打开文本图片集

摘 要：为了提高柴油机调速系统的动态精确度，抑制负荷的扰动，本文进行了船舶电站柴油机调速系统控制器的设计和研究。通过仿真发现，所设计的调速器能在考虑系统模型不确定性的情况下有效地提高了系统的动态精确度和抑制扰动的能力，改善了船舶电力系统频率的稳定性。

关键词：船舶电站； 调速系统； H∞控制器； 鲁棒性

中图分类号：TP277.1 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2016）03-185-002

1.引言

优化控制是加拿大学者Zames在1981年提出的一种设计方法。它是在频域内用加权灵敏度函数的H∞范数作为衡量系统对干扰衰减能力的指标，来设计线性系统的优化控制器[1]。H∞控制理论经过近二十年的发展，理论体系已逐步得到完善，H∞鲁棒控制理论很好地解决了常规频域理论不适用于MIMO系统设计及LQG（线性二次高斯）理论不适用于模型摄动情况两个难题。用H∞控制算法所设计的系统对外部扰动和模型的不确定性具有较强的鲁棒性[2]。

船舶电站通常以柴油机拖动同步发电机组成柴油机发电机组，其中柴油机与调速器组成了柴油机调速系统。由于船舶电站动、静态运行特性，尤其是并联运行的稳定性、电站监控系统的控制特性等性能与电站柴油机及调速系统的运行特性密切相关，因此对现代船舶电站柴油机调速系统的性能提出更高的要求。因工况的变化、外界环境的影响和负荷的改变会使柴油机发电机组模型产生摄动，导致模型的不确定性。鉴于此，本文将H∞控制理论应用于柴油机调速系统控制器的设计，以达到抑制负荷扰动所引起的动态偏差，提高柴油机调速系统动态精度的目的。

2.柴油机及其调速系统的数学模型

柴油机调速系统的主要功能就是进行转速调节。由图1可知，柴油发电机组的输入量是调速器输出轴位移量L，而输出量是柴油机转速n，机组运动方程式就是求取n随L的变化规律[7]。

3.柴油机调速系统控制器的标准设计问题

柴油机调速系统的动态结构图[11]如图3所示，其中r、e、u、d和y分别为参考输入，转速误差，控制输入，外部干扰和系统输出。G为受控对象柴油机，K为控制器。负荷可以认为是加在柴油机调速系统输出上的外部干扰。针对外部干扰和模型的不确定性，H∞控制器的设计可以归结为混合灵敏度问题。

柴油机调速系统的H∞标准设计问题的模型如图4所示。图中加权函数W1表示对系统性能要求的约束，通过调整可以有效地抑制干扰的影响，获得希望的输出信号；加权函数W2反映了对加性不确定性的限制，这里可以看成是对控制信号幅值的约束；加权函数W3反映了对乘性不确定性的限制，由控制对象本身特性决定；z1、z2、z3为系统的评价信号。

在H∞优化设计中，加权函数的选择是至关重要的一步。设计方法是否有效，将取决于或主要取决于加权函数选择是否合适，即是否真正反映了设计系统的性能。由于H∞优化控制器阶次等于广义对象，为了获得低阶次的简单控制器，在保证设计要求前提下尽可能选择低阶次的权函数。

本文选取加权函数W1=，W2=0.001，W3=。利用matlab工具箱，可求得控制器为

比较上两种控制策略，LQG控制和H∞状态反馈控制都能使系统在干扰信号的作用下，回到平衡状态，但状态反馈控制的稳定时间明显比LQG控制的稳定时间短。当系统参数发生摄动时，LQG控制系统明显产生一段时间的振荡才使系统稳定下来，而状态反馈控制尚能对系统进行有效控制。

5.总结

本文建立了柴油机调速系统的数学模型，并在分析柴油机模型不确定性的基础上，运用H∞控制理论设计了H∞调速器，通过比较LQG控制器与H∞控制器，表明H∞调速器具有较强的鲁棒性和抑制扰动的能力。

参考文献

[1]Zames， G.. Feedback and optimal sensitivity：model reference transformations， multiplicative seminars，and approximate inverse. IEEE Trans. Automat. Contr.1981，26（4）：301-320

[2]Yang Xuebo， Robust H∞ control for a class of uncertain mechanical systems.International Journal of Control，2010，83（7）：1303-1324

[3]黄曼磊，王常虹.船舶电站柴油机H∞调速器的仿真研究[J]电机与控制学报，2006，10（2）：125-129