超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法及装置

1.本发明涉及无模型预测电流控制领域，具体而言，涉及一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法及装置。


背景技术：

2.为了提高模型预测电流控制的鲁棒性，除了对电机参数进行辨识外，无模型预测电流控制可以无需电机参数实现对未来时刻电流的预测。在有限集无模型预测电流控制中，未来时刻电流的预测依赖于逆变器电压矢量相对应的电流梯度。然而，由于每一个控制周期只能施加一种电压矢量，因此，电流梯度的更新存在滞后问题，从而影响预测电流的精度。
3.为了提高电流梯度的更新频率，可设计基于超局部模型的电流梯度更新策略。然而，在超局部模型中，除了使用观测器对参数进行观测外，还需要设计比例因子，从而实现电流梯度的更新。在基于超局部模型的无模型预测电流中，结合电机的电感标称参数，可对比例因子进行设计。然而，由于电机工况的变化，电机的实际参数与标称参数会不匹配，设计的比例因子可能存在误差。因此，需要研究超局部模型比例因子的在线辨识和补偿策略，提高未来时刻电流预测的精度，从而实现永磁同步电机电流环的高性能控制。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法及装置，以至少解决现有技术中电机工作状态发生改变时无法对补偿参数进行切换的技术问题。
5.根据本发明的一实施例，提供了一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法，包括以下步骤：
6.建立永磁同步电机的超局部模型；
7.对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值；
8.对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值；
9.对设计的比例因子进行在线补偿和自切换。
10.进一步地，建立永磁同步电机的超局部模型包括：
11.一阶单输入单输出系统的超局部模型的表达式为：
[0012][0013]
其中，u(t)和y(t)分别为系统的输入和输出；α为设计的比例因子；f(t)为系统的相关项的总和，包含系统的多个部分；
[0014]
基于公式(1)，经过离散化的永磁同步电机模型表示为：
[0015][0016]
其中：其中：id(k)、id(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的d轴电流；iq(k)、iq(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的q轴电流；rs、ls和ψf分别为永磁同步电机的标称电阻、标称电感和标称磁链；ωr为永磁同步电机的电角速度；ts为永磁同步电机电流环的采样周期；
[0017]
将δis(k)＝is(k+1)-is(k)代入公式(2)可得电流梯度为：
[0018][0019]
其中：ud(k)和uq(k)为d、q轴在第k个控制周期的输入电压。
[0020]
进一步地，对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值包括：
[0021]
假定系统中其他参数不变，按照标称参数设计的比例因子αs与系统实际的比例因子α0失配的性能分析如下：
[0022]
以q轴电流为研究对象，将q轴参考电流代入公式(2)中可得：
[0023]
同时，在第(k+1)个采样周期的实际电流iq(k+1)依据公式(2)可得：
[0024]
比较公式(4)和公式(5)，并将公式(2)中的fq代入可得：
[0025][0026]
将公式(6)进行z变换，可得电流传递函数h(z)为：
[0027][0028]
此时，电流预测离散系统的极点为：
[0029][0030]
由公式(8)可知，该离散系统的稳定条件为：
[0031][0032]
进一步地，对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值包括：
[0033]
设计滑模观测器smo如下：
[0034][0035]
其中：和分别为d轴电流和参数fd的观测值；为比例因子的观测值；sign()为符号函数；g为观测器的增益系数；η为控制律的增益系数；
[0036]
化简公式(10)可得与之间的关系为：
[0037][0038]
将和分别设定为辨识系统的输入和输出，设定为辨识系统的外部扰动，对公式(11)进行laplace变换可得辨识模型传递函数g(s)：
[0039][0040]
设计pi控制器为：
[0041][0042]
其中，e
in
为pi控制器的输入；k
p
为pi控制器的比例系数；ki为pi控制器的积分系数；
[0043]
围绕d轴电流对pi控制器进行设计，由公式(2)可得：
[0044][0045]
进一步地，将pi控制器的输出输入至公式(12)所示的辨识模型中，经过模型输出当观测值收敛至参考值时，pi控制器的输出等于电机的真实比例因子α0。
[0046]
进一步地，对设计的比例因子进行在线补偿和自切换包括：
[0047]
当速度的跟踪误差在
±
2％时，判定速度达到稳态；条件1为：
[0048][0049]
其中，e
speed
