感應(yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制

前言

第1部分緒論和基礎(chǔ)知識(shí)

第1章概述1

1.1研究背景及意義1

1.2高性能感應(yīng)電機(jī)控制策略簡述2

1.2.1矢量控制2

1.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制2

1.2.3模型預(yù)測控制3

1.2.4無速度傳感器控制5

1.3本書主要內(nèi)容6

第2章三相感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型9

2.1三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型9

2.2三相系統(tǒng)的空間矢量描述10

2.3兩相坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型13

2.4電機(jī)參數(shù)及常用公式14

2.5本章小結(jié)16

第3章高性能電機(jī)控制中的基本問題17

3.1逆變器非線性特性辨識(shí)與補(bǔ)償17

3.2電機(jī)參數(shù)辨識(shí)19

3.3磁鏈觀測器23

3.3.1傳統(tǒng)磁鏈觀測方法23

3.3.2全階觀測器24

3.3.3轉(zhuǎn)速自適應(yīng)律25

3.3.4觀測器的離散化26

3.3.5增益矩陣設(shè)計(jì)28

3.4本章小結(jié)32

第2部分傳統(tǒng)控制策略

第4章磁場定向矢量控制34

4.1基本原理34

4.2電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)35

4.2.1線性PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)36

4.2.2復(fù)矢量調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)38

4.2.3離散域調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)40

4.3外環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)42

4.3.1磁鏈環(huán)設(shè)計(jì)42

4.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)43

4.4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果44

4.4.1仿真結(jié)果44

4.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果46

4.5本章小結(jié)49

第5章直接轉(zhuǎn)矩控制50

5.1直接轉(zhuǎn)矩控制概述50

5.2單矢量直接轉(zhuǎn)矩控制50

5.2.1基本原理51

5.2.2仿真結(jié)果52

5.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果53

5.3雙矢量直接轉(zhuǎn)矩控制54

5.3.1基本原理54

5.3.2仿真結(jié)果56

5.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果57

5.4考慮轉(zhuǎn)速影響的雙矢量直接轉(zhuǎn)矩控制58

5.4.1轉(zhuǎn)速變化對(duì)轉(zhuǎn)矩斜率的影響58

5.4.2新型占空比計(jì)算方法59

5.4.3仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果61

5.5本章小結(jié)64

第3部分模型預(yù)測控制

第6章傳統(tǒng)模型預(yù)測控制65

6.1模型預(yù)測控制概述65

6.2模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制66

6.2.1基本原理66

6.2.2計(jì)算簡化67

6.2.3控制延遲補(bǔ)償68

6.2.4起動(dòng)電流抑制68

6.2.5仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果69

6.3本章小結(jié)71

第7章無權(quán)重系數(shù)模型預(yù)測控制72

7.1模型預(yù)測磁鏈控制72

7.1.1基本原理72

7.1.2仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果74

7.1.3磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)驗(yàn)對(duì)比76

7.2級(jí)聯(lián)式模型預(yù)測控制78

7.2.1級(jí)聯(lián)模型預(yù)測控制78

7.2.2廣義級(jí)聯(lián)模型預(yù)測控制79

7.2.3仿真對(duì)比80

7.2.4實(shí)驗(yàn)對(duì)比82

7.3本章小結(jié)87

第8章魯棒模型預(yù)測控制88

8.1魯棒模型預(yù)測控制策略概述88

82基于超局部模型的無模型預(yù)測電流控制89

8.3基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的無模型預(yù)測電流控制90

8.4實(shí)驗(yàn)對(duì)比92

8.4.1動(dòng)態(tài)性能92

8.4.2穩(wěn)態(tài)性能93

8.4.3參數(shù)魯棒性94

8.5本章小結(jié)100

第9章雙矢量模型預(yù)測控制101

9.1雙矢量模型預(yù)測控制介紹101

9.1.1傳統(tǒng)雙矢量預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制101

9.1.2改進(jìn)雙矢量預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制102

9.1.3廣義雙矢量預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制102

9.1.4廣義雙矢量預(yù)測磁鏈控制104

9.1.5開關(guān)點(diǎn)優(yōu)化預(yù)測磁鏈控制105

9.2仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果106

9.2.1仿真結(jié)果106

9.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果112

9.3性能比較和量化分析117

9.3.1雙矢量MPC之間的對(duì)比117

9.3.2雙矢量MPC與傳統(tǒng)方法的對(duì)比118

9.4本章小結(jié)122

第10章三矢量模型預(yù)測控制123

10.1三矢量模型預(yù)測控制概述123

10.2開關(guān)點(diǎn)優(yōu)化模型預(yù)測磁鏈控制123

10.2.1整體框圖123

10.2.2矢量選擇124

