永磁同步电机动态模型预测控制设计

为了提升传统模型预测控制(MPC)电压矢量的利用率、减少计算量、降低时间消耗,提出了动态MPC策略。动态MCP由简化MPC和传统MPC分时使用组成。简化MPC备选电压矢量少、计算量小。但当系统处于动态变化状态时,较少的备选电压矢量使得转速超调量高、跟踪速度慢。在此基础上,采用I_(d)=0的控制方法,并以d轴电流偏差为参考,提出了简化电流变化的动态切换控制策略。当电流偏差在电流变化系数范围内时,使用简化MPC,并只提供3个备选电压矢量;在范围外时,使用传统MPC,并使用全部7个电压矢量。试验结果表明,动态MPC策略保留了两者的优点,既有较好的动态响应,又缩短了计算周期。该设计可有效应用于低成本、算力不强的电机应用场景。

考虑优化调度的微电网频率恢复分布式预测控制策略

为了解决快速频率恢复和缓慢实际功率调度之间的时间尺度分离问题,提出一种考虑优化调度的微电网频率恢复分布式预测控制策略。引入的一致性策略能够在同一时间尺度上处理优化调度和频率恢复,另外提出的实际功率调度方案分布式模型预测控制解决了通信延迟、通信中断和即插即用情景,并且将下垂、实际功率传输和相位角方程作为等式约束,从而预测每个微电网的行为。此外,终端值和不等式约束有助于确定可行解空间的界,从而减少优化时间。在4种测试情景下对控制器的动态性能进行实验评估,结果证明该控制器对负载变化和通信问题具有较强的鲁棒性,并且保证了频率快速回复与高效功率调度。

基于烟花算法的反应釜温度预测控制

针对连续釜式反应过程由于大滞后造成的温度控制精度不高的问题,利用科学数据网格(scientific data grid, SDG)构建连续釜式反应过程温度控制系统结构图,在传统控制策略的基础上提出串级动态矩阵控制-比例积分微分(dynamicmatrixcontrol-proportion integrationdifferentiation,DMC-PID)温度预测控制策略。利用烟花算法完善DMC滚动优化环节,进而提高参数寻优的速度。搭建半实物仿真实验平台,通过OPC工具箱将DMC模块与可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)设备相连接进行实验验证。实验结果表明,基于烟花算法的DMC-PID串级系统,可以克服温度大滞后造成的影响,且DMC-PID串级控制对温度系统的控制精度和响应速度均有较大的提升。

智能汽车轨迹跟踪多目标显式模型预测控制

针对现有智能汽车轨迹跟踪控制算法难以同时保证跟踪精确性、横向稳定性、舒适性以及控制实时性的问题,提出了一种基于多目标优化和显式模型预测控制理论的轨迹跟踪控制策略(MO-EMPC)。首先,建立考虑跟踪精确性、横向稳定性、舒适性的多目标函数及约束。然后,针对传统MPC控制实时性低的问题,设计基于EMPC的多目标优化轨迹跟踪控制器,通过引入多参数二次规划(MPQP)理论,将反复在线优化求解过程转化为等价的分段仿射系统(PPWA),离线计算得到最优显式控制律以供实时控制调用,减少在线运算时间。最后,基于CarSim/Simlink联合仿真方法,将所设计控制器的轨迹跟踪多目标优化效果与MPC控制效果进行对比验证。研究结果表明,所提出的轨迹跟踪策略在保证良好的跟踪精度前提下,横向稳定性、舒适性方面的表现更优于MPC控制器,且算法在线运行速度提高56.63%。

电动汽车行驶稳定性模型预测控制仿真研究

为了提高电动汽车行驶的稳定性,提出了一种集成的汽车和车轮稳定性控制系统,并对汽车行驶的稳定性控制效果进行仿真。创建电动汽车模型简图,给出电动汽车动力学方程式。采用模型预测控制技术,设计了一种集成的汽车和车轮稳定性控制器。采用MATLAB软件对电动汽车横摆角速度、行驶速度和侧滑角进行仿真,与无模型预测控制器输出结果进行对比。结果显示:采用无模型预测控制器,电动汽车横摆角速度、行驶速度跟踪误差较大,振动幅度较大,产生的侧滑角较大。采用模型预测控制器,电动汽车横摆角速度、行驶速度跟踪误差较小,振动幅度较小,产生的侧滑角较小。采用模型预测控制器,能够提高电动汽车行驶的稳定性,避免汽车在突然转弯时发生侧翻现象。

