CN114243933A - 无线电能传输系统的pwm波生成方法、装置和设备 - Google Patents

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CN114243933A CN202111394038.8A CN202111394038A CN114243933A CN 114243933 A CN114243933 A CN 114243933A CN 202111394038 A CN202111394038 A CN 202111394038A CN 114243933 A CN114243933 A CN 114243933A
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controller
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钟昕辉
周子奇
周雨迪
王翀
杜浩东
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Abstract

本申请涉及高压取电技术领域，提供一种无线电能传输系统的PWM波生成方法、装置和设备，在无线电能传输系统的模型失配或控制器基于原有的移相角生成参数进行控制的效果变差时，优化控制器对无线电能传输系统的控制效果，包括：基于辨识得到的估计时延，对包括估计时延的系统模型进行相位分解，将分解得到的最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；对内模控制器进行等效转换，得到单位负反馈PID控制器；利用一阶泰勒展开，近似单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数，完成移相角生成参数的重新设计。

Description

无线电能传输系统的PWM波生成方法、装置和设备
技术领域
本申请涉及高压取电技术领域，特别是涉及一种无线电能传输系统的PWM波生成方法、装置和计算机设备。
背景技术
随着电力系统和输电线路的不断发展和日益复杂化，对线路及重要节点进行实时、准确的监测就显得尤为重要，因此传感器或智能网关等监测设备被越来越多地应用于高压输电线路上。CT(电流互感器)取电器被广泛应用于高压输电领域，通过电磁感应原理直接从输电线路上取能，为二次侧监测设备供电，同时也保证了绝缘距离，满足高压输电线路对电气绝缘性的要求。此外，如果监测设备体积和重量较大，输电线路不易承受，会发生较大拉伸变形，这也会破坏输电线路对地面的绝缘性。因此可以将CT取电部分挂在输电线路上，而将用电设备置于杆塔上，借助绝缘子实现对地绝缘，同时采用无线电能传输的方式将CT取电部分取来的电能传输给用电设备。
一个能实现良好的输出电压控制和功率调节的控制器对无线电能传输系统(WPT)来说十分重要。该控制器基于移相角生成参数生成移相角，PWM波生成器基于该控制器生成的移相角生成对应的PWM波，实现无线电能传输系统的电能无线传输。
由于存在加工制造误差、安装时线圈对齐程度等问题，实际无线电能传输系统与预设的系统模型之间会有一定偏差；此外，通常情况下，要求监测设备能独立正常工作数年，在这个过程中，器件的老化也是不可避免的，再加上环境因素的影响，线圈对齐程度等也会发生偏移，无线电能传输系统的实际系统模型也势必发生变化，基于原有系统模型设计的控制器的移相角生成参数，该控制器的控制效果就可能也会变差，这就需要根据新的系统模型设计新的控制器的移相角生成参数。
发明内容
基于此，为解决上述问题，本申请提供一种无线电能传输系统的PWM波生成方法、装置、设备、存储介质和计算机程序产品。
一种无线电能传输系统的PWM波生成方法，所述方法包括：
获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延；
获取包括所述估计时延的系统模型；包括所述估计时延的系统模型用于描述所述输入和所述输出之间的关系；
将包括所述估计时延的系统模型分解为最小相位部分和非最小相位部分，并基于所述最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；
对所述内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；
利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；
将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数；
基于按所述移相角生成参数得到的移相角，生成所述无线电能传输系统的PWM波。
在一个实施例中，所述输入是移相角，所述输出是电压；
所述获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延，包括：
基于阶数可选值和时延可选值，得到候选系统模型集合；所述候选系统模型集合中的各候选系统模型用于描述输入所述无线电能传输系统的移相角和所述无线电能传输系统输出的电压之间的关系；
将测试移相角序列输入至所述无线电能传输系统，采集所述无线电能传输系统的输出的测试电压序列；
基于所述测试移相角序列和所述测试电压序列，利用
Figure BDA0003369294170000021
