本發(fā)明屬于電力電子建模和電機(jī)參數(shù)辨識(shí)相結(jié)合的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于模型預(yù)測(cè)控制的感應(yīng)電機(jī)溫度辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

潛油電機(jī)作業(yè)位置位于井下數(shù)千米的深處，油井下的液體具有高溫、高壓特性以及強(qiáng)腐蝕性等，深層油井環(huán)境溫度都在130℃以上，通常，潛油電機(jī)本身已有大約30℃的溫升，普通潛油電機(jī)的耐溫等級(jí)設(shè)計(jì)值為180℃，大部分潛油電機(jī)產(chǎn)生故障的原因均是因?yàn)殡姍C(jī)的溫升過(guò)大。所以，對(duì)潛油電機(jī)的狀況、參數(shù)等進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是對(duì)其進(jìn)行控制和保護(hù)的基礎(chǔ)，是防范潛油電泵機(jī)組在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生故障并引發(fā)停產(chǎn)和重大事故的重要途徑。

在對(duì)潛油電機(jī)進(jìn)行溫度辨識(shí)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度屬于慣性變量，實(shí)際上不能隨著定子電壓、電流的突變而變化，為提高溫度辨識(shí)的精度，必須克服瞬時(shí)定子電壓、電流突變瞬間對(duì)轉(zhuǎn)子辨識(shí)溫度的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決電機(jī)負(fù)載突變瞬間引起的定子電壓、電流突變對(duì)電機(jī)無(wú)傳感器參數(shù)辨識(shí)精度的影響，本發(fā)明聚焦于電機(jī)負(fù)載突變瞬間引起的定子電壓、電流突變對(duì)電機(jī)無(wú)傳感器參數(shù)辨識(shí)精度的影響分析，據(jù)此提供了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的感應(yīng)電機(jī)溫度辨識(shí)方法，通過(guò)引入模型預(yù)測(cè)控制算法對(duì)其辨識(shí)過(guò)程進(jìn)行提升優(yōu)化，提高了辨識(shí)的精度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于模型預(yù)測(cè)控制的感應(yīng)電機(jī)溫度辨識(shí)方法，包括如下步驟：

一、通過(guò)建立感應(yīng)電機(jī)單相正序t型等效電路模型及其矢量圖，導(dǎo)出電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻及其溫度與各參數(shù)之間的關(guān)系，其中：

電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻計(jì)算公式如下：

電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算公式如下：

式中，ls、lr、lm分別為定子自感、轉(zhuǎn)子自感和定、轉(zhuǎn)子互感(h)；is為定子電流；vsy為定子電壓vs在y軸的分量；ωe為驅(qū)動(dòng)電路輸出的電壓頻率的角速度；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；σ為互感系數(shù)，定義為t0為初始環(huán)境溫度；rr0為初始環(huán)境溫度下的電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻；α為電阻溫度系數(shù)。

二、結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制原理，建立電機(jī)溫度辨識(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，數(shù)學(xué)抽象出多項(xiàng)約束條件對(duì)輸入量進(jìn)行在線預(yù)測(cè)、優(yōu)化控制，其中：

預(yù)測(cè)模型滿足以下條件：

式中，為狀態(tài)量矢量，為控制輸入量矢量，為控制輸出量矢量，為約束輸出量矢量；x(k)是當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)測(cè)量狀態(tài)值，加“-”的為預(yù)測(cè)相關(guān)的變量；np是離散化后系統(tǒng)預(yù)測(cè)的時(shí)域；

多項(xiàng)約束條件如下：

其中，

如果系統(tǒng)在第k拍滿足約束條件，則認(rèn)為此時(shí)第k拍的狀態(tài)滿足模型的預(yù)測(cè)，不需要校正，否則第k拍的狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果為anoise為單拍噪聲引起的系統(tǒng)狀態(tài)擾動(dòng)上限。

三、結(jié)合動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，以感應(yīng)電機(jī)供電端電壓有效值增量δvs、電流有效值增量δis、電機(jī)轉(zhuǎn)差率s、辨識(shí)溫度結(jié)果增量δt為約束條件，優(yōu)化系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，對(duì)有限輸入、輸出控制集合滾動(dòng)優(yōu)化，反饋校正，其中：

