模型預(yù)測控制的研究現(xiàn)狀分析綜述1.1.1永模型預(yù)測控制的發(fā)展 20世紀70年代初，美國和法國的幾家公司已經(jīng)用計算機開發(fā)了模型預(yù)測算法，它最初不是由理論推導(dǎo)出來，而是從工程應(yīng)用中發(fā)展起來的，具有較強的實用性[31]。模型預(yù)測控制不同于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的是，它是基于受控模型，考慮被控量對目標(biāo)量的影響，采用提前計算，推測出模型的解，通過滾動優(yōu)化，選擇出模型的最優(yōu)解[32]。其控制結(jié)構(gòu)圖如下所示。圖4-1永磁同步電機模型預(yù)測控制系統(tǒng)簡圖模型預(yù)測控制具有控制思想簡單，易于操作，可以同時對多變量進行約束等優(yōu)點得到了快速發(fā)展，迅速應(yīng)用到眾多工業(yè)生中。通過研究預(yù)測控制的發(fā)展歷程，可以將其分成三個階段。第一階段是在1978年Richalet[33]和Cutler[34]等人提出的模型預(yù)測啟發(fā)控制和動態(tài)矩陣控制，模型預(yù)測控制理論得到了初步發(fā)展。算法控制的模型是以控制對象的階躍響應(yīng)或者是脈沖響應(yīng)為主，這些模型主要是工業(yè)領(lǐng)域較為復(fù)雜，難以用常規(guī)方法解決的模型。雖然算法可以解決這類困難，但由于求解參數(shù)太多，往往建立的模型較為龐大。第二階段是二十世紀八十年代初，英國學(xué)者Clarke總結(jié)前人的經(jīng)驗，通過將預(yù)測控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合，提出了廣義預(yù)測控制理論，提高了算法的精度，使系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了很大提升。這類模型相較于以前的模型，參數(shù)變量較少，減少了計算量，這一方法很快被應(yīng)用到航天等先進工業(yè)領(lǐng)域，使得模型預(yù)測控制得到了進一步的發(fā)展。第三階段是二十世紀九十年代，預(yù)測控制綜合方法產(chǎn)生，模型預(yù)測控制得到了飛速發(fā)展，各種新穎的控制結(jié)構(gòu)和思路不斷涌現(xiàn)，預(yù)測控制理論不斷成熟。在此之后，眾多學(xué)者開始向不斷優(yōu)化預(yù)測控制理論方面轉(zhuǎn)化，并取得了大量成果。隨著理論和控制策略的不斷優(yōu)化，預(yù)測控制將會在以后的實際工業(yè)領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用.圖4-2MPTC控制框圖模型預(yù)測控制可分為兩類：線性模型預(yù)測控制和非線性模型預(yù)測控制。由于電壓矢量控制集的不同，MPC可分為連續(xù)控制集模型預(yù)測控制（ccs-MPC）和有限控制集模型預(yù)測控制（fcs-MPC）。FCS-MPC只計算逆變器可直接輸出的電壓矢量，而CCS-MPC需要計算逆變器可以合成的所有矢量，因此CCS-MPC計算量較大，不易操作，對于處理器的要求也比較高，不利于實際的工業(yè)應(yīng)用。由于優(yōu)化控制的目標(biāo)不同，MPC可分為模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制（ModelPredictiveTorqueControl,MPTC）和模型預(yù)測電流控制(ModelPredictiveCurrentControl,MPCC)。前者以磁鏈和轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，后者以電流為優(yōu)化目標(biāo)。本文主要研究的就是第二種控制方法。圖4-3MPCC控制框圖1.1.2模型預(yù)測控制在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀MPC從二十世紀70年代被提出到現(xiàn)在，經(jīng)過學(xué)者的不斷研究，已經(jīng)從最初解決工業(yè)問題的算法，發(fā)展為一門有著豐富理論和實踐的學(xué)科。法國里昂中央大學(xué)教授FlorentMorel的研究組于2009年對永磁同步電機(PMSM)驅(qū)動器的三種預(yù)測電流控制方案進行了比較研究。第一種控制方案預(yù)測了每一種可能的逆變器支路的電流的未來演化，然后選擇切換定價值函數(shù)最小的狀態(tài)，并在下一次采樣時應(yīng)用；第二種控制方案在計算期間使用調(diào)制器應(yīng)用兩種逆變器的配置，在這些配置中，一個設(shè)置零電壓，計算另一種方案的持續(xù)時間，得到狀態(tài)量與期望狀態(tài)量之間的最小值；第三種控制方案是使用永磁同步電機的模型來預(yù)測定子電壓，使我們能夠在一個調(diào)制周期后達到期望的電流。