CN109617257A - 感应电能传输系统及其混合灵敏度鲁棒控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种感应电能传输系统及其混合灵敏度鲁棒控制方法，属于无线电能传输领域。包括如下步骤：根据系统电路结构利用广义状态空间平均法建立状态模型，从而得到标称对象的传递函数G(s)；定义灵敏度函数S和补灵敏度函数T，综合考虑系统负载、频率变化和外部扰动因素构造满足系统性能和鲁棒性要求的加权函数Ws、WR和WT，通过加权后的增广系统建立广义被控对象P和闭环传递函数Tzr(s)，基于Riccati方程法进而求得控制器的传递函数K(s)。该方法可根据感应电能传输系统性能要求设计基于混合灵敏度的鲁棒控制器，有效地抑制参数变化、提高抗干扰能力和鲁棒稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种感应电能传输系统及其混合灵敏度鲁棒控制方法，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
传统的接触式电能接入模式往往伴随着器件磨损、接触不良、接触火花等问题，甚至可能导致生命财产的损失，而且充电现场杂乱无章，给用电安全也带来了潜在的危害。随着人们日益增长的需求，迫使人们寻找一种安全、可靠、便捷、稳定的供电方法代替传统的有线传输，同时能够满足在特殊环境和特殊场合的应用要求。感应电能传输技术(Inductive Coupling Power Transfer，简称ICPT)是一种借助空间电磁场实现电能由源设备传递至受电设备的全新电能接入模式，该技术实现共受电设备之间电气隔离，因此从根本上杜绝了传统有线供电模式带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，是一种洁净、安全、灵活的新型供电模式。在电动汽车、轨道交通、家用电器、植入式医疗设备和便携消费电子设备以及可穿戴移动设备等方面得到广泛的应用和研究。
感应电能传输涉及能量变换、高频变换、谐振耦合等多个环节，具有自治振荡、高阶、非线性、多模态及不确定性特性。实际运用中，随着系统的工作条件或环境的变化，系统元器件的老化或损坏，被控对象本身的特性会随之发生变化，系统参数(如耦合系数、负载、谐振频率、谐振参数等)的不确定性以及外部的干扰信号都会给系统带来不稳定性，影响电能传输品质、元器件电压电流应力波动、强电磁干扰增加等问题。输出稳定性是无线电能传输系统的关键指标之一，控制系统在参数变化和外部扰动下的稳定输出具有重要的意义。本发明基于混合灵敏度的鲁棒控制方法应用到感应电能传输系统的控制器设计中，从而实现系统输出的无静差跟踪，实现系统的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于混合灵敏度的感应电能传输系统鲁棒控制方法，实现负载和频率摄动以及外部扰动下的稳定输出，保证系统的稳定性。
本发明的目的是这样实现的：
感应电能传输系统包括：主电路和控制电路；
所述主电路为中继式感应电能传输系统，包括直流电压源、Buck变换器、高频逆变器、原边LC谐振网络、中继LCL谐振网络、副边LC谐振网络、整流电路、滤波电容及负载；直流电压源连接在Buck变换器的两端，Buck变换器的输出端连接到高频逆变器的输入端，为高频逆变器提供电源；高频逆变器的输出端与原边LC谐振网络输入端相连接，原边LC谐振网络的发射线圈与中继LCL谐振网络的接收线圈耦合，中继LCL谐振网络发射线圈与副边LC谐振网络接收线圈相耦合，副边LC谐振网络的输出端与整流电路的输入端相连接，整流电路的输出端连接负载；
所述Buck变换器包括MOSFET开关管、二极管VD、电感Ld；所述高频逆变器，由四个全控型开关管及其反并联二极管组成，为原边发射线圈提供高频电流从而产生高频磁场；所述原边LC谐振网络包括：原边谐振电容Cp以及原边发射线圈电感Lp；所述中继LCL谐振网络包括中继接收线圈电感La、谐振电容Ca、中继发射线圈电感La2；所述副边LC谐振网络包括副边接收线圈电感Ls及副边谐振电容Cs；所述的整流电路由四个不可控二极管组成，用于高频信号的整流，其输出信号通过滤波电容抑制高频信号，减少输出电压的纹波；
