CN114094891A - 一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，利用励磁电流预测控制来取代传统算法中的电压PI控制；首先记录不同负载电流对应的励磁电流值，并拟合出各转速下的负载电流与励磁电流的函数关系；然后将负载电流及其变化率作为输入量，得到对输出电压和输出电压差值的预测模型；将多步的预测模型写成矩阵方程的形式，并对性能指标函数求导，令导数为零，得到负载电流的控制增量；本发明提供的控制方法在包含负载电流及其变化率信息的基础上建立了对应于最优电压动态性能的励磁电流预测曲线，控制性能受到发电机系统本身的影响较小，使发电机在负载突变时能够更快地回复到给定电压。

Description

一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测 控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，主要涉及一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法。

背景技术

混合励磁电机的励磁磁场可调、容易实现故障灭磁并且结合了永磁电机转矩密度相对较高的优点，适合应用于航空发电系统中。

基于调磁调压策略的混合励磁发电系统的主要控制思想如下：输出电压给定值与电压传感器测量值作差，差值经过PID调节器得到励磁电流的给定值，然后用单相全桥变换器对励磁电压源斩波得到跟踪上励磁电流给定值的实际值。

上述发电系统的电压控制动态性能一般，主要原因有以下三点：

(1)经过二极管整流后的电流谐波较大，为了抑制输出电压纹波，直流环节需要一个较大容值的电容器，动态响应速度因此被降低。

(2)为了减小励磁电流的值，励磁绕组匝数往往较大，由此带来励磁电感较大，是的励磁电流调节时间常数较大。

(3)固定的PI参数难以满足不同转速、不同负载突变情况下的动态响应性能。

为了提高混合励磁发电系统的动态性能，文献《Capacitor-Energy-basedControl of DoublySalient Brushless DC Generator for Dynamic PerformanceOptimization,Yanwu Xu；Zhuoran Zhang；Zhangming Bian；Li Yu,IEEE Transactions onEnergy Conversion,2020,vol:35,no:4,1886-1896》提出了基于充放电能量控制的发电机控制方法，它的主要控制思想如下：滤波电容充电功率的期望值与实际值作差，差值经过PID调节器得到充电电流的期望值，充电电流的期望值与负载电流相加得到整流电路的输出电流，再根据整流电路的输出电流与励磁电流的函数关系，得到励磁电流的给定值，利用变换器使得励磁电流的实际值跟踪上给定值。与调磁调压策略相比，基于充放电能量控制的发电机电压控制方法以充电电流为控制目标，提高了系统的性能，减小了输出电压的动态纹波。

然而，与调磁调压策略相比，基于充放电能量控制的发电机电压控制方法在本质上也是双环控制，只是将电压外环替换为了功率外环。且两环采用的都是PID控制器。PID控制器可以实现控制量的最终收敛。但系统的动态性能仍然受限于PID调节器参数的影响。因此，基于充放电能量控制的发电机电压控制方法虽然优于调磁调压策略的动态性能，但是其输出电压的动态波形仍然存在多次调节过程，电压收敛时间仍然较长。同时，考虑到发电机的输出电压受转速和负载的影响，当转速较低或者负载较重的时候都需要较大的励磁电流来维持稳定的电压，容易带来磁场的饱和。使用传统的PID控制器很难找到所有工作点的PID参数，在不同工况下遭遇负载突增突卸时，动态性能易受到PID参数的影响。