基于反馈线性化的广义预测控制机械臂轨迹跟踪算法

分析了机械臂轨迹跟踪控制问题的特点,建立了二自由度机械臂动力学模型。为解决广义预测控制(generalized predictive control,GPC)算法难以适用于非线性系统的问题,在现有的GPC算法基础上,设计了基于反馈线性化的广义预测控制(feedback linearization-generalized predictive control,FL-GPC)算法框架,即底层为线性系统预测控制,非线性项使用预估值来进行代替,高层为迭代修正预估量,使用迭代计算的方式对非线性项进行预估。使用FL-GPC算法对二自由度机械臂的静态、动态轨迹跟踪任务进行了仿真。仿真结果表明,算法可以进行有效的机械臂轨迹跟踪控制。

基于优化赋权模型预测控制的风储协调策略研究

风储系统多目标之间存在难以协调控制的问题,权重系数的选择对多目标控制效果具有显著影响。首先,构建以储能充放平衡、并网波动最小和储能输出最小的风储系统多目标函数,考虑各子目标权重系数对风储系统的影响,提出一种改进鲸鱼算法(IWOA)优化模型预测控制(MPC)的风储协调运行方法,采用组合隶属度函数进行满意度评价,得到混合储能最优总控制量和权重系数。然后,采用集合经验模式分解(ICEEMDAN)算法对混合储能总控制量进行分解,利用Pearson相关系数对分解分量进行重构,实现混合储能功率的分配。最后,以新疆某风电场数据进行仿真,验证所提优化模型的有效性和功率分配策略的合理性。

基于模型预测控制的静液压变速器转速控制研究

为提高静液压变速器(HST)控制系统的自适应性和鲁棒性,结合模型预测控制(MPC)与粒子群优化(PSO)算法对HST转速控制性能进行仿真和实验研究.首先,基于状态扩展空间方程建立HST的预测模型,引入PSO确定MPC的最佳超参数,获得综合性能指标最佳的模型预测控制器模型.然后,对HST进行阶跃响应与加减速控制仿真,同时搭建静液压传动实验平台对模型预测控制HST的可行性进行验证.结果表明:在阶跃响应和期望转速突变条件下,模型预测控制HST的输出转速均在较短时间内稳定在期望转速附近,且超调量最大不超过5%,具有较好的静态特性.期望转速突变时,MPC亦能快速准确地调控变量泵的排量,使马达转速迅速达到新的稳定状态,且调控过程的转速波动较小.所得实验结果与仿真结果一致,表明MPC在HST转速控制方面具有可行性.最后,针对更为复杂的工况(变化的输入功率、多变的期望转速以及突变的外部负载),采用仿真手段研究了MPC对HST的转速控制性能.结果表明:在复杂工况下,MPC亦能使HST具有较好的静动态特性,其转速波动得到有效降低,马达输出转速能稳定在期望值附近.

新能源汽车整流器的抗扰模型预测控制策略研究

针对新能源汽车充电(G2V)三相整流器为研究对象,研究基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的充电控制策略。传统的MPC算法需要准确的系统模型参数,而当控制器中使用的模型参数与主电路实际参数不匹配时,控制性能可能发生恶化,影响整流器充电控制性能。针对此问题,该文将系统参数不匹配作为扩张状态观测器(extended state observer,ESO)扩张出来的扰动项而进行估计,并将扰动进行补偿,从而设计一种基于ESO的MPC充电控制策略。该方法仅使用了系统的输入和输出数据,而不需要精确的系统模型,因此即使模型参数不匹配时,ESO也能够将不匹配项作为扰动而对预测电流进行准确估计,从而提高MPC对参数变化及不匹配的鲁棒性。仿真与实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

基于紧约束鲁棒模型预测控制的无人车辆轨迹跟踪控制

针对无人驾驶车辆的轨迹跟踪问题,基于车辆非线性动力学模型,设计了一种紧约束鲁棒模型预测控制(MPC)方法。首先,利用魔术公式轮胎模型,结合车辆3自由度系统,构建了具有有界干扰的车辆线性离散误差模型;其次,采用紧约束控制策略设计系统的鲁棒优化问题;最后,通过在线优化得到最优控制序列,并离线构造之后多个时刻满足约束条件的可行控制序列。仿真结果表明,所提算法能够使车辆稳定快速跟踪上参考轨迹并有效提高系统计算资源利用率。

