【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及無(wú)線電能傳輸(wireless?power?transfer,wpt)，尤其涉及一種具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸(wpt)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它通過(guò)構(gòu)造高頻磁場(chǎng)以無(wú)線方式傳輸電力，從而避免了電纜腐蝕的可能性，傳輸過(guò)程靈活。它被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電、高速列車、醫(yī)療植入物、家用電器、手機(jī)等領(lǐng)域。然而，在wpt技術(shù)中仍有許多問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決。對(duì)wpt系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳輸距離非常有限，從幾毫米到幾十厘米不等。
2、為了延長(zhǎng)傳輸距離，一些研究者們提出了一種能量中繼wpt系統(tǒng)(power-relaywpt，pr-wpt)，或簡(jiǎn)稱為中繼wpt系統(tǒng)，它通過(guò)在發(fā)射單元和接收單元之間引入額外的傳輸線圈及其諧振電容作為中繼單元，從而延長(zhǎng)傳輸距離，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。然而中繼線圈的引入，又進(jìn)一步為wpt系統(tǒng)帶來(lái)新的問(wèn)題。首先，由于中繼線圈的引入，線圈之間的耦合關(guān)系由一個(gè)變?yōu)榱藘蓚€(gè)，即發(fā)射線圈與中繼線圈之間的耦合互感m1與中繼線圈與接收線圈之間的耦合互感m2如圖2所示。而負(fù)載可能在一定范圍內(nèi)變化，進(jìn)而增加了wpt系統(tǒng)的參數(shù)不確定性。其次，延長(zhǎng)的傳輸距離會(huì)使得發(fā)生在系統(tǒng)狀態(tài)的上的時(shí)延更加明顯，并且時(shí)延是在區(qū)間內(nèi)變化的。這種參數(shù)不確定性和時(shí)延會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的傳輸性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)提供具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法及系統(tǒng)，解決的技術(shù)問(wèn)題在于：中繼wpt系統(tǒng)的參數(shù)不確定性
2、為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)提供具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法，包括步驟：
3、s1、對(duì)具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模，得到狀態(tài)空間模型；
4、s2、基于所述狀態(tài)空間模型，構(gòu)建系數(shù)矩陣待確定的全階無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器；
5、s3、對(duì)全階無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器進(jìn)行求解，得到系數(shù)矩陣，進(jìn)而得到系數(shù)矩陣確定的全階無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器；
6、s4、采用系數(shù)矩陣確定的全階無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器對(duì)運(yùn)行中的中繼wpt系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。
7、進(jìn)一步地，所述狀態(tài)空間模型的狀態(tài)向量x(t)與發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈的電流及三者的諧振電容的電壓中的至少一種相關(guān)；所述狀態(tài)空間模型的狀態(tài)向量輸入控制向量u(t)＝s(t)edc，edc表示系統(tǒng)輸入直流電壓，s(t)是與時(shí)刻t、逆變器的工作頻率t、運(yùn)行周期數(shù)n、初始相位θ相關(guān)的方波函數(shù)。
8、進(jìn)一步地，方波函數(shù)s(t)構(gòu)建為：當(dāng)s(t)等于a；當(dāng)s(t)等于-a，a為不等于0的自然數(shù)，n為整數(shù)集合。
9、進(jìn)一步地，所述中繼wpt系統(tǒng)包括發(fā)射單元，中繼單元和接收單元；所述發(fā)射單元包括發(fā)射線圈lp及與其串聯(lián)的發(fā)射補(bǔ)償電容cp，所述接收單元包括接收線圈ls及與其并聯(lián)的接收補(bǔ)償電容cs，所述中繼單元包括第一中繼線圈l1及與其并聯(lián)的中繼補(bǔ)償電容cr和第二中繼線圈l2，其中第一中繼線圈l1與發(fā)射線圈lp相對(duì)，第二中繼線圈l2和接收線圈ls相對(duì)；
10、所述中繼wpt系統(tǒng)的不確定參數(shù)包括發(fā)射線圈與第一中繼線圈之間的互感m1、接收線圈與第二中繼線圈之間的互感m2以及等效負(fù)載電阻ro，建模為：