预测控制是一种有效的提高系统动态性能的方法，该方法已广泛应用于电动机系统。文献《Y.Zhang,J.Jin and L.Huang,"Model-free predictive current control ofPMSM drives based on extended state observer using ultralocal model",IEEETrans.Ind.Electron.,vol.68,no.2,pp.993-1003,Feb.2021.》利用模型预测控制选择合适的开关矢量快速改变转矩，提高了电磁转矩的快速跟踪，但是电磁转矩的期望值的轨迹仍然受到转速环PI控制其。将这样的预测控制思想应用于航空发电机系统，可以提高励磁电流的跟踪能力，但是不能预测出励磁电流的最优动态轨迹。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，解决了现有基于充放电能量控制的发电机电压控制充电电流与输出电压的动态曲线受到外环PID参数影响，存在多次调节过程的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，采用包括混合励磁发电机、励磁电流控制模块、三相二极管不控整流电路、和负载端的混合励磁发电系统实现；所述三相二极管不控整流电路包括3个并联桥臂，每个桥臂包括2个串联二极管；所述3个桥臂中点分别与混合励磁发电机的三相电枢绕组一段相连，所述三相电枢绕组另一端短接；三相二极管不控整流电路的输出端与负载端并联，所述负载端包括并联的滤波电容和负载；所述负载两侧并联有电压传感器，负载与负载电流传感器串联接入所述输出端；所述励磁电流控制模块包括单相全桥变换器和励磁绕组电压源；所述单相全桥变换器由励磁绕组电源供电，包括两条分别由2个串联开关管并联而成的全桥变换器桥臂，所述两条全桥变换器桥臂的中点之间连接有励磁绕组和励磁电流传感器；所述包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，具体步骤包括：

步骤S1、在混合励磁发电机不同的运行转速下，记录不同负载电流I_DC对应的励磁电流I_f的值，通过最小二乘法拟合出不同转速下I_f与I_DC的函数关系，如下表示：

I_f＝f(I_DC)

步骤S2、在电机运行的第k个控制周期内获取输出端电压传感器的测量值U_DC(k)，并与上个周期电压传感器的测量值U_DC(k-1)作差，得到差值ΔU_DC(k)；同时在第k个控制周期内获取负载电流传感器的测量值I_DC(k)；将U_DC(k)、ΔU_DC(k)、I_DC(k)作为励磁电流预测控制器的输入，励磁电流预测控制器输出值为该周期的负载电流指令值I_DC*；

步骤S3、基于步骤S1中拟合的函数关系，获取励磁电流预测值I_f*：如下：

将I_f*与励磁电流传感器测量值I_f作差，并将差值送到电流调节器，输出单相全桥变换器的占空比信号，对励磁绕组电压源进行斩波控制，使励磁电流跟随给定值。

进一步地，所述步骤S2中励磁电流预测控制器的设计方法具体包括：

步骤S2.1、基于电容充放电公式获取输出电压的状态方程：

其中I_L代表三相二极管不控整流电路输出电流在经过滤波电容之前的电流值，I_DC代表经过滤波电容后的负载电流，C代表滤波电容；

步骤S2.2、将步骤S2.1中连续的电压状态方程改写为离散形式，具体如下：

其中T_s代表采样周期；

步骤S2.3、对步骤S2.2所述离散方程求导可得：

将上式进一步扩展可得对象预测模型如下：

其中x_m为扩展的状态变量，y为输出量，Δu输入量；A_m、B_m、C_m为系数矩阵；

步骤S2.4、将所述对象预测模型推导为预测步长为N步的情况下的一般形式：

Y＝Gx_m(k)+FΔU

其中：

Y为未来的预测输出，G＝C_mA_m，ΔU为当前和未来的控制增量，代表电流变化量，F为控制量增量的系数矩阵，N为预测步长；

步骤S2.5、基于N步下的对象预测模型公式，用矩阵形式表示性能指标函数如下：

J＝(Y^*-Y)^TQ(Y^*-Y)+ΔU^TRΔU

其中Q、R均为对角矩阵；令

得到控制增量如下：

ΔU＝(F^TQF+R)^-1F^TQ[Y^*-Gx_m(k)]

则当前时刻励磁电流预测控制器表示如下：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

＝u(k-1)+[1，0，…，0]ΔU

当前控制周期的负载电流预测值为：

有益效果：

(1)本发明提出的混合励磁发电机励磁电流预测控制方法，用励磁电流预测控制替代调磁调压策略中的电压环PID调节器，能够保证电压控制稳态精度的同时，加快动态响应速度。

