具有機(jī)械變量的模型預(yù)測(cè)控制的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法、計(jì)算機(jī)程序、計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)和控制器。 本發(fā)明還涉及一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 具有可變速度的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以用于以不同速度運(yùn)行如栗、風(fēng)扇或壓縮機(jī)的機(jī) 械。該機(jī)械往往通過軸與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接。該機(jī)械可以由沿著驅(qū)動(dòng)軸的一個(gè)組件或多個(gè)組件 組成。最常見的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括采用可變速度AC或DC電動(dòng)機(jī)形式的驅(qū)動(dòng)器。改變機(jī)械的速 度較之固定速度的運(yùn)行具有若干優(yōu)勢(shì)，最有前景的是通過以較低速度運(yùn)行機(jī)械能夠節(jié)能。
[0003] 在控制此類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)期間，往往假定轉(zhuǎn)速在驅(qū)動(dòng)軸長(zhǎng)度上是相等的。此外，往往假 定從電驅(qū)動(dòng)器的電信號(hào)導(dǎo)出的轉(zhuǎn)速等于機(jī)械的轉(zhuǎn)速。相似地，電驅(qū)動(dòng)器的空氣間隙處的轉(zhuǎn) 矩假定為等于施加于機(jī)械的轉(zhuǎn)矩。
[0004] 只要驅(qū)動(dòng)軸不具有差異性的固有頻率或以低動(dòng)態(tài)方式運(yùn)行，則這些假定可能是有 效的。但是近年來出現(xiàn)的應(yīng)用可能有高動(dòng)態(tài)需求，使得這些假定可能無效并且驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng) 態(tài)性可能要予以考慮。
[0005] 此類應(yīng)用的一個(gè)示例是油氣行業(yè)中的壓縮機(jī)組的工作，其中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能替代 常用的燃?xì)廨啓C(jī)。在這些應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)軸往往長(zhǎng)且相對(duì)較細(xì)，從而產(chǎn)生具有可容易激發(fā)的固 有頻率的柔性弱阻尼結(jié)構(gòu)。通常所做的假定：驅(qū)動(dòng)軸是以某個(gè)速度轉(zhuǎn)動(dòng)的單個(gè)質(zhì)量，在這 些應(yīng)用中該假定往往可能并非有效的。驅(qū)動(dòng)軸的不同點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩和速度可能彼此顯著地不 同。
[0006] 再者，在這些應(yīng)用中可能需要控制高度動(dòng)態(tài)的過程，其中需要根據(jù)過程的需要來 改變施加于機(jī)械的速度或轉(zhuǎn)矩。一個(gè)示例可以是壓縮機(jī)站抗喘振控制，其中改變施加于壓 縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩來防止喘振事件。這些事件可能需要即刻處理，并且在喘振事件的情況中，壓縮 機(jī)的轉(zhuǎn)矩中的振蕩可能不是可接受。
[0007] 此外，在這些控制方案中，受控的變量是預(yù)先選擇的且無法更改。不同機(jī)械變量的 選擇，如機(jī)械的轉(zhuǎn)矩，或其他變量的限制，如接頭處的轉(zhuǎn)矩應(yīng)變，不是該控制方案的部分。但 是，驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用可能構(gòu)成不同行業(yè)中不同的需求。在一個(gè)應(yīng)用中，機(jī)械的角度可能是至關(guān) 重要的，其次才是轉(zhuǎn)矩或速度。往往通過針對(duì)不同情況應(yīng)用不同的控制方案來處理這些不 同的情況。
[0008] 在"具有扭轉(zhuǎn)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基于模型的預(yù)測(cè)速度控制-實(shí)踐方法"（〃Model basedpredictivespeedcontrolofadrivesystemwithtorsionalloads-a practicalapproach"，PowerElectronicandMotionControlConference, 2010，IEEE 2010)中，公開驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種基于模型的預(yù)測(cè)速度控制，并且其將具有快速動(dòng)態(tài)性特征的 機(jī)電驅(qū)動(dòng)布置中的長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)振蕩納入了考慮。因此，它公開一種用于控制電驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的方法，并且該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括與用于處理工業(yè)過程的機(jī)械以機(jī)械方式互連的驅(qū)動(dòng)器。
[0009] 再者，美國(guó)專利US2012/0059642A1公開一種用于基于至少一個(gè)記錄的電機(jī)器的 輸入信號(hào)來確定電機(jī)器的轉(zhuǎn)子軸的位置信息的設(shè)備和方法。將所記錄的輸入信號(hào)提供給電 機(jī)器的模型。借助該模型，基于所提供的輸入信號(hào)，該電機(jī)器的模型映射非線性飽和效應(yīng)， 確定轉(zhuǎn)子軸的位置信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于提供用于具有可變速度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種精確且靈活的控制 方法。
[0011] 此目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)從屬權(quán)利要求以及下文描述顯見到 另外的示范性實(shí)施例。