准则，计算各候选系统模型的拟合比；
从所述候选系统模型集合中，选取拟合比大于拟合比阈值的候选系统模型；
基于所选取的各候选系统模型的AIC值，将所选取的候选系统模型中AIC值最小的候选系统模型作为系数待估计的系统模型；
将所述系数待估计的系统模型中的时延可选值作为所述系统模型的估计时延。
在一个实施例中，所述候选系统集合中的各候选系统模型均为输出误差的系统模型：
Figure BDA0003369294170000031
其中，s表示拉普拉斯运算符；τ﹥0表示时延；θ＝[a1,…,an,b0,…,bm]T；A(s,θ)＝sn+a1sn-1+…+an；B(s,θ)＝b0sm+b1sm-1+…+bm；{e(tk)}是输出误差序列；{u(tk)}是输入至所述无线电能传输系统的移相角序列；{x(tk)}和{y(tk)}分别是所述无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值；输入的移相角序列和输出的电压序列都是在tk＝kT(k∈N)处采样的，T是采样时间；n和m分别是系统模型的分母的阶数、分子的阶数；
基于
Figure BDA0003369294170000032
准则得到的拟合比、以及AIC值分别为：
Figure BDA0003369294170000033
其中，
Figure BDA0003369294170000034
其中，
Figure BDA0003369294170000035
表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值之差，
Figure BDA0003369294170000036
是
Figure BDA0003369294170000037
的平均值；y(k)表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值，
Figure BDA0003369294170000038
是y(k)的平均值；N是采样数据的组数。
在一个实施例中，所述方法还包括：
基于所述系数待估计的系统模型中的时延可选值和阶数可选值，通过最小化输出误差来估计各项系数，如下式：
Figure BDA0003369294170000041
在一个实施例中，包括所述估计时延的系统模型用Gm(s)表征、最小相位部分为Gm-(s)以及非最小相位部分为Gm+(s)；
Gm(s)、Gm-(s)和Gm+(s)之间的关系为：Gm(s)＝Gm-(s)Gm+(s)；
若Gm(s)是包括所述估计时延的一阶模型，则：
Figure BDA0003369294170000042
Gm+(s)＝e-τs；其中，τ是时延，a和b是一阶模型的估计参数。
在一个实施例中，内模控制器用Q(s)表征，一阶低通滤波器用F(s)表征，则：
Q(s)＝Gm-(s)F(s)
Figure BDA0003369294170000043
其中，r设为1；λ是一阶低通滤波器的可调参数。
若单位负反馈PID控制器用Gc表征，则对内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure BDA0003369294170000044
在一个实施例中，单位负反馈PID控制器中的时延项为e-τs，与e-τs近似的一阶泰勒展开式为1-τs；
利用一阶泰勒展开对时延项进行近似后得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure BDA0003369294170000045
在一个实施例中，所述将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数，包括：
将近似后的单位负反馈PID控制器改写成PI形式，得到
Figure BDA0003369294170000051
比对
Figure BDA0003369294170000052
和
Figure BDA0003369294170000053
得到
Figure BDA0003369294170000054
以及
Figure BDA0003369294170000055
其中，所述Kp和所述Ti为移相角生成参数。
一种无线电能传输系统的PWM波生成装置，所述装置包括：
估计时延获取模块，用于获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延；
系统模型获取模块，用于获取包括所述估计时延的系统模型；包括所述估计时延的系统模型用于描述所述输入和所述输出之间的关系；
内模控制器获取模块，用于将包括所述估计时延的系统模型分解为最小相位部分和非最小相位部分，并基于所述最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；
等效转换模块，用于对所述内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；
近似模块，用于利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；
移相角生成参数获取模块，用于将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数；