(2)本发明提出的励磁电流预测控制方法强调模型的功能而不是模型的结构，着眼于在信息的基础上，根据功能的需求来建立模型，即直接根据电容电压充放电的状态方程扩展建立预测模型，在包含负载电流及其变化率信息的基础上建立了对应于最优电压动态性能的励磁电流预测曲线，控制性能受到发电机系统本身的影响较小。

(3)本发明提出的励磁电流预测控制方法在每个控制周期进行多步预测，但只采用预测的第一步作为当前周期的控制量进行输出，具有滚动优化的特点。

附图说明

图1为本发明提供的混合励磁发电机系统硬件结构图；

图2是基于调磁调压策略的混合励磁发电机发电系统的控制框图；

图3是文献《Capacitor Energy based Control of Doubly Salient BrushlessDC Generator for Dynamic Performance Optimization,Yanwu Xu；Zhuoran Zhang；Zhangming Bian；Li Yu,IEEE Transactions on Energy Conversion,2020,vol:35,no:4,1886-1896》提出的基于充放电能量控制的发电机电压控制方法的控制框图；

图4为本发明提供的混合励磁发电机的励磁电流预测控制方法控制原理框图；

图5为本发明提供的混合励磁发电机的励磁电流预测控制方法控制流程图；

图6为基于调磁调压策略的混合励磁发电机发电系统的关键波形图；

图7为文献《Capacitor Energy based Control of Doubly Salient BrushlessDC Generator for Dynamic Performance Optimization,Yanwu Xu；Zhuoran Zhang；Zhangming Bian；Li Yu,IEEE Transactions on Energy Conversion,2020,vol:35,no:4,1886-1896》提出的基于充放电能量控制的发电机电压控制方法的关键波形图；

图8为本发明提供的混合励磁发电机的励磁电流预测控制方法关键波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例首先提供了一种包括混合励磁发电机、励磁电流控制模块、三相二极管不控整流电路、和负载端的混合励磁发电系统，硬件结构具体如图1所示，三相二极管不控整流电路包括3个并联桥臂，每个桥臂包括2个串联二极管。3个桥臂中点分别与混合励磁发电机的三相电枢绕组一段相连，三相电枢绕组另一端短接。三相二极管不控整流电路的输出端与负载端并联，负载端包括并联的滤波电容和负载。负载两侧并联有电压传感器，负载与负载电流传感器串联接入输出端。励磁电流控制模块包括单相全桥变换器和励磁绕组电压源。单相全桥变换器由励磁绕组电源供电，包括两条分别由2个串联开关管并联而成的全桥变换器桥臂，两条全桥变换器桥臂的中点之间连接有励磁绕组和励磁电流传感器。

本发明提供了一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，根据电容电压状态方程设计励磁电流预测控制器，控制目标为跟踪输出电压给定值，具体流程如图5所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、在混合励磁发电机不同的运行转速下，记录不同负载电流I_DC对应的励磁电流I_f的值，通过最小二乘法拟合出不同转速下I_f与I_DC的函数关系，如下表示：

I_f＝f(I_DC)

步骤S2、在电机运行的第k个控制周期内获取输出端电压传感器的测量值U_DC(k)，并与上个周期电压传感器的测量值U_DC(k-1)作差，得到差值ΔU_DC(k)；同时在第k个控制周期内获取负载电流传感器的测量值I_DC(k)；将U_DC(k)、ΔU_DC(k)、I_DC(k)作为励磁电流预测控制器的输入，励磁电流预测控制器输出值为该周期的负载电流指令值I_DC ^*。

