[发明专利]一种基于模型预测控制的平行结构频谱优化方法与系统

说明书

本发明一种基于模型预测控制的平行结构频谱优化方法与系统，采用参考值追踪模块和频谱整形模块并行结构以实现频谱控制，其中参考值追踪即基于模型预测控制，实现控制变量的参考值追踪；频谱整形则是对滤波后的控制变量进行时间补偿计算及预测计算，预测控制变量在滤波器的通带频率范围内的频率分量，并添加到成本函数中，当开关状态的误差大小相同或相近的情况下，若某开关状态能产生更少滤波器通带内的频率分量，使得成本函数最小化，则该种开关状态将被优先选择，从而实现频谱整形控制。本发明针对高通滤波器及带通滤波器的滤波特性，采用参考值追踪和频谱整形并行，可实现针对控制变量不同频率范围的频谱整形，即误差跟踪和频谱整形并行控制。

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，涉及异步电机的控制，特别涉及一种基于模型预测控制的平行结构频谱优化方法与系统。

背景技术

模型预测控制是一种有效的控制方法，可以通过成本函数对变量未来行为进行评估并选择使得成本函数最小化的状态作为系统未来的控制动作。由于功率变换器只具有数量有限的开关状态，使用模型预测控制方法进行控制时，只需对包含在有限控制集中可用的开关状态进行预测，则系统预测所需的计算量可以极大减少。这种控制策略被称为有限集模型预测控制(FCS-MPC)，仅对系统在有限控制集内可能出现的开关状态下的未来行为进行预测，并通过成本函数对得到的预测值进行评估，只有使得成本函数最小化的开关状态会被选择并成为下一时刻的开关动作。然而，使用这种控制策略会使得栅极信号开关频率不固定，从而导致损耗增加甚至产生谐振。

此外，基于不同滤波器特性实现的频谱整形还可以具有广泛应用。例如，基于带阻滤波器的频谱整形可以在需要固定频率的应用中发挥作用。基于通带滤波器的频谱整形可以用于消除在特定频率范围内的谐波分量，这一特点则适用于需要消除谐振频率的应用中。因此，需要对基于模型预测控制的频谱整形方法进行研究。

目前已出现的基于模型预测控制的频谱优化方法是基于带阻滤波器的频谱整形控制，采用成本函数直接滤波的方式实现频谱控制。控制系统的整体结构保持不变，只对成本函数做出修改，使用原始成本函数和离散时间滤波器的乘积作为新的成本函数。频谱整形后，除带阻滤波器阻带成分外的所有频率分量都被降低，而控制量追踪参考值的性能却没有下降。

这种频谱控制方法对基于带阻滤波器的频谱整形具有良好的频谱控制性能，但当使用带通滤波器、高频滤波器或低频滤波器时，则控制器性能不佳。在采用某些上述滤波器的情况下，控制变量在滤波器通带内的频率分量可以得到一定程度上的抑制，但控制变量追踪参考值变化的能力明显恶化。此外，当采用上述滤波器时，会广泛出现系统失稳的现象，即控制变量追踪参考值变化的能力严重恶化，无法在不影响系统稳定性的前提下同时实现频谱控制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，在不影响系统稳定性的前提下实现对控制变量的频谱控制与系统，本发明的目的在于提供一种基于模型预测控制的平行结构频谱优化方法，在带阻滤波器频谱优化已经可以充分实现的基础上，针对高通滤波器及带通滤波器的滤波特性，采用参考值追踪和频谱整形并行，可实现针对控制变量不同频率范围的频谱整形，即误差跟踪和频谱整形并行控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于模型预测控制的平行结构频谱优化方法，采用参考值追踪和频谱整形并行方式以实现频谱控制，包括：

1)，参考值追踪：

基于模型预测控制，实现控制变量的参考值追踪；

2)，频谱整形：

对滤波后的控制变量进行时间补偿计算及预测计算，预测控制变量在滤波器的通带频率范围内的频率分量，并添加到成本函数中，当开关状态的误差大小相同或相近的情况下，若某开关状态能产生更少滤波器通带内的频率分量，使得成本函数最小化，则该种开关状态将被优先选择，从而实现频谱整形控制。