所述控制电路为鲁棒控制回路，包括电压检测模块、无线通信模块、输出参考电压值、加法器、鲁棒控制器和PWM驱动模块；电压检测模块的输入端与负载连接，电压检测模块、无线通信模块、加法器、鲁棒控制器、PWM驱动模块顺序连接，PWM驱动模块的输出端与Buck变换器开关管的控制端对应连接。
感应电能传输系统基于混合灵敏度的鲁棒控制方法实现对系统的控制，所述的鲁棒控制方法的具体实现步骤为：
步骤一：利用广义状态空间平均法、根据Norton等效电路以及傅里叶级数性质建立线性的状态空间模型，由此可以得到标称对象的传递函数G(s)；
步骤二：定义灵敏度函数S(s)＝[I+G(s)K(s)]-1，表示干扰d为0时闭环系统从参考输入r到误差信号e的传递函数，也表示参考输入r为0时从干扰d到输出y的传递函数；定义补灵敏度函数T(s)＝G(s)K(s)[I+G(s)]-1＝I-S(s)；增广灵敏度函数R(s)＝K(s)[I+G(s)K(s)]-1，构造满足约束条件的输出性能加权函数Ws、控制性能加权函数WR和鲁棒性能加权函数WT；
步骤三：考虑负载和频率参数变化和外部扰动等因素同时存在于系统中，用输出性能加权函数Ws、控制性能加权函数WR和鲁棒性能加权函数WT分别对跟踪误差信号e、控制输出信号u、系统输出信号y进行加权构成增广系统，可以得出输入输出之间的关系式：
假设标称被控对象G、输出性能加权函数WS、控制性能加权函数WR、鲁棒性能加权函数WT可以以状态空间矩阵的形式实现
根据输入输出之间的关系得到广义被控对象P为：
步骤四：系统从外部输入r到受控输出z的闭环传递函数阵为：
其中，WS(jω)代表干扰的频谱特性，应取对角真实有理函数阵且具有低通性质，保证系统具有良好的抗干扰能力和跟踪能力；WR(jω)表示加性摄动的范数有界性且具有高通性质，考虑饱和现象及对系统的噪声抑制，一般取为常数；WT(jω)表示乘性摄动的范数界，取为对角的非真实有理函数阵且具有高通性质，反映鲁棒稳定性要求。
依据混合灵敏度鲁棒设计目标即寻找稳定的有理函数鲁棒控制器K，使闭环系统稳定，且满足H∞范数小于给定的常数γ(γ>0)：||Tzw||∞＜γ。根据控制器的边界条件且通过Riccati方程法求解得到控制器传递函数K(s)。
步骤五：根据电压检测模块采集负载上电压信号UR，通过无线通信模块传输到原边的控制器中，将实际电压信号UR与输出参考电压Uref送入加法器计算误差，将误差信号e＝Uref-UR送入鲁棒控制器得到电压控制量u，综合鲁棒控制算法和脉冲宽度调制模式，得到Buck变换器的开关管的占空比D，则电压控制量u所对应的占空比D为：D＝u/Edc，其中Edc为系统输入直流电压；将占空比D送入PWM驱动模块中，得到方波信号控制原边Buck变换器的开关管，依据检测的实时负载电压改变占空比调节谐振网络的输入电压的大小从而实现系统稳定输出。
有益效果：1、本发明基于混合灵敏度设计鲁棒控制器，弥补现代控制理论中对数学模型的过分依赖，在设计中考虑对象模型的不确定性，选取满足系统设计的性能要求的加权函数，兼顾系统的瞬态性能、抗干扰能力和鲁棒性；
2、本发明为具有不确定性和模型摄动的系统提供一种频域的控制器设计方法，由于加权函数矩阵的设计，使得控制器对外部扰动和对象模型的不确定性具有灵敏度低、跟踪速度快、稳态性能好的优点。
附图说明
图1：本发明的感应电能传输系统装置鲁棒控制的结构框图
图2：本发明的混合灵敏度控制系统框图
图3：本发明灵敏度函数、补灵敏度函数、增广灵敏度函数的幅频特性BODE图
图4：本发明的高低阶控制器的BODE图
图5：本发明的跟踪参考的系统响应波形
图6：本发明的负载参数摄动下的系统响应波形
图7：本发明的频率参数摄动下的系统响应波形
图8：本发明的噪声干扰下的系统响应波形
图中，1、直流电压源；2、Buck变换器；3、高频逆变器；4、原边LC谐振网络；5、中继LCL谐振网络；6、副边LC谐振网络；7、整流电路；8、滤波电容Cf；9、负载RL；10、鲁棒控制回路；11、电压检测模块；12、无线通信模块；13、输出参考电压值Uref；14、加法器；15、鲁棒控制器；16、PWM驱动模块；17、外部输入信号r；18、跟踪误差信号e；19、控制输出信号u；20、系统输出信号y；21、输出性能加权函数WS；22、控制性能加权函数WR；23、鲁棒性能加权函数WT；24、标称被控对象G；25、广义被控对象P；26、受控输出信号z；27、鲁棒控制器K。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于混合灵敏度的感应电能传输系统鲁棒控制方法做进一步说明。