10.2.3矢量占空比優(yōu)化124

10.2.4仿真結(jié)果125

10.2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果126

10.3基于SVM的模型預(yù)測磁鏈控制127

10.3.1整體框圖127

10.3.2電壓參考值計(jì)算127

10.3.3基于固定矢量合成的SVM128

10.3.4仿真結(jié)果130

10.3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果131

10.4統(tǒng)一多矢量模型預(yù)測控制132

10.4.1控制框圖132

10.4.2定子磁鏈無差拍控制132

10.4.3單矢量MPC133

10.4.4雙矢量MPC134

10.4.5廣義雙矢量MPC135

10.4.6仿真結(jié)果136

10.4.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果138

10.5本章小結(jié)143

第11章無速度傳感器運(yùn)行及弱磁控制144

11.1無速度傳感器控制144

11.1.1基本原理145

11.1.2仿真結(jié)果149

11.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果150

11.2弱磁區(qū)模型預(yù)測控制152

11.2.1弱磁控制概述152

11.2.2恒功率區(qū)弱磁控制152

11.2.3恒電壓區(qū)弱磁控制156

11.3本章小結(jié)159

第12章三電平模型預(yù)測控制160

12.1三電平逆變器原理160

12.1.1數(shù)學(xué)模型160

12.1.2中點(diǎn)電位波動(dòng)原因162

12.1.3調(diào)制策略164

12.2三電平模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制171

12.2.1狀態(tài)預(yù)測172

12.2.2目標(biāo)函數(shù)172

12.2.3仿真結(jié)果173

12.3三電平模型預(yù)測磁鏈控制175

12.3.1基本原理175

12.3.2優(yōu)化矢量表176

12.3.3權(quán)重系數(shù)調(diào)試178

12.3.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證178

12.3.5無速度傳感器運(yùn)行183

12.4基于SVM的模型預(yù)測控制187

12.4.1模型預(yù)測磁鏈控制187

12.4.2模型預(yù)測電壓控制191

12.4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析195

12.5本章小結(jié)199

第13章感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程200

13.1硬件設(shè)計(jì)200

13.2軟件設(shè)計(jì)201

13.2.1仿真框架202

13.2.2實(shí)驗(yàn)框架203

13.2.3代碼自動(dòng)生成及程序執(zhí)行時(shí)間204

13.3本章小結(jié)205

第14章展望206

參考文獻(xiàn)207 2100433B

模型預(yù)測控制是近些年在交流電機(jī)控制領(lǐng)域興起的一種高性能閉環(huán)控制技術(shù)，具有概念簡單、多變量控制和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注?！陡袘?yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制》（電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書）系統(tǒng)介紹了作者近年來在感應(yīng)電機(jī)高性能控制方面的研究成果，包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和模型預(yù)測控制，其中模型預(yù)測控制是全書的重點(diǎn)內(nèi)容。《感應(yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制》（電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書）首先介紹了感應(yīng)電機(jī)高性能控制中的共性問題，包括逆變器非線性補(bǔ)償、電機(jī)參數(shù)辨識(shí)和磁鏈觀測器設(shè)計(jì)等內(nèi)容，在其基礎(chǔ)上介紹了磁場定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等傳統(tǒng)控制策略，在第3部分則對(duì)模型預(yù)測控制進(jìn)行了詳細(xì)介紹?！陡袘?yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制》（電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書）突破了有限狀態(tài)集模型預(yù)測控制的理論局限，提出了多矢量模型預(yù)測控制的系統(tǒng)思想和框架，并解決了其計(jì)算量大、權(quán)重優(yōu)化設(shè)計(jì)、參數(shù)魯棒性、穩(wěn)態(tài)性能和變開關(guān)頻率等問題。另外，《感應(yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制》（電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書）還將無速度傳感器控制、弱磁控制以及三電平拓?fù)浜湍Ｐ皖A(yù)測控制相結(jié)合，提高了模型預(yù)測控制工程應(yīng)用價(jià)值。*后，《感應(yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制》（電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書）還介紹了基于模型的設(shè)計(jì)思想和方法，實(shí)現(xiàn)了從概念仿真到代碼生成的快速開發(fā)?！陡袘?yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制》（電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書）不僅包括理論分析和設(shè)計(jì)，還配有詳細(xì)的仿真結(jié)果和經(jīng)作者親自驗(yàn)證過的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及大量翔實(shí)的數(shù)據(jù)圖表，方便讀者深入分析和驗(yàn)證?！陡袘?yīng)電機(jī)模型預(yù)測控制》（電氣自動(dòng)化新技術(shù)叢書）可作為電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的參考書，也可供電機(jī)控制領(lǐng)域的科研工作者和應(yīng)用開發(fā)人員參考。