[0012] 本發(fā)明的一方面涉及用于控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法。該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以包括驅(qū)動(dòng) 器，如電動(dòng)機(jī)或可變速度驅(qū)動(dòng)器，其與用于處理工業(yè)過程的機(jī)械以機(jī)械方式互連。機(jī)械或機(jī) 械設(shè)備可以是一個(gè)或多個(gè)栗、風(fēng)扇或壓縮機(jī)。工業(yè)過程可以在工業(yè)工廠，例如煉油廠或化工 廠中執(zhí)行的。機(jī)械和驅(qū)動(dòng)器可以通過驅(qū)動(dòng)軸互連。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法包括如下步驟：從例如電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過程控制層接 收電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第一機(jī)械變量的輸入?yún)⒖贾担换谠擈?qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入?yún)⒖?值估算預(yù)定義時(shí)間步長(zhǎng)范圍的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第二機(jī)械變量的輸出參考的發(fā)展；以及選擇來自 第二機(jī)械變量的發(fā)展的第一將來值作為第二機(jī)械變量的輸出參考值以輸出到適于控制該 驅(qū)動(dòng)器的電輸入的驅(qū)動(dòng)器控制層。
[0014] 該方法可以周期性地，例如在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)執(zhí)行，以持續(xù)地計(jì)算輸入到驅(qū)動(dòng)器控 制層的輸出參考值。
[0015] 第一機(jī)械變量可以是與驅(qū)動(dòng)器下游的機(jī)械組件相關(guān)的變量，例如，驅(qū)動(dòng)器的軸中 遠(yuǎn)離空氣間隙的部分。第一機(jī)械變量可以是驅(qū)動(dòng)軸的特定位置處的速度、轉(zhuǎn)矩、角度和/或 任何其他機(jī)械變量。
[0016] 第一機(jī)械變量的輸入?yún)⒖贾悼梢杂蛇^程控制層來提供，該過程控制層根據(jù)要控制 的過程變量，如流速或壓力來確定輸入?yún)⒖贾怠？赡艿氖牵撨^程控制層不僅可以提供第一 機(jī)械變量的實(shí)際輸入?yún)⒖贾?，而且提供第一機(jī)械變量的參考軌跡或發(fā)展。但是，該輸入?yún)⒖?值也可以是可直接存儲(chǔ)在執(zhí)行該方法的控制器中的（固定）值。
[0017] 在該方法由控制器自動(dòng)地執(zhí)行之前，可以在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的初始化階段期間人工（由 用戶)選擇該第一機(jī)械變量和/或數(shù)學(xué)模型。該方法可以支持靈活選擇要控制的機(jī)械變量。 利用該方法，控制沿著驅(qū)動(dòng)軸的用戶指定位置處的用戶指定機(jī)械變量是可能的。
[0018] 該數(shù)學(xué)模型可以對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為建模，即對(duì)與機(jī)械以及可選地與軸互連的 驅(qū)動(dòng)器建模。第二機(jī)械變量可以是與驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)的變量，例如，驅(qū)動(dòng)器的空氣間隙處的驅(qū) 動(dòng)器速度。
[0019] 該方法可以視為采用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)控制方法。該方法可以允許運(yùn)行 控制第一機(jī)械變量，如驅(qū)動(dòng)軸的任何客戶選擇點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩、角度或速度。利用該方法，可以 預(yù)測(cè)并緩解源于驅(qū)動(dòng)軸的固有頻率的激發(fā)的潛在振蕩。
[0020] 該方法可以考慮驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)性，并且可以控制沿驅(qū)動(dòng)軸的用戶指定位置處，例 如，機(jī)械的位置處的第一機(jī)械變量。代之對(duì)系統(tǒng)中已存在的振蕩進(jìn)行反應(yīng)，該方法則是可以 將驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)性和固有頻率納入考慮以先主動(dòng)地（pro-actively)防止這些頻率在第一 位置中被激發(fā)。該預(yù)測(cè)控制方法可以允許在這些振蕩發(fā)生之前預(yù)測(cè)這些振蕩。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法還包括如下步驟：接收驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的另外的機(jī)械和/ 或電學(xué)變量的測(cè)得的和/或估算的輸入值。另外的輸入值可以包括驅(qū)動(dòng)器的第二機(jī)械變量 測(cè)得的和/或估算的值、測(cè)得的和/或估算的轉(zhuǎn)矩、速度或角度和/或電流和電壓。
[0022] 此外，第二機(jī)械變量的輸出參考的發(fā)展的估算還可以基于另外的機(jī)械和/或電學(xué) 變量的輸入值。不僅可以使用實(shí)際值（即，實(shí)際/當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)的值）來估算第二機(jī)械變量 的發(fā)展，而且還可以使用過往值（即，先前時(shí)間步長(zhǎng)的值)。可以將第一變量的過往輸入值以 及過往輸入?yún)⒖贾岛?或第二機(jī)械變量的過往輸出參考值存儲(chǔ)在執(zhí)行該方法的控制器中。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法還包括如下步驟：基于該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù) 第二機(jī)械變量的至少過往輸出參考值來估算該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該方法還包括如下步驟：基于該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù) 第一機(jī)械變量的至少過往輸入值來估算該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。
[0025] 該當(dāng)前狀態(tài)包括該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中未測(cè)量的至少一個(gè)機(jī)械變量。還可以通過將第二機(jī) 械變量的過往輸出參考值和/或過往測(cè)得和/或估算的輸入值納入考慮來估算該當(dāng)前狀 〇
[0026] -般來說，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)可以是可用于計(jì)算下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)期間該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 的下一個(gè)