目標(biāo)函數(shù)取二階范數(shù)，滿足以下條件：

式中，k1、k2、k3、k4為各變量在系統(tǒng)誤差中的權(quán)重。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明在滿足多項(xiàng)約束條件的前提下，盡可能縮小預(yù)測(cè)控制輸出和被控對(duì)象期望輸出之間的誤差，把非線性系統(tǒng)模型在離散時(shí)間域中的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)目標(biāo)函數(shù)的最小值求解問(wèn)題，從而提高辨識(shí)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明在電機(jī)溫度預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)辨識(shí)模型中，選取感應(yīng)電機(jī)供電端電壓有效值增量δvs、電流有效值增量δis、電機(jī)轉(zhuǎn)差率s、辨識(shí)溫度結(jié)果增量δt為約束條件，保證帶入模型計(jì)算的狀態(tài)量均不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)單拍擾動(dòng)的上限，從而消除由于油井實(shí)際情況中出油量突變而導(dǎo)致的各狀態(tài)量的陡升和陡降對(duì)溫度辨識(shí)結(jié)果的影響。

3、本發(fā)明除可滿足工作于地下數(shù)千米深處潛油電機(jī)的高精度溫度辨識(shí)外，也可以滿足工作于100～200米高處風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度辨識(shí)，對(duì)于工作于地面不容易直接測(cè)量溫度的電機(jī)均有實(shí)效，特別是可彌補(bǔ)常規(guī)溫度辨識(shí)算法在電機(jī)負(fù)載突變瞬間造成的溫度辨識(shí)誤差，這是本發(fā)明最大的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為模型預(yù)測(cè)控制的基本原理；

圖2為感應(yīng)電機(jī)t型等效電路模型；

圖3為等效電路矢量圖；

圖4為模型預(yù)測(cè)控制算法流程圖；

圖5為定子電壓有效值預(yù)測(cè)結(jié)果；

圖6為定子電流有效值預(yù)測(cè)結(jié)果；

圖7為固定負(fù)載溫度預(yù)測(cè)結(jié)果；

圖8為負(fù)載變化溫度預(yù)測(cè)結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

提高電機(jī)參數(shù)辨識(shí)精度的關(guān)鍵問(wèn)題在于消除小慣性的電氣參數(shù)抖動(dòng)和尖峰對(duì)大慣性溫度變量的影響。模型預(yù)測(cè)控制算法(mpc)通過(guò)對(duì)輸入量未知抖動(dòng)干擾和輸出變量的預(yù)測(cè)，然后根據(jù)模型計(jì)算，從有限狀態(tài)集合中選取出合理的控制輸入序列作用于被控系統(tǒng)，使得在下一時(shí)刻系統(tǒng)輸出符合預(yù)期的設(shè)定，以提高參數(shù)辨識(shí)的精度和穩(wěn)定性。

結(jié)合圖1所示模型預(yù)測(cè)控制的原理圖，其主體思路可以概括為：在每一個(gè)采樣時(shí)刻，使用更新的狀態(tài)量觀測(cè)值作為狀態(tài)初始值，得到新的優(yōu)化控制輸入；更新的控制輸入序列第一個(gè)分量帶入系統(tǒng)，得到下一采樣時(shí)刻的新的狀態(tài)量觀測(cè)；同時(shí)把更新的控制輸出反饋矯正下一時(shí)刻的而輸入，滾動(dòng)重復(fù)以上三個(gè)步驟至精度滿足要求。

感應(yīng)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)是典型的非線性系統(tǒng)，離散時(shí)間域中系統(tǒng)狀態(tài)描述為：

其中，為nx維狀態(tài)量矢量，為nu維控制輸入量矢量，為nc維控制輸出量矢量，為nb維約束輸出量矢量；x(k)是當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)測(cè)量狀態(tài)值，加“-”的為預(yù)測(cè)相關(guān)的變量；np是離散化后系統(tǒng)預(yù)測(cè)的時(shí)域。

約束條件：

其中：

目標(biāo)函數(shù)取二階范數(shù)，可寫(xiě)成下式的形式：

其中，np是離散化后輸入控制序列作用的時(shí)域，且滿足nc≤np；r(k)為期望給定輸入控制矢量；u(k)為預(yù)測(cè)得到的輸入控制矢量；q,s為目標(biāo)函數(shù)加權(quán)矩陣，在已知約束條件的前提下達(dá)到預(yù)期的控制指標(biāo)，可以進(jìn)一步整定q,s加權(quán)矩陣參數(shù)。

在滿足上述約束條件的前提下，縮小預(yù)測(cè)控制輸出和被控對(duì)象期望輸出之間的誤差。把非線性系統(tǒng)模型在離散時(shí)間域中的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)目標(biāo)函數(shù)的最小值求解問(wèn)題。

