功率變換器和電氣傳動的預測控制

譯者序

原書序

原書前言

原書致謝

第一部分緒論

第1章緒論1

1.1功率變換器和傳動裝置的應用1

1.2功率變換器的類型3

1.2.1通用傳動系統(tǒng)3

1.2.2功率變換器的分類3

1.3功率變換器和傳動裝置的控制6

1.3.1早期的功率變換器控制6

1.3.2目前的功率變換器控制8

1.3.3控制要求和面臨的挑戰(zhàn)9

1.3.4數(shù)字控制平臺10

1.4預測控制技術特別適用于電力電子領域的原因11

1.5本書內(nèi)容11

參考文獻13

第2章功率變換器和傳動裝置的傳統(tǒng)控制方法14

2.1傳統(tǒng)電流控制方法14

2.1.1滯環(huán)電流控制14

2.1.2基于脈寬調(diào)制或空間矢量調(diào)制的線性控制17

2.2傳統(tǒng)電氣傳動裝置控制方法21

2.2.1磁場定向控制22

2.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制23

2.3總結(jié)26

參考文獻27

第3章模型預測控制28

3.1功率變換器和傳動裝置的預測控制方法28

3.2模型預測控制的基本原理29

3.3電力電子和傳動裝置的模型預測控制31

3.3.1控制器設計31

3.3.2實現(xiàn)34

3.3.3通用控制方案34

3.4總結(jié)35

參考文獻35

第二部分應用于功率變換器的模型預測控制

第4章三相逆變器的預測控制37

4.1引言37

4.2預測電流控制37

4.3代價函數(shù)38

4.4變換器模型38

4.5負載模型42

4.6預測的離散時間模型42

4.7工作原理43

4.8預測控制策略實施45

4.9與傳統(tǒng)控制策略進行比較53

4.10總結(jié)56

參考文獻56

第5章三相三電平中性點鉗位逆變器的預測控制57

5.1引言57

5.2系統(tǒng)建模57

5.3應用脈寬調(diào)制的線性電流控制方法61

5.4預測電流控制方法62

5.5實現(xiàn)64

5.5.1開關頻率降低64

5.5.2電容電壓平衡68

5.6總結(jié)70

參考文獻71

第6章有源前端整流器的控制72

6.1引言72

6.2整流器模型74

6.2.1空間矢量模型74

6.2.2離散時間模型76

6.3在有源前端整流器中的預測電流控制77

6.3.1代價函數(shù)77

6.4預測功率控制80

6.4.1代價函數(shù)和控制方案80

6.5AC-DC-AC變換器的預測控制84

6.5.1逆變器側(cè)控制84

6.5.2整流器側(cè)控制85

6.5.3控制方案85

6.6總結(jié)88

參考文獻88

第7章矩陣變換器的控制90

7.1引言90

7.2系統(tǒng)的模型90

7.2.1矩陣變換器模型90

7.2.2矩陣變換器工作原理92

7.2.3開關的轉(zhuǎn)換93

7.3經(jīng)典控制：Venturini方法93

7.4矩陣變換器的預測電流控制96

7.4.1為預測控制產(chǎn)生的矩陣變換器模型96

7.4.2輸出電流控制98

7.4.3在輸入無功功率最小條件下的輸出電流控制99

7.4.4輸入無功功率控制103

7.5結(jié)論104

參考文獻104

第三部分應用于電機傳動的模型預測分析

第8章感應電機預測控制105

8.1引言105

8.2感應電機動態(tài)模型106

8.3利用預測電流控制對由矩陣變換器供電的感應電機進行磁場定向控制108

8.3.1控制方案108

8.4對由電壓源逆變器供電的感應電機進行預測轉(zhuǎn)矩控制111

8.5對由矩陣變換器供電的感應電機進行預測轉(zhuǎn)矩控制115

8.5.1轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制115

8.5.2采用輸入最小化無功功率的轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制117

8.6總結(jié)118

參考文獻119

第9章永磁同步電機預測控制121

9.1引言121

9.2電機方程121

9.3采用預測電流控制的磁場定向控制123

9.3.1離散時間模型123

9.3.2控制方案123

9.4預測速度控制126

9.4.1離散時間模型127

9.4.2控制方案127

9.4.3轉(zhuǎn)子速度估算128

9.5總結(jié)130

參考文獻130

第四部分模型預測控制的設計與實現(xiàn)

