基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法。以通过两台电机驱动同一重载的双电机系统为对象，以电机输出转矩间的同步性能为主要控制目标，将各电机的电流值和电机间的转矩同步误差作为状态变量，建立统一预测模型，利用统一预测模型得到状态变量预测值，采用二次型价值函数将多个控制变量包含在同一个误差向量中，使得在价值函数中只存在一个待求解的权重系数矩阵；用权重系数矩阵离线求解算法计算得到最优权重系数矩阵并用于双电机转矩同步系统的有限集模型预测控制过程。本发明专利技术保证误差向量的收敛性和系统的渐进稳定性，不仅提高了双电机系统的转矩同步性能，而且对两台电机的动、稳态跟踪性能也有所改善。

Predictive Control Method for Torque Synchronization Model of Dual Motor Based on Quadratic Value Function

The invention discloses a dual motor torque synchronization model predictive control method based on quadratic value function. Taking the synchronization performance between the output torques of two motors as the main control objective, the unified prediction model is established by taking the current value of each motor and the synchronization error of the torque between the motors as state variables. The predicted value of state variables is obtained by using the unified prediction model, and multiple control variables are included in the quadratic value function. In the same error vector, there is only one weight coefficient matrix to be solved in the value function. The optimal weight coefficient matrix is obtained by off-line solving algorithm of the weight coefficient matrix and used in the finite set model predictive control process of Dual-Motor torque synchronization system. The invention guarantees the convergence of error vector and the asymptotic stability of the system, improves not only the torque synchronization performance of the dual motor system, but also the dynamic and steady tracking performance of the two motors.

