一种航空涵道风扇电动机的鲁棒模型预测控制方法

本发明属于与航空电气与电力，具体涉及一种飞机涵道风扇电动机的鲁棒模型预测控制方法。

背景技术：

1、随着空中交通的日益发展，现有燃油动力技术改进已无法完全满足对航空减排政策的要求，油电混合动力系统发展应运而生。随着后续航空电机、电力电子、储能系统等技术的进步，多电飞机可迅速应用到生活中各大场景，在减少燃油消耗、噪声控制、减少污染排放等方面做出突出贡献。而涵道风扇电动机作为多电飞机中非常重要的部件之一，它的转速直接影响到发动机的性能和效率。现在大多数风扇电动机采用永磁同步电机，它们具有功率密度高、效率高、响应快等优点，相较于其他类型电动机可以提供更高的推力，并且在高速运转时具有更高的效率。由于航空涵道风扇电动机的转子设计和工作状态复杂，并且在飞行过程中满足涵道风扇的负载特性的同时需要保持系统的可靠性和安全性，因此需要开发更多复杂的控制算法来确保电机的良好运行。

2、在涵道风扇电动机控制算法方面，目前国内外采用的方法都是基于比例积分的矢量控制或者直接转矩控制。特别是在高空中，飞机所处环境复杂，干扰大且频繁。传统的双闭环矢量控制动态响应较慢，抗扰能力差，无法应对复杂的工作环境。同时直接转矩控制在小功率时转矩脉动大，启动性能差，不能很好处理电动机饱和情况。综上，目前采用的方法不能满足多电飞机复杂的工作环境以及控制要求。

3、因此，计划采用模型预测控制算法(model predictive control,mpc)控制涵道风扇电动机。与传统矢量控制相比，mpc根据最优代价函数直接选取最优电压矢量作用于电机，动态性能更好；且相比于直接转矩控制，mpc通过实时计算使得选择的电压更为准确，稳态性能更好。但是由于mpc依赖于建立的数学模型选择最优电压矢量，当预测模型电机参数与实际参数不符时会导致定子电流振荡从而影响系统的控制性能。因此，探索出降低mpc的参数敏感性，即增加mpc控制系统的鲁棒性的算法成为一个亟需解决的问题。航空涵道风扇电动机的鲁棒模型预测控制算法也因此具备了广阔的研究和应用前景。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有模型预测控制技术存在的抗扰性差，参数敏感性高，系统稳定性差的问题，而提出的一种基于非线性扩展状态观测器的鲁棒模型预测控制方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种航空涵道风扇电动机的鲁棒模型预测控制方法，包括以下步骤：

4、第一步，涵道风扇电动机的建模以及mpc算法建模；

5、第二步，根据涵道风扇电动机模型及mpc算法模型设计非线性扩展状态观测器，并将观测器与mpc算法相结合；

6、第三步，非线性扩展状态观测器的抗扰性能分析。

7、现具体阐述如下：

8、第一步，涵道风扇电动机的建模以及mpc算法建模；

9、步骤1：为了便于分析，首先定义同步旋转坐标系；

10、步骤2：在步骤1的基础上对涵道风扇电动机的电压方程离散化处理，方便进行模型预测控制；

11、步骤3：分别解释基本矢量模型预测控制算法和pwm模型预测算法的原理；

12、第二步，根据涵道风扇电动机模型及mpc算法模型设计非线性扩展状态观测器，并将观测器与mpc算法相结合；

13、步骤4：在步骤2的基础上，考虑电动机系统中存在参数扰动的情况，从而分析得到电动机的实际的模型预测控制算法的数学表达式；

14、步骤5：设计非线性扩展状态观测器；

15、步骤6：整理步骤4、步骤5的模型信息，将neso与两种mpc算法相结合；

16、第三步，非线性扩展状态观测器的抗扰性能分析。

17、步骤7：在matlab/simulink环境下，采用模块化建模技术，搭建涵道风扇电动机模型、搭建模型预测控制算法模型以及构建neso，验证加入neso的mpc算法的性能。首先在未加入neso之前通过仿真分别得到正常状态下与参数失配情况下电动机定子电流的数据，通过fft分析对比总谐波失真率(total harmonic distortion rate，thd)来观察参数失配对mpc的定子电流的影响；接着在mpc算法中加入neso，通过fft分析对比在参数失配的情况下加入neso前后的thd值，若加入neso的thd值要恒小于未加入neso的值，则证明本发明提出的方法是可以增加模型预测控制算法整体的参数鲁棒性。

18、本发明的有益效果：

19、现有涵道风扇电动机的控制，难以满足高动态响应、高抗扰的性能要求。在工程实践中，目前普遍采用是基于比例积分的矢量控制或者直接转矩控制，根据已有文献表明，mpc动态性能更好，通过实时计算使得选择的电压更为准确，稳态性能更好，但抗扰性差，对模型参数的敏感性强。本发明提供了一种基于非线性扩展状态观测器的鲁棒模型预测方法，弥补了现有模型预测控制算法的不足。本发明将非线性自抗扰技术应用到航空涵道风扇电动机的控制中，操作简单，抗扰性强，并可提高电动机的动态响应与稳态性能。该方法具有一定的拓展性，可推广到其它领域。

技术特征：

1.一种航空涵道风扇电动机的鲁棒模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于航空涵道风扇电动机的鲁棒模型预测电流控制方法，其特征在于，所述的第一步中，本发明采用表贴式永磁同步电机，则交直轴电感近似相等，即l＝ld＝lq。

3.如权利要求1或2所述的一种基于航空涵道风扇电动机的鲁棒模型预测电流控制方法，其特征在于，所述的第七步，具体操作如下：

技术总结
本发明属于与航空电气与电力技术领域，提供了一种飞机涵道风扇电动机的鲁棒模型预测控制方法，用于降低航空涵道风扇电动机的模型预测控制方法的模型参数敏感性，由于模型预测控制依赖于建立的数学模型选择最优电压矢量，当预测模型电机参数与实际参数不符时会导致定子电流振荡从而影响系统的控制性能,采用非线性扩展状态观测器可以观测到系统的参数干扰与外界扰动，将之前馈补偿至电流环中从而增加系统的鲁棒性。本发明将非线性自抗扰技术应用到航空涵道风扇电动机的控制中，操作简单，抗扰性强，并可提高电动机的动态响应与稳态性能。该方法具有一定的拓展性，可推广到其它领域。

技术研发人员：孙希明,韩炎斌,林平
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22