對(duì)未知非線性系統(tǒng)，研究綜合利用預(yù)測控制和無模型自適應(yīng)控制各自優(yōu)點(diǎn)的無模型自適應(yīng)預(yù)測控制(Model Free Adaptive Predictive Control, MFAPC)，也就是說，研究僅利用閉環(huán)系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)的非線性系統(tǒng)的預(yù)測控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)某些無法獲取較精確數(shù)學(xué)模型的被控系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，對(duì)于非線性系統(tǒng)控制理論的發(fā)展和將理論在工業(yè)控制中實(shí)踐都非常重要。

利用等價(jià)的動(dòng)態(tài)線性化數(shù)據(jù)模型方法，結(jié)合不同預(yù)測控制設(shè)計(jì)思想，可以給出不的預(yù)測控制方法，如無模型自適應(yīng)控制與函數(shù)預(yù)測控制相結(jié)合的無模型自適應(yīng)函數(shù)預(yù)測控制方法、無模型自適應(yīng)控制與PI控制相結(jié)合的無模型自適應(yīng)預(yù)測PI控制方法、無模型自適應(yīng)控制與動(dòng)態(tài)矩陣控制相結(jié)合的無模型自適應(yīng)動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測控制等。這些方法目前僅處于部分被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)仿真階段，但都取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。無模型自適應(yīng)預(yù)測控制算法，綜合了無模型自適應(yīng)控制的僅利用被控系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)不需建立被控系統(tǒng)模型，和預(yù)測控制的預(yù)測未來時(shí)刻的輸入輸出的特點(diǎn)，是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的非線性系統(tǒng)自適應(yīng)預(yù)測控制方法，與己有的基于模型的自適應(yīng)預(yù)測控制方法相比，具有更強(qiáng)的魯棒性和更廣泛的可應(yīng)用性。 2100433B

預(yù)測控制理論雖然在上個(gè)世紀(jì)70年代就已提出，在工程實(shí)踐中也有成功應(yīng)用的案例，但是經(jīng)過了近四十年的發(fā)展，還有很多問題值得更深入的探索和研究。

1)預(yù)測控制理論研究。預(yù)測控制的起源與發(fā)展與工程實(shí)踐緊密相連。實(shí)際上理論研究遲后于實(shí)踐的應(yīng)用。主要設(shè)計(jì)參數(shù)與動(dòng)靜態(tài)特性，穩(wěn)定性和魯棒性的解析關(guān)系很難得到。且遠(yuǎn)沒達(dá)到定量的水平。

2）對(duì)非線性，時(shí)變的不確定性系統(tǒng)的模型預(yù)測控制的問題還沒有很好的解決。

3）將滿意的概念引入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中來，但滿意優(yōu)化策略的研究還有待深入。

4）預(yù)測控制算法還可以繼續(xù)創(chuàng)新。將其他學(xué)科的算法或理論與預(yù)測控制算法相結(jié)合，如引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、模糊控制等理論以更加靈活的適應(yīng)生產(chǎn)需要。

從模型預(yù)測控制理論和實(shí)踐的飛速發(fā)展來看，預(yù)測控制已經(jīng)存在大量成功的工業(yè)應(yīng)用案例，一些線性預(yù)測和非線性預(yù)測工程軟件包已經(jīng)推出和應(yīng)用。傳統(tǒng)預(yù)測控制理論研究日臻成熟，預(yù)測控制與其他先進(jìn)控制策略的結(jié)合也強(qiáng)益緊密。預(yù)測控制已成為一種極具工業(yè)應(yīng)用前景的控制策略。2100433B

各類模型預(yù)測控制(MPC)算法雖然在模型、控制和性能上存在許多差異， 但其核心都是在每個(gè)采樣周期，以系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為起點(diǎn)，在線求解有限時(shí)域開環(huán)最優(yōu)問題，得到一個(gè)最優(yōu)控制序列，并將該序列的第一個(gè)控制量作用于被控系統(tǒng)，作為一種有限時(shí)域滾動(dòng)優(yōu)化策略，MPC 具有三個(gè)基本要素：預(yù)測模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。這一算法的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本原理圖如2所示。

圖中，y 是系統(tǒng)當(dāng)前輸出，

參考軌跡：它對(duì)改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及魯棒性起重要作用，根據(jù) y 和設(shè)定值生成的

滾動(dòng)優(yōu)化：在每個(gè)采樣周期，求解有限時(shí)域優(yōu)化問題，并將求出的最優(yōu)控制序列中對(duì)應(yīng)當(dāng)前時(shí)刻的部分應(yīng)用于被控對(duì)象。

預(yù)測模型和預(yù)測器：基于模型和系統(tǒng)信息求出預(yù)測值