【技术实现步骤摘要】
基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法
本专利技术涉及属于电力电子电路控制领域的一种双电机系统同步控制方法，特别是涉及一种用于双电机转矩协同控制的二次型价值函数有限集模型预测控制方法。
技术介绍
有限集模型预测控制(FCS-MPC)具有良好的动态响应速度和稳态控制精度，同时逆变器开关信号直接通过价值函数评估选取，更易于实现系统的多目标控制，因而适合被应用于双电机转矩同步系统。价值函数的值直接决定了最终选取的最优电压矢量，而价值函数中各变量的影响效果则是通过权重系数来调节，可以认为价值函数的形式和权重系数的选取是决定系统预测控制性能好坏的关键之一。与单电机相比，双电机转矩同步系统的控制目标增多，可以考虑建立统一预测模型，设计两台电机共同的FCS-MPC控制器，并将加权求和型价值函数应用于FCS-MPC的控制过程，通过合理调节价值函数中各控制变量的权重系数，可以保证各电机一定的跟踪性能和系统较好的同步性能。然而双电机系统的控制变量既包括各电机的跟踪误差，又包括电机间的同步误差，所以价值函数中至少存在三个权重系数，算法整定法只能解决单权重系数的整定问题，无法调节三个相互联系的权重系数，故只能采用经验整定法对三个权重系数进行整定。然而对加权求和型价值函数中的权重系数进行经验整定会带来以下问题：(1)为保证权重系数调节的单变量性，需要对两台电机跟踪误差的权重系数进行近似处理，但由于系统采用主从控制结构，两台电机的地位实际上是不平等的，从电机间接跟踪主电机的转矩给定值，若要达到同样的跟踪效果，应该在价值函数中赋予从电机跟踪误差项更大的权重，即这种近似处理实际上是有代价的；(2)通常为同步误差权重系数选择数量级不同的初始值以覆盖较大选择范围，这些值需要根据系统的控制要求，依赖主观经验进行选定，若是数量级较大，整定次数也会随之增加；(3)定义的评价指标较多，从而在逐步缩小区间的过程中出现无法兼顾各个指标的问题时，也只能依赖主观经验进行选择；(4)对比实验较多，增加了实验的复杂度，但最终只能得到同步误差权重系数的大致取值范围，无法确定控制效果的最优点；(5)仅仅在每个控制周期内从备选开关状态组合中选择能使价值函数最优的一组作为逆变器的输入，只能保证在各个控制周期内选择出的电压矢量组合是最优的，但是误差在连续控制周期内仍可能趋向于发散，所以无法保证各误差项是收敛的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种具有新型价值函数，且价值函数的权重变量可通过算法自整定，可以有效提高系统控制性能的双电机转矩同步有限集模型预测控制方法。本专利技术所采用的技术方案是：1)以通过两台电机驱动同一重载的双电机系统(双电机转矩同步系统)为对象，以电机输出转矩间的同步性能为主要控制目标，将各电机的电流值和电机间的转矩同步误差作为状态变量，建立统一预测模型；2)输入上一时刻的状态变量和输入电压，利用统一预测模型得到下一时刻的状态变量预测值作为输出，在有限集模型预测控制的价值函数评估单元中，采用一种新型的二次型价值函数，将多个控制变量包含在同一个误差向量中，使得在价值函数中只存在一个待求解的权重系数矩阵；3)针对单个权重系数矩阵的求解问题，通过对双电机转矩同步系统进行李雅普诺夫稳定性分析，提出一种新的权重系数矩阵离线求解算法计算得到最优权重系数矩阵并用于双电机转矩同步系统的有限集模型预测控制过程，能够保证系统的渐进稳定性和误差的收敛性，从而有效改善系统的控制性能。所述的步骤1)中所述的转矩同步误差e计算为：e＝Te1-Te2式中，Te1和Te2分别为两个电机的输出转矩。所述的步骤1)中，统一预测模型建立表示为：x(k+1)＝G(k)·x(k)+F·U(k)+K·D(k)x(k)＝[id1(k)iq1(k)id2(k)iq2(k)e(k)]TU(k)＝[ud1(k)uq1(k)ud2(k)uq2(k)]TD(k)＝[Tsωr1(k)Ψf1/L1Tsωr2(k)Ψf2/L2]T式中，x(k)表示第kTs时刻的状态向量，U(k)表示第kTs时刻的输入向量，D(k)表示第kTs时刻的传递向量；G(k)为第kTs时刻的双电机系统的状态矩阵，F为双电机系统的输入矩阵，K为双电机系统的传递矩阵；idi(k)和iqi(k)分别为第i台电机在第kTs时刻的d、q轴电流值，i表示电机的序数，i＝1,2；e(k)表示第kTs时刻的转矩同步误差，k表示控制周期的序数；udi(k)和uqi(k)分别为第i台电机在第kTs时刻的输入电压d、q轴分量；Ts为双电机系统的控制周期；ωri(k)和Ψfi分别为第i台电机的转子电角速度和永磁磁链；Li表示第i台电机的定子电感分量，Ldi和Lqi分别为第i台电机的定子电感d、q轴分量，且Ldi＝Lqi＝Li。所述的统一预测模型是以第kTs时刻的各电机的电流值、电机间的转矩同步误差和输入电压作为输入，以第(k+1)Ts时刻的各电机的电流值和电机间的转矩同步误差作为输出。具体是以第i台电机在第kTs时刻的d、q轴电流值idi(k)和iqi(k)、第kTs时刻的转矩同步误差e(k)以及第kTs时刻的输入电压udi(k)和uqi(k)作为输入，预测输出第i台电机在第(k+1)Ts时刻的d、q轴电流值idi(k+1)和iqi(k+1)以及第(k+1)Ts时刻的转矩同步误差e(k+1)。步骤2)中所述的二次型价值函数J(k)为：J(k)＝εT(k+1)Wε(k+1)ε(k+1)＝[id*-id1(k+1)iq*-iq1(k+1)id*-id2(k+1)iq*-iq2(k+1)e(k+1)]T式中，ε(k+1)表示第(k+1)Ts时刻的误差向量，误差向量ε(k+1)为一5×1向量，其中包含各电机的跟踪误差和系统的转矩同步误差e；W为待求解的权重系数矩阵，W为一5阶正定对称方阵，W＝WT；id*和iq*分别为电机d、q轴电流的参考值；idi(k+1)和iqi(k+1)分别为第i台电机在第(k+1)Ts时刻的d、q轴电流预测值；e(k+1)为第(k+1)Ts时刻的转矩同步误差的预测值，T表示矩阵转置。对基于双电机转矩同步系统进行李雅普诺夫稳定性分析，若存在一正定的权重系数矩阵W，可保证二次型价值函数J(k)正定且单调递减，则称为J(k)满足李雅普诺夫函数形式。通过合理选择W，保证J(k)在连续控制周期内都为李雅普诺夫函数，使J(k)>0且J(k)<J(k-1)成立，从而可以保证误差向量ε→0，误差具有收敛性，系统也即具有渐进稳定性。步骤3)中，所述的权重系数矩阵求解算法主要是利用MATLAB的LMI工具箱求解如下线性矩阵不等式获得权重系数矩阵W：式中，M为定义的关于W-1的欧拉补(Schur补)；根据Schur补的定义，假设分块矩阵E可表示为[AB；CD]，若A可逆，则D-C*A-1*B>0等价于E>0，此时E可定义为关于A的Schur补。并且构建W的唯一性选择条件计算获得最优权重系数矩阵Wopt：式中，Wopt为最优权重系数矩阵，f(W)为关于权重系数矩阵W的函数，wij为权重系数矩阵W的第i行第j列的值，i,j＝1,2,3,4,5。考虑到有限集模型预测算法较大的计算负担，本专利技术算法需采用离线计算的方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法，其特征在于：包括如下步骤：1)以通过两台电机驱动同一重载的双电机系统为对象，以电机输出转矩间的同步性能为主要控制目标，将各电机的电流值和电机间的转矩同步误差作为状态变量，建立统一预测模型；2)输入上一时刻的状态变量和输入电压，利用统一预测模型得到下一时刻的状态变量预测值作为输出，采用一种新型的二次型价值函数，将多个控制变量包含在同一个误差向量中，使得在价值函数中只存在一个待求解的权重系数矩阵；3)针对单个权重系数矩阵的求解问题，通过对双电机转矩同步系统进行李雅普诺夫稳定性分析，提出一种新的权重系数矩阵离线求解算法计算得到最优权重系数矩阵并用于双电机转矩同步系统的有限集模型预测控制过程。

