RU2484516C2

RU2484516C2 - Способ оценки состояний силовой электронной системы

Info

Publication number: RU2484516C2
Application number: RU2009134011/08A
Authority: RU
Inventors: Себастьян ГАУЛОХЕР; Георгиос ПАПАФОТИОУ
Original assignee: Абб Рисерч Лтд
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2013-06-10
Also published as: ATE502328T1; JP5456422B2; CN101673086B; PL2163955T3; CA2677528A1; DE502008002889D1; US20100070247A1; KR20100031083A; CN101673086A; JP2010094013A; EP2163955A1; RU2009134011A; US8364459B2; EP2163955B1

Abstract

Изобретение относится к области способов оценки в технике регулирования. Технический результат - обеспечение оценки состояния для широкого спектра силовых электронных систем. Предложен способ оценки состояний силовой электронной системы (1), содержащей преобразователь (4), в котором векторы x(k) и x(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0 изменяют таким образом, чтобы сумма от сложения векторной нормы от вычитания вектора (k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы за моменты дискретизации k=-N+1, …, 0 была минимальной, затем выбирают вектор x(k) состояния системы в момент дискретизации k=0. 2 н. и 10 з.п. ф-лы.

Description

Область техники

Изобретение относится к области способов оценки в технике регулирования. Оно исходит из способа оценки состояний силовой электронной системы в соответствии с ограничительной частью независимого пункта формулы.

Уровень техники

В настоящее время силовые электронные системы используются во многих областях. Такая силовая электронная система включает в себя обычно преобразователь с множеством управляемых силовых полупроводниковых выключателей и соответствующей управляющей схемой для силовой полупроводниковой схемы. С преобразователем обычно соединены одна или несколько нагрузок, которые, однако, могут сильно изменяться в зависимости от времени, например вследствие сбоев. Такой нагрузкой могут быть, например, один или несколько двигателей, причем возможна вообще любая электрическая нагрузка. Состояния силовой электронной системы, например индуктивный нагрузочный ток и емкостное нагрузочное напряжение, затрагиваются такими изменениями и с трудом, т.е. лишь с большими затратами, или вообще не поддаются определению, например посредством измерения. Следовательно, необходимо оценивать состояния силовой электронной системы, причем оцененные состояния могут обрабатываться затем в блоке управления. Распространенным способом оценки состояний в силовой электронной системе является использование дискретного во времени фильтра Кальмана, как это описано, например, в "Braided extended Kalman filters for sensorless estimation in inductionmotors at high-low/zero speed", IET Control Theory, Appl., 2007. Для проведения оценки состояний, например с использованием дискретного во времени фильтра Кальмана, необходимо осуществить сначала следующие этапы:

а) определение векторов y(k) выходных величин для моментов дискретизации k=-N+1 до k=0, где N является задаваемым горизонтом дискретизации, а y - выходной величиной, например выходным напряжением преобразователя, которое определяется, например, путем измерения;

б) определение векторов u(k) регулирующих воздействий для моментов дискретизации k=-N+1 до k=0, причем регулирующим воздействием является, например, коэффициент регулирования преобразователя;

в) определение первой функции f(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы, при этом функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора u(k) состояния системы в момент дискретизации k;

г) определение второй функции g(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы, при этом функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора u(k) состояния системы в момент дискретизации k.

Проблема при использовании дискретного во времени фильтра Кальмана для оценки состояний х силовой электронной системы заключается в том, что побочные условия состояний, например, то, что ток индуктивной нагрузки и/или напряжение емкостной нагрузки ограничены или могут быть отрицательными, они могут быть учтены только с очень большими затратами или вообще не могут быть учтены. Другую проблему для фильтра Кальмана представляют функции модели системы f(x(k), u(k)), g(x(k), u(k)), которые являются кусочными аффинно-линейными функциями и описывают данную силовую электронную систему. Проблема в том, что их также либо нельзя учесть, либо можно учесть только с очень большими затратами при оценке посредством дискретного во времени фильтра Кальмана.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа оценки состояний силовой электронной системы, который обеспечивал бы оценку состояний для широкого спектра силовых электронных систем и был бы прост в реализации. Эта задача решается посредством признаков п.1 формулы. В зависимых пунктах приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.

В способе оценки состояний силовой электронной системы система содержит преобразовательную схему. Способ включает в себя следующие этапы:

а) определение векторов y(k) выходных величин для моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0, причем N является задаваемым горизонтом дискретизации;

б) определение векторов u(k) регулирующих воздействий для моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0;

в) определение первой функции f(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы, причем указанная функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k;

г) определение второй функции g(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы, причем указанная функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k.

