CN105871082B - 辐射式无线电能传输系统中pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法，包括：发射端判断接收到的控制误差包是否为零值；若所述控制误差包为非零值，则根据所述控制误差包以及当前实际发射功率计算期望发射功率，并采用循环迭代的PID控制方式；其中，第i次循环迭代过程如下：发射端根据期望发射功率与当前实际发射功率的差值计算比例、积分与微分控制项，从而获得新的PID控制系数；再根据新的PID控制系数计算新的控制输入值，并将所述新的控制输入值传递给发射功率控制器，进而由发射功率控制器获得新的实际发射功率。该方法方法，可以对发射功率进行实时控制并对积分项及控制系数进行限幅控制以保证超调量，在一定程度上也消除了干扰。

Description

辐射式无线电能传输系统中PID控制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法。

背景技术

无线能量传输(wireless power transfer,WPT),指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。根据传输机理不同，无线能量传输主要可以分为电磁感应式，磁场共振式，辐射式。其中辐射式又可分为无线电波方式，微波方式，激光方式和超声波方式。

21世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题已日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。新型的电能存储和传输技术，如飞轮电池、超级电容和无线电能传输技术等是实现能源高效利用的重要途径。

随着无线充电技术的发展，无线充电技术的标准化成为必然的趋势。主流的无线充电标准有三大种：Qi标准、Power Matters Alliance(PMA)标准、Alliance for WirelessPower(A4WP)标准。

QI标准和Power Matters Alliance(PMA)标准基于的是电磁感应技术，A4WP标准基于的是磁共振技术。基于这些充电标准，近些年，多家公司已经生产出无线充电的手机、mp3、便携式电脑、电动汽车等。

然而，现有的主流标准技术，并没有针对辐射式无线电能传输的标准控制协议。辐射式无线电能传输技术，对比于电磁感应和磁共振技术，具有更远的传输距离和更好的便利性，具有很大研究前景和应用，特别是对于无线传感网络。该方式主要采用微波波段进行电能传输。微波是波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。由于频率较高，能顺利通过电离层而不反射。宇宙空间对微波传输十分理想，几乎没有能量损耗，通过大气层时的损耗约为2％。微波输电利用电磁辐射原理，由电源送出电力，通过微波转换器将工频交流电变换成微波，再通过发射端的微波发射天线送到空间，然后传输到地面微波接收端，接收到的微波通过转换器将微波变换成工频交流电，供用户使用。基于辐射式的无线充电协议标准化不仅是功能上的需要，也是工业标准化的必然要求。

在电磁辐射式无线能量传输系统中发射端与接收端能量传输状态过程中，发射端需要根据接收端返回的控制误差包对发射功率进行控制，然而现有的PID控制方法精度较低，无法准确控制发射端的发射功率。

发明内容

本发明的目的是提供一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法，可以对发射功率进行实时控制并对积分项及控制系数进行限幅控制以保证超调量，在一定程度上也消除了干扰。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法，包括：

发射端判断接收到的控制误差包是否为零值；

若所述控制误差包为非零值，则根据所述控制误差包以及当前实际发射功率计算期望发射功率，并采用循环迭代的PID控制方式；其中，第i次循环迭代过程如下：发射端根据期望发射功率与当前实际发射功率的差值计算比例、积分与微分控制项，从而获得新的PID控制系数；再根据新的PID控制系数计算新的控制输入值，并将所述新的控制输入值传递给发射功率控制器，进而由发射功率控制器获得新的实际发射功率。

进一步的，所述根据所述控制误差包以及当前实际发射功率计算期望发射功率的公式为：

其中，δ_j表示发射端接收到的第j个控制误差包，φ为一系统常量，表示当前发射端的实际发射功率。

进一步的，所述第i次循环迭代过程具体包括：

计算期望发射功率与当前实际发射功率的差值Δλ_j,i：

式中，为期望发射功率，为第i-1次迭代时实际的发射功率，表示循环开始时发射端的实际发射功率；

根据差值Δλ_j,i计算比例、积分与微分控制项：

式中，分别表示第i次迭代时计算到的比例、积分、微分控制项；K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，τ为循环一次所需要的时间，Δλ_j,0＝0；I_max为设定的积分项阈值；

根据计算出的比例、积分与微分控制项计算新的PID控制系数

式中，C_max为设定的PID控制系数阈值；

计算新的控制输入值C_j,i：

式中，S_c为一缩放因子；控制输入值C_j,0取i_max表示最大循环次数；C_0,0为开始时系统的控制输入值；

将新的控制输入值C_j,i传递给发射功率控制器；

发射功率控制器通过控制输入C_j,i得到新的实际发射功率

进一步的，所述τ与i_max满足：

τ·i_max≤t_{R_DynPara_period}；

其中，所述t_{R_DynPara_period}为接收端发射动态参数列表的周期。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于迭代学习的PID控制方法来对发射端的发射功率进行实时有效的控制，同时，对积分项及控制系数进行限幅控制以保证超调量，在一定程度上也消除了干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的PID控制方法的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在辐射式无线能量传输系统中，发射端具有固定能源供电，接收端没有固定能源供电，需依靠采集发射端发射的能量进行电能补给，发射端和接收端需要通过无线通信交互来发起，建立和结束充电连接。辐射式无线电能传输系统中发射端与接收端需要进行一系列的参数匹配以便发射端与接收端能够安全高效地进行能量的传输，其中最重要的一个受控参数就是发射功率。而在电能传输过程中发射端需要根据接收端反馈回的控制误差包对发射功率进行实时有效的控制以便发射功率能够满足接收端的需求。为此，本发明提出一种基于迭代学习的PID控制方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤11、发射端判断接收到的控制误差包是否为零值；若是，则转入步骤12；否则，转入步骤13。

