基于dmc算法的自由活塞直线发电机控制系统及控制方法
阅读说明：本技术 基于dmc算法的自由活塞直线发电机控制系统及控制方法 (Free piston linear generator control system and control method based on DMC algorithm ) 是由 程勇 马宗正 唐娟 吕宏 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种基于DMC算法的自由活塞直线发电机控制系统及控制方法,基于控制系统,控制方法包括获取活塞的运动状态信息；根据所述运动状态信息,计算活塞运动到下一上止点所需的电机做功量；根据做功量,得到电机动子内电流与时间的关系,基于电流变化规律,应用MDC算法计算所需电压,并将该电压施加于电机。通过DMC算法,将电机动子线圈内电流随输入电压的响应值作为预测模型,将输入电压作为控制增量,定子电流作为输出预测,搭建自由活塞直线发电机的电机做功量的控制模型,使电机在控制模块的作用下快速、准确的输出所需功率,实现输入电压的准确控制,保证自由活塞直线发电机的稳定运行。(The embodiment of the invention discloses a free piston linear generator control system and a control method based on a DMC algorithm, wherein the control method comprises the steps of acquiring motion state information of a piston based on the control system; calculating the work done by the motor required by the piston moving to the next upper dead point according to the motion state information; and obtaining the relation between the current in the motor rotor and the time according to the work done, calculating the required voltage by applying an MDC algorithm based on the current change rule, and applying the voltage to the motor. By means of the DMC algorithm, a response value of current in a motor rotor coil along with input voltage is used as a prediction model, the input voltage is used as a control increment, stator current is used as output prediction, and a control model of the motor work capacity of the free piston linear generator is built, so that the motor can rapidly and accurately output required power under the action of the control module, the accurate control of the input voltage is realized, and the stable operation of the free piston linear generator is guaranteed.)
技术领域
本发明涉及动力控制技术领域,具体地说是基于DMC算法的自由活塞直线发电机控制系统及控制方法。
背景技术
自由活塞内燃直线发电机是自由活塞式内燃机和直线发电机耦合形成的一种新型能源转换装置，其热效率比传统发动机高，对节能减排、缓解环境压力可以起到显著作用。自由活塞直线发电机主要包括发动机和发电机两个主要部件，在启动时，发电机作为电动机拖动活塞运动到上止点，完成第一个循环过程；在正常运行时，直线发电机在内燃机活塞推动下快速运动，将燃料的化学能转变为电能供外界使用。