PWM波生成模块，用于基于按所述移相角生成参数得到的移相角，生成所述无线电能传输系统的PWM波。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行上述方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述方法。
一种计算机程序产品，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述方法。
上述无线电能传输系统的PWM波生成方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，在无线电能传输系统的系统模型失配或者无线电能传输系统的控制器基于原有的移相角生成参数进行控制的效果变差时，基于辨识得到的估计时延，对包括估计时延的系统模型进行相位分解，将分解得到的最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；并对内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数，完成移相角生成参数的重新设计，在无线电能传输系统的模型失配时，优化控制器对无线电能传输系统的控制效果。
附图说明
图1为应用于智能网关的无线电能传输系统建模与控制原理图；
图2为无线电能传输系统原理图；
图3为一个实施例中无线电能传输系统的PWM波生成方法的流程示意图；
图4为无线电能传输系统辨识及控制器参数设计原理图；
图5为上位机中辨识时延及控制器参数设计原理图；
图6为某WPT系统不同采样间隔下模型的时域特性曲线；
图7为某WPT系统不同采样间隔下模型的对数频率特性曲线；
图8为一个实施例中无线电能传输系统的PWM波生成装置的结构框图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请中，在整个无线电能传输系统持续运行一段时间后发生系统模型失配或原控制器的控制效果变差时，就开始对无线电能传输系统进行系统的时延辨识，并根据辨识到的时延设计新的控制器的移相角生成参数。本申请可以通过智能网关将传感器采集到的无线电能传输系统的输入输出采样数据发送到上位机，在上位机进行系统模型的时延辨识和系统模型的参数辨识，得到以控制为导向的系统模型；并基于该系统模型设计控制器的新移相角生成参数，然后上位机将新的移相角生成参数反馈至智能网关以将新的移相角生成参数载入控制器中，实现控制器的参数更新，优化控制器对系统的控制效果。
本申请可以按需求更新应用于智能网关的无线电能传输系统的控制器的移相角生成参数，以优化系统模型失配时控制器对系统的控制效果。
本申请提供的方案涉及无线电能传输系统的建模和控制器参数设计，可以分为CT取电部分、无线电能传输部分、系统辨识部分(用于辨识系统模型的时延和系统模型的参)、控制器参数设计部分(用于涉及移相角生成参数)以及智能网关。
本申请提供的方案主要包括如下步骤：通过无线通信模块，将无线电能传输部分的采样数据传送到智能网关，并通过智能网关将系统采样数据发送给上位机；在上位机进行系统模型时延及参数的辨识，得到以控制为导向的系统模型；控制器参数设计部分基于该系统模型得出移相角生成参数；将更新的移相角生成参数发送到无线电能传输部分，并载入到控制器中，以优化系统模型失配时控制器对无线电能传输系统的控制效果。
进一步地，针对系统辨识部分，采样间隔不严格依赖于系统真实时延，通过时延和系统模型的参数匹配，能够在时延和系统模型的参数辨识不准确的情况下，得到可以较好描述无线电能传输系统动态特性的系统模型。再通过控制器参数设计部分即可实现不严格依赖于时延辨识准确性的控制器参数设计。
整体上来说，本申请提供的方案包括以下几个主要步骤：
步骤S1，CT取电部分包含磁芯、取电线圈、保护电路、整流电路、稳压电路，悬挂于高压输电线路上，用于从高压输电线路上取得电能；无线电能传输部分将CT取电部分取来的电能，隔空传输给置于杆塔上的智能网关；系统辨识部分和控制器参数设计部分位于上位机，用于对无线电能传输系统进行系统模型的时延和系统模型的参数辨识，以及新的控制器参数设计。
步骤S2，当无线电能传输系统运行一定时间或者检测到控制器对无线电能传输系统的控制效果变差时，就开始进行系统辨识和新的控制器参数设计。首先将无线电能传输系统切换至开环状态，在无线电能传输系统正常工作情况下叠加一组输入序列，由分别置于无线电能传输系统的输入端和输出端的传感器收集其输入、输出数据，并通过无线通信模块将采集到的数据打包发送给智能网关，再由智能网关将采样数据发送回上位机。
步骤S3，在上位机中根据采集到的数据对无线电能传输系统进行系统时延和系统参数辨识。由于硬件限制，无线电能传输系统中通常存在时间延迟，而忽略时间延迟会降低针对无线电能传输系统的建模精度并影响控制器的性能。如果总延迟接近甚至大于数据的采样周期，则控制器设计需要考虑时间延迟对模型的影响，因此除了考虑系统模型的阶数和各项系数以外，还在输出误差模型后添加了纯时延部分以准确描述无线电能传输系统的动态特性。通常情况下，首先由用户自行设定阶数(通常设为一个低阶模型)和时延的可选范围以确定一个模型的集合，基于辅助变量法，运用
Figure BDA0003369294170000081
准则计算每个模型的拟合比，根据该指标对该集合内的模型进行排序(拟合比在0到1之间，拟合比越靠近1，模型排序越前)；在排序靠前的模型中选择一个AIC值最低(通常是一个较大的负数)的模型，该模型的时延则作为模型的估计时延，用于后续控制器的设计。当确定了模型阶数和估计时延以后，通过最小化输出误差来估计系统模型的各项系数。
