CN109067378B - 一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，能够使整个系统达到匹配状态，实现系统最大功率传输或无失真传输。所述方法包括：获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流；根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息；根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息；根据确定的压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息，调节压电换能器的端口阻抗匹配电路。本发明适用于压电换能器端口阻抗匹配操作。

Description

一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是指一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法。
背景技术
压电换能器能将电信号转换成超声波信号，其在信息处理、通讯、声呐、超声清洗等领域具有广泛应用，例如穿钢通信和加速度计等。通常情况下压电换能器的驱动电路的阻抗和压电换能器的端口阻抗不相等或共轭相等，成为端口失配。当压电换能器的驱动电路的端口阻抗与压电换能器的端口阻抗失配时会造成驱动波形失真和驱动力下降，严重影响系统的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，以解决现有技术所存在的当压电换能器的驱动电路的端口阻抗与压电换能器的端口阻抗失配时，导致系统性能下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，包括：
获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流；
根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息；
根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息；
根据确定的压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息，调节压电换能器的端口阻抗匹配电路。
进一步地，在获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流之前，所述方法还包括：
断开压电换能器的端口阻抗匹配电路的连接，对驱动电路施加预设频率的固定幅值的激励，其中，所述端口阻抗匹配电路与所述驱动电路相连。
进一步地，所述激励为正弦波激励。
进一步地，获取的压电换能器的瞬时电压的幅值为：
Figure BDA0001748146950000021
获取的压电换能器的瞬时电压的相角为：
Figure BDA0001748146950000022
其中，V0表示对驱动电路施加的激励，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗。
进一步地，获取的压电换能器的瞬时电流的幅值为：
Figure BDA0001748146950000023
获取的压电换能器的瞬时电流的相角为：
Figure BDA0001748146950000024
其中，V0表示对驱动电路施加的激励，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗。
进一步地，所述根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息包括：
利用遗传-粒子群算法对获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流信息进行曲线拟合，估计压电换能器的端口阻抗信息。
进一步地，在利用遗传算法对种群中的个体进行评价时，适应度值的评价的公式为：
Figure BDA0001748146950000025
其中，种群中个体的基因表示压电换能器的端口阻抗信息，Vl *是Vl的估计值，
Figure BDA0001748146950000026
是Il的估计值，Vl表示获取的压电换能器的瞬时电压，Il表示获取的压电换能器的瞬时电流。
进一步地，所述利用遗传-粒子群算法对获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流信息进行曲线拟合，估计压电换能器的端口阻抗信息包括：
C1，判断个体的适应度值是否小于预设的第一阈值，若是，则停止迭代；
C2，否则，判断迭代次数是否小于预设的最大迭代次数；
C3，若是，则使用遗传算法更新种群；否则，使用粒子群算法更新种群，当种群的适应度值的方差小于预设的第二阈值时，则切换为遗传算法更新种群，并返回步骤C1继续执行。
进一步地，根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息包括：
根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容值和电感值。
进一步地，所述根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容值和电感值包括：
以系统达到最大功率传输为目标条件，则系统的输入阻抗Zin表示为：
Figure BDA0001748146950000031
Figure BDA0001748146950000032
Figure BDA0001748146950000033
Figure BDA0001748146950000034
其中，
Figure BDA0001748146950000035
表示驱动电路的端口阻抗信息Zs的共轭复数，Zs＝Rs+jXs，Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗，j表示虚数单位，ω表示角频率，C表示压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容，L表示压电换能器的端口阻抗匹配电路的电感，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息；根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息；根据确定的压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息，自适应调节压电换能器的端口阻抗匹配电路，使整个系统达到匹配状态，实现系统最大功率传输或无失真传输。
附图说明
图1为本发明实施例提供的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的自适应调节系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的自适应阻抗匹配电路示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的当压电换能器的驱动电路的端口阻抗与压电换能器的端口阻抗失配时，导致系统性能下降的问题，提供一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法。
如图1所示，本发明实施例提供的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，包括：
