a multichoice control strategy for a

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  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

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       P sio        

    ∆P LF         

       

       

       

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    E i        

    E  j         

    E imi,j    

    E rei,j    

    E imio,jo      E imi,j

    E reio,jo      E rei,j

    P si,sj    

       i, j

    P sio,sjo            i, j

    Qsi,sj          i, j

    Qsio,sjo            i, j

    U i,j       

    ∆E imio,jo      E imi,j

    ∆E reio,jo      E rei,j

    ∆P si,sj        i, j

     

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    ∆Qsi,sj        

    i, j

    γ i        

    γ  j         

    θi,j       

    E q   q     

    M     

    P e    

    P m    

    P gk      k

    P k      k

    Qgk      k

    Qk      k

    δ     

         

    ω      

    xd   d    

    δ CO I       

    V̇ (x)      V (x)        λi      i

    V (x)    ωCO I       

    δ̃ k      k    

    ω̃k      k    

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    θ̃k      k        

    A      

    B      

    C       

    D      

    G(s)        

    Ri      G(s)     λi

    T 1, T 2    

    T w    

    V L    

    V R    

    Λ    

    αmax    

    Y     

    ωmax      αmax

    φ    

    ξ         

    u    

    x    

    V HV dco        

    V uncontrolled        

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    V HV dcuncontrolled        

    I line        

    ∆f       

       

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       i      j  

    ∆P 1      

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    P 1

    MULTICHOICE

    CONTROL

    P 2 

    P 3

    Q i 

    Q j 

    Controllable

    Variables

       

    ∆P 2      

    ∆P 3    

    ∆Qi          

    ∆Q j      

         

       

     

       

     

     ∆P 1    

       ∆P 1       ∆P 2        

       

     

       

     

       

       

     

       

       

       

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    Converter 

    reactor 

    Harmonic

    Filter 

    dc Capacitor VSC Cable

    Transformer CB

       

       

       

         

       

         

       

       

       

       

       

       

     

         

         

     

       

       

       

     

       

       

       

       

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    1.25

    1.00

    0.75

    0.50

    0.25

    0.25

    0.50

    0.75

    1.00

    1.25

    0.25 0.50 0.75 1.00 1.25-1.25 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25

    P – Q DIAGRAM

    Q [ pu ]

       P    [

      p  u

       ]

       

     

    •      

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    i d 

    RdCd Cd

    VSC VSC

    xt i xt j

    P s i Qs i 

    Filter Filter  

    P s j Qs j 

    U i  U  j  j xL

    E i  E  j 

     

                      

       

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     j xL

     j xt i   j xt jE  i    E  j 

    U  j    θ  j U i    θ i 

    I i    I  j 

     

      Ē i      Ē  j    

    Ē i =  E ie jγ i   Ē  j  = E  j e

     jγ j    

       E i     E  j     γ i      γ  j       x

    ti      x

    tj    

     

         

     

    P si = U iE i sin(θi − γ i)

    xti

    Qsi = U i[U i − U iE i cos(θi − γ i)]

    xti

       

    P sj  = U  j E  j sin(θ j − γ  j )

    xtj

    Qsj  = U  j [U  j − U  jE  j cos(θ j − γ  j)]

    xtj

       

       P si     Qsi            γ i      E i      P sj     Qsj        γ  j      E  j  

       

         

       

       

       i

         j

       

      P si   = −P sj    

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     j  xLU  j  θ  j U i  θ i 

    P sj + j Qsj P si + j Qsi  P losses

     

     

    S̄ si =  Ū i(Ī i)∗ = P si + jQsi

       

    P si =  btiU iE i sin(θi − γ i)= b

    tiU iE i(sin θi cos γ i − cos θi sin γ i)

    Qsi =  bti

    [U 2

    i −U iE i cos(θi

    −γ i)]

    = bti

    [U 2i − U iE i(cos θi cos γ i + sin θi sin γ i)]

     

    bti

     = 1/xti

        j  

    P sj  = btjU  j E  j(sin θ j cos γ  j − cos θ j sin γ  j)

