99永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制的基本原理和組成分析1.1模型預(yù)測(cè)控制的基本原理模型預(yù)測(cè)控制（MPC）是基于預(yù)測(cè)模型一種控制算法[16]。所以必須首先獲得一套描述一個(gè)對(duì)象庫(kù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為的長(zhǎng)期基礎(chǔ)預(yù)測(cè)模型，但它并不像很多控制算法那樣直接要求一個(gè)模型具有特定的表現(xiàn)形式，MPC對(duì)模型的要求很低，凡是具有預(yù)測(cè)功能的基本模型可以在一定條件下作為預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)模型作用是對(duì)未來(lái)一段時(shí)間過(guò)去輸出的響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體來(lái)說(shuō)就是利用對(duì)象中所知道的過(guò)去收到的信息和未來(lái)輸入的信息相組合來(lái)預(yù)測(cè)它未來(lái)的輸出響應(yīng)。預(yù)測(cè)模型給預(yù)測(cè)控制提供一個(gè)先行的信息，利用這一數(shù)據(jù)信息可以決定預(yù)計(jì)控制的輸入數(shù)據(jù)的形式，從而達(dá)到未來(lái)時(shí)刻需要輸出的數(shù)據(jù)跟隨預(yù)期參考軌跡變化的控制目的。不同的預(yù)測(cè)控制算法可以采用不同的預(yù)測(cè)模型以及預(yù)測(cè)方式，但是它的基本預(yù)測(cè)原理卻基本相同：根據(jù)控制對(duì)象的模型預(yù)測(cè)形式，在當(dāng)前一個(gè)采樣時(shí)刻k對(duì)未來(lái)一定時(shí)間段內(nèi)的輸出量y進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的具體輸出量是當(dāng)前時(shí)刻k和未來(lái)一定時(shí)間段內(nèi)控制了u的函數(shù)。按照控制要求選擇合適的優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)通常用于希望未來(lái)輸出以一定的軌跡跟蹤它的期望值，從而使得被控對(duì)象達(dá)到期望的控制效果。模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)框圖和控制時(shí)序由圖3-1所示。圖3-1模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)框圖1.2預(yù)測(cè)模型的組成幾乎所有系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制都能歸納理解為由模型參考運(yùn)動(dòng)軌跡、預(yù)測(cè)控制模型、滾動(dòng)校正優(yōu)化、誤差反饋校正四個(gè)主要的基本特征來(lái)組成：參考軌跡在針對(duì)預(yù)測(cè)值的控制中?？紤]到整個(gè)過(guò)程中存在動(dòng)態(tài)特性，為了使過(guò)程避免出現(xiàn)輸入和輸出的急劇變化，往往要求過(guò)程輸出的y(k)沿著一條我們期望的、平緩的曲線達(dá)到過(guò)程設(shè)定值r。這條曲線通常也被稱作一個(gè)參考系的軌跡曲線y。它是設(shè)定值經(jīng)過(guò)在線“柔化”后的變化產(chǎn)物。預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)控制是基于模型的控制算法，所以首先需要獲得能夠控制系統(tǒng)對(duì)象具體動(dòng)態(tài)控制行為的一個(gè)基礎(chǔ)控制模型；預(yù)測(cè)控制應(yīng)具有預(yù)測(cè)功能，即能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際出現(xiàn)時(shí)刻的控制輸入以及過(guò)程中出現(xiàn)的歷史信息、當(dāng)前和未來(lái)手段的控制量輸入，預(yù)測(cè)過(guò)程輸出的未來(lái)值，因此，需要一個(gè)能夠描述控制系統(tǒng)對(duì)象動(dòng)態(tài)控制行為的基礎(chǔ)模型作為系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制模型。從一個(gè)廣義上來(lái)講，只要是具有一定預(yù)測(cè)分析功能的經(jīng)濟(jì)模型，無(wú)論它本身具有怎樣的客觀表現(xiàn)形式，都應(yīng)該能夠作為一種預(yù)測(cè)性的模型，這也說(shuō)明了預(yù)測(cè)控制具有非常廣泛的適用性。如圖1.2所示，1、2為優(yōu)化控制率，3、4分別為1、2控制時(shí)序下的輸出軌跡。不同的系統(tǒng)輸入量控制時(shí)序會(huì)得到不同的系統(tǒng)輸出，通過(guò)比較輸出的好壞可以判斷控制策略的優(yōu)劣，從而選擇最優(yōu)的控制方案。圖3-2模型預(yù)測(cè)控制時(shí)序滾動(dòng)優(yōu)化預(yù)測(cè)控制是一種系統(tǒng)優(yōu)化模擬控制算法，需要通過(guò)某一性能指標(biāo)的最佳優(yōu)化計(jì)算來(lái)確定未來(lái)的控制作用。這一性能指標(biāo)還涉及到預(yù)測(cè)過(guò)程未來(lái)的控制行為，它通常是根據(jù)預(yù)測(cè)模型由未來(lái)的控制策略決定的。但預(yù)測(cè)控制中的離散優(yōu)化與通常的時(shí)域離散最優(yōu)控制算法不同，它不是直接采用一個(gè)離散不變的全局最優(yōu)控制目標(biāo)，而是采用滾動(dòng)式的有限時(shí)域離散優(yōu)化策略。即優(yōu)化過(guò)程不是一次性的離線優(yōu)化完成的，而是反復(fù)通過(guò)在線優(yōu)化進(jìn)行的。在每一次的采樣處理時(shí)刻，優(yōu)化后的性能指標(biāo)只是會(huì)涉及從該優(yōu)化時(shí)刻開(kāi)始起到未來(lái)有限的優(yōu)化時(shí)間，而涉及到下一個(gè)新的采樣優(yōu)化時(shí)刻，這一次的優(yōu)化性能時(shí)段指標(biāo)會(huì)同時(shí)繼續(xù)向前。所以，預(yù)測(cè)控制是用一個(gè)對(duì)局部相同的優(yōu)化性能指標(biāo)，從而達(dá)到滾動(dòng)優(yōu)化的目標(biāo)。系統(tǒng)性能指標(biāo)的選取原則是使模型預(yù)測(cè)控制輸出盡可能靠近參考軌跡，實(shí)際中常用的性能指標(biāo)函數(shù)有二次型性能指標(biāo)函數(shù)、一范數(shù)型性能指標(biāo)函數(shù)和無(wú)窮范數(shù)型三類性能指標(biāo)函數(shù)。誤差反饋校正在預(yù)測(cè)控制中，采用預(yù)測(cè)模型進(jìn)行過(guò)程輸出值的預(yù)估只是一種理想的方式，在實(shí)際過(guò)程中。由于存在非線性、模型失配和干擾等不確定因素，使基于模型的預(yù)測(cè)不可能準(zhǔn)確地與實(shí)際相符。因此，在預(yù)測(cè)控制中，通過(guò)輸出的測(cè)量值Y(k)與模型的預(yù)估值Ym(k)進(jìn)行比較，得出模型的預(yù)測(cè)誤差，再利用模型預(yù)測(cè)誤差來(lái)對(duì)模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正[17]。由于對(duì)模型施加了反饋校正的過(guò)程，使預(yù)測(cè)控制具有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)和克服系統(tǒng)