自由活塞直线发电机中的发电机在启动过程中提供动力，作为电动机拖动活塞运动，当活塞速度到达目标值并且活塞止点处于设定位置时内燃机点火启动，此后直线发电机在内燃机活塞推动下快速运动转变为发电机模型。这种运行控制方式在内燃机燃烧状况较差或者出现失火时，将造成活塞止点不能到达设定位置，因而影响发动机压缩比和下一循环燃烧状况，由此恶性循环可能导致停机，自由活塞直线发电机的优势无法得到发挥。
申请号为2019108944998专利申请提出了在现有自由活塞直线发电机的基础上增加辅助电机，通过控制辅助电机的输入电压，实现上止点稳定。申请号为2019108945115的专利申请提出了对现有自由活塞直线发电机的电机输入电压进行控制，达到上止点的稳定。以上两件专利申请都是通过控制输入电压达到自由活塞直线发电机稳定工作的目的，然而实际工作中对电压的控制又是一技术难点。
发明内容
本发明实施例中提供了基于DMC算法的自由活塞直线发电机控制系统及控制方法，以解决通过控制输入电压达到自由活塞直线发电机稳定较难实现的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种基于DMC算法的自由活塞直线发电机控制系统，包括自由活塞直线发电机，所述系统还包括控制模块，所述控制模块包括信息采集单元、信息处理单元和输出控制单元，所述信息采集单元用于采集活塞的运动状态信息，并发送给信息处理单元；所述信息处理单元基于所述运动状态信息，计算活塞运动到下一上止点所需的电机做功量；所述输出控制单元根据所述做功量，得到电机动子内电流与时间的关系，基于电流变化规律，应用DMC算法计算所需电压，并施加于电机。
进一步地，所述信息处理单元包括微控制器ECU。
进一步地，所述输出控制单元包括电流预测模型建立子单元、性能滚动优化子单元和反馈优化子单元；
所述电流预测模型建立子单元用于建立电流的预测模型，包括确定建模时域、优化时域和控制时域，从采样时刻开始的电压增量在控制时域内的各时刻加到电机上，使未来优化时域内电流输出预测值接近期望值；
所述性能滚动优化子单元用于选取优化性能指标，得到优化性能指标取最小值对应的控制增量序列，将所述控制增量序列中第一个分量作为当前时刻的电压增量；
所述反馈优化子单元用于计算当前电压增量作用下的实际响应电流与预测模型形成的预测误差，并计算经误差校正后的预测输出，在下一时刻进行新的预测优化。
本发明第二方面提供了一种基于DMC算法的自由活塞直线发电机控制方法，基于所述的控制系统，所述方法包括以下步骤：
S1,获取活塞的运动状态信息；
S2,根据所述运动状态信息，计算活塞运动到下一上止点所需的电机做功量；
S3，根据所述做功量，得到电机动子内电流与时间的关系，基于电流变化规律，应用DMC算法计算所需电压，并将该电压施加于电机。
进一步地，所述步骤S3的具体实现过程为：
建立电流的预测模型，包括确定建模时域、优化时域和控制时域，从采样时刻开始的电压增量在控制时域内的各时刻加到电机上，使未来优化时域内电流输出预测值接近期望值；
选取优化性能指标，得到优化性能指标取最小值对应的控制增量序列，将所述控制增量序列中第一个分量作为当前时刻的电压增量；
计算当前电压增量作用下的实际响应电流与预测模型形成的预测误差，并计算经误差校正后的预测输出，在下一时刻进行新的预测优化。
进一步地，所述优化性能指标为：
式中，
Q、R分别为误差权矩阵和控制权矩阵。
进一步地，在优化性能指标取最小值时的控制增量序列为：
式中，A为动态矩阵，
进一步地，所述预测误差为：
式中，y(k+1)为在k+1时刻的实际响应电流，
以上述预测误差对预测值进行加权修正，得到校正预测值
式中，
将
式中，S为以为矩阵。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
通过DMC算法，将电机动子线圈内电流随输入电压的响应值作为预测模型，将输入电压作为控制增量，定子电流作为输出预测，搭建自由活塞直线发电机的电机做功量的控制模型，使电机在控制模块的作用下快速、准确的输出所需功率，自由活塞直线发电机在启动过程及运行中的每一个循环，活塞均能达到设定位置，实现输入电压的准确控制，保证自由活塞直线发电机的稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述控制系统的结构示意图；
