可以表示为：
Figure BDA0003289491620000054
其中，
Figure BDA0003289491620000061
Figure BDA0003289491620000062
还可以得到：
Figure BDA0003289491620000063
即
Figure BDA0003289491620000064
步骤3：令ΔPs(t)+ΔPd(t)＝d，加入可估计扰动的NDOB(nonlinear disturbanceobserver，非线性扰动观测器)；
Figure BDA0003289491620000065
其中，
Figure BDA0003289491620000066
为扰动估计量，p为非线性观测器内部状态，λ为设计的观测器增益；通过上述内容可得：/>
Figure BDA0003289491620000067
步骤4：根据扰动估计量设计滑模面；
Figure BDA0003289491620000071
其中，C1＝[c1 c2 c3]，c3＝1，
Figure BDA0003289491620000072
为NDOB给出的扰动估计量，控制参数c1、c2、c3满足多项式C3p2+c2p+c1是Hurwitz的；
由
Figure BDA0003289491620000073
选择到达条件为：
Figure BDA0003289491620000074
其中，k1、k2为正数，可以得到：
Figure BDA0003289491620000075
假设扰动为连续的，且满足：
Figure BDA0003289491620000076
步骤5：根据滑模面，设置可使系统在有限时间到达滑模面的控制器，控制器的表达式为：
Figure BDA0003289491620000077
通过Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性进行证明，Lyapunov函数为：
Figure BDA0003289491620000078
由Lyapunov稳定性理论证明了由此控制律组成的系统是渐近稳定的。
如图1所示，在三阶系统进行坐标变换后，引入非线性扰动观测器对系统的扰动进行扰动量估计，根据扰动估计量设计滑模面，进而设计出滑模控制器。
如图2所示，调速器阀位状态经过一定时间后收敛至平衡状态。
如图3所示，图中曲线分别为频率偏差、功率输出和调速器阀位，在所设计的控制器控制下，系统状态收敛至期望的平衡点，且收敛速度较快。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明说明中所使用的术语，只是为了描述具体得实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

Claims (6)

1.一种考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立系统模型，其表达式为：
Figure QLYQS_1
其中，x为系统的状态变量，x(t)＝[△f,△Pt,△Xg]，△f为频率偏差，△Pt为功率输出，△Xg为调速器阀位，△Ps(t)和△Pd(t)为系统的干扰信号，u为控制输入，
Figure QLYQS_2
设C＝[0 0 1]；
Tp、Tg、Tt分别为电力系统时间常数、调速器时间常数和汽轮机时间常数，kp为系统增益，R为速度控制系数；
步骤2：设置坐标变换为γ＝Υx，
Figure QLYQS_3
在该坐标变换下，系统可以表示为：
Figure QLYQS_4
其中，
Figure QLYQS_5
Figure QLYQS_6
;步骤3：令△Ps(t)+△Pd(t)＝d，加入可估计扰动的NDOB；
步骤4：根据扰动估计量设计滑模面；
步骤5：根据滑模面，设置可使系统在有限时间到达滑模面的控制器。
2.根据权利要求1所述的考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，其特征在于，通过Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性进行证明，Lyapunov函数为：
Figure QLYQS_7
3.根据权利要求1所述的考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，其特征在于，所述坐标变换还可以得到：
Figure QLYQS_8
即
Figure QLYQS_9
4.根据权利要求1所述的考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，其特征在于，所述步骤3可表述为:
Figure QLYQS_10
其中，
Figure QLYQS_11
为扰动估计量，p为非线性观测器内部状态，λ为设计的观测器增益；通过上述内容可得：/>
Figure QLYQS_12
5.根据权利要求1所述的考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，其特征在于，所述步骤4中的滑模面表述为：
Figure QLYQS_13
其中，C1＝[c1 c2 c3]，c3＝1，
Figure QLYQS_14
为NDOB给出的扰动估计量，控制参数c1、c2、c3满足多项式c3p2+c2p+c1是Hurwitz的；
由
Figure QLYQS_15
选择到达条件为：
Figure QLYQS_16
其中，k1、k2为正数，可以得到：
Figure QLYQS_17
假设扰动为连续的，且满足：
Figure QLYQS_18
6.根据权利要求1所述的考虑微电网不匹配干扰的改进滑模控制方法，其特征在于，所述步骤5中，控制器的表达式为：
Figure QLYQS_19
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