步骤S4，运用内模控制得到新的无线电能传输系统控制器参数。将辨识得到的系统模型分解为最小相位部分和非最小相位部分，再引入一个一阶的低通滤波器，得到内模控制器的最终表达式，再经过等效变换将该控制器转换为单位负反馈PID控制器。将单位负反馈PID控制器的时延项用一阶泰勒展开近似，对于一阶纯时延的模型，即可得到PI形式的控制器，PI形式的控制器中的比例、积分系数即为新的控制器参数(也即移相角生成参数)。
步骤S4具体来说包括图3所示的步骤：
步骤S401，获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延；
步骤S402，获取包括所述估计时延的系统模型；包括所述估计时延的系统模型用于描述无线电能传输系统的输入和所述输出之间的关系；
步骤S403，将包括所述估计时延的系统模型分解为最小相位部分和非最小相位部分，并基于所述最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；
步骤S404，对所述内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；
步骤S405，利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；
步骤S406，将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数；
步骤S407，基于按所述移相角生成参数得到的移相角，生成所述无线电能传输系统的PWM波。
上述方式中，在无线电能传输系统的系统模型失配或者无线电能传输系统的控制器基于原有的移相角生成参数进行控制的效果变差时，基于辨识得到的估计时延，对包括估计时延的系统模型进行相位分解，将分解得到的最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；并对内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数，完成移相角生成参数的重新设计，在无线电能传输系统的模型失配时，优化控制器对无线电能传输系统的控制效果；并且，内模控制器设计过程相对简单，参数少、鲁棒性强和有一定的时延补偿能力。
步骤S5，将新的控制器参数发送给智能网关，并载入无线电能传输系统的控制器中，实现模型适配和优化控制。
步骤S6，智能网关通常有不同的工作状态，在不同的工作状态下，无线电能传输系统的系统模型也会有差异。因此针对不同的工作状态，可以根据上述步骤设计多组控制器参数。
以下结合附图或公式详细说明上述步骤S1至S6。
步骤S1，建立基于CT取电的无线电能传输系统。
图1示出应用于智能网关的无线电能传输系统建模与控制原理图，该无线电能传输系统是基于CT取电部分构建的。CT取电部分包含磁芯、取电线圈、保护电路、整流电路、稳压电路，悬挂在输电线路上。互感器一次侧为高压输电线，其电流为i1；次级线圈为取电线圈，匝数为n2，可从高压输电线路取能，为负载供电；谐振电容C1一端与取电线圈一端相连，形成谐振回路；电容C1的另一端与瞬态抑制二极管TVS一端相连，TVS另一端与取电线圈的另一端相连。在受到雷击或者高压线路故障产生大电流时，取电装置产生的过高电压会击穿TVS形成回路，防止高电压对后续电路造成损坏。桥式整流器由四个二极管D1～D4组成，用于将线圈感应的交流电流进行整流。稳压电容C2与负载并联后与整流桥输出相接，再经过DC/DC稳压模块后作为无线电能传输模块的输入。
如图2所示，串-串补偿结构的无线电能传输系统主要由三级电路组成。第一级即输入级，由四个晶闸管(Q1、Q2、Q3、Q4)构成的全桥逆变器可以将DC/DC稳压模块输出的直流电压Uin转换成高频方波电压。PI形式的控制器根据智能网关的期望负载电压和智能网关的实际负载电压之间的压差，以及移相角生成参数，输出包括移相角的控制信号；PWM生成模块基于控制信号中的移相角生成PWM波(G1、G2、G3、G4)，作为四个晶闸管的控制信号。第二级即电感L1和L2组成的谐振耦合电路，同时将电容C1、电阻R1与L1串联、电容C2、电阻R2与L2串联，起到谐振补偿和保护电路的作用。第三级是整流滤波电路，由四个二极管D1～D4组成，用于将传输到二次侧的交流电整流，经过单个电容Cf滤波以后供给智能网关使用。
假设智能网关可等效为纯电阻负载Ro，本实施例所依托WPT系统的主要参数如表1所示。
表1系统主要参数
Figure BDA0003369294170000111
步骤S2，采集WPT系统的输入和输出数据。
当WPT系统运行一定时间或者检测到控制器对WPT系统的控制效果变差时，就开始进行系统辨识(也即系统模型的时延和系统模型的参数)和新的控制器参数设计。如图4所示，首先将WPT系统切换至开环状态，根据预先设定好的移位脉冲周期Δ、寄存器位数n和幅值α，生成一段移相角M序列，然后叠加在系统稳态工作移相角
Figure BDA0003369294170000112
上，采集逆变器移相角序列作为输入数据(该输入数据可以称为测试移相角序列)，同时由置于无线电能传输系统输出端的电压传感器收集输出数据(该输出数据可以称为测试电压序列)，并通过无线通信装置将采集到的数据打包发送给智能网关，再由智能网关将采样数据发送回上位机。如图5所示，在上位机中进行系统辨识和控制器参数设计。