Согласно изобретению, оценка вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k=0 включает в себя следующие этапы:

д) изменение векторов х(k) и х(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0, так что сумма от сложения векторной нормы от вычитания вектора х(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы по всем моментам дискретизации k=-N+1 до k=0 становится минимальной;

е) выбор вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k=0;

причем первая f(x(k), u(k)) и вторая g(x(k), u(k)) функции модели системы являются аффинно-линейными или, в качестве альтернативы, кусочно аффинно-линейными.

Требуемые оцененные состояния в текущий момент k=0 содержатся тогда в качестве элементов вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k=0, т.е. в векторе х(0) состояния системы. Предпочтительно предложенный способ позволяет без проблем учитывать при оценке состояний также побочные условия, выражающиеся кусочными аффинно-линейными взаимосвязями состояний и входов. Если силовая электронная система описывается кусочными аффинно-линейными функциями g(x(k), u(k)) ее модели, то такие функции g(x(k), u(k)) модели системы также могут быть очень просто учтены при оценке состояний. В целом, предложенный способ обеспечивает, тем самым, оценку состояний для очень широкого спектра силовых электронных систем и может быть реализован очень просто.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения становятся очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления в сочетании с чертежом.

Краткое описание чертежей

На чертеже:

- фиг.1: вариант схемы силовой электронной системы с блоком управления и устройством, осуществляющим оценку ее состояний предложенным способом.

Используемые на чертеже ссылочные позиции и их значение приведены в перечне позиций. В принципе, на чертеже одинаковые детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты являются примером объекта изобретения и не обладают ограничивающим действием.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображен вариант схемы силовой электронной системы 1 с блоком 3 управления и устройством 2, осуществляющим оценку ее состояний х предложенным способом. Одна или несколько соединенных с системой 1 нагрузок для наглядности не показаны. Система 1 включает в себя преобразователь 4 с множеством управляемых силовых полупроводниковых выключателей и соответствующей управляющей схемой 5 для управления ими посредством управляющего сигнала S. Такая управляющая схема 5 формирует управляющий сигнал S, например, посредством широтно-импульсной модуляции исходя из регулирующего воздействия u, которым является, например, коэффициент регулирования преобразователя. Выходной величиной у системы 1 является, например, выходное напряжение преобразователя, определяемое, например, путем измерения. Оцениваемыми состояниями х системы 1 являются, например, ток индуктивной нагрузки и напряжение емкостной нагрузки. Ниже предложенный способ описан более подробно. На этапе а) определяются векторы y(k) выходных величин для моментов дискретизации k=-N+1 до k=0, причем N является задаваемым горизонтом дискретизации. Элементы векторов y(k) выходных величин являются тогда выходными величинами y, например определяемыми путем измерения выходными напряжениями преобразователя для моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0. На этапе б) определяются векторы u(k) регулирующих воздействий для моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0, причем элементы векторов u(k) являются регулирующими воздействиями и для моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0, например коэффициентами регулирования. На этапе в) определяется первая функция f(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы 1, зависящая от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k. Далее на этапе г) определяется вторая функция g(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы 1, зависящая от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k.

Первая функция f(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы 1 определяется, в целом, следующим образом:

f (x (k)), u (k)) = {\begin{array}{l} A_{1} x (k) + B_{1} u (k) + v_{1}, F_{1} x (k) + E_{1} u (k) \leq G_{1} \\ \begin{array}{l} A_{2} x (k) + B_{2} u (k) + v_{2}, F_{2} x (k) + E_{2} u (k) \leq G_{2} \\ ... \end{array} \\ A_{M} x (k) + B_{M} u (k) + v_{M}, F_{M} x (k) + E_{M} u (k) \leq G_{M} \end{array}

'

где A₁…A_M, B₁…В_М, F₁…F_M и E₁…Е_М обозначают матрицы, v₁…v_M - векторы, а векторы G₁…G₂ - пределы, которые определяют первую функцию f(x(k), u(k)) модели системы как аффинно-линейную или кусочно аффинно-линейную. Следует сказать, что за счет подходящего выбора векторов G₁…G_M, v₁…v_M и матриц A₁…A_M, B₁…B_M, F₁…F_M, E₁…E_M может быть получена также непрерывная аффинно-линейная функция, если система 1 описывается таким образом.

