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基于模型預(yù)測電流控制的航空蓄電池充放電控制
1航空蓄電池充放電電路作為一臺應(yīng)急武器,蓄能儀是馬來西亞的主要電源,當(dāng)收到的主要電纜無法工作時,它是沉重的負(fù)荷電源。常將半橋雙向DC-DC作為航空蓄電池充放電電路,其電路拓?fù)鋱D1所示。蓄電池充電時雙向DC-DC變換器工作在Buck模式,蓄電池給負(fù)載放電時工作在Boost模式。一般采用的基于平均電流控制和基于PI控制的充放電系統(tǒng)基本能夠滿足直升機(jī)蓄電池充放電的要求,但是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間較長,啟動電壓和電流存在較大的超調(diào)量,系統(tǒng)抗干擾性能較差2雙向dc-dc功率變換器的最優(yōu)控制策略近年來,模型預(yù)測控制(ModelPredictiveControl,MPC)作為一種限線控制,被國外學(xué)者進(jìn)行研究并將其用于電力電子變換器方面MPC是用一個目標(biāo)函數(shù)來捕獲控制目標(biāo),可以對狀態(tài)變量以及控制變量施加約束,在每一個時間點(diǎn)實時求解底層優(yōu)化問題,來確定有限預(yù)測范圍內(nèi)的控制行動極化,則目標(biāo)函數(shù)最小值的控制輸入序列是最優(yōu)解。在下一個時刻,使用新的度量或估計重復(fù)規(guī)劃,同時將時間范圍向前移動一步。MPC中預(yù)測的時間越長,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能就越好。即對于確定的電路拓?fù)?,預(yù)測的區(qū)間越長,預(yù)測的精度越高。在這個控制過程中,引入了反饋校正環(huán)節(jié),可為MPC提供高度的魯棒性。MPC具有良好的動態(tài)響應(yīng)和精確的電流跟蹤能力,在雙向DC-DC功率變換器中是一種很有前途的控制技術(shù)。其主要特點(diǎn)是根據(jù)預(yù)先定義的最優(yōu)控制準(zhǔn)則,來確定控制器的最優(yōu)操作方式。其基本實現(xiàn)過程包括:(1)建立預(yù)測模型預(yù)測變量在未來時間的變化;(2)選擇最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)表示期望的系統(tǒng)行為;(3)通過求目標(biāo)函數(shù)的最小值確定開關(guān)管最優(yōu)的操作序列。預(yù)測電流控制來源于模型預(yù)測控制的思想2.1電流模型的離散化蓄電池的充電預(yù)測模型是變換器Buck模式下開關(guān)管的不同工作狀態(tài)求解相應(yīng)的等效電路得到的。對(1)、(2)進(jìn)行一階歐拉法離散化,可得降壓模式下的離散化模型預(yù)測電流方程:U將蓄電池充電電流作為控制對象,分別求出Buck模式下開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷情況下對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值,選取使目標(biāo)函數(shù)取值最小的一組開關(guān)狀態(tài)組合作用于雙向半橋DC-DC功率變換器,進(jìn)而通過主動控制,實現(xiàn)實際電感電流值快速跟蹤指定電流參考值。通過對當(dāng)前最小的目標(biāo)函數(shù)所對應(yīng)的開關(guān)管狀態(tài),進(jìn)而完成對下一時刻開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)的預(yù)測。2.2階發(fā)酵模式下的電流離散化建模蓄電池的放電預(yù)測模型是變換器Boost模式下開關(guān)管的不同工作狀態(tài)求解相應(yīng)的等效電路得到的。對(1)、(2)進(jìn)行一階歐拉法離散化,可得升壓模式下的離散化模型預(yù)測電流方程:U為了使蓄電池的放電電流能夠準(zhǔn)確和迅速的跟蹤給定電流,以在當(dāng)前k時刻不同的開關(guān)狀態(tài)情況下對應(yīng)的電感電流值的基礎(chǔ)上,可以通過上述預(yù)測電流方程表達(dá)式計算出不同開關(guān)狀態(tài)時對應(yīng)的k+1時刻的電感電流預(yù)測值。取優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值J3基于模型預(yù)測的電流控制電池充電器的設(shè)計3.1滾動式蓄電池充放電蓄電池充電分為恒流充電和階段充電,恒流充電時,令電壓外環(huán)輸出限幅,得到的蓄電池電流參考值與通過預(yù)測模型得到的預(yù)測電感電流值進(jìn)行滾動優(yōu)化獲得下一時刻的開關(guān)管狀態(tài),將其作用于S3.2mpc控制下的放電航空蓄電池進(jìn)行恒壓放電時,將電流內(nèi)環(huán)用預(yù)測電流控制代替,采用兩個控制回路,電壓外環(huán)進(jìn)行電流的基準(zhǔn)校正,將蓄電池地放電電壓調(diào)節(jié)到所需要地基準(zhǔn)值。