为速度跟踪误差，为参考速度；
[0050]
条件2为：
[0051]
|s
spee
d|≤s
min
ꢀꢀꢀ
(16)
[0052]
其中，s
speed
为速度的斜率，s
min
为设定的斜率比较值；
[0053]
在速度跟踪不满足条件1和条件2时，限定pi控制器的输出值为变化前最后时刻的
值；
[0054]
根据电机的标称参数对比例因子α的初值进行设定。
[0055]
进一步地，当速度跟踪同时满足条件1和条件2时，系统会自动切换比例因子α为pi控制器输出的辨识结果当电机运行速度发生改变时，再次自动切换比例因子α为变化前的最后时刻值，直到系统的速度再次稳定，并满足条件1和条件2时，再次自动切换为pi控制器输出的辨识结果
[0056]
根据本发明的另一实施例，提供了一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿装置，包括：
[0057]
模型建立单元，用于建立永磁同步电机的超局部模型；
[0058]
失配性能分析单元，用于对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值；
[0059]
比例因子辨识单元，用于对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值；
[0060]
在线补偿和自切换单元，用于对设计的比例因子进行在线补偿和自切换。
[0061]
一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法。
[0062]
一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法。
[0063]
本发明实施例中的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法及装置，首先建立永磁同步电机的超局部模型；对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值；再对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值；最后对设计的比例因子进行在线补偿和自切换，避免参数波动带来的电流预测误差。本发明在实现超局部模型比例因子辨识的同时，能够对其进行在线补偿。
附图说明
[0064]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0065]
图1为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法的流程图；
[0066]
图2(a)为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中时电流预测离散系统的零极点分布图；
[0067]
图2(b)为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中时电流预测离散系统的脉冲响应图；
[0068]
图3(a)为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中时电流预测离散系统的零极点分布图；
[0069]
图3(b)为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中时电流预测离散系统的脉冲响应图；
[0070]
图4(a)为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中时电流预测离散系统的零极点分布图；
[0071]
图4(b)为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中
[0072]
时电流预测离散系统的脉冲响应图；
[0073]
图5为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中辨识和自切换策略控制框图；
[0074]
图6为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中比例因子α在不同工况下的输出图；
[0075]
图7(a)为现有技术中比例因子无补偿下不同工况下q轴电流跟踪情况图；
[0076]
图7(b)为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法中比例因子补偿下不同工况下q轴电流跟踪情况图；
[0077]
图8为本发明超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿装置的模块图。
具体实施方式
[0078]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0079]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0080]
实施例1
[0081]
根据本发明一实施例，提供了一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法，参见图1，包括以下步骤：
[0082]
s100:建立永磁同步电机的超局部模型；