在本实施例中，M序列的移位脉冲周期Δ＝5*采样时间，寄存器位数n＝4，幅值α＝0.06π。
步骤S3，系统辨识。
系统辨识主要是指辨识无线电能传输系统的系统模型的时延和参数，可以将输入至无线电能传输系统的移相角作为输入数据，将无线电能传输系统输出的电压作为输出数据。
其中，可用输出误差模型描述无线电能传输系统，也即上述的候选系统集合中的各候选系统模型均为输出误差的系统模型：
Figure BDA0003369294170000121
其中，s表示拉普拉斯运算符；τ﹥0表示时延；θ＝[a1,…,an,b0,…,bm]T；A(s,θ)＝sn+a1sn-1+…+an；B(s,θ)＝b0sm+b1sm-1+…+bm；{e(tk)}是输出误差序列；{u(tk)}是输入至所述无线电能传输系统的移相角序列；{x(tk)}和{y(tk)}分别是所述无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值；输入的移相角序列和输出的电压序列都是在tk＝kT(k∈N)处采样的，T是采样时间；n和m分别是系统模型的分母的阶数、分子的阶数。然后根据采样数据{y(tk)}和{u(tk)}估计参数向量θ和时延τ。
首先估计时延。时延由两个指标
Figure BDA0003369294170000122
和AIC来确定。
基于
Figure BDA0003369294170000123
准则得到的拟合比、以及AIC值分别为：
Figure BDA0003369294170000131
其中，
Figure BDA0003369294170000132
其中，
Figure BDA0003369294170000133
表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值之差，
Figure BDA0003369294170000134
是
Figure BDA0003369294170000135
的平均值；y(k)表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值，
Figure BDA0003369294170000136
是y(k)的平均值；N是采样数据的组数。
用户自行设定阶数(通常确定为一个低阶模型)和时延的可选范围，例如指定min(τ)≤τ≤max(τ)；n＝1或2；m＝1或2。基于
Figure BDA0003369294170000137
的值对该候选系统模型集合内的模型进行排序(拟合比在0到1之间；拟合比越靠近1，模型排序越前)；在排序靠前的模型中选择一个AIC值最低(通常是一个较大的负数)的模型，该模型的时延则作为模型的估计时延，用于后续的控制器参数设计。
也就是说，上述步骤S401具体包括：基于阶数可选值和时延可选值，得到候选系统模型集合；所述候选系统模型集合中的各候选系统模型用于描述输入所述无线电能传输系统的移相角和所述无线电能传输系统输出的电压之间的关系；将测试移相角序列输入至所述无线电能传输系统，采集所述无线电能传输系统的输出的测试电压序列；基于所述测试移相角序列和所述测试电压序列，利用
Figure BDA0003369294170000138
准则，计算各候选系统模型的拟合比；从所述候选系统模型集合中，选取拟合比大于拟合比阈值的候选系统模型；基于所选取的各候选系统模型的AIC值，将所选取的候选系统模型中AIC值最小的候选系统模型作为系数待估计的系统模型；将所述系数待估计的系统模型中的时延可选值作为所述系统模型的估计时延。
当确定了系统模型阶数和时延以后，就可以通过最小二乘法等算法最小化输出误差来估计系统模型的各项系数，也即可以基于所述系数待估计的系统模型中的时延可选值和阶数可选值，通过最小化输出误差来估计各项系数，如下式：
Figure BDA0003369294170000141
经过以上系统辨识方法，可以实现不同采样时间下系统模型时延和参数的匹配，使得到的系统模型都可以较好描述系统动态特性。
如图6和图7所示，对于该WPT系统，在不同采样时间间隔下得到了具有不同时延的模型，其在时域中具有相似的输出，且对数频率特性曲线在低频中基本相同。尽管估计的时延和拟合比存在差异，但基于不同采样间隔的估计模型的动态响应却很相似，它们都可以很好地反映系统的动态特性。
其中，包括上述估计时延的系统模型可以用Gm(s)表征；对于表1所示WPT系统，在仿真模型中当采样时间为1ms时，辨识出的时延为1ms，系统模型为：
Figure BDA0003369294170000142
步骤S4，控制器参数设计。
将上述步骤辨识得到的系统模型Gm(s)分解为最小相位部分Gm-(s)和非最小相位部分Gm+(s)，Gm(s)、Gm-(s)和Gm+(s)之间的关系为：Gm(s)＝Gm-(s)Gm+(s)；
若Gm(s)是包括所述估计时延的一阶模型，则：
Figure BDA0003369294170000143
Gm+(s)＝e-τs；
其中，τ是时延，a和b是一阶模型的估计参数。
若内模控制器用Q(s)表征，一阶低通滤波器用F(s)表征，则：
Q(s)＝Gm-(s)F(s)
Figure BDA0003369294170000144
其中，r设为1；λ是一阶低通滤波器的可调参数。λ越小，WPT系统的闭环响应就越快；反之，闭环响应就越慢。
