基于动态扰动补偿的测功机断相故障容错控制方法与流程

本发明涉及测功机试验台控制系统，尤其涉及基于动态扰动补偿的测功机断相故障容错控制方法。

背景技术：

1、随着设计与制造技术的发展，越来越多的大型动力装置出现。为满足此类大型装置的测试需求，大型测功机的结构越来越复杂且承载电流有继续增大的趋势。大型测功机的电机由于电流大，工作环境恶劣，可能出现断相故障。断相故障会造成冲击力，如果不进行有效处理可能导致被测设备和测功机损坏。为了避免这种情况的发生，需要测功机系统有一定的容错能力。

2、在电机控制中，参数失配和外界干扰是影响系统控制性能的重要因素。在电机故障后，由于结构不平衡导致电机的死区范围增大，也会因为电压震荡导致电压电流失真。因此，控制算法还需要对参数和外部干扰有一定的鲁棒性，此外电力电子元件的使用增加了测功机中驱动电机故障的概率，其中绕组断线等问题造成的开路故障是最常见的故障之一。这种故障最终会导致变流器某相桥臂被完全弃用，因此这种故障被称为断相故障。对于星型结法的三相电驱系统，某个变流器桥臂上的断相故障使三相电机变为事实上的单相电机，导致高转矩脉动和自启动失效，此外，电机模型的参数是控制器的重要参数，需要通过试验测得，不可避免会有参数测量不准确的情况，导致参数失配。在电机运行过程中，外部扰动不能直接测量，但是会影响系统的响应。因此，电机控制中参数失配和外部干扰会降低控制器的性能。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，本发明提出的基于预测的鲁棒容错控制方法，通过结构设计、扰动观测和控制器设计，实现电机在出现断相故障后仍能可靠运行直至停机。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、基于动态扰动补偿的测功机断相故障容错控制方法，包括控制系统，所述控制系统内设有故障检测系统、定位系统、电机模型、干扰估计模块、模型预测模块以及故障容错模块，所述故障检测系统内包括三相电机断相故障模型构建，所述定位系统基于所述故障检测系统进行故障定位，所述电机模型基于三相电机断相故障模型，所述干扰估计模块基于扩张状态观测器。

4、优选地，所述三相电机断相故障模型构建包括：针对以3l-ncm的电容中性点连接容错拓扑，当原有的三相电流其中一相断开后，具有3l-ncm拓扑结构的等效电路如附图2所示，通过在变流器的输出电压中叠加零序电流i0，此时电机的三相电压和电流处于平衡状态，此时三相电流分别为：

5、

6、其中，和分别是出现故障后每相的电流；ia、ib和ic是故障前的电流；i0＝-ia。此时，电机仍具有两相正常绕组和一相中性回路的断相绕组，可以看作是一个近似无故障的三相电机，如果能够通过前馈零序电压正确注入零序电流，则原有的pi控制器将能够在不改变控制结构的情况下控制剩余的“健康”两相并实现容错控制；

7、根据试验测得的零序电阻r0和零序电感l0以及零序电流i0，零序电压可以根据以下公式计算得到：

8、

9、其中，是零序电流对时间的微分，其数值微容易受到噪声的影响。基于clarke变换，零序电流可以表示为：

10、

11、其中，iα和iβ是相互正交的两个电流，i0a、i0b和i0c分别是变换后各相零序电流。

12、优选地，所述扩张状态观测器包括，基于扩张状态观测器的扰动观测方法：经过等式变换，公式中的三相电机断相故障模型可以写作：

13、

14、选取零序电流i0作为系统状态，通过控制零序电压，即可以控制零序电压到任意有限值，但是，零序参数r0和l0是通过试验测得的，可能不准确，进而导致控制精度差，因此将扩展为一个状态变量，通过eso估计整体值并在控制时进行补偿，从而提升控制精度；

15、选择i0和作为系统状态，模型可以写为：

16、

17、式中，x1＝i0，u＝v0。由于不会无限大，因此不等式|d|≤d0成立，其中d0成为d的界；

18、用于估计不确定项d的eso观测器可以设计为：

19、

20、其中，z1＝i0，e1是状态x1的估计误差，k1和k2是eso的观测器增益，当eso达到稳定状态后，零序电流和总扰动的估计将收敛。此时，电机的估计零序电压可以被计算为：

21、

22、式中，iref是参考零序电流，t是系统采样时间；

23、观测误差e1和系统总扰动z2对于x2的频率响应是：

24、

25、其中s是拉普拉斯算子；

26、从式中可以看出，传递函数不依赖系统动态模型的参数，因此eso的增益k1和k2可以独立于系统参数进行调节，从而保证扰动估计的高鲁棒性，基于带宽和时间尺度调节eso增益的方法，因此k1和k2可以设计为：