Вторая функция g(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы 1 определяется, в целом, следующим образом:

g (x (k), u (k)) = {\begin{array}{l} C_{1} x (k) + D_{1} u (k) + w_{1}, F_{1} x (k) + E_{1} u (k) \leq G_{1} \\ C_{2} x (k) + D_{2} u (k) + w_{2}, F_{2} x (k) + E_{2} u (k) \leq G_{2} \\ .. \\ C_{M} x (k) + D_{M} u (k) + w_{M}, F_{M} x (k) + E_{M} u (k) \leq G_{M} \end{array}

,

где C₁…С_М, D₁…D_M, F₁…F_M и E₁…Е_М обозначают матрицы, v₁…v_M - векторы, а векторы G₁…G₂ - пределы, которые определяют вторую функцию g(x(k), u(k)) модели системы как аффинно-линейную или кусочно аффинно-линейную. Следует сказать, что за счет подходящего выбора векторов G₁…G_M, w₁…w_M и матриц С₁…C_M, D₁…D_M, F₁…F_M, E₁…E_M может быть достигнута также непрерывная аффинно-линейная функция, если система 1 описывается таким образом.

Согласно изобретению оценка вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k=0, т.е. в текущий момент происходит описанными ниже дополнительными этапами:

д) изменение векторов х(k) и х(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0, так что сумма от сложения векторной нормы от вычитания вектора х(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы за моменты дискретизации от k=-N+1 до k=0 становится минимальной;

е) выбор вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k=0.

Требуемые оцененные состояния х в текущий момент k=0 содержатся тогда в качестве векторных элементов вектора х(k) состояния системы в момент дискретизации k=0, т.е. в векторе х(0) состояния системы. Этими векторными элементами были бы тогда, например, ток индуктивной нагрузки и напряжение емкостной нагрузки в момент дискретизации k=0. Предпочтительно предложенный способ позволяет без проблем учитывать при оценке состояний х также их побочные условия. Если система 1 описывается аффинно-линейными или кусочно аффинно-линейными функциями f(x(k), u(k)), g(x(k), u(k)) ее модели, то такие функции f(x(k), u(k)), g(x(k), u(k)) модели системы могут быть очень просто учтены при оценке состояний х. Предложенный способ обеспечивает, тем самым, оценку состояний х для очень широкого спектра силовых электронных систем 1 и может быть реализован очень просто.

Оцененные предложенным способом состояния х могут быть затем обработаны в блоке 3 управления, т.е., например, отрегулированы до соответствующих заданных состояний x_ref. Блок 3 управления работает преимущественно по принципу прогностического управления на основе модели, как это известно, например, из ЕР 1670135 А1. Однако возможен любой другой принцип управления или любая другая характеристика управления.

Упомянутую выше сумму можно описать как сумму J по следующей формуле:

J = Σ_{k = - N + 1}^{0} (‖ x (k + 1) - f (x ((k), u (k)) ‖ w_{x q} + ‖ y (k) - g (x (k), u (k)) ‖ w_{y q})

где W_x и W_y обозначают соответственно матрицы оценки в отношении векторов х(k), х(k+1) состояния и вектора y(k) выходной величины. Показатель q обозначает выбираемую векторную норму. Предпочтительно в качестве векторной нормы от вычитания вектора х(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы выбирается норма суммы абсолютных значений, т.е. для выражения

‖ x (k + 1) - f (x (k), u (k)) ‖ w_{x q}

,

где q=1.

Кроме того, предпочтительно также выбирается норма суммы абсолютных значений в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы, т.е. для выражения

‖ y (k + 1) - g (x (k) ‖ w_{y q},

где также q=1. Предпочтительно норма суммы абсолютных значений, т.е. q=1, реализуется очень просто.

В качестве альтернативы возможно также, чтобы в качестве векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы, и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы, соответственно, выбиралась евклидова норма, т.е. q=2.

В качестве другой альтернативы возможно также, чтобы в качестве векторной нормы от вычитания вектора х(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы, соответственно, выбиралась максимальная норма, т.е. q=∞.

Следует сказать, что возможны и другие нормы. Кроме того, можно представить себе, чтобы нормы для отдельных вычитаний выбирались также по-разному, т.е. возможно было бы, например, чтобы в качестве векторной нормы от вычитания вектора х(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы выбиралась норма суммы абсолютных значений, тогда q=1, а в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы - евклидова норма, т.е. q=2. При этом возможны любые комбинации.

Как уже сказано, векторы х(k) и х(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0 изменяются таким образом, чтобы сумма J по всем моментам дискретизации от k=-N+1 до k=0 становилась минимальной. Эти изменения векторов х(k) и х(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0 могут быть объединены в таблице (справочной таблице), тогда каждому вектору y(k) выходной величины и вектору u(k) регулирующего воздействия для каждого из моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0 соответствуют вектор х(k) и вектор х(k+1) состояния системы. Из таблицы следует тогда взять лишь нужный вектор х(k) состояния системы в момент дискретизации k=0, т.е. вектор х(0), при этом элементы вектора х(0) состояния системы являются требуемыми оцененными состояниями х в данный, т.е. текущий, момент k=0. Эта таблица может быть составлена заранее, т.е. «оф-лайн», так что не требуется производить онлайнового расчета с большим объемом вычислений с тем критерием, что сумма J становится минимальной. Упомянутая таблица может храниться в устройстве оценки 2 или на отдельном накопителе, k которому обращается устройство оценки 2.