[0083]
s200:对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值；
[0084]
s300:对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值；
[0085]
s400:对设计的比例因子进行在线补偿和自切换。
[0086]
本发明实施例中的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法，首先建立永磁同步电机的超局部模型；对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值；再对设计的比例因子进行辨识，将设计的
参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值；最后对设计的比例因子进行在线补偿和自切换，避免参数波动带来的电流预测误差。本发明在实现超局部模型比例因子辨识的同时，能够对其进行在线补偿。
[0087]
其中，建立永磁同步电机的超局部模型包括：
[0088]
一阶单输入单输出系统的超局部模型的表达式为：
[0089][0090]
其中，u(t)和y(t)分别为系统的输入和输出；α为设计的比例因子；f(t)为系统的相关项的总和，包含系统的多个部分；
[0091]
基于公式(1)，经过离散化的永磁同步电机模型表示为：
[0092][0093]
其中：其中：id(k)、id(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的d轴电流；iq(k)、iq(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的q轴电流；rs、ls和ψf分别为永磁同步电机的标称电阻、标称电感和标称磁链；ωr为永磁同步电机的电角速度；ts为永磁同步电机电流环的采样周期；
[0094]
将δis(k)＝is(k+1)-is(k)代入公式(2)可得电流梯度为：
[0095][0096]
其中：ud(k)和uq(k)为d、q轴在第k个控制周期的输入电压。
[0097]
其中，对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值包括：
[0098]
假定系统中其他参数不变，按照标称参数设计的比例因子αs与系统实际的比例因子α0失配的性能分析如下：
[0099]
以q轴电流为研究对象，将q轴参考电流代入公式(2)中可得：
[0100]
同时，在第(k+1)个采样周期的实际电流iq(k+1)依据公式(2)可得：
[0101]
比较公式(4)和公式(5)，并将公式(2)中的fq代入可得：
[0102][0103]
将公式(6)进行z变换，可得电流传递函数h(z)为：
[0104][0105]
此时，电流预测离散系统的极点为：
[0106][0107]
由公式(8)可知，该离散系统的稳定条件为：
[0108][0109]
其中，对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值包括：
[0110]
设计滑模观测器smo如下：
[0111][0112]
其中：和分别为d轴电流和参数fd的观测值；为比例因子的观测值；sign()为符号函数；g为观测器的增益系数；η为控制律的增益系数。
[0113]
化简公式(10)可得与之间的关系为：
[0114][0115]
将和分别设定为辨识系统的输入和输出，设定为辨识系统的外部扰动，对公式(11)进行laplace变换可得辨识模型传递函数g(s)：
[0116][0117]
设计pi控制器为：
[0118][0119]
其中，e
in
为pi控制器的输入；k
p
为pi控制器的比例系数；ki为pi控制器的积分系数。
[0120]
围绕d轴电流对pi控制器进行设计，由公式(2)可得：
[0121]
[0122]
其中，将pi控制器的输出输入至公式(12)所示的辨识模型中，经过模型输出当观测值收敛至参考值时，pi控制器的输出等于电机的真实比例因子α0。
[0123]
其中，对设计的比例因子进行在线补偿和自切换包括：
[0124]
当速度的跟踪误差在
±
2％时，判定速度达到稳态；条件1为：
[0125][0126]
其中，e
speed
为速度跟踪误差，为参考速度；
[0127]
条件2为：
[0128]sspeed
|≤s
min
(16)
[0129]
其中，s
speed
为速度的斜率，s
min
为设定的斜率比较值；
[0130]
在速度跟踪不满足条件1和条件2时，限定pi控制器的输出值为变化前最后时刻的值；
[0131]
根据电机的标称参数对比例因子α的初值进行设定。
[0132]
其中，当速度跟踪同时满足条件1和条件2时，系统会自动切换比例因子α为pi控制器输出的辨识结果当电机运行速度发生改变时，再次自动切换比例因子α为变化前的最后时刻值，直到系统的速度再次稳定，并满足条件1和条件2时，再次自动切换为pi控制器输出的辨识结果
[0133]
下面以具体实施例，对本发明的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法进行详细说明：
[0134]
