基于混合逻辑动态模型的电力电子变换器显式预测控制研究

Due to the turn-on and cut-off operations of power switching devices during power converters working, the discrete dynamic and continuous dynamic coexist in the system which reflects the characteristics of hybrid system. The traditional control scheme based on pulse width modulation, ignoring the modulation dynamic and hybrid characteristics of the system, restricted the further improvement of system control accuracy and dynamic performance. This project aims to use Boolean logic variables to describe the states combination of the switches, and by introducing auxiliary logic and continuous variables, transform the constraints, logic rules and the continuous characteristics into linear state equations with mixed integer inequality constraints, which establishes the mixed logic dynamic model of the system. Based on the mixed logic dynamic model, the corresponding predictive constrained optimal control problem will be transformed into a multi-parametric mixed integer programming problem. And based on the convex partition of the state space, explicit model predictive control for power converters will be proposed. With the help of explicit model predictive control, the online caulculation will be reduced which solves the contradiction between long computing time of predictive controllers and small sampling period of power converters. Optimal regulation will be achieved by performance index function design and selection of weighted matrices, which will promote the application of predictive control in power converters.

电力电子变换器工作过程中，由于功率开关器件的导通与截止，使得系统中离散动态与连续动态并存，体现出混杂系统的特性。传统的基于脉宽调制的控制方案，忽略了调制动态和系统的混杂特性，制约了系统控制精度和动态性能的进一步提高。本项目拟采用二值型布尔逻辑变量对开关状态组合进行描述，通过引入辅助逻辑变量和连续变量，将系统所受的约束、逻辑规则以及连续特性整合为带有混合整数不等式约束的线性状态方程，进而建立系统的混合逻辑动态模型。在混合逻辑动态模型的基础上，将相应预测控制的约束最优控制问题，转换为多参数混合整数规划问题，通过状态空间凸划分，实现电力电子变换器的显式预测控制。借助于显式预测控制方法降低在线计算量，解决预测控制在线计算时间长与电力电子变换器小采样周期的矛盾，并通过性能指标函数设计与加权矩阵选取，实现优化调节，推进预测控制在电力电子变换器中的应用。

电力电子变换器通过功率开关器件实现电能的转换，随着开关器件的导通与截止，系统在不同工作模态之间进行切换，离散动态与连续动态并存，本质上具有混杂特性。传统控制通常采用脉宽调制方案，基于近似平均模型设计控制器，由于忽略了调制动态和系统的混杂特性，制约了系统控制精度和动态性能的进一步提高。本项目以非反相Buck-Boost变换器、有刷直流电机调速系统、DC-AC变换器等典型电力电子变换器为对象，针对预测控制在电力电子变换器中应用的关键制约因素进行研究。根据电力电子变换器的切换特性，分析其开关周期内各个模态，对电力电子变换器进行混杂系统建模。在建立各子模态连续状态空间模型的基础上，采用分段离散化方法，建立分段仿射离散时间状态空间模型。进一步，将相应预测控制的约束最优化问题，转换为多参数规划问题。采用离线计算与在线查表相结合的方案，离线时对状态空间进行划分，并求解每个状态分区对应最优控制律的显式表达式，在线时通过查表确定当前状态所处状态分区即可获得相应的最优反馈控制律，从而实现显式预测控制。借助于该方案，可有效降低在线计算量，解决预测控制计算时间长与电力电子变换器高工作频率、小采样周期的矛盾。通过性能指标函数设计与加权矩阵优化调节，可显著提高控制系统性能。该研究成果对于预测控制方案在电力电子变换器、电力驱动器等典型快速系统中的应用具有推进作用。