    Qsj  = btj [U 2

     j − U  jE  j(cos θ j cos γ  j + sin θ j sin γ  j )]  

    E rei   = E i cos γ i   E imi   = E i sin γ i

    E re j   = E  j cos γ  j   E im

     j   = E  j sin γ  j    

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    S̄ si =  P si + jQsi

    P si =  btiU i(sin θiE rei   − cos θiE imi   )

    Qsi =  bti [U 2i − U i(cos θiE rei   + sin θiE imi   )]

    S̄ sj  = P sj +  jQsj

    P sj  = btjU  j(sin θ jE re

     j   − cos θ jE im j   )Qsj  = btj [U 2 j − U  j(cos θ jE re j   + sin θ jE im j   )]P si = −P sj

       

     

    E i = 

    (E rei   )2 + (E imi   )

    2 γ i = arctan

    E imiE rei

    E  j  =  (E re j   )

    2 + (E im j   )2 γ  j  = arctan

    E im jE re j

       

       

       E reio     E 

    imio    E 

    re jo      E 

    im jo      ∆E 

    rei  

    ∆E imi    ∆E re

     j      ∆E im

     j  

    E rei   = E reio   + ∆E 

    rei   E 

    imi   = E 

    imio   + ∆E 

    imi

    E re j   = E re

     jo  + ∆E re

     j   E im

     j   = E im

     jo   + ∆E im

     j

       

       

     

    P si =  btiU i[sin θi(E reio   + ∆E 

    rei   ) − cos θi(E imio   + ∆E imi   )]

    = bti

    U i(sin θiE reio − cos θiE imio   ) + btiU i(sin θi∆E rei   − cos θi∆E imi   )

    = P sio + ∆P si

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       Qsi     P sj      Qsj

    P si =  P sio + ∆P si

    Qsi =  Qsio + ∆Qsi

    P sj  = P sjo  + ∆P sj

    Qsj  = Qsjo  + ∆Qsj

       

         o        P       Q    ∆P       ∆Q  

         

     

    P sio =   btiU i(sin θiE reio − cos θiE imio   )

    Qsio =   bti[U 2i − U i(cos θiE reio  + sin θiE imio   )]

    P sjo  =   btjU  j(sin θ jE re

     jo − cos θ jE im jo  )Qsjo  =   btj [U 

    2 j − U  j(cos θ jE re jo  + sin θ jE im jo  )]

    ∆P si =   btiU i(sin θi∆E rei   − cos θi∆E imi   )

    ∆Qsi =

    −bti

    U i(cos θi∆E rei   + sin θi∆E 

    imi   )

    ∆P sj  =   btjU  j(sin θ j∆E re

     j   − cos θ j∆E im j   )∆Qsj  = −btjU  j(cos θ j ∆E re j   + sin θ j∆E im j   )

       

       

    P sjo  = −P sio∆P sj  = −∆P si

       

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  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    32/97

              

       

     

         

         

       

         

       

       

               

                

            

     

       

         

     

       

     

     

     

     

     

                

       

         

     

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    33/97

              

    δ̇  =  ω    

    ω̇ =  1

    M (P m − P e − Dω)    

    Ė q  =  1

    T do

    E f  −  xd

    xdE q +

     xd − xdxd

    U  cos(δ − θ)

       

    Ė d =  1

    T qo −xqxq

    E d −xq − xq

    xqU  sin(δ − θ)    

        P e      

    P e  =E qU  sin(δ − θ) + E dU  cos(δ − θ)

    xd    

     

    δ           

    ω      

    E q           

    E d           

    P m    

    P e    

    D    

    M     

    E f     

    xd           

    xd           

    xq           

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    34/97

              

    xq           

    T do           

    T qo           

    U           

    θ      U 

       

         

       P e  

    P e  =E qU  sin(δ − θ)

    xd    

     

           xd        

         

       

    P e  

           

       

       

       

         

     

       

       

         P (U, f )      Q(U, f )            P (U )      Q(U )            

       P (f )

         Q(f )

           

             

     

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    35/97

              

       