27、

28、其中ω0为观测器的控制带宽，高带宽可以加速eso的收敛速度，但是过高的带宽会使观测器对噪声敏感，影响eso的稳态性能；

29、在实际应用中，由于控制算法在有固定频率的数字控制器中执行，所以更关心eso在离散域内的稳定性条件。将公式前向欧拉可得离散化的系统状态方程为：

30、

31、其中h(k)是一个高阶微分；

32、将公式中的eso观测器也通过前向欧拉离散后，可以得到

33、

34、设e2(k)＝z2(k)-x2(k)，根据公式可以得到如下的状态空间方程：

35、ζ(k+1)＝aζ+h

36、其中，ζ(k)＝[e1(k) e2(k)]t，

37、由于h是一个无限小的量，对公式的收敛性没有影响。因此，只要矩阵a的所有特征值都在复平面的单位圆内，就可以保证eso观测收敛，由矩阵a的所有特征值都在复平面的单位圆内的条件可以得到：

38、λ2-(2-tk1)λ+(1-tk1+t2k2)＝0

39、其中λ为矩阵a的特征值，可以推出：

40、|2-tk1|<2

41、|1-tk1+t2k2|<1

42、由此可以得到：

43、

44、为了保留有一定的裕量，本发明专利选定ω0的上限为1.4/t。

45、优选地，所述故障容错模块包括：基于模型预测的容错控制，其包括：将公式中的模型改写为：

46、

47、其中x(k)＝i0(k)，因此可以构建如下的模型预测控制问题：

48、

49、其中j是待优化的成本函数；np是预测时域；是k时刻的跟踪误差，是第k时刻的预测状态；q和r是权重矩阵，可以根据经验调整，预测状态的计算方法为：

50、

51、式中u(0)…u(k)分别是0…k时刻的输入，需要通过求解公式得到。

52、进一步的，假设测功机中电机的拓扑结构应该为3l-ncm，电机的a相出现了故障，可以通过故障检测算法定位到故障，根据试验测得零序电阻r0和零序电感l0；

53、进一步的，通过在变流器的输出电压中叠加零序电流i0，此时电机的三相电压和电流处于平衡状态，此时三相电流分别为：

54、

55、根据此时应该加载的零序电压为进一步构建此时电机的模型为：

56、

57、式中，ia是需要加载的零序电流；

58、进一步的，设计如下所示的eso观测器，观测由参数失配和外界扰动引起的总扰动：

59、

60、式中的观测器增益k1、k2可以根据以下公式计算得到：

61、

62、其中ω0可以在0-1.4/t中选择一个合适的值；

63、进一步的，通过求解以下优化问题得到电机的最优控制序列u(0)…u(k)

64、

65、其中是k时刻的跟踪误差，是第k时刻的预测状态，其计算方法为：

66、

67、选择求解出来的u(0)作为当前的控制输入，实现电机的控制。

68、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

69、1、与现有技术相比，本发明使用了3l-ncm拓扑结构，当其中一相绕组出现开路故障后，中性电流可以通过电容中点流回直流母线，结合两相正常绕组和一相中性回路的断相绕组电机可以看作是一个健康平衡的三相电机，如果能够通过前馈零序电压正确注入零序电流，则原有的pi控制器将能够在不改变控制结构的情况下控制剩余的“健康”两相并实现容错控制。

70、2、与现有技术相比，本发明通过零序电阻和电感是通过试验测得的，可能有参数失配的情况，加上不可避免的外部扰动，电机系统难以实现高精度控制。本发明专利通过eso估计出了由于参数失配和外部扰动引起的总的扰动，并进行控制器补偿，对控制器对参数失配和外部扰动都有较高的鲁棒性。

71、3、本发明相较于传统矢量控制本质上是一种基于误差反馈的控制策略，是在误差发生后才能进行控制的方式下，利用的模型预测控制是一种基于预测量进行控制的算法，相较于矢量控制的“误后校正”，其具备“超前预判”的特性与快速动态响应的潜力，契合电机容错运行的需求。

72、4、发明对驱动系统的拓扑进行一定的重构，并提出了一种基于扰动观测器的鲁棒容错控制策略，实现了故障后不会对原有控制架构造成任何干扰，保持foc的控制效果，同时通过eso估计了由参数失配和外界扰动引起的总扰动并补偿，实现了电机的高精度控制。