针对无模型预测电流控制策略中电流梯度更新存在的滞后问题，可设计基于超局部模型的电流梯度更新策略。然而，由于超局部模型的参数不匹配将影响电流预测精度，因此，本发明提出了一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法，以提高超局部模型比例因子的准确性，同时还分析了比例因子失配对电流跟踪性能的影响。该方法基于有限控制集无模型预测电流控制，涉及的是永磁同步电机的有限控制集预测控制领域。本发明在实现超局部模型比例因子辨识的同时，能够对其进行在线补偿。同时，所提出的自切换策略能够保证在电机工作状态发生改变时对补偿参数进行切换，避免参数波动带来的电流预测误差。
[0135]
本发明具体包括：
[0136]
1.建立永磁同步电机的超局部模型。
[0137]
一阶单输入单输出系统的超局部模型的表达式为：
[0138][0139]
其中，u(t)和y(t)分别为系统的输入和输出；α为可设计的比例因子；f(t)为系统的相关项的总和，包含系统的多个部分。
[0140]
基于公式(1)，经过离散化的永磁同步电机模型可表示为：
[0141][0142]
其中：其中：id(k)、id(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的d轴电流；iq(k)、iq(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的q轴电流；rs、ls和ψf分别为永磁同步电机的标称电阻、标称电感和标称磁链；ωr为永磁同步电机的电角速度；ts为永磁同步电机电流环的采样周期。
[0143]
将δis(k)＝is(k+1)-is(k)代入公式(2)可得电流梯度为：
[0144][0145]
其中：ud(k)和uq(k)为d、q轴在第k个控制周期的输入电压。
[0146]
在公式(3)中，fd(k)和fq(k)可以通过观测器进行观测，然而，在进行观测器的设计时，比例因子α将直接影响观测结果的准确性，进而影响逆变器电压矢量相对应的电流梯度的准确性。在电机参数匹配的情况下，可通过电机的标称电感参数对比例因子α进行设计，然而，随着电机工况的改变等原因，电机参数存在失配现象，此时，按照标称参数设计的比例因子αs将与电机实际的最优α存在偏差，因此，需要在线对比例因子α进行辨识并补偿，从而保证电流梯度预测的准确性。
[0147]
2.比例因子α失配性能分析。
[0148]
假定系统中其他参数不变，按照标称参数设计的比例因子αs与系统实际的比例因子α0失配的性能分析如下：
[0149]
以q轴电流为研究对象，将q轴参考电流代入公式(2)中可得：
[0150]
同时，在第(k+1)个采样周期的实际电流iq(k+1)依据公式(2)可得：
[0151]
比较公式(4)和公式(5)，并将公式(2)中的fq代入可得：
[0152][0153]
将公式(6)进行z变换，可得电流传递函数h(z)为：
[0154]
[0155]
此时，电流预测离散系统的极点为：
[0156][0157]
离散系统的极点分布决定了离散系统的稳定性和电流阶跃响应特性。根据离散系统在z域的稳定性判定条件可知，当离散系统的极点全部分布在以z域原点为圆心的单位圆内时，此时离散系统能够保持稳定，因此，由公式(8)可知，该离散系统的稳定条件为：
[0158][0159]
当时，离散系统的极点位于单位圆的实轴的右半平面上，此时，离散系统处于稳定状态，当系统输入为阶跃参考信号时，系统的输出会单调衰减，并且极点位置越靠近原点，响应速度越快。当时，离散系统的极点位于单位圆的原点，此时，离散系统处于稳定状态，并且能够对阶跃参考电流信号无差拍响应。当时，离散系统的极点位于单位圆的实轴的左半平面上，此时，离散系统处于稳定状态，当系统输入为阶跃参考信号时，系统的输出会振荡衰减。当时，离散系统的极点位于单位圆外，离散系统不稳定，此时，将无法有效地响应阶跃输入。
[0160]
不同比例因子下，电流预测离散系统的零极点分布和脉冲响应如图2～图4所示。当设计的比例因子与电机实际参数相差较大时，此时系统输出的电流将无法准确地跟踪输入，从而影响电流环的控制性能。因此，依据电机的标称参数设计的比例因子与系统的最佳比例因子可能存在偏差，设计辨识策略来对比例因子进行在线辨识并补偿对提高有限集无模型预测电流控制的精度至关重要。
[0161]
3.比例因子α的辨识策略。
[0162]
为了对比例因子α进行辨识，设计滑模观测器(smo)如下：
[0163][0164]
其中：和分别为d轴电流和参数fd的观测值；为比例因子的观测值；sign()为符号函数；g为观测器的增益系数；η为控制律的增益系数。
[0165]
化简公式(10)可得与之间的关系为：
[0166][0167]
将和分别设定为辨识系统的输入和输出，设定为辨识系统的外部扰动，对公式(11)进行laplace变换可得辨识模型传递函数g(s)：
[0168][0169]
通过公式(12)可以看出，辨识系统的模型为一阶惯性环节，因此，为了实现比例因子α的辨识，基于公式(12)，设计pi控制器，通过pi控制器的收敛，从而实现比例因子α的辨
识。设计pi控制器为：
[0170][0171]
其中，e
in
为pi控制器的输入；k
p
为pi控制器的比例系数；ki为pi控制器的积分系数。
[0172]
