具有机械变量的模型预测控制的电驱动系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于控制电驱动系统的方法、计算机程序、计算机可读介质和控制器。 本发明还涉及一种电驱动系统。
【背景技术】
[0002] 具有可变速度的电驱动系统可以用于以不同速度运行如栗、风扇或压缩机的机 械。该机械往往通过轴与驱动系统连接。该机械可以由沿着驱动轴的一个组件或多个组件 组成。最常见的驱动系统包括采用可变速度AC或DC电动机形式的驱动器。改变机械的速 度较之固定速度的运行具有若干优势，最有前景的是通过以较低速度运行机械能够节能。
[0003] 在控制此类驱动系统期间，往往假定转速在驱动轴长度上是相等的。此外，往往假 定从电驱动器的电信号导出的转速等于机械的转速。相似地，电驱动器的空气间隙处的转 矩假定为等于施加于机械的转矩。
[0004] 只要驱动轴不具有差异性的固有频率或以低动态方式运行，则这些假定可能是有 效的。但是近年来出现的应用可能有高动态需求，使得这些假定可能无效并且驱动轴的动 态性可能要予以考虑。
[0005] 此类应用的一个示例是油气行业中的压缩机组的工作，其中电驱动系统可能替代 常用的燃气轮机。在这些应用中，驱动轴往往长且相对较细，从而产生具有可容易激发的固 有频率的柔性弱阻尼结构。通常所做的假定：驱动轴是以某个速度转动的单个质量，在这 些应用中该假定往往可能并非有效的。驱动轴的不同点处的转矩和速度可能彼此显著地不 同。
[0006] 再者，在这些应用中可能需要控制高度动态的过程，其中需要根据过程的需要来 改变施加于机械的速度或转矩。一个示例可以是压缩机站抗喘振控制，其中改变施加于压 缩机的转矩来防止喘振事件。这些事件可能需要即刻处理，并且在喘振事件的情况中，压缩 机的转矩中的振荡可能不是可接受。
[0007] 此外，在这些控制方案中，受控的变量是预先选择的且无法更改。不同机械变量的 选择，如机械的转矩，或其他变量的限制，如接头处的转矩应变，不是该控制方案的部分。但 是，驱动器的应用可能构成不同行业中不同的需求。在一个应用中，机械的角度可能是至关 重要的，其次才是转矩或速度。往往通过针对不同情况应用不同的控制方案来处理这些不 同的情况。
[0008] 在"具有扭转负载的驱动系统的基于模型的预测速度控制-实践方法"（〃Model basedpredictivespeedcontrolofadrivesystemwithtorsionalloads-a practicalapproach"，PowerElectronicandMotionControlConference, 2010，IEEE 2010)中，公开驱动系统的一种基于模型的预测速度控制，并且其将具有快速动态性特征的 机电驱动布置中的长驱动轴的扭转振荡纳入了考虑。因此，它公开一种用于控制电驱动系 统的方法，并且该电驱动系统包括与用于处理工业过程的机械以机械方式互连的驱动器。
[0009] 再者，美国专利US2012/0059642A1公开一种用于基于至少一个记录的电机器的 输入信号来确定电机器的转子轴的位置信息的设备和方法。将所记录的输入信号提供给电 机器的模型。借助该模型，基于所提供的输入信号，该电机器的模型映射非线性饱和效应， 确定转子轴的位置信息。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供用于具有可变速度的驱动系统的一种精确且灵活的控制 方法。
[0011] 此目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求以及下文描述显见到 另外的示范性实施例。