具体地，励磁电流预测控制器设计方法如下：

步骤S2.1、基于电容充放电公式获取输出电压的状态方程：

其中I_L代表三相二极管不控整流电路输出电流在经过滤波电容之前的电流值，I_DC代表经过滤波电容后的负载电流，C代表滤波电容；

步骤S2.2、将步骤S2.1中连续的电压状态方程改写为离散形式，具体如下：

其中T_s代表采样周期；

步骤S2.3、对步骤S2.2所述离散方程求导可得：

将未经电容滤波的负载电流增量ΔI_L视为扰动忽略，上式进一步扩展可得对象预测模型如下：

其中x_m为扩展的状态变量，y为输出量，Δu输入量；A_m、B_m、C_m为系数矩阵；

步骤S2.4、将所述对象预测模型推导为预测步长为N步的情况下的一般形式：

Y＝Gx_m(k)+FΔU

其中：

Y为未来的预测输出，G＝C_mA_m，ΔU为当前和未来的控制增量，其物理本质为电流变化量，F为控制量增量的系数矩阵，N为预测步长；

步骤S2.5、基于N步下的对象预测模型公式，用矩阵形式表示性能指标函数如下：

J＝(Y^*-Y)^TQ(Y^*-Y)+ΔU^TRΔU

其中Q、R均为对角矩阵；令

得到控制增量如下：

ΔU＝(F^TQF+R)^-1F^TQ[Y^*-Gx_m(k)]

则当前时刻励磁电流预测控制器为：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

＝u(k-1)+[1，0，…，0]ΔU

当前控制周期的负载电流预测值为：

步骤S3、基于步骤S1中拟合的函数关系，获取励磁电流预测值I_f ^*：如下：

将I_f ^*与励磁电流传感器测量值I_f作差，并将差值送到电流调节器，输出单相全桥变换器的占空比信号，对励磁绕组电压源进行斩波控制，使励磁电流跟随给定值。

上述方法的关键在于将电容电压状态方程离散化后的单输入单输出转化为多输入多输出的离散预测方程，即扩展了状态变量，将电压值与电压差值均作为状态变量，这样便于励磁电流预测控制方法的多步预测矩阵生成。性能指标函数中Q与R均为对角矩阵，由ΔU的表达式可以看出，控制增量与当前的电压传感器测量值U_DC以及差值ΔU_DC相关。

图2为基于调磁调压策略的混合励磁发电机发电系统控制框图，通过对电压环PID参数的设计，能够实现输出电压的收敛。PID中积分I环节对误差进行积分，其作用是消除电压控制的静态误差，但是会引入延迟，使得系统遭遇负载突变时，输出电压容易产生震荡，如图6所示，动态收敛速度不够快。输出电压需要经过二次调节才能够达到收敛。

图3为文献《Capacitor Energy based Control of Doubly Salient BrushlessDC Generator for Dynamic Performance Optimization,Yanwu Xu；Zhuoran Zhang；Zhangming Bian；Li Yu,IEEE Transactions on Energy Conversion,2020,vol:35,no:4,1886-1896》提出的基于充放电能量控制的发电机电压控制方法的控制框图，在图2基于调磁调压策略的混合励磁发电机发电系统的基础上，将电压PID外环更换为功率PID外环，并在内环控制中引入负载电流这一控制量，将负载电流与励磁电流联系起来，从而提高了电压的动态性能。与图6相比收敛时间能够一定程度上减小。然而图2、图3的控制算法在控制的外环均采用了PID线性控制器，而PID的参数是无法满足不同工况下的负载突变。仍然可能带来超调。

图4为本发明提供的一种混合励磁发电机的励磁电流预测控制方法的控制流程图，用预测控制器替代外环PID控制器。励磁电流预测控制方法强调模型的功能而不是模型的结构，着眼于在信息的基础上，根据功能的需求来建立模型，即直接根据电容电压充放电的状态方程扩展建立预测模型，在包含负载电流及其变化率信息的基础上建立了对应于最优电压动态性能的励磁电流预测曲线，控制性能受到发电机系统本身的影响较小。励磁电流预测控制方法相对于一般的预测控制，引入了不相等的预测长度和控制长度，控制器系统设计灵活方便，调整了控制器的参数之后，能够适应大多数工况下的负载突变。且本发明提出的励磁电流预测控制方法在每个控制周期进行多步预测，但只采用预测的第一步作为当前周期的控制量进行输出，充分利用了预测控制滚动优化的特点。在面对系统负载突变时，有良好的动态性能表现，如图8所示。

