【改进有限控制集模型预测控制策略概述2800字】

改进有限控制集模型预测控制策略概述目录TOC\o"1-3"\h\u22307改进有限控制集模型预测控制策略概述 1276911.1延时影响 144741.2延时补偿方法 3286131.3未来参考值预测 5基于FCS-MPC的控制方案实验实施后，需要大量的运算时间来进行采样和在线优化计算，这将导致功率开关管的开关动作延时。如果在控制器的设计中没有考虑这个问题，那么所引起的动作延时可能会导致系统性能下降[67]。迄今为止所做的工作都考虑到了动作延时补偿问题[68-69]。针对其他预测控制方案也提出了类似补偿方法，如无差拍控制法[70]。在FSC-MPC控制方案中除了动作延时影响以外，代价函数主要基于参考变量的未来误差的最小。一般认为未来参考值与实际参考值相同，这种假设适合用于参考值为常量或采样频率远高于参考变量频率的情况。然而，当正弦参考是瞬时采样时，控制变量与参考变量之间会有延时。针对这一问题，需要获得未来参考变量。1.1延时影响三相并网逆变器采用的有限控制集模型预测电流控制方案如图3.5所示，方案包含以下步骤:（1）负载电流测量。（2）在遍历所有开关状态下，预测下一采样时刻的交流电流。（3）采用代价函数对每次预测电流进行实施评估。（4）找寻出能够使代价函数最小化的开关状态。（5）新的开关状态作用于功率开关管。也可以通过图3.6所示流程图表示预测控制算法，外环用于执行每一步采样时刻，内环用于执行每一步可能的状态，从而获得最优化的状态以便在下一个采样周期内实施。具有可用开关状态时需要对预测电流与代价函数进行多次重复计算，因此微处理器需要完成大量计算时间。下面用图说明模型预测电流控制，如图3.7所示。理想情况下忽略采样时间和计算控制算法时间，认为采样和计算时间瞬时完成。在时刻采样电流和电压立即通过FCS-MPC控制算法寻优出使时刻最优的开关状态，并马上在时刻作用于功率开关管，使得在时刻的电流误差最小，使控制达到最佳状态。图3.7无延时的预测电流控制操作(计算时间为零,理想状态)Figure3.7Predictivecurrentcontroloperationwithoutdelay(computationtimeiszero,idealstate)由于三相逆变器具有8种开关状态，因此预测函数（式3-6）与代价函数（式3-8）在每个采样周期需要运算8次。以此基于采样频率与微处理器控制速度判断，测定并网电流与应用新开关状态之间的时间间隔将相当长。实际控制系统需要一定时间计算才能得出输出开关状态，在运行算法的过程中，控制器会延用上一时刻的开关状态而非最优开关状态。如图3.8所示，由于需要一定的计算时间才能得出最优开关状态，在时刻，最优开关状态并没有立即更新，而是继续沿用上一时刻的开关状态，导致并网电流将围绕给定的电流值波动，影响被控系统的控制效果[71]。图3.8未进行补偿时的预测电流控制操作(较长计算时间,实际状态)Figure3.8Predictivecurrentcontroloperationwithoutcompensation(longercalculationtime,actualstate)1.2延时补偿方法根据上一节分析，为了补偿AD采样时间和计算时间带来的延时问题，可将原始的有限集模型预测控制算法做一定的修改，本节进行两次预测，在当前时刻预测估算下一时刻的变量值，并以该估算值为起点再进行下一时刻预测。该算法在时刻对时刻的电流、进行估算:(3-9)然后将该估算出的电流值作为一个新的起点，进行所有开关状态组合预测。如式(3-10)所示：(3-10)式中，、为时刻的预测电流矢量；，为时刻的估算电流矢量；、为需要接受评估的动作。通过对代价函数的修改来评估预测电流、，因此可以得到：(3-11)存储使代价函数最小的开关状态，并将其应用于下一个采样时刻。