若单位负反馈PID控制器用Gc表征，则对内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure BDA0003369294170000151
为了使控制器结构为PI结构，单位负反馈PID控制器中的时延项e-τs用一阶泰勒展开式1-τs近似，得到e-τs≈1-τs；也即，与e-τs近似的一阶泰勒展开式为1-τs。
利用一阶泰勒展开对时延项进行近似后得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure BDA0003369294170000152
接着，将近似后的单位负反馈PID控制器改写成PI形式，得到
Figure BDA0003369294170000153
然后，比对
Figure BDA0003369294170000154
和
Figure BDA0003369294170000155
得到
Figure BDA0003369294170000156
以及
Figure BDA0003369294170000157
其中，所述Kp和所述Ti为移相角生成参数。
对于表1中所示的系统，可取b＝-1617，a＝280.3，τ＝0.001，λ＝0.004，代入可得Kp＝-1.237×10-1，Ti＝3.568×10-3。
步骤S5，加载控制器参数-
将新的控制器参数(也即Kp和Ti)发送给智能网关，并载入无线电能传输系统的控制器中，实现模型适配和优化控制。
步骤S6，智能网关通常有不同的工作状态，在不同的工作状态下，无线电能传输系统模型也会有差异。因此针对不同的工作状态，可以根据上述步骤设计多组控制器参数。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图8所示，提供了一种无线电能传输系统的PWM波生成装置，包括：
估计时延获取模块801，用于获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延；
系统模型获取模块802，用于获取包括所述估计时延的系统模型；包括所述估计时延的系统模型用于描述所述输入和所述输出之间的关系；
内模控制器获取模块803，用于将包括所述估计时延的系统模型分解为最小相位部分和非最小相位部分，并基于所述最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；
等效转换模块804，用于对所述内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；
近似模块805，用于利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；
移相角生成参数获取模块806，用于将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数；
PWM波生成模块807，用于基于按所述移相角生成参数得到的移相角，生成所述无线电能传输系统的PWM波。
在一个实施例中，所述输入是移相角，所述输出是电压；
所述估计时延获取模块801，还用于基于阶数可选值和时延可选值，得到候选系统模型集合；所述候选系统模型集合中的各候选系统模型用于描述输入所述无线电能传输系统的移相角和所述无线电能传输系统输出的电压之间的关系；将测试移相角序列输入至所述无线电能传输系统，采集所述无线电能传输系统的输出的测试电压序列；基于所述测试移相角序列和所述测试电压序列，利用
Figure BDA0003369294170000171
准则，计算各候选系统模型的拟合比；从所述候选系统模型集合中，选取拟合比大于拟合比阈值的候选系统模型；基于所选取的各候选系统模型的AIC值，将所选取的候选系统模型中AIC值最小的候选系统模型作为系数待估计的系统模型；将所述系数待估计的系统模型中的时延可选值作为所述系统模型的估计时延。
在一个实施例中，所述候选系统集合中的各候选系统模型均为输出误差的系统模型：
Figure BDA0003369294170000172
其中，s表示拉普拉斯运算符；τ﹥0表示时延；θ＝[a1,…,an,b0,…,bm]T；A(s,θ)＝sn+a1sn-1+…+an；B(s,θ)＝b0sm+b1sm-1+…+bm；{e(tk)}是输出误差序列；{u(tk)}是输入至所述无线电能传输系统的移相角序列；{x(tk)}和{y(tk)}分别是所述无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值；输入的移相角序列和输出的电压序列都是在tk＝kT(k∈N)处采样的，T是采样时间；n和m分别是系统模型的分母的阶数、分子的阶数；
基于
Figure BDA0003369294170000173
准则得到的拟合比、以及AIC值分别为：
Figure BDA0003369294170000181
其中，
Figure BDA0003369294170000182
其中，
Figure BDA0003369294170000183
表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值之差，
Figure BDA0003369294170000184
是
Figure BDA0003369294170000185