综上所述，本发明提供的一种混合励磁发电机的励磁电流预测控制方法可以有效地提高混合励磁发电系统的电压控制跟踪性能，尤其是负载突变时的动态性能。

不失一般性，本发明一种混合励磁发电机的励磁电流预测控制方法所提出的电压控制思想还可以应用于所有的电励磁发电机，三级式无刷同步发电机等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，采用包括混合励磁发电机、励磁电流控制模块、三相二极管不控整流电路、和负载端的混合励磁发电系统实现；所述三相二极管不控整流电路包括3个并联桥臂，每个桥臂包括2个串联二极管；所述3个桥臂中点分别与混合励磁发电机的三相电枢绕组一段相连，所述三相电枢绕组另一端短接；三相二极管不控整流电路的输出端与负载端并联，所述负载端包括并联的滤波电容和负载；所述负载两侧并联有电压传感器，负载与负载电流传感器串联接入所述输出端；所述励磁电流控制模块包括单相全桥变换器和励磁绕组电压源；所述单相全桥变换器由励磁绕组电源供电，包括两条分别由2个串联开关管并联而成的全桥变换器桥臂，所述两条全桥变换器桥臂的中点之间连接有励磁绕组和励磁电流传感器；其特征在于，所述包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，具体步骤包括：

步骤S1、在混合励磁发电机不同的运行转速下，记录不同负载电流I_DC对应的励磁电流If的值，通过最小二乘法拟合出不同转速下I_f与I_DC的函数关系，如下表示：

I_f＝f(I_DC)

步骤S2、在电机运行的第k个控制周期内获取输出端电压传感器的测量值U_DC(k)，并与上个周期电压传感器的测量值U_DC(k-1)作差，得到差值ΔU_DC(k)；同时在第k个控制周期内获取负载电流传感器的测量值I_DC(k)；将U_DC(k)、ΔU_DC(k)、I_DC(k)作为励磁电流预测控制器的输入，励磁电流预测控制器输出值为该周期的负载电流指令值I_DC ^*；

步骤S3、基于步骤S1中拟合的函数关系，获取励磁电流预测值I_f ^*：如下：

将I_f ^*与励磁电流传感器测量值I_f作差，并将差值送到电流调节器，输出单相全桥变换器的占空比信号，对励磁绕组电压源进行斩波控制，使励磁电流跟随给定值。

2.根据权利要求1所述的一种包含负载电流及其变化率的航空发电机的励磁电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤S2中励磁电流预测控制器的设计方法具体包括：

步骤S2.1、基于电容充放电公式获取输出电压的状态方程：

其中I_L代表三相二极管不控整流电路输出电流在经过滤波电容之前的电流值，I_DC代表经过滤波电容后的负载电流，C代表滤波电容；

步骤S2.2、将步骤S2.1中连续的电压状态方程改写为离散形式，具体如下：

其中T_s代表采样周期；

步骤S2.3、对步骤S2.2所述离散方程求导可得：

将上式进一步扩展可得对象预测模型如下：

其中x_m为扩展的状态变量，y为输出量，Δu输入量；A_m、B_m、C_m为系数矩阵；

步骤S2.4、将所述对象预测模型推导为预测步长为N步的情况下的一般形式：

Y＝Gx_m(k)+FΔU

其中：

Y为未来的预测输出，G＝C_mA_m，ΔU为当前和未来的控制增量，代表电流变化量，F为控制量增量的系数矩阵，N为预测步长；

步骤S2.5、基于N步下的对象预测模型公式，用矩阵形式表示性能指标函数如下：

J＝(Y^*-Y)^TQ(Y^*-Y)+ΔU^TRΔU

其中Q、R均为对角矩阵；令

得到控制增量如下：

ΔU＝(F^TQF+R)^-1F^TQ[Y^*-Gx_m(k)]

则当前时刻励磁电流预测控制器表示如下：

当前控制周期的负载电流预测值为：

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