CN114614712A - 基于模型预测-观测器的飞机电推进系统扰动抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于模型预测‑观测器的飞机电推进系统扰动抑制方法，当永磁同步电机电推进系统突然遇到外部扰动，首先运用线性观测器对采集到的系统转速进行观测、反推计算，得到系统受到扰动后交轴电流的大小，并与系统交轴电流输入给定值作差，差值经低通滤波后得到系统误差观测值；将误差观测值添加至模型预测控制器评价函数，并对公式中包含扰动补偿部分进行二项式展开。由于模型预测算法需要对8个电压矢量进行预测计算，故将展开后不受电压矢量变化影响的部分省略，得到影响系统补偿效果的影响因子，组成新的评价公式；根据扰动观测值范围，设置影响因子系数对应表，运用查表法对影响因子系数进行调节，使系统扰动得到有效补偿。
Description
技术领域
本发明属于电推进系统扰动抑制技术领域，涉及一种基于模型预测-观测器的飞机电推进系统扰动抑制方法。
背景技术
随着航空业与科技的发展，飞机电气化程度正在不断提升。相较多电飞机，全电飞机将电能引入飞机推进系统，使得飞机动力部分由电能提供。应用电推进技术，可有效提升飞机能量利用率，降低碳排放与噪声，从本质上缓解了航空业所面临的环境挑战，因此电推进技术得到航空界广泛关注。截至2019年中旬，全球约有170个在研电动飞机项目。
飞机电推进系统结构示意图如图1所示，主要由螺旋桨、高功率密度电推进永磁电机、控制器、电池等组成。电动飞机主要由螺旋桨转动产生推力。由于飞机螺旋桨与电机轴采用直联方式，无齿轮传动与减震装置。因此，当有气流及侧风流过机体时，飞机机身、机翼与螺旋桨叶片产生抖动会对电推进系统稳定性造成较大影响。为保证电推进系统在稳态时无静差、动态时鲁棒性高，电动飞机电推进系统扰动抑制方法研究具有重要意义。
目前针对永磁同步电机电推进系统扰动问题，目前永磁同步电机电推进系统扰动问题主要使用扰动估计与反馈校正的方式对系统扰动进行。扰动估计方法包括线性扰动观测器、线性扰动观测器、自抗扰观测器等。以上算法主要与滑模控制相结合，构成基于扰动观测器的滑模控制。但由于滑模控制自身固有的抖震及切换函数死区会影响系统的稳定性。近年来，模型预测控制由其可对系统未来的动态行为进行预知，并通过反复在线优化得到精准输出的特点，在永磁同步电机这样非线性、强耦合的调速领域发展迅速。本文在永磁同步电机模型预测-矢量控制基础上结合扰动观测器，抑制系统扰动，同时提升系统的快速性与鲁棒性。
永磁同步电机模型预测-矢量控制电推进系统在运行过程中，为对系统抖震产生扰动进行抑制，因此在系统中添加线性扰动观测器进行扰动观测，并对观测值进行反馈补偿。由于模型预测算法计算过程时间较长，在得到下一时刻交轴电流预测值时，系统参数已发生变化，因此会导致扰动补偿效果下降。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于模型预测-观测器的飞机电推进系统扰动抑制方法，提升扰动观测反馈补偿效果，根据模型预测算法的特点，可对模型预测评价公式进行重新设计，使其能够在不影响预测计算过程的前提下对系统扰动进行观测及补偿。
技术方案
一种基于模型预测-观测器的飞机电推进系统扰动抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：当电推进系统受到外部扰动后，将传感器采集的永磁同步电机的定子电流、转速与转子位置信息，根据坐标变换公式得到定子交、直轴电流，将其输入线性观测器；
在线性观测器内，将转速带入永磁同步电机速度环动态模型反推出交轴电流观测值，与交轴电流给定值作差得到误差观测值；