压电陶瓷作动器的卡尔曼滤波输出反馈预测控制

为了抑制压电陶瓷的迟滞、非线性特性对压电微定位平台精度的影响,建立反映压电陶瓷作动器频率依赖迟滞非线性特性的Hammerstein模型:利用非对称Bouc-Wen模型来表示静态迟滞非线性和利用动态线性模型表征信号频率的影响。针对迟滞补偿器不能完全的进行补偿,并且存在噪音干扰实验设备,采用基于卡尔曼滤波的预测控制,提高压电微定位平台的控制精度。预测控制用来减小逆补偿误差以及建模误差等模型不确定性的影响,卡尔曼滤波用来获得系统的状态估计值。实验结果显示,该控制器在正弦波信号下的相对跟踪误差小于0.68%,三角波信号下相对跟踪误差小于0.70%。在迟滞补偿的基础上,采用卡尔曼滤波的预测控制,该方法可以有效地完成对微定位平台的高精度跟踪。

船舶混合动力系统能量管理预测控制方法研究

针对混合动力系统控制稳定性和节能减排问题,明确模型预测控制在船舶能量管理中的作用、研究现状及趋势。借助CiteSpace对船舶能量管理进行可视化分析,理清了船舶能量管理的发展脉络,并通过不同能量管理策略的对比分析揭示模型预测控制在船舶能量管理中的重要性;从预测建模、优化目标及约束、求解和改进策略等3个方面开展了船舶能量管理预测控制方法的分析;最后从考虑可再生能源的能量管理策略、建模与验证的标准化、协同优化和多维度评估等方面对船舶能量管理预测控制的未来研究进行展望。结果表明:模型预测控制在智能船舶、多能源船舶等复杂的动力系统的实时控制中具有重要潜力。与其他算法结合开展多目标算法融合是提升控制精度和计算实时性的重要途径,开展多维度测试评估有利于推动策略的实船应用。

基于状态观测器的增量式预测控制

通过状态观测器的状态估计代替内部模型的状态反馈,推导了基于状态观测器的增量式模型预测控制算法,通过增广状态估计实现实测的输出反馈对内部模型进行修正;其次,当模型预测控制内部模型与实际被控对象存在模型失配时,得到存在模型失配的闭环系统的状态方程,研究了闭环系统的鲁棒稳定性;最后,给出一个线性对象和一个非线性对象的仿真示例,并对线性示例进行模型失配下的稳定性分析,仿真结果表明该控制算法具有较好的控制效果,并具有一定的鲁棒稳定性。

基于参数自适应随机模型预测控制的风光氢耦合系统功率调控策略

针对风光氢耦合系统源荷两侧不确定性对其系统功率平衡造成的影响,提出了一种基于场景分析法的参数自适应随机模型预测控制功率调控策略。根据风光氢耦合系统的能源供给架构建立了描述其动态特性的线性离散状态空间模型;通过场景分析法对系统不确定性进行描述,作为参数自适应随机模型预测控制的输入;在设计的参数自适应随机模型预测控制优化框架下,计及延长系统设备生命周期的目标进行优化。针对随机模型预测控制在优化过程中预测时域和控制时域固定不变的缺陷,提出参数自适应方法以获取更好的优化效果。结果表明:在优化系统功率平衡方面,所提控制策略相较于随机模型预测控制提高了6.25百分点;在减少可控设备大功率运行方面,所提策略相较于常规模型预测控制降低了60%,验证了所提策略能够有效解决风光氢耦合系统源荷两侧的不确定性。

基于模型预测控制的高频隔离型混合配电变压器

配电台区新型源/荷占比逐年提升,使得高/低电压、谐波放大、三相不平衡等配电终端电能质量问题凸显。提出一种基于模型预测控制的高频隔离型混合配电变压器,具备电能质量综合治理、交/直流混合配电等功能,可以满足配电终端用户高品质供用电以及新型源/荷友好接入需求。介绍了高频隔离型混合配电变压器的拓扑结构并推导了数学模型。结合拓扑结构特点,设计了连续控制集模型预测控制(CCS-MPC)策略和延时模型预测控制策略,CCS-MPC通过计算最优化占空比,实现前端变换器输出具有固定的开关频率和开关序列,减小寻优计算量。利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了一套10 kV/0.4 kV电压等级的高频隔离型混合配电变压器系统,验证了所提拓扑结构电能质量综合治理能力的有效性。

计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制策略

为提高波浪发电系统(wave energy converter,WEC)能量捕获效率,并保证其在运行过程中满足系统的各种约束条件,该文以平均捕获功率最优为目标,提出计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。针对波浪激励力过大导致的变流器输出电压过调制问题,将弱磁控制引入优化算法,在满足发电机弱磁极限的前提下增大发电系统的运行范围,提高WEC的能量捕获效率。此外,基于仿真分析,发现了规则波下MPC目标函数的正则系数与平均捕获功率的对应关系。在此基础上,引入快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT)与叠加定理,构建了适用于不规则波输入的直驱式WEC变系数MPC控制策略。仿真结果表明,在不规则波浪下,所提方案能在满足系统约束条件的同时,有效提高能量捕获效率。