由圖2所示感應(yīng)電機(jī)單相正序t型等效電路模型，列寫(xiě)基爾霍夫電壓方程：

式中，r2是轉(zhuǎn)子電阻折算到定子側(cè)的阻值，σ是互感系數(shù)，

根據(jù)上式畫(huà)出圖3所示其等效電路矢量圖，將各電壓電流矢量進(jìn)行x,y軸分解，轉(zhuǎn)化為標(biāo)量，進(jìn)而展開(kāi)成如下矩陣形式：

可解得：

轉(zhuǎn)子一般是鋁鑄導(dǎo)體，電阻與溫度在一定范圍內(nèi)近似線性相關(guān)，因此可以用轉(zhuǎn)子折算電阻阻值來(lái)表征轉(zhuǎn)子等效溫度。環(huán)境溫度在20攝氏度時(shí)，金屬鋁的電阻率為2.6458ω·m，電阻溫度系數(shù)α為0.00429ppm/℃。由此可以得出等效轉(zhuǎn)子溫度t的表達(dá)式為式如下：

式中，t0是初始環(huán)境溫度；rr0是初始環(huán)境溫度下的電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻。

上述分析可知，對(duì)于采樣得到的電機(jī)定子電壓有效值vs和電流有效值is的波動(dòng)及轉(zhuǎn)差率s的誤差將會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子電阻的辨識(shí)值，從而對(duì)大慣性溫度變量造成較大的波動(dòng)，甚至發(fā)生突變，這在實(shí)際工程是不相符合的。因此，本發(fā)明引入模型預(yù)測(cè)控制算法可對(duì)電機(jī)溫度辨識(shí)進(jìn)行提升優(yōu)化，提高辨識(shí)的精度和穩(wěn)定性。

如圖4所示，模型預(yù)測(cè)控制算法包括以下步驟：建立感應(yīng)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)模型，結(jié)合模型預(yù)測(cè)的基本原理，數(shù)學(xué)抽象出多項(xiàng)約束條件，選擇合理的狀態(tài)變量，有限輸入控制集合，優(yōu)化系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，提高溫度辨識(shí)的精度和穩(wěn)定性。

感應(yīng)電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，所辨識(shí)的參數(shù)與觀察的狀態(tài)量和輸入量之間的非線性關(guān)系難以用顯式表達(dá)式表達(dá)，選取電機(jī)轉(zhuǎn)差率s、定子電流有效值is為觀測(cè)的系統(tǒng)狀態(tài)量。定義變頻器驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓和頻率為壓頻比k、變頻器輸出頻率fs為系統(tǒng)輸入，被控對(duì)象的溫度作為多變量模型預(yù)測(cè)控制的預(yù)測(cè)量，上述溫度模型可寫(xiě)成如下?tīng)顟B(tài)方程形式：

其中：

x(t)＝[tr(t),s(t),is(t)]^t；

u(t)＝[k(t),fs(t)]^t；

對(duì)其進(jìn)行前向差分離散化，可寫(xiě)成：

x(k+1)＝f(x(k))+g(u(k))。

選取感應(yīng)電機(jī)供電端電壓有效值增量δvs、電流有效值增量δis、電機(jī)轉(zhuǎn)差率s、辨識(shí)溫度結(jié)果增量δt為約束條件，則有：

其中：

如果系統(tǒng)在第k拍滿足約束條件，則認(rèn)為此時(shí)第k拍的狀態(tài)滿足模型的預(yù)測(cè)，不需要校正，否則第k拍的狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果為這里，anoise為單拍噪聲引起的系統(tǒng)狀態(tài)擾動(dòng)上限。

對(duì)于此多變量的模型預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)，目標(biāo)函數(shù)可以設(shè)計(jì)為：

其中，k1、k2、k3、k4為各變量在系統(tǒng)誤差中的權(quán)重，亦可以理解為各物理量之間的量綱轉(zhuǎn)換。在每個(gè)采樣間隔中，對(duì)每次觀測(cè)得到的狀態(tài)量，除了需要在線求解出最優(yōu)輸出控制序列，還需要通過(guò)求解系統(tǒng)狀態(tài)方程對(duì)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行在線預(yù)測(cè)。

圖5～圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，合理設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)中各變量權(quán)重的值以及約束條件，可以保證帶入模型計(jì)算的狀態(tài)量均不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)單拍擾動(dòng)的上限，從而消除了由于油井實(shí)際情況中出油量突變而導(dǎo)致的定子電壓陡升和陡降對(duì)溫度辨識(shí)結(jié)果的影響，提高辨識(shí)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。