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显式模型预测控制及其在电力电子及电力系统中的应用

作　者: 丁靖
导　师: 张聚
学　校: 浙江工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 模型预测控制多参数规划显式模型预测控制低复杂度 PWA系统 DC-DC变换器电力系统
分类号: TM76
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

对于包含状态和输入约束的动态系统优化控制问题的研究,无论在控制理论还是控制工程方面都具有很大的意义。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)能够很好地处理这类问题,并已经得到了广泛的应用。但是,基于反复在线优化计算的MPC会产生相当大的在线计算量,因而对于某些问题规模比较大,采样速率较高或者动态变化较快的场合(如电力电子和机电系统),在线的反复计算会使得控制的实时性大大降低,系统响应时间增加,这使得MPC只能在相对缓慢的或小规模的问题中应用。我们将多参数规划理论引入到约束优化控制问题的求解中建立显式模型预测控制方法。显式模型预测控制方法对系统的状态区域进行凸划分,离线计算得到对应的每个状态变量分区上的状态反馈最优显式控制律,这样在线计算简化为一个查表过程,避免了反复的在线优化计算,提高了在线计算速度,使得显式模型预测控制方法能够在快速采样的控制系统中应用,并有望在片上系统实现。本文的主要工作包括以下几部分:1.基于大量文献,总结了保证MPC全局稳定和满足约束的一般性方法,并介绍了如何构造Lyapunov函数,能够保证自治分段仿射(Piecewise affine,PWA)系统的渐近稳定性。2.对线性时不变(Linear Time Invariant,LTI)系统,研究了有限时间最优控制问题解和无限时间最优控制问题解的等价性问题,并总结一种低复杂度显式模型预测控制器的计算方法,并基于该算法,对直线一级和二级倒立摆系统进行了仿真研究。仿真结果表明,显式模型预测控制能够保证倒立摆系统全局稳定并满足约束,而且有良好的动态性能。3.对PWA系统,本文研究了构造稳定化控制器的可能性。并且基于动态规划,研究了鲁棒低复杂度显式模型预测控制的计算方法。4.本文以降压型开关模式DC-DC变换器为例,研究了DC-DC变换器的显式模型预测控制。研究了一种称为?分解建模的方法,建立了离散时间混杂模型,并将其转换为PWA形式。DC-DC变换器的显式模型预测控制得到的仿真结果表明,所研究的控制方法是可行的,系统能够全局满足约束,并有良好的动态性能。5.本文针对电力系统非线性模型,研究了电力系统的显式模型预测控制。将电力系统非线性模型分解为两部分,得到一个MLD形式的混杂模型。仿真研究结果表明,电力系统的显式模型预测控制能够将负载电压实现稳定控制,而且控制器的调节也非常简单和直观。

显式模型预测控制及其在电力电子及电力系统中的应用

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