由于d轴电流公式中不包含电机磁链项，同时d轴电流被设置为0，因此，围绕d轴电流对pi控制器进行设计，由公式(2)可得：
[0173][0174]
由于d轴电流被设置为0，项可以被近似为0，因此，将pi控制器的输出输入至公式(12)所示的辨识模型中，经过模型输出当观测值收敛至参考值即ωriq时，pi控制器的输出可近似等于电机的真实比例因子α0，从而实现超局部模型的比例因子的辨识。
[0175]
4.比例因子的在线补偿和自切换策略。
[0176]
通过公式(13)，超局部模型的比例因子α可以通过pi控制器进行辨识，然而，由于参考值与电机的速度相关联，因此，当电机启动时，速度为0，此时参考值经过计算为0，pi控制器的输出也为0，当直接将pi控制器的输出用于电流梯度预测时，电流预测离散系统的极点位于单位圆之外，输出电流无法正确响应参考电流，此时，系统无法收敛。此外，由于pi控制器收敛需要时间，当电机运行速度发生改变时，参考值随着电机运行速度的变化而发生改变，此时，pi控制器的输出会随着输入的变化而改变。只有当速度稳定时，pi控制器才可输出可靠的辨识值因此，pi控制器的输出值无法直接用于电流的预测，需要对pi控制器的输出进行自切换，以保证超局部模型的比例因子α的准确性。
[0177]
结合pi控制器的特点，首先需要判定速度是否达到稳态，依据调节时间的定义，即速度到达并保持在参考速度的
±
2％内所需的最短时间，判定速度是否达到稳态。当速度的跟踪误差在
±
2％时，即判定速度达到稳态。条件1即为：
[0178][0179]
其中，e
speed
为速度跟踪误差，为参考速度。
[0180]
其次，当速度的跟踪存在超调，且超调大于参考速度
±
2％时，此时，速度跟踪误差会出现位于
±
2％内，但此时的速度并未达到稳态，若施加pi控制器的输出值，会因为自切换而产生震荡，因此，还需要通过电机输出速度的斜率进行判定。当电机速度上升时，其斜率大于稳态时的速度斜率，通过增加判定速度斜率的条件，可避免比例因子在速度超调时进行切换。条件2即为：
[0181]
|s
speed
|≤s
min
ꢀꢀꢀ
(16)
[0182]
其中，s
speed
为速度的斜率，s
min
为设定的斜率比较值。
[0183]
再次，当电机的参考速度发生改变时，由于辨识模型的参考值与速度相关联，因
此，会随着电机参考速度的改变而变化。此时，pi控制器在速度变化前建立的稳定状态会被打破，继续进行调节状态。在调节的过程中，pi控制器的输出的比例因子α会随之进行波动，从而影响预测电流的准确性。因此，需要在速度跟踪不满足条件1和条件2时，限定pi控制器的输出值为变化前最后时刻的值，从而避免比例因子α的波动。
[0184]
最后，由于pi控制器的输出值从0开始逐渐到达稳态，因此，为了实现在线补偿，还需要对比例因子α的初值进行设定，初值的设定是为了保证电机能够正常运行并达到稳态，从而保证pi控制器能够正常收敛。为了保证比例因子α初值的有效性，可根据电机的标称参数进行设置。
[0185]
综上所述，为了保证比例因子的在线辨识补偿，自切换策略可总结为：超局部模型的比例因子会依据初值对电流进行预测，从而保证电机的正常运行。当速度跟踪同时满足条件1和条件2时，系统会自动切换比例因子为pi控制器输出的辨识结果当电机运行速度发生改变时，再次自动切换比例因子α为变化前的最后时刻值，直到系统的速度再次稳定，并满足条件1和条件2时，再次自动切换为pi控制器输出的辨识结果通过自切换策略，可以保证辨识策略的在线补偿，同时，当电机运行状态发生变化时，利用自切换策略避免比例因子α的跟随电机状态发生波动，从而提高了无模型预测电流控制的性能。辨识策略和自切换策略控制框图如图5所示。
[0186]
为了验证本发明所提出的在线自切换辨识算法的有效性，通过改变电机速度和负载阶跃来模拟电机不同的运行工况。如图6所示，电机在2s时速度从50r/min阶跃至100r/min，在4s时，外部负载从1n
·
m阶跃至2n
·
m。图中虚线为比例因子α依据电机的标称参数确定的标称值，点划线为辨识策略输出的比例因子的辨识值，实线为经过自切换策略后比例因子α的输出值。从图6中可以看出，当电机工况发生变化时，由于速度发生波动，导致α的辨识值跟随速度的波动偏离稳态值，因此，辨识策略输出的辨识值无法直接加载至系统中进行电流的预测。在本发明提出的自切换策略中，当电机启动时，α的辨识值从0开始逐渐进入稳态，当直接加载时，由于系统不稳定，此时系统将无法正常运行，通过自切换策略中的预设值，可以保证电机顺利启动，并且速度到达稳态，当满足切换条件时，系统将自动切换至辨识值；同时，当电机工况发生变化，通过自切换策略，可以保证在速度波动时，系统能够输入稳定的比例因子，从而减小了α的波动对电流预测的影响。
[0187]
为了验证本发明所提出的在线自切换辨识补偿算法的有效性，不同工况下q轴电流的跟踪情况对比如图7所示。为了模拟电机运行中参数发生失配，通过直接修改电机模型的参数来进行仿真。图7(a)中比例因子选取基于电机的标称参数，然而，由于电机的模型参数经过修改，与标称参数发生失配，因此，未来时刻电流预测产生较大的误差，增大纹波电流，影响q轴参考电流的跟踪性能。图7(b)中比例因子的选取基于本发明所提出的在线自切换辨识补偿算法。通过对比例因子进行辨识补偿，避免对标称参数的依赖，从而提高电流的跟踪性能，相较于图7(a)，图7(b)中q轴电流的电流纹波和跟踪误差明显更小，具有更好的电流跟踪性能。然而，需要注意的是，由于辨识策略的收敛需要时间，因此，由于设定的初值无法真实确定，可能会产生较大的初始波动，然而，一旦辨识策略收敛，所设计的自切换策略即可对比例因子进行切换，从而保证了电机运行过程中的性能。除此以外，还可通过多次重复实验，对初值进行预测试，在保证电机稳态性能的同时，提高电机启动时的瞬态性能。