步骤12、所述控制误差包为零值，则在新的控制误差包来前保持当前控制输入不变，进而实际发射功率也保持不变。

步骤13、所述控制误差包为非零值，则根据所述控制误差包以及当前实际发射功率计算期望发射功率，并采用循环迭代的PID控制方式。

所述根据所述控制误差包以及当前实际发射功率计算期望发射功率的公式为：

其中，δ_j表示发射端接收到的第j个控制误差包(j＝1,2,3,...,n)，φ为一系统常量，表示当前发射端的实际发射功率。

其中，第j个控制误差包的第i次循环迭代过程如下：发射端根据期望发射功率与当前实际发射功率的差值计算比例、积分与微分控制项，从而获得新的PID控制系数；再根据新的PID控制系数计算新的控制输入值，并将所述新的控制输入值传递给发射功率控制器，进而由发射功率控制器获得新的实际发射功率。

具体的：

1)计算期望发射功率与当前实际发射功率的差值Δλ_j,i：

式中，为期望发射功率，为第i-1次迭代时实际的发射功率，表示循环开始时发射端的实际发射功率，其等于前文中的

2)根据差值Δλ_j，i计算比例、积分与微分控制项：

式中，分别表示第i次迭代时计算到的比例、积分、微分控制项；K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，τ为循环一次所需要的时间，Δλ_j,0＝0；并且为了保证积分项不发散，给定一约束条件：I_max为设定的积分项阈值；

3)根据计算出的比例、积分与微分控制项计算新的PID控制系数

为了避免PID控制系数变化过大，给定一约束条件：C_max为设定的PID控制系数阈值；

4)计算新的控制输入值C_j,i：

式中，S_c为一缩放因子；控制输入值C_j,0取表示第j-1个(即上一个)控制误差包最后一次迭代后获得的控制输入值，i_max表示最大循环次数；C_0,0为开始时系统的控制输入值；所述控制输入值可以是电压、电流等可控物理量。

5)将新的控制输入值C_j,i传递给发射功率控制器；

6)发射功率控制器通过控制输入C_j,i得到新的实际发射功率

本发明实施例中，所述τ与i_max满足：

τ·i_max≤t_{R_DynPara_period}；

其中，所述t_{R_DynPara_period}为接收端发射动态参数列表的周期。

本发明实施例上述方案中，基于迭代学习的PID控制方法来对发射端的发射功率进行实时有效的控制，同时，对积分项及控制系数进行限幅控制以保证超调量，在一定程度上也消除了干扰。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法，其特征在于，包括：

发射端判断接收到的控制误差包是否为零值；

若所述控制误差包为非零值，则根据所述控制误差包以及当前实际发射功率计算期望发射功率，并采用循环迭代的PID控制方式；其中，第i次循环迭代过程如下：发射端根据期望发射功率与当前实际发射功率的差值计算比例、积分与微分控制项，从而获得新的PID控制系数；再根据新的PID控制系数计算新的控制输入值，并将所述新的控制输入值传递给发射功率控制器，进而由发射功率控制器获得新的实际发射功率；

循环一次所需要的时间τ与最大循环次数i_max满足：

τ·i_max≤t_{R_DynPara_period}；

其中，所述t_{R_DynPara_period}为接收端发射动态参数列表的周期。

2.根据权利要求1所述的一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法，其特征在于，所述根据所述控制误差包以及当前实际发射功率计算期望发射功率的公式为：

其中，δ_j表示发射端接收到的第j个控制误差包，φ为一系统常量，表示当前发射端的实际发射功率。

3.根据权利要求1或2所述的一种辐射式无线电能传输系统中PID控制方法，其特征在于，所述第i次循环迭代过程具体包括：

计算期望发射功率与当前实际发射功率的差值Δλ_j,i：

式中，为期望发射功率，为第i-1次迭代时实际的发射功率，表示循环开始时发射端的实际发射功率；

根据差值Δλ_j,i计算比例、积分与微分控制项：

式中，分别表示第i次迭代时计算到的比例、积分、微分控制项；K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数，τ为循环一次所需要的时间，Δλ_j,0＝0；I_max为设定的积分项阈值；

根据计算出的比例、积分与微分控制项计算新的PID控制系数

式中，C_max为设定的PID控制系数阈值；

计算新的控制输入值C_j,i：

式中，S_c为一缩放因子；控制输入值C_j,0取i_max表示最大循环次数；C_0,0为开始时系统的控制输入值；

将新的控制输入值C_j,i传递给发射功率控制器；

发射功率控制器通过控制输入C_j,i得到新的实际发射功率