图2是本发明所述控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1所示，本发明基于DMC算法的自由活塞直线发电机控制系统，包括自由活塞直线发电机和控制模块，自由活塞直线发电机和控制模块互联，进行信息传输。
本发明实施例中的自由活塞直线发电机包括申请号为201910896735X、2019108967326、2019108966747、2019108967330和2019108966732的专利申请中所提到的发电机。
所述控制模块包括信息采集单元、信息处理单元和输出控制单元。信息采集单元用于采集活塞的运动状态信息，并发送给信息处理单元；信息采集单元包括位移传感器，位移传感器设置在活塞运动达到的最大速度或最大加速度附近。位移传感器将采集到的位移数据和对应时间，发送给信息处理单元。
信息处理单元包括微控制器ECU(Electronic Control Unit)，ECU基于运动状态信息，计算活塞运动到下一上止点所需的电机做功量；输出控制单元根据做功量，得到电机动子内电流与时间的关系，基于电流变化规律，应用DMC算法计算所需电压，并施加于电机。
输出控制单元包括电流预测模型建立子单元、性能滚动优化子单元和反馈优化子单元，用于分别实现DMC算法中的模型建立、滚动优化和反馈校正。
电流预测模型建立子单元用于建立电流的预测模型，包括确定建模时域、优化时域和控制时域，从采样时刻开始的电压增量在控制时域内的各时刻加到电机上，使未来优化时域内电流输出预测值接近期望值；
所述性能滚动优化子单元用于选取优化性能指标，得到优化性能指标取最小值对应的控制增量序列，将所述控制增量序列中第一个分量作为当前时刻的电压增量；
所述反馈优化子单元用于计算当前电压增量作用下的实际响应电流与预测模型形成的预测误差，并计算经误差校正后的预测输出，在下一时刻进行新的预测优化。
如图2所示，本发明基于DMC算法的自由活塞直线发电机控制方法包括：
S1,获取活塞的运动状态信息；
S2,根据运动状态信息，计算活塞运动到下一上止点所需的电机做功量；
S3，根据做功量，得到电机动子内电流与时间的关系，基于电流变化规律，应用DMC算法计算所需电压，并将该电压施加于电机。
上述步骤S1-S3对应控制模块的各单元，其中步骤S1和步骤S2的具体实现过程不再赘述。
步骤S3的实现过程对应输出控制单元的各子单元，应用DMC算法的具体过程为：
基于做功量W的计算公式W＝F·v·t，其中v为动子总成速度，t为时间，当电机参数确定时，电机驱动力F只取决于电机电流的大小，将电机抽象为简单R-L电路，则电机电流与电压呈线性关系，由此确定DMC控制模型。
模型建立具体过程为：
测定直线电动机内电流对输入电压单位阶跃响应按选定周期T的采样值：
ak＝a(kT),k＝1,2,……N (1)
(1)式中，N为模型时域长度，构成模型向量：
设定控制时域为M，优化时域为P，从采样时刻t＝kT开始的M个电压增量Δu(k),Δu(k+1)……Δu(k+M-1)依次在k，k+1……k+M-1时刻加到电机上，使得未来P个时刻的电流输出预测值
滚动优化的具体过程为：
选取优化性能指标为:
(3)式中，
Q＝diag(q1,…，qP)为误差权矩阵，R＝diag(r1,…，rM)，为控制权矩阵。
(3)式中第一项为选择时刻起的M个时刻的电压增量Δu(k),…，Δu(k+M-1)，使系统在未来P(N≥P≥M)个时刻的输出值
优化时域随时间不断地向前推移。使J(k)取最小的ΔuM(k)可通过极值必要条件
(4)式中，
为t＝kT时刻预测的无电压控制增量时未来P个时刻的系统输出。
选择ΔuM(k)第一个分量Δu(k)作为K时刻的控制增量，这是基于预测模型求得的电压开环最优解。
由于在动子总成的运动过程和电动机的实际做功过程中存在不确定因素，预测模型的开环控制规律不一定能使输出电流紧密跟随期望电流，同时也要考虑电流受到的扰动，为了纠正模型预测与实际的不一致，需及时地利用过程的误差信息对输出预测值进行修正，而不是等到这M个控制增量都实施后再作校正。
反馈校正的具体过程为：
到下一采样时刻t＝(k+1)T，系统实际相应电流y(k+1)与模型预测在该时刻输出的电流预测之
以(5)式中预测误差对预测值进行加权修正，得到校正预测值
(6)中，
为得到t＝(k+1)T时刻的初始预测序列
(7)中：
随着时间推移，如果此时把时间基点重新定位，即把时刻t＝(k+1)T重新定义为t＝kT时刻，则(k+1)T时刻电流预测序列
这样，电流预测初值
以上所述只是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。