[0188]
本发明以探测信噪比作为评价标准，建立全局参数间存在的直接作用、间接作用和弱关联作用迭代关系，构建包含多物理量的全探测链路中全局参数间的多重耦合探测模型方式。鉴于此，本发明提出一种基于多重耦合关系的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法，包括航空编码孔径光谱成像仪探测中的探测信噪比、瞬时视场角、采样次数、信息冗余度、光谱分辨率、系统/探测器噪声、光谱范围、数据刷新率、成像帧频、平台振动、姿态变化、平台航速等多种航空参数，通过区分上述物理量对探测信噪比的作用，各物理量之间的间接作用和特定条件下的弱关联性，构建一个可被广泛接受的多参量多重耦合探测模型。
[0189]
实施例2
[0190]
根据本发明的另一实施例，提供了一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿装置，参见图8，包括：
[0191]
模型建立单元201，用于建立永磁同步电机的超局部模型；
[0192]
失配性能分析单元202，用于对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值；
[0193]
比例因子辨识单元203，用于对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值；
[0194]
在线补偿和自切换单元204，用于对设计的比例因子进行在线补偿和自切换。
[0195]
本发明实施例中的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿装置，首先建立永磁同步电机的超局部模型；对超局部模型中设计的比例因子进行失配性能分析，确保设计的比例因子与最佳比例因子偏差低于预设阈值；再对设计的比例因子进行辨识，将设计的参考值输入至辨识模型后输出比例因子观测值，确保比例因子观测值收敛至参考值；最后对设计的比例因子进行在线补偿和自切换，避免参数波动带来的电流预测误差。本发明在实现超局部模型比例因子辨识的同时，能够对其进行在线补偿。
[0196]
下面以具体实施例，对本发明的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿装置进行详细说明：
[0197]
针对无模型预测电流控制策略中电流梯度更新存在的滞后问题，可设计基于超局部模型的电流梯度更新策略。然而，由于超局部模型的参数不匹配将影响电流预测精度，因此，本发明提出了一种超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿装置，以提高超局部模型比例因子的准确性，同时还分析了比例因子失配对电流跟踪性能的影响。该装置基于有限控制集无模型预测电流控制，涉及的是永磁同步电机的有限控制集预测控制领域。本发明在实现超局部模型比例因子辨识的同时，能够对其进行在线补偿。同时，所提出的自切换策略能够保证在电机工作状态发生改变时对补偿参数进行切换，避免参数波动带来的电流预测误差。
[0198]
本发明具体包括：
[0199]
1.建立永磁同步电机的超局部模型。
[0200]
一阶单输入单输出系统的超局部模型的表达式为：
[0201][0202]
其中，u(t)和y(t)分别为系统的输入和输出；α为可设计的比例因子；f(t)为系统
的相关项的总和，包含系统的多个部分。
[0203]
基于公式(1)，经过离散化的永磁同步电机模型可表示为：
[0204][0205]
其中：其中：id(k)、id(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的d轴电流；iq(k)、iq(k+1)分别为第(k)个采样周期和第(k+1)个采样周期的q轴电流；rs、ls和ψf分别为永磁同步电机的标称电阻、标称电感和标称磁链；ωr为永磁同步电机的电角速度；ts为永磁同步电机电流环的采样周期。
[0206]
将δis(k)＝is(k+1)-is(k)代入公式(2)可得电流梯度为：
[0207][0208]
其中：ud(k)和uq(k)为d、q轴在第k个控制周期的输入电压。
[0209]
在公式(3)中，fd(k)和fq(k)可以通过观测器进行观测，然而，在进行观测器的设计时，比例因子α将直接影响观测结果的准确性，进而影响逆变器电压矢量相对应的电流梯度的准确性。在电机参数匹配的情况下，可通过电机的标称电感参数对比例因子α进行设计，然而，随着电机工况的改变等原因，电机参数存在失配现象，此时，按照标称参数设计的比例因子αs将与电机实际的最优α存在偏差，因此，需要在线对比例因子α进行辨识并补偿，从而保证电流梯度预测的准确性。
[0210]
2.比例因子α失配性能分析。
[0211]
假定系统中其他参数不变，按照标称参数设计的比例因子αs与系统实际的比例因子α0失配的性能分析如下：
[0212]
以q轴电流为研究对象，将q轴参考电流代入公式(2)中可得：