第10章代價函數(shù)的選擇131

10.1引言131

10.2參考跟蹤131

10.2.1示例131

10.3驅(qū)動約束條件132

10.3.1開關頻率最小化134

10.3.2開關損耗最小化135

10.4約束條件138

10.5頻譜含量140

10.6總結(jié)143

參考文獻144

第11章權(quán)重系數(shù)設計145

11.1引言145

11.2代價函數(shù)分類145

11.2.1未包含權(quán)重系數(shù)的代價函數(shù)146

11.2.2包含次要項的代價函數(shù)146

11.2.3包含同等重要項的代價函數(shù)147

11.3權(quán)重系數(shù)調(diào)整147

11.3.1包含次要項的代價函數(shù)147

11.3.2包含同等重要項的代價函數(shù)148

11.4示例149

11.4.1降低開關頻率149

11.4.2降低共模電壓150

11.4.3輸入無功功率降低150

11.4.4轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制151

11.4.5電容電壓平衡155

11.5總結(jié)156

參考文獻157

第12章延時補償158

12.1引言158

12.2計算時間導致的延時影響158

12.3延時補償方法160

12.4未來參考值預測164

12.4.1采用外推法的未來參考值計算164

12.4.2采用矢量角補償法的未來參考值計算166

12.5總結(jié)168

參考文獻168

第13章模型參數(shù)誤差影響169

13.1引言169

13.2三相逆變器169

13.3采用脈寬調(diào)制的比例積分控制器170

13.3.1控制方案170

13.3.2模型參數(shù)誤差影響170

13.4采用脈寬調(diào)制的無差拍控制171

13.4.1控制方案171

13.4.2模型參數(shù)誤差影響172

13.5模型預測控制173

13.5.1負載參數(shù)變化影響173

13.6比較結(jié)果174

13.7總結(jié)179

參考文獻179

附錄180

附錄A預測控制仿真——三相逆變器180

A.1三相逆變器的預測電流控制180

A.1.1仿真參數(shù)的定義183

A.1.2預測電流控制的MATLAB代碼184

附錄B預測控制仿真——由兩電平逆變器驅(qū)動的感應電機的轉(zhuǎn)矩控制186

B.1預測轉(zhuǎn)矩控制仿真參數(shù)的定義189

B.2預測轉(zhuǎn)矩控制仿真的MATLAB代碼190

附錄C預測控制仿真——矩陣變換器192

C.1直接矩陣變換器的預測電流控制192

C.1.1仿真參數(shù)的定義194

C.1.2具有瞬時無功功率最小化的預測電流控制的MATLAB代碼196

在半導體變流技術、電氣傳動與電機拖動領域應用預測控制理論等智能控制理論與方法,是對該領域中傳統(tǒng)控制技術手段與方法的巨大變革，代表了這一領域今后控制理論與技術應用的一個發(fā)展方向。本書詳細介紹了預測控制理論在電力電子與電氣傳動領域的最新理論發(fā)展與技術應用情況，既全面詳細地介紹了此領域基本的理論，同時也包含了較多使用MATLAB編寫的應用示例。本書適合許多類型的讀者，特別是工作在電氣工程領域并對預測控制理論有一定了解的讀者群，包括從事電力電子與電氣傳動的研究人員、工程技術人員、研究生和高年級本科生。

第1章 電氣傳動的基本概念

第2章 電氣傳動的力學原理

第3章 交流電動機電氣傳動系統(tǒng)

第4章 電氣傳動調(diào)速的性能指標

第5章 直流電動機電氣傳動系統(tǒng)