DAB储能变换器双闭环模型预测控制与PI补偿控制策略研究

针对直流微电网中分布式电源输入输出功率不稳定造成的直流母线电压波动问题,鉴于双有源桥(DAB)储能变换器具有能量双向流动的特点,提出一种基于内模原理的双闭环模型预测控制策略。在分析DAB变换器扩展移相调制原理与特性基础上,重点研究电压外环和电流内环的模型预测控制策略。针对模型预测控制性能依赖电路参数准确度问题,分别从电路主要参数失配对功率传输和直流母线稳压的影响两个角度出发,深入分析模型参数敏感度。最终设置直流母线电压稳态误差灵敏度区,在误差灵敏度区外仅采用双闭环模型预测控制以保证系统的动态响应性能,在误差灵敏度区内采用双闭环模型预测控制和PI补偿控制以消除系统稳态误差。搭建实验平台进行实验验证,结果表明:在系统受到扰动时,DAB储能变换器可实现快速地充放电对系统进行补偿,混合控制策略可快速保持母线电压的稳定,实现系统功率均衡,增强系统抗扰能力。

基于模型预测控制的电-气互联系统动态优化调度研究

在当前电气、天然气与人们生活密不可分的背景下,电—气互联综合能源系统(IPGES)的调度运行研究具有极其重要的价值和意义。目前电—气互联系统的运行策略大多基于日前概况设计,而负荷预测误差往往导致次优日前调度运行。针对这种情况,模型预测控制因为其实时性和鲁棒性的优点,在处理不确定性问题方面表现出卓越效果。本研究在长时间尺度上对日前调度进行了优化,并基于模型预测控制方法进行了实时在线优化调度。在日内调度中,采用卡尔曼滤波对负荷进行短期预测,并根据最新预测信息建立滚动优化和实时反馈校正模型以进行多时间尺度的调度。最后通过案例分析验证了该方法在动态优化调度电力系统和天然气系统组成的电—气互联系统中具有更好经济性和供需匹配性,并能有效应对负荷波动。

矩形边界限定形式的感应电机低开关频率预测控制研究

圆形边界限定形式预测控制对电流畸变的限定在各方向均相同,无法通过增大边界圆半径进一步降低开关频率。因此,该文提出一种矩形边界限定形式的预测控制方法。首先,深入分析感应电机数学模型,发现感应电机转子子系统的低通物理特性,以及励磁电流波动对电磁转矩的影响不显著;其次,利用该特性,将限定边界改为矩形,对转矩电流与励磁电流进行独立约束,适度增加励磁电流畸变允许限值,扩大电流轨迹运动范围,延长开关状态切换时长;再次,探究电流矢量梯度同边界约束间的数学关系,提出该方法下电压矢量筛选与寻优准则,筛选出最优矢量;最终,进行实验对比。实验结果证明,在相同系统动态特性和转矩波动下,相较于圆形边界限定策略,矩形边界限定策略可以进一步降低开关频率。

应用混合逻辑动态模型预测控制器的磁轴承三电平调制策略

传统磁轴承三电平调制策略在数字控制系统中存在控制延迟问题,影响电流纹波抑制效果。针对上述问题,提出一种基于混合逻辑动态模型预测控制器的磁轴承三电平调制策略。基于混杂系统理论,建立混合逻辑动态模型,统一表征出驱动电路充电、放电和续流工作模态,实现三电平调制;结合模型预测控制理论,将所建立的混合逻辑动态模型作为预测模型,预测磁轴承的控制电流,实现对控制延迟的补偿,并将预测控制电流送入到代价函数中,得出驱动电路的最优控制信号;基于所提调制策略构建了磁轴承控制系统,并与传统调制策略进行对比。仿真结果表明:在轻载扰动工况下,所提调制策略相比于传统三电平滞环调制策略与传统三电平脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)策略,电流纹波分别降低了49.90%和49.87%;在中载扰动工况下,所提调制策略相比于传统三电平滞环调制策略与传统三电平PWM策略,电流纹波分别降低了49.99%和49.84%;在重载扰动工况下,所提调制策略相比于传统三电平滞环调制策略与传统三电平PWM策略,电流纹波分别降低了50.08%和49.77%。在三电平调制机制的基础上,所提调制策略能够有效补偿一个采样周期的控制延迟,达到降低电流纹波的效果。