[0213]
同时，在第(k+1)个采样周期的实际电流iq(k+1)依据公式(2)可得：
[0214]
比较公式(4)和公式(5)，并将公式(2)中的fq代入可得：
[0215][0216]
将公式(6)进行z变换，可得电流传递函数h(z)为：
[0217][0218]
此时，电流预测离散系统的极点为：
[0219][0220]
离散系统的极点分布决定了离散系统的稳定性和电流阶跃响应特性。根据离散系统在z域的稳定性判定条件可知，当离散系统的极点全部分布在以z域原点为圆心的单位圆内时，此时离散系统能够保持稳定，因此，由公式(8)可知，该离散系统的稳定条件为：
[0221][0222]
当时，离散系统的极点位于单位圆的实轴的右半平面上，此时，离散系统处于稳定状态，当系统输入为阶跃参考信号时，系统的输出会单调衰减，并且极点位置越靠近原点，响应速度越快。当时，离散系统的极点位于单位圆的原点，此时，离散系统处于稳定状态，并且能够对阶跃参考电流信号无差拍响应。当时，离散系统的极点位于单位圆的实轴的左半平面上，此时，离散系统处于稳定状态，当系统输入为阶跃参考信号时，系统的输出会振荡衰减。当时，离散系统的极点位于单位圆外，离散系统不稳定，此时，将无法有效地响应阶跃输入。
[0223]
不同比例因子下，电流预测离散系统的零极点分布和脉冲响应如图2～图4所示。当设计的比例因子与电机实际参数相差较大时，此时系统输出的电流将无法准确地跟踪输入，从而影响电流环的控制性能。因此，依据电机的标称参数设计的比例因子与系统的最佳比例因子可能存在偏差，设计辨识策略来对比例因子进行在线辨识并补偿对提高有限集无模型预测电流控制的精度至关重要。
[0224]
3.比例因子α的辨识策略。
[0225]
为了对比例因子α进行辨识，设计滑模观测器(smo)如下：
[0226][0227]
其中：和分别为d轴电流和参数fd的观测值；为比例因子的观测值；sign()为符号函数；g为观测器的增益系数；η为控制律的增益系数。
[0228]
化简公式(10)可得与之间的关系为：
[0229][0230]
将和分别设定为辨识系统的输入和输出，设定为辨识系统的外部扰动，对公式(11)进行laplace变换可得辨识模型传递函数g(s)：
[0231][0232]
通过公式(12)可以看出，辨识系统的模型为一阶惯性环节，因此，为了实现比例因子α的辨识，基于公式(12)，设计pi控制器，通过pi控制器的收敛，从而实现比例因子α的辨识。设计pi控制器为：
[0233][0234]
其中，e
in
为pi控制器的输入；k
p
为pi控制器的比例系数；ki为pi控制器的积分系数。
[0235]
由于d轴电流公式中不包含电机磁链项，同时d轴电流被设置为0，因此，围绕d轴电流对pi控制器进行设计，由公式(2)可得：
[0236][0237]
由于d轴电流被设置为0，项可以被近似为0，因此，将pi控制器的输出输入至公式(12)所示的辨识模型中，经过模型输出当观测值收敛至参考值即ωriq时，pi控制器的输出可近似等于电机的真实比例因子α0，从而实现超局部模型的比例因子的辨识。
[0238]
4.比例因子的在线补偿和自切换策略。
[0239]
通过公式(13)，超局部模型的比例因子α可以通过pi控制器进行辨识，然而，由于参考值与电机的速度相关联，因此，当电机启动时，速度为0，此时参考值经过计算为0，pi控制器的输出也为0，当直接将pi控制器的输出用于电流梯度预测时，电流预测离散系统的极点位于单位圆之外，输出电流无法正确响应参考电流，此时，系统无法收敛。此外，由于pi控制器收敛需要时间，当电机运行速度发生改变时，参考值随着电机运行速度的变化而发生改变，此时，pi控制器的输出会随着输入的变化而改变。只有当速度稳定时，pi控制器才可输出可靠的辨识值因此，pi控制器的输出值无法直接用于电流的预测，需要对pi控制器的输出进行自切换，以保证超局部模型的比例因子α的准确性。
[0240]
结合pi控制器的特点，首先需要判定速度是否达到稳态，依据调节时间的定义，即速度到达并保持在参考速度的
±
2％内所需的最短时间，判定速度是否达到稳态。当速度的跟踪误差在
±
2％时，即判定速度达到稳态。条件1即为：
[0241][0242]
其中，e
speed
为速度跟踪误差，为参考速度。
[0243]
其次，当速度的跟踪存在超调，且超调大于参考速度
±
2％时，此时，速度跟踪误差会出现位于
±
2％内，但此时的速度并未达到稳态，若施加pi控制器的输出值，会因为自切换而产生震荡，因此，还需要通过电机输出速度的斜率进行判定。当电机速度上升时，其斜率大于稳态时的速度斜率，通过增加判定速度斜率的条件，可避免比例因子在速度超调时
进行切换。条件2即为：
[0244]
|s
speed
|≤s
min
ꢀꢀꢀ
(16)
[0245]
其中，s
speed
为速度的斜率，s
min
为设定的斜率比较值。
[0246]
再次，当电机的参考速度发生改变时，由于辨识模型的参考值与速度相关联，因此，会随着电机参考速度的改变而变化。此时，pi控制器在速度变化前建立的稳定状态会被打破，继续进行调节状态。在调节的过程中，pi控制器的输出的比例因子α会随之进行波动，从而影响预测电流的准确性。因此，需要在速度跟踪不满足条件1和条件2时，限定pi控制器的输出值为变化前最后时刻的值，从而避免比例因子α的波动。