步骤2：经模型预测控制中延迟补偿、滚动优化后，将电机交、直轴电流预测值及误差观测值带入评价公式：
其中，ia、ib、ic为永磁同步电机的定子三相电流，d为误差信号，k为周期数，通常将k+1表示为下一周期；
对其二项式展开，省略其中不随交、直轴电流预测值变化而改变的相；重新组成的评价公式：
其中，
为系统补偿效果影响因子，ξ为影响因子系数
步骤3：根据扰动观测误差幅值大小，对影响因子系数进行调节，首先判断扰动误差正负，并将正负号添加至影响因子前。划分影响因子为6个区间，其与扰动误差对应关系如下：
经过上表的对应查找，得到与当前扰动观测值对应的影响因子系数，带入评价公式计算后，判断得出系统所需的电压矢量，将其输入逆变器，完成系统扰动补偿控制。
有益效果
本发明提出的一种基于模型预测-观测器的飞机电推进系统扰动抑制方法，在保持可靠性的基础上，具有以下优势：1)将补偿过程在评价公式中完成，可避免将扰动观测值带入模型预测计算的“滚动优化”过程所引发计算时间较长导致补偿效果下降问题；2)简化评价公式在引入扰动补偿后的计算过程，并使观测出的扰动因子可根据扰动幅值大小实时调节系数，提升补偿效果。所提方法有效规避长时计算降低补偿效果问题，同时简化了计算。
实现本发明的系统主要由螺旋桨、高功率密度电推进永磁电机、控制器、电池等组成。控制器分为控制部分与驱动部分，驱动部分母线进线端与锂电池组输出端相连，输出端与IGBT驱动模块相连。同时，驱动部分电流、电压、温度传感器将测量数据传输至控制部分。控制部分主要收集电池温度、周围环境、电机位置和驱动板传回数据，以及向驱动板发送PWM波信号等。当永磁同步电机电推进系统运行在稳定状态时，系统突然遇到外部扰动，首先运用线性观测器对采集到的系统转速进行观测、反推计算，得到系统受到扰动后交轴电流的大小，并与系统交轴电流输入给定值作差，差值经低通滤波后得到系统误差观测值；将误差观测值添加至模型预测控制器评价函数，并对公式中包含扰动补偿部分进行二项式展开。由于模型预测算法需要对8个电压矢量进行预测计算，故将展开后不受电压矢量变化影响的部分省略，得到影响系统补偿效果的影响因子，组成新的评价公式；根据扰动观测值范围，设置影响因子系数对应表，运用查表法对影响因子系数进行调节，使系统扰动得到有效补偿。
附图说明
图1为飞机电推进系统结构示意图；
图2为传统永磁同步电机模型预测控制系统结构示意图；
图3为电推进系统扰动抑制方法思路图；
图4为本发明模型预测-线性观测器电推进系统结构示意图；
图5模型预测-线性观测器电推进系统扰动抑制仿真结果图
(a)突加35Nm负载转矩对转速的影响
(b)35N·m下，添加DOB前后相电流波形
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图2为传统永磁同步电机模型预测控制系统结构示意图，图中ωm*为给定转速、ωm为反馈转速、PI为比例积分控制器、Is为给定电流、MTPA为最大转矩电流比控制、iq*、id*为交、直轴给定电流、iq(k+1)、id(k+1)为交、直轴电流预测值、Ua、Ub、Uc及Uabc为三相电压输出值、SVPWM为空间矢量脉宽调制、PMSM为永磁同步电机、Iabc为三相电流输出值、Idq为直、交轴电流反馈值、Udq为为直、交轴电压反馈值、3s/2r为三相静止到两相旋转坐标变换；图3所示为本发明所提基于模型预测-线性观测器的永磁同步电机电推进系统扰动抑制方法的思路；图4所示为本发明所提基于模型预测-线性观测器的永磁同步电机电推进系统扰动抑制方法的框图，其中Iq为交轴电流反馈值、DOB为线性观测器、
为误差观测值。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
