應(yīng)用于UPFC動(dòng)力學(xué)模型的ANN-PID復(fù)合控制

摘  要：提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)大偏差范圍內(nèi)的解耦控制，由PID控制實(shí)現(xiàn)小偏差時(shí)的快速穩(wěn)定并消除靜差。這種復(fù)合控制方法應(yīng)用于UPFC的動(dòng)力學(xué)模型收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：UPFC；BP網(wǎng)絡(luò)；解耦控制 TM761；TM743；TP2733  

0  引  言

在UPFC 應(yīng)用研究中普遍使用了UPFC的輸出模型。眾所周知，UPFC的輸出模型只是穩(wěn)態(tài)下的等效電路。它不反映UPFC的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。凡是基于UPFC輸出模型 的應(yīng)用研究都忽略了UPFC的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過程，這顯然不夠精確，或者說(shuō)以這種研究方法認(rèn)識(shí)UPFC帶有很大局限性。文獻(xiàn)［1］提出的UPFC建模方法所建模 型是動(dòng)力學(xué)模型。從控制工程的角度看，UPFC裝置本身是一個(gè)較為復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，研究其控制方法對(duì)裝置開發(fā)和應(yīng)用都非常必要。

1  UPFC的主電路及其動(dòng)力學(xué)模型

1.1   UPFC的主電路

為了討論問題方便采用圖1所示主電路結(jié)構(gòu)(實(shí)際電路結(jié)構(gòu)可能考慮到降低諧波含量而采用多重化技術(shù)，但原理相同。)

圖1  UPFC主電路簡(jiǎn)圖

1.2 UPFC的動(dòng)力學(xué)模型

串聯(lián)支路的回路方程：

并聯(lián)支路的回路方程

式中的L_j、R_j是根據(jù)戴維南定理得出的串聯(lián)變壓器輸出阻抗(注意：L_j、R_j在圖1中沒有標(biāo)出)。另一方面，再由能量守恒可知，直流側(cè)電容的充放電過程決定于UPFC兩側(cè)有功的不平衡性，有：

 

 

式(1)、(2)、(3)、(4)構(gòu)成了UPFC裝置的動(dòng)力學(xué)模型。

2  UPFC的控制回路

UPFC裝置本身包括三個(gè)控制回路，在這三個(gè)回路基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)方程和發(fā)電機(jī)方程即可得到含UPFC的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(注：本文只研究UPFC裝置內(nèi)部三個(gè)基本控制回路，若還要關(guān)注系統(tǒng)，只需在此基礎(chǔ)上增加相應(yīng)方程)。

由圖2可見(見下頁(yè))，UPFC裝置的控制系統(tǒng)包括三個(gè)控制回路。控制回路1的作用是實(shí)時(shí)補(bǔ)償輸電線路無(wú)功功率(標(biāo)幺制下的無(wú)功電流I_q)；控制回路2的作用是維持直流連接電容電壓U_dc恒定；控制回路3的作用是調(diào)節(jié)串聯(lián)變壓器輸出電壓V。不難看出，控制回路2與另外兩個(gè)控制回路存在耦合作用。因此，若三個(gè)控制回路均采用PID控制邏輯很難得到滿意的控制效果。作者設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)與PID的復(fù)合控制規(guī)律取得了良好的效果。

3  ANN-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

3.1  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制概述

從控制的觀點(diǎn)，可以把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)具有m 維向量輸入和n維向量輸出的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，并通過一組狀態(tài)方程和一組學(xué)習(xí)方程加以描述。狀態(tài)方程描述每個(gè)神經(jīng)元的興奮或抑制水平與它的輸入及輸出通道 上的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度間的函數(shù)關(guān)系，而學(xué)習(xí)方程描述通道的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度應(yīng)該不斷地修正。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是通過修正這些聯(lián)結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而調(diào)整整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系。

圖2  UPFC的三個(gè)控制回路

3.2   神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)及訓(xùn)練樣本獲取 我們使用BP網(wǎng)絡(luò)及其誤差反傳學(xué)習(xí)算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示： 在確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)算法以后，可以開始對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練。訓(xùn)練之前的樣本獲取是一項(xiàng)十分重要的工作。它決定了訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)性能。樣本獲取的途徑 因控制對(duì)象的不同而異本文的控制對(duì)象已給出確定的動(dòng)力學(xué)模型。通常，對(duì)于有確定數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象并不適合采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。原因在于基

圖3  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

于精確數(shù)學(xué)模型的控制規(guī)律設(shè)計(jì)理論已相當(dāng)成熟且應(yīng)用廣泛。但是，本文的控制對(duì)象具有多回路、強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)。作者曾采用PID控制，雖然也能使三個(gè)回路達(dá)到穩(wěn)定，但由于耦合作用的存在和PID算法的局限性，導(dǎo)致了較大的超調(diào)量和較長(zhǎng)的過渡過程。

PID控制性能差的原因在于暫態(tài)過程是一個(gè)“邊解耦，邊控制”的過程，而且PID的固有缺陷使它難以兼顧快速性和穩(wěn)定性。這里使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要目的是避開解耦過程，利用BP網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能直接得出三個(gè)回路的控制量。訓(xùn)練樣本獲取方案如下：

 

輸入矢量的形成：系統(tǒng)共三個(gè)回路，即三個(gè)被控量Q、V、U_dc。輸入矢量由被控量的偏差劃分為七個(gè)檔次經(jīng)排列組合而得到。因此，輸入矢量總數(shù)

目標(biāo)矢量的形成：系統(tǒng)控制量分別為θ₁、θ₂、δ₁。給定一個(gè)輸入矢量(ΔQ_iΔV_iΔU_dci)，通過PID算法可以得到穩(wěn)態(tài)輸出(θ_1i、θ_2i、δ_1i)，這個(gè)穩(wěn)態(tài)下的輸出即為相應(yīng)的目標(biāo)矢量。作者采用這種方法獲取目標(biāo)矢量的主要原因是可以借助控制系統(tǒng)的仿真軟件(MATLAB)方便地得到。

3.3   ANN-PID復(fù)合控制

利用BP 網(wǎng)絡(luò)的映射功能形成控制量，雖然避開了多回路解耦過程，但由于是開環(huán)控制無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)誤差。眾所周知，PID控制用于小偏差線性系統(tǒng)時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。于 是，本文設(shè)計(jì)了ANN-PID復(fù)合控制的方法，即在大偏差范圍內(nèi)投入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，小偏差范圍內(nèi)切換到PID控制器。兩個(gè)控制器的切換通過編程是很容易 實(shí)現(xiàn)的。

4  仿真研究

圖4-1  回路2的PID控制          圖4-2  回路2的ANN-PID復(fù)合控制

 

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圖4-3  回路1的PID控制           圖4-4  回路1的ANN-PID復(fù)合控制

 

圖4-5  回路3的PID控制          圖4-6  回路3的ANN-PID復(fù)合控制

由仿真結(jié)果可以看出，單獨(dú)使用PID控制時(shí)回路間的耦合作用使動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線有超調(diào)和多個(gè)極點(diǎn)導(dǎo)致了快速性、穩(wěn)定性較差；ANN-PID復(fù)合控制則表現(xiàn)出良好的解耦控制效果，三個(gè)控制回路的動(dòng)態(tài)性能都有顯著改善。