图3.9进行补偿的预测电流控制操作(较长计算时间,实际状态)Figure3.9Predictivecurrentcontroloperationforcompensation(longercalculationtime,actualstate)带延时补偿的FCS-MPC控制策略可通过图3.9来进行说明。其核心思想便是采用有限控制集模型预测控制具有进行多步长预测这一特点：第一步:将上一时刻被选出的最优开关状态应用于功率开关管直到时刻，等待下一时刻到来，在~这段时间内运用式(3-9)预测最优开关状态作用到时刻电流的估算值、。第二步:利用该预测值、作为一个新的起点，并且使用式(3-10)开始对所有开关状态进行预测。第三步:使用两步预测的效果图如图3.9所示，运用式(3-11)的代价函数选择最小的开关状态，并立即在时刻作用于功率开关管。比如预测电流、对应的电压矢量为最优的矢量，即在时刻将相应的开关状态信号送至功率开关管。根据FCS-MPC的特点，该矢量对应开关状态的在~期间作用。对于采用了延时补偿的预测控制算法可以通过图3.11的流程图表示。相比于未采用延时补偿的控制算法，该算法在开始阶段时立即使用新的开关状态，并对时刻的预测电流进行估算。其三相并网逆变器改进有限控制集模型预测控制结构图如图3.10所示。图3.10改进FCS-MPC控制结构图Figure3.10ImprovedFCS-MPCcontrolstructurediagram图3.11包含延时补偿的FCS-MPC控制流程图Figure3.11FCS-MPCcontrolflowchartincludingdelaycompensation1.3未来参考值预测在有限控制集模型预测控制策略中，代价函数主要是基于未来误差，即预测电流与其参考值之间的误差。这表明获得未来参考值是非常有必要。因为未来参考值一般是不可知的，所有需要对其进行预测。根据香农采样定理，采样频率远大于两倍的参考信号的频率，在一个采样时刻内参考电流不会产生很大的变化，认为未来参考值约等于实际参考值，即。根据有限控制集模型预测电流控制，将代价函数可以修改为：(3-12)如果采用上一节所述的延时补偿策略，则需要计算电流参考值。通常假设未来参考值为，则代价函数可以表示为：(3-13)在跟踪参考电流值时，将导致两个采样周期的滞后。采用上述未来参考值近似法，所出现延时影响在较长的采样周期十分明显，但采样周期较短时则很难发现。即使延时影响的时间非常短，如果不对其进行补偿处理，难免会带来一定的误差，降低系统控制精度。因此，在FCS-MPC控制策略中，对未来参考值进行估算修正是非常重要的。通常采用的方法有拉格朗日外推法和矢量角补偿法。（1）采用拉格朗日外推法的未来参考值估算对于正弦参考值，一种很好的解决方法是拉格朗日外推法[72]，可以补偿上述延时影响情况。采用拉格朗日外推法的阶公式中的实际电流值去计算超前一步预测值，如式(3-14)所示。(3-14)对于正弦参考值，采用或更大值。采用拉格朗日外推法公式时，可以推算未来参考值，对于有：(3-15)采用代价函数式(3-11)时需要计算未来参考值，可以通过式(3-15)计算得出：(3-16)把式(3-16)变量用式(3-15)替换，未来参考值可以根据当前电流参考值和过去值计算，如下式所示。(3-17)（2）矢量角补偿法预测未来参考值在三相电力系统中，可以考虑用矢量表示电压和电流。矢量角随着时间的变化而相应的变化，即可以根据一次采样周期的矢量角变化来估算未来参考值。通过上面的分析可知，未来参考值可以用矢量法来预估。则时刻的电流参考值可以表示为：(3-18)式中，是时刻对应的电流幅值，是时刻对应的矢量角。三相电力系统处于稳态时，该矢量幅值保持不变且以角速度同步旋转，则时刻对应的参考矢量角为：(3-19)式中，为采样时间。结合式(3-19)和来参考矢量值估算为：(3-20)将式(3-18)代入式(3-20)，可得到时刻对应的预测参考电流值为：(3-21)相同的方法也可以得到时刻预测参考电流值为(3-22)对于电