第6章 交流電動機的調(diào)速系統(tǒng)

第7章 磁阻電動機、步進電動機和直線電動機

第8章 電氣傳動系統(tǒng)的過渡過程

第9章 電氣傳動的能量特性

第10章 電氣傳動系統(tǒng)所用的元器件

第11章 電氣傳動控制系統(tǒng)的設計

第12章 生產(chǎn)工藝和電氣傳動設計 2100433B

連續(xù)預測控制預測控制算法框圖

雖然預測控制有許多算法，一般的意義上說，它們的原理都是一樣的，算法框圖如圖1所示：

連續(xù)預測控制預測控制三個基本原則

(1)預測模型

預測控制是一種基于模型的控制算法，該模型被稱為預測模型。對于預測控制而言，只注重模型功能，而不是模型的形式。預測模型是基于對象的歷史信息和輸入，預測其未來的輸出。從方法論的角度來看，只要信息的收集具有預測功能，無論什么樣的表現(xiàn)，可以作為預測模型。這樣的狀態(tài)方程、模型傳遞函數(shù)都可以用來作為一個傳統(tǒng)的預測模型。例如線性穩(wěn)定對象，甚至階躍響應、脈沖響應的非參數(shù)模型，，都可直接作為預測模型。此外，非線性系統(tǒng)，分布式參數(shù)系統(tǒng)模型，只要具備上述功能也可以在這樣的預測控制系統(tǒng)中時用來作為預測模型。因此，預測控制打破了嚴格的控制模型結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)要求，可按照功能要求根據(jù)最方便的信息集中方式基礎建模。在這種方式中，可以使用預測模型為預測控制進行優(yōu)化，.以提供的先驗知識來確定什么樣的控制輸入，從而使下一次受控對象的輸出變化與預定的目標行一致。

(2)滾動優(yōu)化

預測控制是一種基于優(yōu)化的控制，但其控制的輸入不是根據(jù)模型和性能指標一次解決并實現(xiàn)它，而是在實時的時間里來滾動優(yōu)化解決。在每一步的控制中，定義從目前到未來有限時域的最優(yōu)化問題，通過參數(shù)優(yōu)化求解時域的最優(yōu)控制輸入，但是只有真正的即時輸入控制才給予實現(xiàn)。到下一個控制周期，重復上述步驟，整個優(yōu)化領域向前一步滾動。在每個采樣時刻，優(yōu)化性能指標只涉及從現(xiàn)在到未來有限的時間，并且下一個采樣時刻，優(yōu)化時段向前推移。因此，預測控制全局優(yōu)化指標是不一樣的，在每一個時刻有一個相對該時刻的優(yōu)化指標。因此，預測控制的優(yōu)化不是一次離線進行，而是在線反復進行，這是滾動優(yōu)化的意義，預測控制的這一點也是不同于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本。

(3)反饋校正

基礎的預測模型中，對象的動態(tài)特性只有粗略的描述，由于實際系統(tǒng)中有非線性、時變、模型不匹配、干擾等因素，基于相同模型的預測，與實際情況是無法完全匹配的，這需要用其他手段補充預測模型和實際對象的誤差，或?qū)A模型進行校正。滾動優(yōu)化只有建立在反饋校正的基礎上，才能體現(xiàn)其優(yōu)越性。因此，通過預測控制算法的優(yōu)化，確定一系列未來的控制作用，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起的控制措施對理想狀態(tài)造成的影響，這些控制沒有完全逐一實現(xiàn)，只實現(xiàn)即時控制作用。到下一個采樣時間，首先監(jiān)測對象的實際輸出，并使用此信息在預測模型的基礎上進行實時校正，然后進行新的優(yōu)化。因此，預測控制優(yōu)化不僅基于模型，并使用了反饋信息，從而構(gòu)成一個閉環(huán)優(yōu)化。

連續(xù)預測控制預測控制基本特征

(1)預測控制算法利用過去，現(xiàn)在和未來(預測模型)的信息，而傳統(tǒng)的算法，如PID等，只取過去和現(xiàn)在的信息;