MPC控制地電流環(huán)通過操縱開關(guān),令電感電流快速跟蹤電流參考值。預(yù)測電流控制需要的時間短,因為電流相對于控制輸入表現(xiàn)出最小的相位行為,其控制過程中不包含PWM調(diào)制器,輸出直接作用于變換器的開關(guān)的序列,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度得到提高。MPC控制下的放電降低了系統(tǒng)計算的復(fù)雜度,增強(qiáng)了直升機(jī)蓄電池充放電系統(tǒng)的魯棒性。模型預(yù)測放電控制流程圖如圖4所示。4matlab/sim全神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗證為驗證基于模型預(yù)測電流控制的蓄電池充放電控制器的準(zhǔn)確性,在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真驗證。設(shè)置高壓直流側(cè)電壓為75V,蓄電池額定電壓為36V,額定容量為180Ah,電感為1mH,電容為470μF。4.1動態(tài)特性仿真分析蓄電池階段充電設(shè)置0~6s內(nèi)蓄電池以18A電流恒流充電,蓄電池電壓不斷升高,電壓升高到38.5V時,蓄電池電壓保持恒定,此時充電模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐撼潆?。由圖5可以看出,系統(tǒng)啟動時電感電流動態(tài)響應(yīng)時間相對減少,充電方式轉(zhuǎn)換時,電感電流斷續(xù)時間和超調(diào)量都減少,相比于平均電壓外環(huán)與平均電流內(nèi)環(huán)控制下的階段充電能夠?qū)崿F(xiàn)較平滑過渡。穩(wěn)態(tài)充電時,蓄電池充電電流參考值為36A,此時半橋雙向DC-DC功能工作在Buck模式下。從仿真圖6可以看出,蓄電池充電電流很快跟蹤到36A,相對基于PI設(shè)計的蓄電池充電控制器,系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高了。動態(tài)特性如圖7所示,在0s-0.5s充電電流為36A,0.5s-1s蓄電池的充電電流變?yōu)?8A,可以看出預(yù)測電流控制下的蓄電池電流啟動時沒有超調(diào),響應(yīng)時間為0.005s。變電流處不存在超調(diào)量,動態(tài)響應(yīng)時間為0.002s,系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度快。4.2負(fù)載模擬結(jié)果分析同等條件下,根據(jù)恒壓放電控制要求,搭建蓄電池恒壓放電電路仿真圖。(1)在系統(tǒng)靜態(tài)下模擬圖像由圖8和圖9可以得到,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)預(yù)測電流控制策略能滿足負(fù)載直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值,電壓波動較低,提高了電源效率,減少了對負(fù)載的干擾。(2)上述條件下,設(shè)置在1s時發(fā)生負(fù)載階躍變化,進(jìn)行加載100Ω,高壓直流側(cè)負(fù)載從變25Ω為20Ω。從圖10中可以得出,MPC控制下,電壓能夠穩(wěn)定到給定值,穩(wěn)態(tài)性能好,開始時系統(tǒng)超調(diào)量小,電壓不到80V,系統(tǒng)經(jīng)過0.02s就能穩(wěn)定到給定電壓值,系統(tǒng)響應(yīng)速度快,1s時負(fù)載發(fā)生階躍變化,電壓超調(diào)量為-4.5%,經(jīng)過0.02s又重新穩(wěn)定到給定值。(3)穩(wěn)定性分析在1s時負(fù)載發(fā)生波動后,隨機(jī)給系統(tǒng)一個輸入電壓的波動,在不確定因素的情況下,模擬蓄電池端電壓突然下降到26V,觀查系統(tǒng)的控制情況。從圖11中可以得出,系統(tǒng)經(jīng)過0.03s就能穩(wěn)定到給定電壓值,系統(tǒng)響應(yīng)速度快,電壓超調(diào)量為-5.9%。由此,預(yù)測電流控制策略的蓄電池恒壓放電,抗輸入電壓波動的性能更好,更能適合直升機(jī)蓄電池不確定因素的發(fā)生,系統(tǒng)可靠性較高。通過以上仿真驗證了該控制策略下可以抑制直升機(jī)飛行中充放電時負(fù)載和輸入電壓等不確定因素的干擾,系統(tǒng)的穩(wěn)定性好,動態(tài)響應(yīng)速度快,系統(tǒng)啟動和受擾動時超調(diào)量小。5基于模型預(yù)測的電流控制建模為應(yīng)對直升機(jī)蓄電池充電過程中遇到的不確
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