       

     

       

     

         

     

    •      P   

    •      I   

    •      Z   

         

       

       

         

       

       

       

         

       

         

                  

    (Z )      (I )      (P )  

    P   = P o

    a1

    U o2

    + a2U 

    U o+ a3

    Q =  Qo

    a4

    U o

    2+ a4

    U o

    + a6

       

     U o     P o      Qo      

       a1    a6  

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    36/97

              

       

     

    P   = P o

    U o

    mp

    Q =  Qo

    U o

    mq    

     

    mp    

      mq       

     

     

       

       

       1 + af (f − f o)      f     

      f o        af         

             

       

       

       

     

         n            N         

       

     

    P m    

       

     

         

       k      

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    37/97

              

        xdk      E 

    qk    

       δ k

     j x' dk U k    kE' qk    k I gk 

       

      

    Ȳ bus    

      N × N           kl          Ȳ buskl  = j Bkl  

       k        

    k  

    P gk  =     (Ū kĪ ∗

    gk )

    =E qk U k sin(δ k − θk)

    xdk

    Qgk  =     

      (¯U k

    ¯I 

    gk )

    =E qk U k cos(θk − δ k) − U 2k

    xdk

       

       

      k

     

       k = 1, . . . , n

    P k  =

    N l=1

    BklU kU l sin(θk − θl) +E qk U k sin(θk

    −δ k)

    xdk

    Qk  = −N 

    l=1

    BklU kU l cos(θk − θl) +U 2k − E qk U k cos(θk − δ k)

    xdk

       

       k = (n + 1), . . . , N  

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    38/97

               

    P k  =N 

    l=1

    BklU kU l sin(θk − θl)

    Qk  = −N 

    l=1

    BklU kU l cos(θk − θl)    

      P Lk +  j QLk      k    

    k = 1, . . . , N    

    0 = P k + P Lk

    0 = Qk + QLk    

       x     y  

    x = [δ 1 . . . δ  n, ω1 . . . ωn, E 

    q1 . . . E  

    qn]      

    y = [θ1 . . . θN , U 1 . . . U  N ]

          

     

    ẋ =  f (x, y)

    0̇ = g(x, y)    

       

       

       

           

         

         

         

     

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    39/97

                

    ẋ1  =  f 1(t, x1, . . . xnx , u1 . . . ur)

     

     

     

     

     

     

    ẋnx  = f n(t, x1, . . . xnx , u1 . . . ur)

       

       ̇xi      xi      t     u1 . . . ur      

    x =

    x1 

     

     

    xnx

    , u =

    u1 

     

     

    u p

    , f (t,x,u) =

    f 1(t,x,u) 

     

     

    f nx(t,x,u)

       nx      nx     

    ẋ =  f (t,x,u)    

       x             u         

       

    u      

    ẋ =  f (t, x)    

       

         

      u =  γ (t)  u  =  γ (x)    u =  γ (t, x)        u =  γ       u      

         f             t  

    ẋ =  f (x)    

                      

       

           t     τ  = t−a      

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    40/97

              

         

                 

       x  =  xo            

       xo      xo        

    xo      

    f (xo) = 0

       xo    

       xo      xo      t ≥   0      xo        >   0      δ  =  δ () >  0        x(0)      

    x(0) − xo < δ       x(t)    

    x(t) − xo < ,   ∀  t > 0      

    x(t) − xo → 0     t → ∞      xo      xo      

       

       dE (x)/dt        E (x)        x    xo          

    E (xo)            E       

     

       xo   xo  = 0        

       V   : D → R      D ⊂ Rnx    

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    41/97

                 

       V           

    V̇       

    V̇  =nx

    i=1

    ∂ V ∂xi

    f i(x)

    V̇  = ∂ V ∂x1

    ,  ∂ V ∂x2

    , . . . ,  ∂ V ∂xnx ·

    f 1(x)f 2(x)

     

     

     

    f nx(x)

    V̇  =   ∂ V 

    ∂x · f (x)

    V̇  = ∇V (x) · f (x)

       V 

       

     V̇   

             xo        D ⊂ Rnx      

    xo      V   : D →  R        

    V (xo) = 0    V (x) >  0   ∀  x ∈ D,      xo    V̇ (x) = ∇V (x) · f (x) ≤ 0   ∀  x ∈ D    

       

    V̇ (x) = ∇V (x) · f (x) <  0   ∀  x ∈ D      xo      V̇ (xo) = 0    

         

    V̇ (x) = ∇V (x) · f (x) ≤ 0,      V̇ (x)                x(t)      D,      xo.