S101，获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流；
S102，根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息；
S103，根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息；
S104，根据确定的压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息，调节压电换能器的端口阻抗匹配电路。
本发明实施例所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流；根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息；根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息；根据确定的压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息，自适应调节压电换能器的端口阻抗匹配电路，使整个系统达到匹配状态，实现系统最大功率传输或无失真传输。
本实施例中，如图2所示，实现本发明实施例所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法的装置可以称为：自适应调节装置，所述自适应调节装置主要有3个功能：估计压电换能器的端口阻抗信息、确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息及调节压电换能器的端口阻抗匹配电路。
本实施例中，如图2所示，所述自适应调节装置分别与驱动电路、端口阻抗匹配电路、压电换能器电连接，所述端口阻抗匹配电路还与所述驱动电路、压电换能器电连接，从而构成完成的传输系统。
本实施例中，压电换能器的端口阻抗信息Zl＝Rl+jXl，驱动电路的端口阻抗信息Zs＝Rs+jXs；
其中，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动端的电阻，Xs表示驱动端的电抗，j表示虚数单位，Rs和Xs是已知的。
在前述压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法的具体实施方式中，进一步地，在获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流之前，所述方法还包括：
断开压电换能器的端口阻抗匹配电路的连接，对驱动电路施加预设频率的固定幅值的激励，以便测量压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，其中，所述端口阻抗匹配电路与所述驱动电路相连。
本实施例中，优选地，所述激励可以为正弦波激励。
本实施例中，假设，对驱动电路施加预设频率的正弦波激励V0，测量压电换能器的瞬时电压Vl和瞬时电流Il，其中，
所述压电换能器的瞬时电压的幅值为：
Figure BDA0001748146950000051
所述压电换能器的瞬时电压的相角为：
Figure BDA0001748146950000052
所述压电换能器的瞬时电流的幅值为：
Figure BDA0001748146950000053
所述压电换能器的瞬时电流的相角为：
Figure BDA0001748146950000054
其中，V0表示对驱动电路施加的激励，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗。
在前述压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息包括：
利用遗传-粒子群算法对获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流信息进行曲线拟合，估计压电换能器的端口阻抗信息，即：估计压电换能器的电阻Rl和电抗Xl。
在前述压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法的具体实施方式中，进一步地，所述利用遗传-粒子群算法对获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流信息进行曲线拟合，估计压电换能器的端口阻抗信息包括：
C1，判断个体的适应度值是否小于预设的第一阈值，若是，则停止迭代；
C2，否则，判断迭代次数是否小于预设的最大迭代次数；
C3，若是，则使用遗传算法更新种群；否则，使用粒子群算法更新种群，当种群的适应度值的方差小于预设的第二阈值时，则切换为遗传算法更新种群，并返回步骤C1继续执行。
本实施例中，在利用遗传-粒子群算法估计压电换能器的端口阻抗信息时，首选，需对种群中的个体分别进行初始化，然后运行遗传算法，对种群进行进化/更新和筛选，其中，种群中个体的基因表示压电换能器的端口阻抗信息。
本实施例中，运行遗传算法对种群中的个体进行评价时，适应度值的评价的公式为：
Figure BDA0001748146950000061
其中，Vl *是Vl的估计值，
Figure BDA0001748146950000062
是Il的估计值，Vl表示获取的压电换能器的瞬时电压，Il表示获取的压电换能器的瞬时电流。
本实施例中，种群的适应度值的方差
Figure BDA0001748146950000063
其中，favg是种群中个体的适应度值的平均，N为种群中个体的数目，fj为种群中个体j的适应度值。本实施例中，fj符合正态分布，则S2越小，种群中个体的相似度越高，种群趋于收敛，算法处于停滞状态。
本实施例中，如果适应度值小于预设的第一阈值则算法终止，否则决策下一代种群使用遗传算法或粒子群算法更新；具体的：判断迭代次数是否小于预设的最大迭代次数(例如，50次)；若是，则使用遗传算法更新种群；否则，切换为粒子群算法更新种群，在使用粒子群算法更新种群时，当种群的适应度值的方差小于预设的第二阈值时，种群趋于收敛，则切换为遗传算法更新种群，以增加种群的多样性，防止算法陷入死循环无法得到最优解。也就是说：
先进行50次遗传算法，再进行粒子群算法，当种群收敛时再运行50次遗传算法，紧接着再运行粒子群算法，种群收敛时再运行50次遗传算法，依次往复，直到所搜索出的个体的适应度值小于预设的第一阈值，算法即停止，该个体即为最优个体。
本实施例中，迭代过程中，使用上一代的精英个体替换本代适应度值较差的个体，保证种群总是朝着有利的方向进化。
本实施例中，精英个体是指当个体的适应度值按由小到大顺序排列时，适应度值较小的个体。
本实施例中，种群中有N个个体，变异概率为pm，若种群收敛于非最优超平面π，则种群逃离该超平面的概率为(1-pm)N，该概率接近于1。故当种群未成熟收敛，遗传算法经过多代交叉、变异后变成随机搜索。遗传算法能够增加种群基因的多样性，使种群逃离局部最优，进行全局搜索；粒子群算法收敛速度快、局部搜索性能优越，能提高种群更新的效率；这样，通过遗传算法和粒子群算法交替循环运行，既保证了全局搜索性能，又能进行局部寻优，保证系统可以搜索到符合条件的压电传感器端口阻抗参数。
如图3所示，Zin是输入阻抗，Zin＝Rin+jXin，其中，Rin表示输入电阻，具体为图3中S1、S2两个开关部分向右看阻抗匹配电路的电阻；Xin表示输入电抗，具体为图3中S1、S2两个开关部分向右看阻抗匹配电路的电抗；图3中虚线A向右看的阻抗信息为
Figure BDA0001748146950000071
其中，ω表示角频率、C表示阻抗匹配电路电容。