[0247]
最后，由于pi控制器的输出值从0开始逐渐到达稳态，因此，为了实现在线补偿，还需要对比例因子α的初值进行设定，初值的设定是为了保证电机能够正常运行并达到稳态，从而保证pi控制器能够正常收敛。为了保证比例因子α初值的有效性，可根据电机的标称参数进行设置。
[0248]
综上所述，为了保证比例因子的在线辨识补偿，自切换策略可总结为：超局部模型的比例因子会依据初值对电流进行预测，从而保证电机的正常运行。当速度跟踪同时满足条件1和条件2时，系统会自动切换比例因子为pi控制器输出的辨识结果当电机运行速度发生改变时，再次自动切换比例因子α为变化前的最后时刻值，直到系统的速度再次稳定，并满足条件1和条件2时，再次自动切换为pi控制器输出的辨识结果通过自切换策略，可以保证辨识策略的在线补偿，同时，当电机运行状态发生变化时，利用自切换策略避免比例因子α的跟随电机状态发生波动，从而提高了无模型预测电流控制的性能。辨识策略和自切换策略控制框图如图5所示。
[0249]
为了验证本发明所提出的在线自切换辨识算法的有效性，通过改变电机速度和负载阶跃来模拟电机不同的运行工况。如图6所示，电机在2s时速度从50r/min阶跃至100r/min，在4s时，外部负载从1nm阶跃至2nm。图中虚线为比例因子α依据电机的标称参数确定的标称值，点划线为辨识策略输出的比例因子的辨识值，实线为经过自切换策略后比例因子α的输出值。从图6中可以看出，当电机工况发生变化时，由于速度发生波动，导致α的辨识值跟随速度的波动偏离稳态值，因此，辨识策略输出的辨识值无法直接加载至系统中进行电流的预测。在本发明提出的自切换策略中，当电机启动时，α的辨识值从0开始逐渐进入稳态，当直接加载时，由于系统不稳定，此时系统将无法正常运行，通过自切换策略中的预设值，可以保证电机顺利启动，并且速度到达稳态，当满足切换条件时，系统将自动切换至辨识值；同时，当电机工况发生变化，通过自切换策略，可以保证在速度波动时，系统能够输入稳定的比例因子，从而减小了α的波动对电流预测的影响。
[0250]
为了验证本发明所提出的在线自切换辨识补偿算法的有效性，不同工况下q轴电流的跟踪情况对比如图7所示。为了模拟电机运行中参数发生失配，通过直接修改电机模型的参数来进行仿真。图7(a)中比例因子选取基于电机的标称参数，然而，由于电机的模型参数经过修改，与标称参数发生失配，因此，未来时刻电流预测产生较大的误差，增大纹波电流，影响q轴参考电流的跟踪性能。图7(b)中比例因子的选取基于本发明所提出的在线自切换辨识补偿算法。通过对比例因子进行辨识补偿，避免对标称参数的依赖，从而提高电流的跟踪性能，相较于图7(a)，图7(b)中q轴电流的电流纹波和跟踪误差明显更小，具有更好的
电流跟踪性能。然而，需要注意的是，由于辨识策略的收敛需要时间，因此，由于设定的初值无法真实确定，可能会产生较大的初始波动，然而，一旦辨识策略收敛，所设计的自切换策略即可对比例因子进行切换，从而保证了电机运行过程中的性能。除此以外，还可通过多次重复实验，对初值进行预测试，在保证电机稳态性能的同时，提高电机启动时的瞬态性能。
[0251]
本发明以探测信噪比作为评价标准，建立全局参数间存在的直接作用、间接作用和弱关联作用迭代关系，构建包含多物理量的全探测链路中全局参数间的多重耦合探测模型方式。鉴于此，本发明提出一种基于多重耦合关系的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法，包括航空编码孔径光谱成像仪探测中的探测信噪比、瞬时视场角、采样次数、信息冗余度、光谱分辨率、系统/探测器噪声、光谱范围、数据刷新率、成像帧频、平台振动、姿态变化、平台航速等多种航空参数，通过区分上述物理量对探测信噪比的作用，各物理量之间的间接作用和特定条件下的弱关联性，构建一个可被广泛接受的多参量多重耦合探测模型。
[0252]
实施例3
[0253]
一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法的程序文件。
[0254]
实施例4
[0255]
一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的超局部模型比例因子的在线自切换辨识补偿方法。
[0256]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0257]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0258]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0259]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0260]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0261]
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器
(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0262]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。