       

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    42/97

              

       

     

         V (x)      

         V (x)    V (xo) = 0    

    V (x)  >   0   

      x =  xo          V (x) ≥ 0     x = xo  

     

       

         

       

       

         

       

       

       

     

       

         

                

       

    xo      

    ∆ẋ =  A∆x    

     

    A =

    ∂f (x)

    ∂x

    x=xo

    =

    ∂f 1(x)∂x1

    . . .   ∂f 1(x)∂xnx

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    ∂f nx(x)∂x1

    . . .   ∂f n(x)∂xnx

    x=xo

       xo      A  

    λi      

      (A − λI) = 0

         I      

             xo               

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    43/97

                

      xo        A      

     xo        A        

     

       

       

         

       

       

     

         

       

     

     j x L

    E' q   U 

           

     

    δ̇  =  ω

    ω̇ =  1

    M [P m − P emax sin(δ ) − Dω]

       

         

    P emax =E qU 

    xd + xt + xL

     

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    44/97

              

    (δ o1, ωo1) =

    arcsin

      P mP emax

    , 0

    (δ o2, ωo2) =

    π − arcsin

      P mP emax

    , 0

    (δ o3, ωo3) =

    −π − arcsin

      P mP emax

    , 0

       

    (δ o2, ωo2)    

      (δ o3, ωo3)   

      (δ o1, ωo1)      xo1 =(δ o1, ωo1)      

    V  = 12

    M ω2 − P mδ − P emax cos(δ ) + C o    

       C o      V  = 0     xo1    

         

    ˙

    V  =

    ∇V ·f (x)

    V̇  = [−P m + P emax sin δ M ω] ·

      ωP m−P emax sin δ−Dω

    V̇  = −Dω2 ≤ 0

       

       ẋ =  f (x) = 0  

    ω̇ =  1

    M [P m − P emax sin(δ ) − Dω] = 0

        ω   = 0      xo1        

    xo1 = (δ o1, ωo1)  

         

       

         

       

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    45/97

           

            

       y        

    x    

      g    

       g(x, y) = 0        

         L   = (x, y) : g(x, y) = 0      L

       

    g(x, y) = 0      

         L

           (xo, yo) ∈ L        Gy  = ∂g/∂y    

       

    (Gy) = 0     (xo, yo)         y  = h(x)        

    g(x, h(x)) = 0    

      (xo, yo)    (xo, yo)          

    ẋ =  f (x, h(x)) = f o(x)    

     

       

       

         

     

     

     

     

       

    D = 0  

      mp = 0  

         

     

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    46/97

              

    δ COI 

      =  1

    M T 

    nk=1

    M kδ k

    ωCOI 

      =  1

    M T 

    nk=1

    M kωk

       

    M T   =n

    k=1

    M k

     

    ω̇COI 

      =  1

    M T 

    nk=1

    M k ω̇k  =  1

    M T 

    nk=1

    (P mk − P ek) =   P COI M T 

      xo     P COI    = 0      δ k     ωk  

    δ̃ k  =  δ k − δ COI ω̃k  =  ωk − ωCOI 

       

     

    nk=1

    M kδ̃ k  = 0

    nk=1

    M kω̃k  = 0

         

    θ̃k  =  θk − δ COI   

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    47/97

           

            

    ˙̃δ k  =  δ̇ k −  δ̇ COI   = ωk − ωCOI   = ω̃k    

    ˙̃ωk  = ω̇k −  ω̇COI   =  1

    M k

    P mk − P ek −   M k

    M T P COI 

       

    k = 1 . . . n)