本实施例中，虚线A向右看的阻抗与阻抗匹配电路电感L无关；其具体操作为：开关S1和S2打到外侧，S3断开，估计压电换能器的阻抗信息；开关S1和S2打到内侧，S3闭合，调整L和C完成电路匹配。
在前述压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法的具体实施方式中，进一步地，根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息包括：
根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容值和电感值。
本实施例中，整个系统的传输反射系数为
Figure BDA0001748146950000081
系统达到最大功率传输的条件为Zin＝Rin+jXin＝Zs *，即Rin+jXin＝Rs-jXs；
其中，Γs表示反射系数，
Figure BDA0001748146950000082
表示驱动电路的端口阻抗信息Zs的共轭复数。
综上，可以得到：
Figure BDA0001748146950000083
即：
Figure BDA0001748146950000084
Figure BDA0001748146950000085
其中，
Figure BDA0001748146950000086
表示驱动电路的端口阻抗信息Zs的共轭复数，Zs＝Rs+jXs，Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗，j表示虚数单位，ω表示角频率，C表示压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容，L表示压电换能器的端口阻抗匹配电路的电感，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗；这样，可以求得压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容值C和电感值L。
本实施例中，根据上述得到的压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容值C和电感值L，调节阻抗匹配电路的电感和电容器件，使压电换能器和驱动电路端口匹配，实现系统最大功率传输或无失真传输。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，其特征在于，包括：
获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流；
根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息；
根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息；
根据确定的压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息，调节压电换能器的端口阻抗匹配电路；
其中，所述根据获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流，估计压电换能器的端口阻抗信息包括：
利用遗传-粒子群算法对获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流信息进行曲线拟合，估计压电换能器的端口阻抗信息；
其中，在利用遗传算法对种群中的个体进行评价时，适应度值的评价的公式为：
Figure FDA0002517419050000011
其中，种群中个体的基因表示压电换能器的端口阻抗信息，Vl *是Vl的估计值，
Figure FDA0002517419050000012
是Il的估计值，Vl表示获取的压电换能器的瞬时电压，Il表示获取的压电换能器的瞬时电流；
其中，所述利用遗传-粒子群算法对获取的压电换能器的瞬时电压和瞬时电流信息进行曲线拟合，估计压电换能器的端口阻抗信息包括：
C1，判断个体的适应度值是否小于预设的第一阈值，若是，则停止迭代；
C2，否则，判断迭代次数是否小于预设的最大迭代次数；
C3，若是，则使用遗传算法更新种群；否则，使用粒子群算法更新种群，当种群的适应度值的方差小于预设的第二阈值时，则切换为遗传算法更新种群，并返回步骤C1继续执行。
2.根据权利要求1所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，其特征在于，在获取压电换能器的瞬时电压和瞬时电流之前，所述方法还包括：
断开压电换能器的端口阻抗匹配电路的连接，对驱动电路施加预设频率的固定幅值的激励，其中，所述端口阻抗匹配电路与所述驱动电路相连。
3.根据权利要求2所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，其特征在于，所述激励为正弦波激励。
4.根据权利要求1所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，其特征在于，获取的压电换能器的瞬时电压的幅值为：
Figure FDA0002517419050000021
获取的压电换能器的瞬时电压的相角为：
Figure FDA0002517419050000022
其中，V0表示对驱动电路施加的激励，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗。
5.根据权利要求1所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，其特征在于，获取的压电换能器的瞬时电流的幅值为：
Figure FDA0002517419050000023
获取的压电换能器的瞬时电流的相角为：
Figure FDA0002517419050000024
其中，V0表示对驱动电路施加的激励，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗。
6.根据权利要求1所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，其特征在于，根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的参数信息包括：
根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容值和电感值。
7.根据权利要求6所述的压电换能器端口阻抗匹配电路的自适应调节方法，其特征在于，所述根据估计得到的压电换能器的端口阻抗信息，确定压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容值和电感值包括：
以系统达到最大功率传输为目标条件，则系统的输入阻抗Zin表示为：
Zin＝Rin+jXin＝Zs *
Figure FDA0002517419050000031
Figure FDA0002517419050000032
Figure FDA0002517419050000033
其中，
Figure FDA0002517419050000034
表示驱动电路的端口阻抗信息Zs的共轭复数，Zs＝Rs+jXs，Rin表示输入电阻，Xin表示输入电抗，j表示虚数单位，ω表示角频率，C表示压电换能器的端口阻抗匹配电路的电容，L表示压电换能器的端口阻抗匹配电路的电感，Rl表示压电换能器的电阻，Xl表示压电换能器的电抗，Rs表示驱动电路的电阻，Xs表示驱动电路的电抗。
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