[0012] 本发明的一方面涉及用于控制电驱动系统的方法。该电驱动系统可以包括驱动 器，如电动机或可变速度驱动器，其与用于处理工业过程的机械以机械方式互连。机械或机 械设备可以是一个或多个栗、风扇或压缩机。工业过程可以在工业工厂，例如炼油厂或化工 厂中执行的。机械和驱动器可以通过驱动轴互连。
[0013] 根据本发明的实施例，该方法包括如下步骤：从例如电驱动系统的过程控制层接 收电驱动系统的第一机械变量的输入参考值；基于该驱动系统的数学模型，根据输入参考 值估算预定义时间步长范围的驱动系统的第二机械变量的输出参考的发展；以及选择来自 第二机械变量的发展的第一将来值作为第二机械变量的输出参考值以输出到适于控制该 驱动器的电输入的驱动器控制层。
[0014] 该方法可以周期性地，例如在每个时间步长执行，以持续地计算输入到驱动器控 制层的输出参考值。
[0015] 第一机械变量可以是与驱动器下游的机械组件相关的变量，例如，驱动器的轴中 远离空气间隙的部分。第一机械变量可以是驱动轴的特定位置处的速度、转矩、角度和/或 任何其他机械变量。
[0016] 第一机械变量的输入参考值可以由过程控制层来提供，该过程控制层根据要控制 的过程变量，如流速或压力来确定输入参考值。可能的是，该过程控制层不仅可以提供第一 机械变量的实际输入参考值，而且提供第一机械变量的参考轨迹或发展。但是，该输入参考 值也可以是可直接存储在执行该方法的控制器中的（固定）值。
[0017] 在该方法由控制器自动地执行之前，可以在驱动系统的初始化阶段期间人工（由 用户)选择该第一机械变量和/或数学模型。该方法可以支持灵活选择要控制的机械变量。 利用该方法，控制沿着驱动轴的用户指定位置处的用户指定机械变量是可能的。
[0018] 该数学模型可以对驱动系统的数学行为建模，即对与机械以及可选地与轴互连的 驱动器建模。第二机械变量可以是与驱动器的相关的变量，例如，驱动器的空气间隙处的驱 动器速度。
[0019] 该方法可以视为采用驱动系统的数学模型的预测控制方法。该方法可以允许运行 控制第一机械变量，如驱动轴的任何客户选择点处的转矩、角度或速度。利用该方法，可以 预测并缓解源于驱动轴的固有频率的激发的潜在振荡。
[0020] 该方法可以考虑驱动轴的动态性，并且可以控制沿驱动轴的用户指定位置处，例 如，机械的位置处的第一机械变量。代之对系统中已存在的振荡进行反应，该方法则是可以 将驱动轴的动态性和固有频率纳入考虑以先主动地（pro-actively)防止这些频率在第一 位置中被激发。该预测控制方法可以允许在这些振荡发生之前预测这些振荡。
[0021] 根据本发明的实施例，该方法还包括如下步骤：接收驱动系统的另外的机械和/ 或电学变量的测得的和/或估算的输入值。另外的输入值可以包括驱动器的第二机械变量 测得的和/或估算的值、测得的和/或估算的转矩、速度或角度和/或电流和电压。
[0022] 此外，第二机械变量的输出参考的发展的估算还可以基于另外的机械和/或电学 变量的输入值。不仅可以使用实际值（即，实际/当前时间步长的值）来估算第二机械变量 的发展，而且还可以使用过往值（即，先前时间步长的值)。可以将第一变量的过往输入值以 及过往输入参考值和/或第二机械变量的过往输出参考值存储在执行该方法的控制器中。
[0023] 根据本发明的实施例，该方法还包括如下步骤：基于该驱动系统的数学模型，根据 第二机械变量的至少过往输出参考值来估算该驱动系统的当前状态。
[0024] 根据本发明的实施例，该方法还包括如下步骤：基于该驱动系统的数学模型，根据 第一机械变量的至少过往输入值来估算该驱动系统的当前状态。
[0025] 该当前状态包括该驱动系统中未测量的至少一个机械变量。还可以通过将第二机 械变量的过往输出参考值和/或过往测得和/或估算的输入值纳入考虑来估算该当前状 〇
[0026] -般来说，该驱动系统的状态可以是可用于计算下一个时间步长期间该驱动系统 的下一个