    ˙̃δ k  = ω̃k

    ˙̃ωk  =  1

    M k

    P mk −

     E qk U kxdk

    sin(δ̃ k − θ̃k) −   M kM T 

    P COI 

    Ė q  =  1

    T dok

    E f k −  xdk

    xdkE qk  +

     xdk − xdkxdk

    U k cos(δ̃ k − θ̃k)    

       

    0 = P k + P Lk

    0 = Qk + QLk    

       P k      Qk      θ

         δ 

         

      θ̃    

      δ̃     

      θ̃k − θ̃l   =  θk − θl    δ̃ k − δ̃ l =  δ k − δ l  

       

     

    V (ω̃, δ̃, E q, U, θ̃) = V 1 +7

    k=1

    V 2k + C o    

     

    V 1 =

     1

    2

    n

    k=1

    M kω̃2k

    V 21 = −n

    k=1

    P mkδ̃ k

    V 22 =N 

    k=1

    P Lkθ̃k

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    48/97

               

    V 23 =N 

    k=1

       QLk

    U kdU k

    V 24 =n

    k=1

    1

    2xdk[E 

    2qk  + U 

    2k − 2E qkU k cos(δ̃ k − θ̃k)]

    V 25 = −12

    N k=1

    N l=1

    BklU kU l cos(θ̃k − θ̃l)

    V 26 = −n

    k=1

    E f dkE 

    qk

    xdk − xdk

    V 27 =n

    k=1

    E 2qk2(xdk − xdk)

     

    V 1      V 2k      C o        

       

         

    dV dt

    ω̃

      

    ∂ V ∂ ̃ω

    dω̃

    dt  

    V̇ (x)  

    dV 1dt

    ω̃

    +

    dV 21

    dt  +

     dV 24dt

    δ̃

    = 0    

    dV 22dt

      + dV 24

    dt  +

     dV 25dt

    θ̃

    =

    (P k + P Lk)

    ˙̃θk  = 0    

    dV 23dt

      + dV 24

    dt  +

     dV 25dt

    =

    (Qk + QLk)U̇ kU k

    = 0    

    dV 24

    dt  +

     dV 26dt

      + dV 27

    dt

    E q

    = −n

    k=1

    T dokxdk − xdk

    (  Ė qk )2

       

     

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

    49/97

          

    dV (x)dt

      = −n

    k=1

    T dokxdk − xdk

    (  Ė qk )2 ≤ 0    

     

       

       

         

     

       

    u ∈ Rr  

    ẋ =  f (x, u)   , x ∈ D ⊂ Rnx        D      Rnx          u        x  

      xo        xo ∈ D      

       

       u =  u(x)            

    ẋ =  f (x, u(x)) =  f̃ (x)

       xo        u(x)            u(x)     

             xo    

                 D ⊂   Rnx      xo        Do ⊂ D        xo          V   : Do → R  

       

       

         V (x)

       

    V̇ (x) = ∇V (x) · f (x, u) <  0    

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

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         x = xo        D        

    V (x)    

       

     

    ẋ =  f (x, u) = f o(x) +r

    i=1

    uif i(x)    

       x ∈ D ⊂   Rnx     f o(x)        f o, f 

    1, . . . , f  r     C 

    ∞    C s    s  

         C ∞

         V (x)

         

    ∇V (x) · f o(x) ≤ 0     x ∈ D          

         

         u(x) = [u1(x), . . . , ur(x)]    

    ui(x) = −∇V (x) · f i(x)  , i = 1, . . . , r        V (x)     x ∈ D            

    V̇ (x) = ∇V (x) · f o(x) +r

    i=1

    ui∇V (x) · f i(x)

    ≤r

    i=1

    ui∇V (x) · f i(x) = −r

    i=1

    ui(∇V (x) · f i(x))2

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    ẋ =

      0 1−1 0

    x1x2

    +

    01

    u

    = f o(x) + f 1u

       

       u        

    V (x) =

     3

    2

    x21 + x1x2 + x22    

     

