一种基于Hammerstein-IMC的无线电能传输系统控制方法技术方案

本发明专利技术涉及无线电能传输(WPT)技术领域，具体公开了一种基于Hammerstein

【技术实现步骤摘要】
一种基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输(WPT)
，尤其涉及一种基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法。

技术介绍

[0002]通常，由于环境因素引起的系统参数变化，系统的输出电压不稳定。考虑到电气设备的安全性，需要对输出电压采取闭环控制策略。目前，传统的控制方法使用线性控制器，这取决于精确的系统模型。因此，准确地获得系统的输入和输出模型是非常必要的。WPT系统是一种特殊的电共振变换系统，具有高阶非线性、多种电路拓扑和相应的控制模型以及负载大小和类型的随机性。主要的建模方法包括广义状态空间平均(GSSA)、展开函数描述、离散映射时间、交流阻抗分析。这些传统方法依赖于真实的电路拓扑，并且大多数方法对系统的工作状态有严格的要求。即使在同一系统中，在不同的工作状态下，系统模型也可能有很大的差异。通过传统的建模，得到的模型往往更加复杂。传统建模方法得到的模型具有通用性差的缺点。此外，WPT系统通过一次侧和二次侧之间的通信链路形成闭环，以控制输出电压，如图1所示，其中系统中的无线通信、数据采样、处理器计算和模型简化将导致时间延迟。传统的建模方法无法准确描述具有时滞的系统。
[0003]上述方法主要是WPT系统的电路级建模，只考虑了系统的稳态运行状态。对控制系统设计所需的系统级动态建模的研究很少。基于电路级的建模方法是有效的，但不能真正反映系统参数的偏移。所建立的模型阶数高，通用性差，没有精确的时延参数，在实际的工业控制过程中不方便。此外，时间延迟会导致系统的不稳定和闭环系统的故障。为了及时、稳定地控制系统，有必要采用具有延迟补偿的方法。
[0004]此外，反馈控制WPT系统具有参数不确定性、非线性、时滞等复杂特性。传统的PID控制难以达到满意的控制效果，控制器参数的整定往往依赖于工程经验，参数整定过程繁琐。在时滞过程中，为了保证闭环系统的稳定性，有必要降低PID控制器中的积分效应和增益，这会减慢闭环响应，降低控制质量。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法，解决的技术问题在于：传统WPT系统控制方法存在参数偏移和通信大时延，且控制质量不佳。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术提供基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法，其关键在于，包括步骤：
[0007]S1、构建WPT系统的Hammerstein模型；
[0008]S2、基于所述Hammerstein模型和内部模型控制原理(IMC)设计闭环传递函数，所述闭环传递函数构建如下：
[0009][0010]其中，s表示传递参数，y
u
表示WPT系统的输出电压，Q(s)表示内部模型控制器，P(s)表示所述Hammerstein模型，M(s)表示通过数据驱动方法获得的WPT系统模型，D(s)表示扰动传递函数，u
ref
表示设定电压，u
d
表示扰动；
[0011]S3、分解M(s)，并引入滤波器基于分解的M(s)设计Q(s)；
[0012]S4、根据鲁棒性定理设定闭环稳定性条件；
[0013]S5、基于所述闭环传递函数和所述闭环稳定性条件控制所述WPT系统，使输出电压y
u
跟踪电压设定值u
ref
。
[0014]进一步地，所述步骤S3具体包括步骤：
[0015]S31、将M(s)分解如下：
[0016]M(s)＝M
+
(s)M
‑
(s)，
[0017]其中，M
+
(s)为包含时间延迟和右半平面零点的非最小相位部分，M
‑
(s)为最小相位部分；
[0018]S32、引入n阶的低通滤波器λ是滤波器的时间常数，将Q(s)设计为
[0019]进一步地，在所述步骤S4中，所述闭环稳定性条件设计为：
[0020][0021][0022][0023]e≤|1
‑
M
+
(s)f(s))||r
‑
d|＝|s||r
‑
d|，
[0024]其中，l
m
是模型与实际模型不确定性的上限，ω是系统控制频率，e