图1为本发明的感应电能传输系统装置鲁棒控制的结构框图，感应电能传输系统装置包括：主电路和控制电路，控制电路连接在主电路的负载上；
所述主电路为中继式感应电能传输系统，包括直流电压源1、Buck变换器2、高频逆变器3、原边LC谐振网络4、中继LCL谐振网络5、副边LC谐振网络6、整流电路7、滤波电容8及负载9；
直流电压源1连接在Buck变换器2的两端，Buck变换器2的输出端连接到高频逆变器3的输入端，为高频逆变器提供电源；高频逆变器3的输出端与原边LC谐振网络4输入端相连接，原边LC谐振网络4的发射线圈与中继LCL谐振网络5的接收线圈耦合，中继LCL谐振网络5发射线圈与副边LC谐振网络6接收线圈相耦合，副边LC谐振网络6的输出端与整流电路7的输入端相连接，整流电路的输出端连接到滤波电容Cf8及负载RL9；
所述Buck变换器2包括MOSFET开关管、二极管VD、电感Ld；所述高频逆变器3，由四个全控型开关管及其反并联二极管组成，为原边发射线圈提供高频电流从而产生高频磁场；所述原边LC谐振网络4包括：原边谐振电容Cp以及原边发射线圈电感Lp；所述中继LCL谐振网络5包括中继接收线圈电感La、谐振电容Ca、中继发射线圈电感La2；所述副边LC谐振网络6包括副边接收线圈电感Ls及副边谐振电容Cs；所述的整流电路7由四个不可控二极管组成，用于高频信号的整流，其输出信号通过滤波电容8抑制高频信号，减少输出电压的纹波；
所述控制电路为鲁棒控制回路10，包括电压检测模块11、无线通信模块12、输出参考电压值Uref13、加法器14、鲁棒控制器15和PWM驱动模块16；电压检测模块11的输入端与负载9连接，电压检测模块11、无线通信模块12、加法器13、鲁棒控制器14、PWM驱动模块15顺序连接，PWM驱动模块16的输出端与Buck变换器开关管的控制端对应连接。
图2混合灵敏度控制系统框图，外部输入信号17一般包含指令信号、干扰和传感器噪声信号；跟踪误差信号e18连接输出性能加权函数WS21得到输出z1，控制输出信号19连接控制性能加权函数WR22得到输出z2，系统输出信号y20连接鲁棒性能加权函数WT23得到输出z3，由标称被控对象G24和输出性能加权函数WS21、控制性能加权函数WR22、鲁棒性能加权函数WT23构成广义被控对象25，受控输出信号z26一般包含跟踪误差、调节误差执行机构输出，鲁棒控制器K27为待求解的函数。
感应电能传输系统基于混合灵敏度的鲁棒控制方法实现对系统的控制，所述的鲁棒控制方法的具体实现步骤为：
步骤一：利用广义状态空间平均法、根据Norton等效电路以及傅里叶级数性质建立线性的状态空间模型，由此可以得到标称对象的传递函数G(s)；
步骤二：定义灵敏度函数S(s)＝[I+G(s)K(s)]-1，表示干扰d为0时闭环系统从参考输入r到误差信号e的传递函数，也表示参考输入r为0时从干扰d到输出y的传递函数；定义补灵敏度函数T(s)＝G(s)K(s)[I+G(s)]-1＝I-S(s)；增广灵敏度函数R(s)＝K(s)[I+G(s)K(s)]-1，构造满足约束条件的输出性能加权函数Ws21、控制性能加权函数WR22和鲁棒性能加权函数WT23；
步骤三：考虑负载和频率参数变化和外部扰动等因素同时存在于系统中，用输出性能加权函数Ws21、控制性能加权函数WR22和鲁棒性能加权函数WT23分别对跟踪误差信号e18、控制输出信号u19、系统输出信号y20进行加权构成增广系统，可以得出输入输出之间的关系式：
假设标称被控对象G24、输出性能加权函数Ws21、控制性能加权函数WR22和鲁棒性能加权函数WT23可以以状态空间矩阵的形式实现
根据输入输出之间的关系得到广义被控对象P25为：
步骤四：系统从外部输入r17到受控输出信号z26的闭环传递函数阵为：
其中，WS(jω)代表干扰的频谱特性，应取对角真实有理函数阵且具有低通性质，保证系统具有良好的抗干扰能力和跟踪能力；WR(jω)表示加性摄动的范数有界性且具有高通性质，考虑饱和现象及对系统的噪声抑制，一般取为常数；WT(jω)表示乘性摄动的范数界，取为对角的非真实有理函数阵且具有高通性质，反映鲁棒稳定性要求。
依据混合灵敏度设计目标即寻找稳定的有理函数鲁棒控制器K27，使闭环系统稳定，且满足H∞范数小于给定的常数γ(γ>0)：||Tzw||∞＜γ。根据控制器的边界条件且通过Riccati方程法求解得到控制器传递函数K(s)。