(2)對模型要求低，現(xiàn)代控制理論難以大規(guī)模應用于過程工業(yè)，重要原因之一就是對模型精度過于苛刻，預測控制成功地克服這一點;

(3)模型預測控制算法具有全局滾動優(yōu)化，每個控制周期持續(xù)的優(yōu)化計算，不僅在時間上滿足實時性要求，還通過全局優(yōu)化打破傳統(tǒng)局限，組合了穩(wěn)定優(yōu)化和動態(tài)優(yōu)化;

(4)用多變量控制思想來取代單一的可變控制傳統(tǒng)手段。因此，在應用到多變量的問題時，預測控制通常被稱為多變量預測控制;

(5)最重要的是能有效地處理約束。因為在實際生產(chǎn)中，通常將制造過程工藝設備的狀態(tài)設置為在邊界條件(安全邊界，設備功能邊界，工藝條件邊界等)上操作，該操作狀態(tài)下，操作變量往往產(chǎn)生飽和以及被控變量超出約束的問題。所以可以處理多個目標，有約束控制能力成為一個控制系統(tǒng)長期、穩(wěn)定和可靠運行的關鍵技術。

連續(xù)預測控制預測控制種類

1978年，Richalet等首先闡述了預測控制的思想，預測控制是以模型為基礎，采用二次在線滾動優(yōu)化性能指標和反饋校正的策略，來克服受控對象建模誤差和結(jié)構(gòu)、參數(shù)與環(huán)境等不確定因素的影響，有效的彌補了現(xiàn)代控制理論對復雜受控對象所無法避免的不足之處。

預測控制自發(fā)展以來，算法種類非常繁多，但按其基本結(jié)構(gòu)形式，大致可以分為三類：

(I)由Cutler等人提出的以非參數(shù)模型為預測模型的動態(tài)矩陣控制(Dynamic Matrix Control, DMC), Rauhani等人提出的模型算法控制(Model Algorithmic Control,MAC).這類非參數(shù)模型建模方便，只需通過受控對象的脈沖響應或階躍響應測試即可得到，無須考慮模型的結(jié)構(gòu)與階次，系統(tǒng)的純滯后必然包括在響應值中。其局限性在于開環(huán)自穩(wěn)定對象，當模型參數(shù)增多時，控制算法計算量大。

(2)與經(jīng)典的自適應控制相結(jié)合的一類長程預測控制算法(Generalized Predictive Control, GPC).這一類基于辨識模型并且有自校正的預測控制算法，以長時段多步優(yōu)化取代了經(jīng)典的最小方差控制中的一步預測優(yōu)化，從而適用于時滯和非最小相位對象，并改善了控制性能，具有良好的魯棒性。

(3)基于機構(gòu)設計不同的另一類預測控制算法:包括由Garcia提出的內(nèi)?？刂?Internal Model Control, IMC), Brosilow等人提出的推理控(Inference Control)等。這類算法是從結(jié)構(gòu)上研究預測控制的一個獨特分支。

以上述典型預測控制為基礎結(jié)合近幾年發(fā)展起來的各種先進控制策略，形成了一些先進的預測控制算法，包括極點配置預測控制、解禍預測控制、前饋補償預測控制、自適應預測控制，魯棒預測控制等。本文重點研究自適應預測控制，即基于自適應雙重控制的預測控制算法。

另外，諸如模糊預測控制，神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制等智能預測控制算法的發(fā)展為解決復雜受控系統(tǒng)提供了強有力的支持。

許多新型的預測控制層出不窮，如預測函數(shù)控制、多速率采樣預測控制、多模型切換預測控制，有約束預測控制等。預測控制的算法種類越來越多，預測控制的性能在不斷改善，使其更好的應用在工業(yè)實際中。