總結(jié)上述三種方案，研究組提出了一種直接計算逆變器各支路占空比的代數(shù)方法，并進行了實驗仿真驗證[15]。2016年希臘學(xué)者AlexandrosD.Alexandrou針對永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩快速監(jiān)測和高性能運行，提出了一種適用于永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的電流預(yù)測控制器。該控制器是兩種技術(shù)的簡單組合，分別是無差拍和直接預(yù)測控制技術(shù)。將其與典型的比例積分（Pl）電流控制器在磁場定向控制（FOC）策略下的響應(yīng)進行了比較。分析表明，改進后的暫態(tài)特性，速度變化更快，電流和轉(zhuǎn)矩脈動減少。韓國東國大學(xué)博士HoachTheNguyen提出了一種新型有限控制集模型預(yù)測控（FCS-MPC），可以增加永磁同步電動機驅(qū)動器的穩(wěn)定性和魯棒性。首先基于連續(xù)輸入的控制定律，以通過反饋控制定律穩(wěn)定閉環(huán)系統(tǒng)，并通過在線自適應(yīng)定律確保魯棒性。由于所提出的控制方法的漸近穩(wěn)定性由至少一個離散的開關(guān)狀態(tài)來保證，因此將基于連續(xù)輸入的控制律轉(zhuǎn)換為FCS-MPC優(yōu)化問題的相關(guān)約束。改進的控制方法具有零穩(wěn)態(tài)誤差，較強的轉(zhuǎn)速跟蹤能力，優(yōu)化了定子電流和降低了開關(guān)頻率。美國路易斯安那州立大學(xué)學(xué)者AmirMasoudBozorgi利用PMSM電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁通可以通過MPCC間接控制的關(guān)系，選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶孔饔糜诙ㄗ佣俗樱诳刂破陂g內(nèi)結(jié)合占空比的概念，應(yīng)用兩個電壓矢量，優(yōu)化預(yù)定義價值函數(shù)，可以有效降低電機的電磁轉(zhuǎn)矩和減少電流紋波。并通過實驗結(jié)果驗證了該方案的有效性。國內(nèi)學(xué)者開始研究模型預(yù)測控制的時間相比于國外較晚。隨著國外模型預(yù)測控制在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多以及在眾多領(lǐng)域取得的成功，國內(nèi)眾多學(xué)者也投入到了該課題的研究中，加快了模型預(yù)測控制的發(fā)展。華中科技大學(xué)許煒研究小組為提高PMSM的驅(qū)動性能，改進三相電流和轉(zhuǎn)速的跟蹤精度，發(fā)表了一篇關(guān)于滑模控制的無差拍電流預(yù)測控制的優(yōu)化方案。首先，建立了考慮參數(shù)不確定性和外部干擾的永磁同步電機模型；其次，采用雙閉環(huán)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制來控制電機的轉(zhuǎn)速和電流，以提高永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。采用滑模控制和雙閉環(huán)控制分別對速度和電流進行控制；第三，設(shè)計了一個統(tǒng)一的高階滑模觀測器來估計速度環(huán)和電流環(huán)中的干擾和不確定性。同時對估計值進行補償，提高了速度魯棒性和電流跟蹤精度。實驗結(jié)果表明，該控制策略對負載和電機參數(shù)的劇烈變化具有較強的魯棒性，對電機轉(zhuǎn)速和三相電流的跟蹤性能好，誤差小。北方工業(yè)大學(xué)的張永昌教授提出了一種基于多矢量的MPC方法，它消除了傳統(tǒng)MPC方法中基于枚舉的預(yù)測和復(fù)雜計算，利用三相占空比在一幀中以較低的復(fù)雜性和計算負擔(dān)來統(tǒng)一現(xiàn)有的MPC方法，簡化了計算量。闡述了無差拍控制與提出的MPC方法之間的內(nèi)在聯(lián)系。河北工業(yè)大學(xué)牛峰教授牛峰針對MPC價值函數(shù)中的權(quán)重因子只能憑經(jīng)驗得到的問題，通過研究轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈與幅值之間的矢量關(guān)系，提出了一種能夠消除權(quán)重因子的方法，即模型預(yù)測磁鏈控制。該方法能夠有效降低定子磁鏈脈動和轉(zhuǎn)矩脈動，并且算法的原理簡單，易于操作，計算時間短。浙江大學(xué)邱建起教授及其團隊提出了一種新方法，即有限集非參數(shù)模型預(yù)測控制，它能將影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的因素轉(zhuǎn)化為集總勢，在線更新模型，解決了傳統(tǒng)的參數(shù)有限集模型預(yù)測控