    V̇ (x, u) = ∇V (x) · f (x, u)V̇ (x, u) = −x21 + x1x2 + x22 − (x1 + 2x2)u

         u      x1 + 2x2 = 0          u      V̇   <   0    x1 + 2x2  = 0      V̇  = −5x22        u        x2      x1  = −2x2      u = −x2        V̇   

    V̇ (x, u) = −x21 − x22  <  0    u  = −x2      V̇ (x, u)          x = 0    

    u    

      V̇ (x, u) <  0  

       

     

    ∆ẋ =  A∆x(t) + B∆u

    ∆Y  = C ∆x + D∆u    

     

    ∆ẋ        nx × 1  

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    ∆u        r × 1  

    ∆Y       

      m × 1  

    A        nx × nx   

    B      

      nx × r   

    C         m × nx   

    D            m × r   

         A      

      (A − λI) = 0    

       nx

       λ =  λ1, . . . , λnx      A     V ri    

    AV r

    i   = λiV r

    i    

       A

         λi     V 

    ri

         nx × 1      nx      V R  

    V R = [V r1   V r2   . . . V  

    rnx

    ]nx×nx

       V li    

    V li A =  λiV l

    i    

       A      λi     V li      

    1 × nx      nx      V L  

    V L = [(V l1)T  (V l2)

    T  . . .   (V lnx)T ]T nx×nx

       nx        

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    Λ =

    λ1   0   . . .   00   λ2   . . .   0

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    0 0   . . . λnx

    nx×nx

       

    AV R

    = V R

    Λ(V R)−1AV R = (V R)−1V RΛ = Λ

       

         A

           V R

       

       nx       ξ   

    ξ  =  V L∆x = (V R)−1∆x    

       

    ∆x =  V Rξ     

       

    V R ξ̇  =  AV Rξ  + B∆u

    ∆Y  = C V Rξ  + D∆u      

    nx            

    ξ̇  = Λξ  + V LB∆u

    ∆Y  = CV Rξ  + D∆u    

       

    Λ = (V R)−1AV R    

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       Y       u    D   = 0      

    ξ (s) = (sI − Λ)−1V LB∆u(s)∆Y (s) = C V R(sI − Λ)−1V LB∆u(s)    

     

    G(s) =   ∆Y ∆u(s)

    G(s) = C V R(sI − Λ)−1V LB

       Λ      

    G(s) =nx

    i=1

    Ris − λi    

       Ri      m × r      G(s)     λi  

    Ri =  C V r

    i  V l

    i B    

           H (s, k) =   kH (s)     k          s =  λi  

    ∂λi∂k

      = RiH (λi)    

     

    ∆λi

    ∆k

      = RiH (λi)    

       

     

    ∆λi =  RiH (λi, k)

    ∆λi =  kRiH (λi)    

  • 8/20/2019 A Multichoice Control Strategy for A

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    H (s =  λi)      Ri  

         

       

         

     

    ++

    u(s) G(s)

    H(s)POD

    (s) y 

           

         G(s)    H (s)      

       

         

     

    1+s T1

    1+s T2

    s Tw

    1+s Tw

    PODKp

    Input 

    Wash-out

    Filter 

    Lead-lag

    Filter Gain

       

       

    T w  

       T w      

       

       

       

    ◦      

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       λi          

    H (s =  λi)     φ       

    φ = 180◦

    − arg(Ri)  

    Desired*

     Actual*

    Im

    Re

    arg(R i )

    R i 

       

     1 + s aT 

    1 + s T 

     

    T 1 =  aT 

    T 2 =  T     

       a >  1

       

       a          

    αmax      

     

    αmax = arcsin

    a − 1a + 1

       

      αmax       φ  

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    φ = arcsin

    a − 1a + 1

       

       a      

    a = 1 + sin(φ)

    1 − sin(φ)    

       

    T       

      ωmax        

     

    ωmax =  1

    T √ 

    a

       T           λi   =  σi ± jωi      

    ωmax =  ωi      T    

    T   =  1

    ωi√ 

    a

       

    T 1    

      T 2      

     

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