前言

第1章 DC-DC功率變換技術概論

1.1 DC-DC產(chǎn)生的原因

1.2 DC-DC的發(fā)展歷史

1.3 DC-DC研究概要

第2章 基本.DC-DC功率變換器拓撲

2.1 Buck變換器

2.2 Boost變換器

2.3 Buckboost變換器

2.4 Cuk變換器

2.5 Sepie變換器

2.6 Zeta變換器

2.7 基本DC-DC變換器總結(jié)

第3章 正激DC-DC功率變換器拓撲

3.1 基本正激變換器

3.2 三繞組去磁正激變換器

3.3 諧振去磁正激變換器

3.4 RCD去磁正激變換器

3.5 有源去磁正激變換器

3.6 二極管去磁雙正激變換器

3.7 其他去磁的雙正激變換器

3.8 正激DC-DC變換器總結(jié)

第4章 反激DC-DC功率變換器拓撲

4.1 基本反激變換器

4.2 三繞組吸收反激變換器

4.3 RCD吸收反激變換器

4.4 其他吸收反激變換器

4.5 二極管吸收雙反激變換器

4.6 反激DC-DC變換器總結(jié)

第5章 對稱驅(qū)動橋式DC-DC功率變換器拓撲

5.1 對稱驅(qū)動基本半橋變換器

5.2 對稱驅(qū)動半橋變換器

5.3 對稱驅(qū)動全橋變換器

5.4 對稱驅(qū)動推挽變換器

5.5 其他對稱驅(qū)動變換器

5.6 對稱驅(qū)動橋式DC-DC變換器總結(jié)

第6章 其他驅(qū)動橋式DC-DC功率變換器拓撲

6.1 不對稱驅(qū)動半橋變換器

6.2 不對稱驅(qū)動全橋變換器

6.3 相移控制全橋變換器

6.4 其他的軟開關全橋變換器

6.5 其他驅(qū)動橋式DC-DC變換器總結(jié)

第7章 隔離Boost DC-DC功率變換器拓撲

7.1 對稱驅(qū)動電流型推挽變換器

7.2 對稱驅(qū)動電流型全橋變換器

7.3 從正激對偶的隔離Boost變換器

7.4 各種單管隔離Boost變換器

7.5 隔離Boost DC-DC變換器總結(jié)

第8章 其他DC-DC功率變換器拓撲

8.1 高階隔離Buckboost變換器

8.2 正反激變換器和它的集成磁版本

8.3 各種集成磁變換器

8.4 反正激變換器

8.5 其他DC-DC變換器總結(jié)

第9章 正激變換器的工程設計指南

9.1 三繞組去磁正激變換器的穩(wěn)態(tài)分析

9.2 諧振去磁正激變換器的穩(wěn)態(tài)分析

9.3 有源去磁正激變換器的穩(wěn)態(tài)分析

9.4 各種去磁正激變換器的工程設計指南

第10章 反激變換器的工程設計指南

10.1 理想反激變換器的穩(wěn)態(tài)分析

10.2 反激變換器的實際開關過程分析

10.3 CCM/DCM邊界反激變換器的穩(wěn)態(tài)分析

10.4 反激變換器的工程設計指南

第11章 橋式變換器的工程設計指南

11.1 理想對稱驅(qū)動半橋變換器的穩(wěn)態(tài)分析

11.2 對稱驅(qū)動半橋變換器的工程設計指南

11.3 不對稱驅(qū)動半橋變換器的穩(wěn)態(tài)分析

11.4 不對稱驅(qū)動半橋變換器的工程設計指南

第12章 總結(jié)

附錄A 電感電壓的穩(wěn)態(tài)伏秒定律及其證明

附錄B 有源去磁正激變換器的變壓器面積積公式推導

附錄C 正激變換器的濾波電感面積積公式推導

附錄D 反激變換器中的變壓器面積積公式推導

附錄E 對稱半橋變換器中的變壓器面積積公式推導

附錄F 對稱半橋變換器中的濾波電感面積積公式推導

附錄G 不對稱半橋變換器中的變壓器面積積公式推導

附錄H 不對稱半橋變換器中的濾波電感面積積公式推導