【技术特征摘要】
1.一种基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法，其特征在于：包括如下步骤：1)以通过两台电机驱动同一重载的双电机系统为对象，以电机输出转矩间的同步性能为主要控制目标，将各电机的电流值和电机间的转矩同步误差作为状态变量，建立统一预测模型；2)输入上一时刻的状态变量和输入电压，利用统一预测模型得到下一时刻的状态变量预测值作为输出，采用一种新型的二次型价值函数，将多个控制变量包含在同一个误差向量中，使得在价值函数中只存在一个待求解的权重系数矩阵；3)针对单个权重系数矩阵的求解问题，通过对双电机转矩同步系统进行李雅普诺夫稳定性分析，提出一种新的权重系数矩阵离线求解算法计算得到最优权重系数矩阵并用于双电机转矩同步系统的有限集模型预测控制过程。2.根据权利要求1所述的一种基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中所述的转矩同步误差e计算为：e＝Te1-Te2式中，Te1和Te2分别为两个电机的输出转矩。3.根据权利要求1所述的一种基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，统一预测模型建立表示为：x(k+1)＝G(k)·x(k)+F·U(k)+K·D(k)x(k)＝[id1(k)iq1(k)id2(k)iq2(k)e(k)]TU(k)＝[ud1(k)uq1(k)ud2(k)uq2(k)]TD(k)＝[Tsωr1(k)Ψf1/L1Tsωr2(k)Ψf2/L2]T式中，x(k)表示第kTs时刻的状态向量，U(k)表示第kTs时刻的输入向量，D(k)表示第kTs时刻的传递向量；G(k)为第kTs时刻的双电机系统的状态矩阵，F为双电机系统的输入矩阵，K为双电机系统的传递矩阵；idi(k)和iqi(k)分别为第i台电机在第kTs时刻的d、q轴电流值，i表示电机的序数，i＝1,2；e(k)表示第kTs时刻的转矩同步误差，k表示控制周期的序数；udi(k)和uqi(k)分别为第i台电机在第kTs时刻的输入电压d、q轴分量；Ts为双电机系统的控制周期；ωri(k)和Ψfi分别为第i台电机的转子电角速度和永磁磁链；Li表示第i台电机的定子电感分量，Ldi和Lqi分别为第i台电机的定子电感d、q轴分量，且Ldi＝Lqi＝Li。4.根据权利要求3所述的一种基于二次型价值函数的双电机转矩同步模型预测控制方法，其特征在于：所述的统一预测模型是以第kTs时刻的各电机的电流值、电机间的转矩同步误差和输入电压作为输...

【专利技术属性】
技术研发人员：史婷娜，杨雨要，周湛清，耿强，夏长亮，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33