步骤五：根据电压检测模块11采集负载上电压信号UR，通过无线通信模块12传输到原边的控制器中，将实际电压信号UR与输出参考电压Uref13送入加法器14计算误差，将误差信号e＝Uref-UR送入鲁棒控制器15得到电压控制量u，综合鲁棒控制算法和脉冲宽度调制模式，得到Buck变换器的开关管的占空比D，则电压控制量u所对应的占空比D为：其中Edc为系统输入直流电压；将占空比D送入PWM驱动模块16中，得到方波信号控制原边Buck变换器的开关管，依据检测的实时负载电压改变占空比调节谐振网络的输入电压的大小从而实现系统稳定输出。
以下为本发明的一个具体实施例。
图1为本发明的感应电能传输系统装置鲁棒控制的结构框图，系统工作频率为85kHz，输入直流电压100V，Buck变换器的电感为1mH，原边LC谐振网络、中继LCL谐振网络、副边LC谐振网络电感取值均为60μH，谐振电容为58.432nF，滤波电容Cf为100μF，负载为80Ω，原边线圈与中继线圈之间的互感M1为20μH，中继线圈和副边拾取线圈之间的互感M2为20μH。根据系统Norton等效电路建立系统的微分方程如下：
式中：det1＝Lp*La-M1*M1，det2＝La2*Ls-M2*M2；根据傅里叶级数分级性质可以得到状态空间模型，继而求得标称对象传函G(s)；考虑系统的不确定性和干扰因素，综合系统性能指标选取加权函数，故本发明选择加权函数为：
将加权函数与标称对象重构增广系统，根据输入输出之间的关系得到广义被控对象P为：
将广义被控对象P代入基于MATLAB的Robust Control工具箱求解控制器，基于Hankel范数逼近法的降阶原理可以得到5阶的控制器传递函数K(s)如下：
将传递函数形式的控制器函数转换为状态空间模型形式，表示为下面式子：则Ak，Bk，Ck，Dk数值分别为
Bk＝[276.3404 95.9513 9.5319 -5.7594 5.7103]T；
Ck＝[-102.4710 -101.0783 -101.7607 5.7645 5.6972]；
Dk＝0.0016
图3为本发明灵敏度函数、补灵敏度函数、增广灵敏度函数的幅频特性BODE图，纵坐标表示为它们的结构奇异值，表示对干扰信号和不确定性的度量。
图4为本发明的高低阶控制器的BODE图，基于混合灵敏度设计得到的控制器因系统本身特性阶数较高，采用降阶处理得到低阶控制器，同时使降阶后的控制器保持输入输出性能相同。
图5为本发明的跟踪参考的系统响应波形，0s设定输出电压参考值为50V，0.03s设定参考值为60V，0.06s设定参考值为40V，在切换过程中，系统无超调，大约5ms左右的时间达到参考电压值，实现系统的无静差跟踪，具有较好的跟踪能力。
图6为本发明的负载参数摄动下的系统响应波形，负载依次从80Ω切换60Ω再切换为40Ω，图7为本发明的频率参数摄动下的系统响应波形，系统工作频率从85kHz切换为60kHz，从响应波形可以看出，所设计的控制器对于有界的负载摄动、频率摄动具有较好的参数抑制能力。
图8为本发明的噪声干扰下的系统响应波形，设定系统加入随机干扰噪声信号，在混合灵敏度鲁棒控制作用下，系统能实现输出电压的稳定，具有较好的抗干扰能力。
以上为本发明的技术实施例和技术特点，仅用于说明本发明的技术方案而非限制。然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示内容而作出对本发明的技术方案的修改和等同替换。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替代和修正，并为上述权利要求书所涵盖。
Claims (6)
1.一种感应电能传输系统，其特征在于，包括主电路和控制电路；所述主电路包括直流电压源、Buck变换器、高频逆变器、原边LC谐振网络、中继LCL谐振网络、副边LC谐振网络、整流电路、滤波电容及负载；直流电压源连接在Buck变换器的两端，Buck变换器的输出端连接到高频逆变器的输入端；高频逆变器的输出端与原边LC谐振网络输入端相连接，原边LC谐振网络的发射线圈与中继LCL谐振网络的接收线圈耦合，中继LCL谐振网络发射线圈与副边LC谐振网络接收线圈相耦合，副边LC谐振网络的输出端与整流电路的输入端相连接，整流电路的输出端连接负载；