的平均值；y(k)表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值，
Figure BDA0003369294170000186
是y(k)的平均值；N是采样数据的组数。
在一个实施例中，所述装置还包括系数估计模块，用于基于所述系数待估计的系统模型中的时延可选值和阶数可选值，通过最小化输出误差来估计各项系数，如下式：
Figure BDA0003369294170000187
在一个实施例中，包括所述估计时延的系统模型用Gm(s)表征、最小相位部分为Gm-(s)以及非最小相位部分为Gm+(s)；
Gm(s)、Gm-(s)和Gm+(s)之间的关系为：Gm(s)＝Gm-(s)Gm+(s)；
若Gm(s)是包括所述估计时延的一阶模型，则：
Figure BDA0003369294170000188
Gm+(s)＝e-τs；其中，τ是时延，a和b是一阶模型的估计参数。
在一个实施例中，内模控制器用Q(s)表征，一阶低通滤波器用F(s)表征，则：
Q(s)＝Gm-(s)F(s)
Figure BDA0003369294170000189
其中，r设为1；λ是一阶低通滤波器的可调参数。
若单位负反馈PID控制器用Gc表征，则对内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure BDA0003369294170000191
在一个实施例中，单位负反馈PID控制器中的时延项为e-τs，与e-τs近似的一阶泰勒展开式为1-τs；
利用一阶泰勒展开对时延项进行近似后得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure BDA0003369294170000192
在一个实施例中，所述移相角生成参数获取模块，用于将近似后的单位负反馈PID控制器改写成PI形式，得到
Figure BDA0003369294170000193
比对
Figure BDA0003369294170000194
和
Figure BDA0003369294170000195
得到
Figure BDA0003369294170000196
以及
Figure BDA0003369294170000197
其中，所述Kp和所述Ti为移相角生成参数。
关于无线电能传输系统的PWM波生成装置的具体限定可以参见上文中对于无线电能传输系统的PWM波生成方法的限定，在此不再赘述。上述无线电能传输系统的PWM波生成装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储无线电能传输系统的PWM波生成数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种无线电能传输系统的PWM波生成方法。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述各个方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上的实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线电能传输系统的PWM波生成方法，其特征在于，所述方法包括：
获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延；
获取包括所述估计时延的系统模型；包括所述估计时延的系统模型用于描述所述输入和所述输出之间的关系；
将包括所述估计时延的系统模型分解为最小相位部分和非最小相位部分，并基于所述最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；
对所述内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；
利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；
将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数；
基于按所述移相角生成参数得到的移相角，生成所述无线电能传输系统的PWM波。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入是移相角，所述输出是电压；
所述获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延，包括：
基于阶数可选值和时延可选值，得到候选系统模型集合；所述候选系统模型集合中的各候选系统模型用于描述输入所述无线电能传输系统的移相角和所述无线电能传输系统输出的电压之间的关系；
将测试移相角序列输入至所述无线电能传输系统，采集所述无线电能传输系统的输出的测试电压序列；
基于所述测试移相角序列和所述测试电压序列，利用
Figure FDA0003369294160000011
准则，计算各候选系统模型的拟合比；
从所述候选系统模型集合中，选取拟合比大于拟合比阈值的候选系统模型；
基于所选取的各候选系统模型的AIC值，将所选取的候选系统模型中AIC值最小的候选系统模型作为系数待估计的系统模型；