m
(s)是估计模型与实际模型的不匹配度，e表示输出电压y
u
和设定电压u
ref
之间的误差，r、d分别表示系统的参考输入和扰动输入。
[0025]进一步地，e由下式计算：
[0026][0027]进一步地，M(s)表示为：
[0028][0029]其中，K表示开环过程增益，ω0表示WPT系统的固有频率，ξ表示阻尼系数，τ表示时间延迟。
[0030]进一步地，M(s)被分解为：
[0031][0032]进一步地，M(s)与Q(s)组成反馈控制器C(s)，C(s)的输出U(s)分解如下：
[0033]U(s)＝U1(s)+U2(s)，
[0034]其中，U2(s)为只包含时间延迟的U(s)分量，U1(s)为剩余分量；
[0035]U1(s)和U2(s)的解析表达式为：
[0036][0037][0038]其中E(s)为误差函数，输出e。
[0039]进一步地，采用4阶龙格库塔法分别计算U1(s)和U2(s)。
[0040]进一步地，采用如下步骤确定λ：
[0041]A1、设计最大灵敏度M
s
与λ之间的非线性方程；
[0042]A2、确定最大灵敏度M
s
；
[0043]A3、基于确定的M
s
求解所述非线性方程，获得λ的初始值；
[0044]A4、对λ进行调整，直到满足系统响应的鲁棒性指数。
[0045]进一步地，在所述步骤A1中，M
s
与λ之间的非线性方程表示为：
[0046][0047]其中，ω是控制频率。
[0048]本专利技术提供的一种基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法，为了解决传统WPT系统控制方法存在参数偏移和通信大时延且控制质量不佳的问题，使用Hammerstein模型来描述系统，并基于Hammerstein模型和内部模型控制原理(IMC)设计闭环传递函数，进一步针对闭环传递函数无法保证系统鲁棒性的缺陷，通过分解M(s)、引入滤波器对闭环传递函数进行改进，并根据鲁棒性定理设定闭环稳定条件，从而实现对WPT系统的内模控制，使输出电压y
u
紧密跟踪电压设定值u
ref
，降低参数偏移和通信大时延的影响。
[0049]研究结果表明，Hamme本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法，其特征在于，包括步骤：S1、构建WPT系统的Hammerstein模型；S2、基于所述Hammerstein模型和内部模型控制原理设计闭环传递函数，所述闭环传递函数构建如下：其中，s表示传递参数，y
u
表示WPT系统的输出电压，Q(s)表示内部模型控制器，P(s)表示所述Hammerstein模型，M(s)表示通过数据驱动方法获得的WPT系统模型，D(s)表示扰动传递函数，u
ref
表示设定电压，u
d
表示扰动；S3、分解M(s)，并引入滤波器基于分解的M(s)设计Q(s)；S4、根据鲁棒性定理设定闭环稳定性条件；S5、基于所述闭环传递函数和所述闭环稳定性条件控制所述WPT系统，使输出电压y
u
跟踪电压设定值u
ref
。2.根据权利要求1所述的基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括步骤：S31、将M(s)分解如下：M(s)＝M
+
(s)M
‑
(s)，其中，M
+
(s)为包含时间延迟和右半平面零点的非最小相位部分，M
‑
(s)为最小相位部分；S32、引入n阶的低通滤波器λ是滤波器的时间常数，将Q(s)设计为3.根据权利要求2所述的一种基于Hammerstein
‑
IMC的无线电能传输系统控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述闭环稳定性条件设计为：特征在于，在所述步骤S4中，所述闭环稳定性条件设计为：特征在于，在所述步骤S4中，所述闭环稳定性条件设计为：e≤|1
‑
M
+
(s)f(s))||r
‑
d|＝|s||r
‑
d|，其中，l
m
是估计模型与实际模型不确定性的上限，ω是系统控制频率，e
m
(s)是估计模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐春森，赵仕军，陈丰伟，胡宏晟，邓棚亓，费迎军，林涛，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：