所述控制电路包括电压检测模块、无线通信模块、输出参考电压值、加法器、鲁棒控制器和PWM驱动模块；电压检测模块的输入端与负载连接，电压检测模块、无线通信模块、加法器、鲁棒控制器、PWM驱动模块顺序连接，PWM驱动模块的输出端与Buck变换器开关管的控制端对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种感应电能传输系统，其特征在于，所述Buck变换器包括MOSFET开关管、二极管VD、电感Ld；所述高频逆变器包括四个全控型开关管及其反并联二极管；所述原边LC谐振网络包括原边谐振电容Cp以及原边发射线圈电感Lp；所述中继LCL谐振网络包括中继接收线圈电感La、谐振电容Ca、中继发射线圈电感La2；所述副边LC谐振网络包括副边接收线圈电感Ls及副边谐振电容Cs；所述的整流电路包括四个不可控二极管，其输出信号通过滤波电容抑制高频信号。
3.一种基于混合灵敏度的感应电能传输系统鲁棒控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据感应电能传输系统电路结构利用广义状态空间平均法建立状态空间模型，从而得到标称对象的传递函数G(s)；
步骤2：定义灵敏度函数S、补灵敏度函数T、增广灵敏度函数R，综合考虑感应电能传输系统负载、频率变化和外部扰动因素构造满足感应电能传输系统性能和鲁棒性要求的输出性能加权函数Ws、控制性能加权函数WR和鲁棒性能加权函数WT；
步骤3：用Ws、WR和WT分别对跟踪误差信号e、控制输出信号u、系统输出信号y进行加权得到感应电能传输系统的输入输出之间的关系，进而建立广义被控对象P和闭环传递函数Tzr(s)；
步骤4：求解闭环传递函数Tzr(s)得到感应电能传输系统控制器的传递函数K(s)；
步骤5：将实际电压信号UR与输出参考电压Uref的误差信号输入传递函数K(s)，得到电压控制量u，根据电压控制量u，则电压控制量u所对应的Buck变换器的开关管的占空比D为：D＝u/Edc，其中Edc为系统输入直流电压，改变占空比调节感应电能传输系统的输入电压从而实现感应电能传输系统的稳定输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于混合灵敏度的感应电能传输系统鲁棒控制方法，其特征在于，步骤3中，感应电能传输系统的输入输出之间的关系式为：
其中，z1为跟踪误差信号e连接输出性能加权函数WS得到的输出，z2为控制输出信号u连接控制性能加权函数WR得到的输出，z3为系统输出信号y连接鲁棒性能加权函数WT得到的输出，r为外部输入信号，G为标称被控对象，I为单位矩阵。
5.根据权利要求3所述的一种基于混合灵敏度的感应电能传输系统鲁棒控制方法，其特征在于，步骤3中，假设标称被控对象G、输出性能加权函数Ws、控制性能加权函数WR和鲁棒性能加权函数WT以状态空间矩阵的形式实现：
Ai、Bi、Ci、Di(i＝g,S,R,T)分别为状态空间方程中的系数矩阵；
根据输入输出之间的关系得到广义被控对象P为：
系统从外部输入r到受控输出信号z的闭环传递函数阵为：
6.根据权利要求3所述的一种基于混合灵敏度的感应电能传输系统鲁棒控制方法，其特征在于，步骤4中，依据混合灵敏度鲁棒控制设计目标即寻找稳定的有理函数鲁棒控制器K，使闭环系统稳定，且满足范数小于给定的常数γ(γ>0)：||Tzw||∞＜γ，根据控制器的边界条件和Riccati方程法求解闭环传递函数Tzr(s)得到控制器传递函数K(s)。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109946979A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-06-28 | 广东省智能机器人研究院 | 一种伺服系统灵敏度函数的自适应调整方法 |
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| CN110034698A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-07-19 | 重庆大学 | 耦合电容变化下的稳压ecpt系统及混杂控制方法 |
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2019
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