实施例中所用永磁同步电机电推进系统结构示意图如图1所示，其中，IGBT模块表示绝缘栅双极型晶体管模块，PMSM表示永磁同步电机。系统运行过程中，电机转速为1000r/min，系统在空载下达到给定转速后(0.3s时)突加35Nm负载，并对突加负载后补偿效果进行监测。实施例包含的具体步骤如下：
步骤1：当永磁同步电机电推进系统突然遇到外部扰动，需运用线性观测器对系统转速、电流进行观测、反推，并与系统交轴电流输入给定值作差，经低通滤波后得到系统误差观测值。具体过程为：
1.1通过传感器采集永磁同步电机的定子三相电流ia、ib、ic、转速ωm与转子位置信息，将转子位置信息数字量依据公式：
θ＝(转子位置数字量-初始位置数字量)·电机极对数·2π/旋变输出最大值对应数字量变为转矩角θ，并根据坐标变换公式得到定子交、直轴电流iq、id：
1.2将交轴电流iq与转速ωm输入线性观测器。在线性观测器内，根据永磁同步电机速度环动态模型，得出
其中，Js为电机惯量、Bv为阻尼系数、Kt为转矩系数、d为误差信号、ωm为电机转速、iq*为电机交轴电流给定值。
1.3将上式进行拉氏变换，并提取iq*为自变量，ωm为因变量，得：
其中，G(s)＝Kt/(Js+Bv)。
1.4为得到误差观测信号，则需将ωm进行拉普拉斯变换后，除以G(s)，并减去交轴电流给定值。以上为观测器对误差信号的观测过程，为已有方法，不在本发明之内。
步骤2：将误差观测值引入模型预测控制器评价函数，将其展开后省略不受电压矢量变化影响的部分，得到系统补偿效果的影响因子，组成新的评价公式。具体过程为：
2.1经模型预测控制中延迟补偿、滚动优化后，得到电机交、直轴电流预测值iq(k+1)及id(k+1)。将其与误差观测值
带入评价公式Jp，得：
其中，k为周期数，通常将k+1表示为下一周期。
2.2由于评价公式中包含无关量，导致计算量较大，因此将其中第二项进行二项式展开，得到：
上式中，可看出当在不同电压矢量进行预测计算时，
不随交、直轴电流预测值变化而改变，因此将其省略。评价公式可重新写为：
其中，
为系统补偿效果影响因子，ξ为影响因子系数。
步骤3：根据扰动观测误差幅值大小，对影响因子系数进行调节，使系统扰动得到有效补偿。具体过程为：
3.1首先判断
的正负，并将正负号添加至|ξ|前方；
3.2由于当影响因子系数大于等于2时，系统会出现过调制等不稳定现象，故将|ξ|在0～1.8之间划分为6个区间，其与
对应关系如下：
3.3经过上表的对应查找，得到与当前扰动观测值对应的影响因子系数，带入评价公式计算后，判断得出系统所需的电压矢量，将其输入逆变器，完成系统扰动补偿控制。
Claims (1)
1.一种基于模型预测-观测器的飞机电推进系统扰动抑制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：当电推进系统受到外部扰动后，将传感器采集的永磁同步电机的定子电流、转速与转子位置信息，根据坐标变换公式得到定子交、直轴电流，将其输入线性观测器；
在线性观测器内，将转速带入永磁同步电机速度环动态模型反推出交轴电流观测值，与交轴电流给定值作差得到误差观测值；
步骤2：经模型预测控制中延迟补偿、滚动优化后，将电机交、直轴电流预测值及误差观测值带入评价公式：
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其中，
为系统补偿效果影响因子，ξ为影响因子系数
步骤3：根据扰动观测误差幅值大小，对影响因子系数进行调节，首先判断扰动误差正负，并将正负号添加至影响因子前。划分影响因子为6个区间，其与扰动误差对应关系如下：
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