将所述系数待估计的系统模型中的时延可选值作为所述系统模型的估计时延。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述候选系统集合中的各候选系统模型均为输出误差的系统模型：
Figure FDA0003369294160000021
其中，s表示拉普拉斯运算符；τ>0表示时延；θ＝[a1，...，an，b0，...，bm]T；A(s，θ)＝sn+a1sn-1+...+an；B(s,θ)＝b0sm+b1sm-1+...+bm；{e(tk)}是输出误差序列；{u(tk)}是输入至所述无线电能传输系统的移相角序列；{x(tk)}和{y(tk)}分别是所述无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值；输入的移相角序列和输出的电压序列都是在tk＝kT(k∈N)处采样的，T是采样时间；n和m分别是系统模型的分母的阶数、分子的阶数；
基于
Figure FDA0003369294160000022
准则得到的拟合比、以及AIC值分别为：
Figure FDA0003369294160000023
其中，
Figure FDA0003369294160000024
其中，
Figure FDA0003369294160000025
表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值和真实值之差，
Figure FDA0003369294160000026
是
Figure FDA0003369294160000027
的平均值；y(k)表示无线电能传输系统输出的电压序列的采样值，
Figure FDA0003369294160000028
是y(k)的平均值；N是采样数据的组数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述系数待估计的系统模型中的时延可选值和阶数可选值，通过最小化输出误差来估计各项系数，如下式：
Figure FDA0003369294160000031
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括所述估计时延的系统模型用Gm(s)表征、最小相位部分为Gm-(s)以及非最小相位部分为Gm+(s)；
Gm(s)、Gm-(s)和Gm+(s)之间的关系为：Gm(s)＝Gm-(s)Gm+(s)；
若Gm(s)是包括所述估计时延的一阶模型，则：
Figure FDA0003369294160000032
Gm+(s)＝e-τs；其中，τ是时延，a和b是一阶模型的估计参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，内模控制器用Q(s)表征，一阶低通滤波器用F(s)表征，则：
Figure FDA0003369294160000033
其中，r设为1；λ是一阶低通滤波器的可调参数；
若单位负反馈PID控制器用Gc表征，则对内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure FDA0003369294160000034
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，单位负反馈PID控制器中的时延项为e-τs，与e-τs近似的一阶泰勒展开式为1-τs；
利用一阶泰勒展开对时延项进行近似后得到的单位负反馈PID控制器为：
Figure FDA0003369294160000035
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数，包括：
将近似后的单位负反馈PID控制器改写成PI形式，得到
Figure FDA0003369294160000041
比对
Figure FDA0003369294160000042
和
Figure FDA0003369294160000043
得到
Figure FDA0003369294160000044
以及
Figure FDA0003369294160000045
其中，所述Kp和所述Ti为移相角生成参数。
9.一种无线电能传输系统的PWM波生成装置，其特征在于，所述装置包括：
估计时延获取模块，用于获取针对无线电能传输系统的输入和输出之间的估计时延；
系统模型获取模块，用于获取包括所述估计时延的系统模型；包括所述估计时延的系统模型用于描述所述输入和所述输出之间的关系；
内模控制器获取模块，用于将包括所述估计时延的系统模型分解为最小相位部分和非最小相位部分，并基于所述最小相位部分和一阶低通滤波器的结合，得到内模控制器；
等效转换模块，用于对所述内模控制器进行基于包括所述估计时延的系统模型的等效转换，得到单位负反馈PID控制器；
近似模块，用于利用一阶泰勒展开，近似所述单位负反馈PID控制器中的估计时延项，得到近似后的单位负反馈PID控制器；
移相角生成参数获取模块，用于将以PI形式从近似后的单位负反馈PID控制器中提取到的比例和积分系数，作为移相角生成参数；
PWM波生成模块，用于基于按所述移相角生成参数得到的移相角，生成所述无线电能传输系统的PWM波。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法。
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