Если же имеется достаточно ресурсов вычислительной мощности, например за счет процессора, в частности цифрового сигнального процессора, то изменения векторов х(k) и х(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации от k=-N+1 до k=0 могут вычисляться непрерывно, т.е. «онлайн».

Перечень ссылочных позиций

1 - силовая электронная система

2 - устройство оценки

3 - регулирующий блок

4 - преобразователь

5 - схема управления.

Claims

1. Способ оценки состояний силовой электронной системы (1), содержащей преобразователь (4), включающий этапы:
а) определение векторов y(k) выходных величин для моментов дискретизации k=-N+1, …, 0, где N является задаваемым горизонтом дискретизации;
б) определение векторов u(k) регулирующих воздействий для моментов дискретизации k=-N+1, …, 0,
в) определение первой функции f(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы, причем указанная функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора x(k) состояния системы в момент дискретизации k;
г) определение второй функции g(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы, причем указанная функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора x(k) состояния системы в момент дискретизации k,
отличающийся тем, что
оценка вектора x(k) состояния системы в момент дискретизации k=0 дополнительно включает этапы, на которых:
д) изменяют векторы x(k) и x(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0, так чтобы сумма от сложения векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы по всем моментам дискретизации k=-N+1, …, 0 стала минимальной; и
е) выбирают вектор x(k) состояния системы в момент дискретизации k=0;
при этом первая f(x(k), u(k)) и вторая g(x(k), u(k)) функции модели системы являются аффинно-линейными.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы соответственно выбирают норму суммы абсолютных значений.

3. Способ по по п.1, отличающийся тем, что в качестве векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы соответственно выбирают евклидову норму.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы соответственно выбирают максимальную норму.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменения векторов x(k) и x(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0 объединяют в таблице соответствия, причем каждому вектору y(k) выходной величины и вектору u(k) регулирующего воздействия для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0 соответствуют вектор x(k) и вектор x(k+1) состояния системы.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменения векторов x(k) и x(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0 вычисляют непрерывно.

7. Способ оценки состояний силовой электронной системы (1), содержащей преобразователь (4), включающий этапы:
а) определение векторов y(k) выходных величин для моментов дискретизации k=-N+1, …, 0, где N является задаваемым горизонтом дискретизации;
б) определение векторов u(k) регулирующих воздействий для моментов дискретизации k=-N+1, …, 0;
в) определение первой функции f(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы (1), причем указанная функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора x(k) состояния системы в момент дискретизации k;
г) определение второй функции g(x(k), u(k)) модели системы в момент дискретизации k для описания силовой электронной системы (1), причем указанная функция зависит от вектора u(k) регулирующего воздействия и от вектора x(k) состояния системы в момент дискретизации k,
отличающийся тем, что
оценка вектора x(k) состояния системы в момент дискретизации k=0 дополнительно включает этапы, на которых:
д) изменяют векторы x(k) и x(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0, так чтобы сумма от сложения векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы по всем моментам дискретизации k=-N+1, …, 0 стала минимальной; и
е) выбирают вектор x(k) состояния системы в момент дискретизации k=0;
при этом первая f(x(k), u(k)) и вторая g(x(k), u(k)) функции модели системы являются кусочно аффинно-линейными.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы соответственно выбирают норму суммы абсолютных значений.

9. Способ по по п.7, отличающийся тем, что в качестве векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы соответственно выбирают евклидову норму.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве векторной нормы от вычитания вектора x(k+1) состояния системы и первой функции f(x(k), u(k)) модели системы и в качестве векторной нормы от вычитания вектора y(k) выходной величины и второй функции g(x(k), u(k)) модели системы соответственно выбирают максимальную норму.
11 Способ по п.7, отличающийся тем, что изменения векторов x(k) и x(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0 объединяют в таблице соответствия, причем каждому вектору y(k) выходной величины и вектору u(k) регулирующего воздействия для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0 соответствуют вектор x(k) и вектор x(k+1) состояния системы.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что изменения векторов x(k) и x(k+1) состояния системы для каждого из моментов дискретизации k=-N+1, …, 0 вычисляют непрерывно.