11、m1＝m10+δm1，m2＝m20+δm2，ro＝ro0+δro，m10、m20、ro0分別表示m1、m2、
12、ro的標(biāo)稱值，△m1、△m2、△ro分別表示m1、m2、ro的擾動(dòng)量即變化量；
13、所述中繼wpt系統(tǒng)的時(shí)延建模為τ(t)，并且滿足0<τd≤τ(t)≤τd，其中τd和τd均為已知常數(shù)，分別表示時(shí)延的下界與上界。
14、進(jìn)一步地，所述狀態(tài)空間模型建模為：
15、
16、其中，即dx(t)表示x(t)的導(dǎo)數(shù)，a0表示與中繼wpt系統(tǒng)的電路參數(shù)相關(guān)的狀態(tài)向量的狀態(tài)系數(shù)矩陣，au表示與中繼wpt系統(tǒng)的電路參數(shù)相關(guān)的輸入控制向量的控制系數(shù)矩陣，x(t-τ(t))表示表示帶有時(shí)變時(shí)延變量τ(t)的狀態(tài)向量，△a0、△au分別表示矩陣a0與au的擾動(dòng)量，a1表示時(shí)延項(xiàng)的系數(shù)矩陣，△a1表示a1的擾動(dòng)量，τ表示時(shí)延，c表示輸出選擇矩陣，y(t)表示中繼wpt系統(tǒng)的輸出電壓，κ(t)表示x(t)的初始狀態(tài)。
17、進(jìn)一步地，所述步驟s2具體包括步驟：
18、s21、構(gòu)建全階無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器的基本模型；
19、s22、將所述基本模型與所述中繼wpt系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型相融合，得到第一控制器；
20、s23、將第一控制器轉(zhuǎn)化為指數(shù)穩(wěn)定的第二控制器。
21、進(jìn)一步地，在所述步驟s21中，全階無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器的基本模型表示為：
22、
23、其中，xc(t)表示控制器的狀態(tài)矩陣，ac、bc、ec表示待確定的控制器的系數(shù)矩陣，表示xc(t)的導(dǎo)數(shù)；
24、在所述步驟s22中，令：
25、
26、右上標(biāo)t表示矩陣轉(zhuǎn)置；
27、所述第一控制器表示為：
28、
29、其中，表示帶有時(shí)變時(shí)延變量τ(t)的增廣狀態(tài)向量；
30、在所述步驟s23中，所述第二控制器表示為：
31、
32、表示替換的積分變量，表示增廣狀態(tài)向量對(duì)的導(dǎo)數(shù)，自定義的參數(shù)
33、進(jìn)一步地，所述步驟s3包括步驟：
34、s31、基于所述第二控制器，構(gòu)建不等式：
35、
36、其中，*代指對(duì)稱項(xiàng)，矩陣ψ中的各個(gè)元素定義為：
37、
38、sym()表示對(duì)矩陣進(jìn)行對(duì)稱變換，自定義的參數(shù)h、j、r、z表示不同的正定矩陣，松弛矩陣
39、s32、對(duì)構(gòu)建的不等式進(jìn)行求解，得到控制器系數(shù)矩陣：ac、bc、ec。
40、本專利技術(shù)還提供一種具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其特征在于：其設(shè)有建模模塊、控制器構(gòu)建模塊、控制器求解模塊、控制器應(yīng)用模塊，分別用于執(zhí)行所述控制方法中的步驟s1至s4。
41、本專利技術(shù)提供的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法及系統(tǒng)，首先，建立了具有互感、輸出負(fù)載等不確定系統(tǒng)參數(shù)和區(qū)間時(shí)變時(shí)延的中繼wpt系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；然后，將無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器與具有時(shí)變延遲的不確定中繼wpt系統(tǒng)模型相連接，將控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性分析問(wèn)題；然后，利用lmi方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定了控制器的參數(shù)。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。仿真結(jié)果表明，考慮時(shí)變時(shí)延和參數(shù)不確定性的中繼wpt系統(tǒng)在控制器控制下保持穩(wěn)定，具有良好的收斂性能。
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1.具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述狀態(tài)空間模型的狀態(tài)向量x(t)與發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈的電流及三者的諧振電容的電壓中的至少一種相關(guān)；所述狀態(tài)空間模型的狀態(tài)向量輸入控制向量u(t)＝s(t)Edc，Edc表示系統(tǒng)輸入直流電壓，s(t)是與時(shí)刻t、逆變器的工作頻率T、運(yùn)行周期數(shù)n、初始相位θ相關(guān)的方波函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，方波函數(shù)s(t)構(gòu)建為：當(dāng)s(t)等于a；當(dāng)s(t)等于-a，a為不等于0的自然數(shù)，N為整數(shù)集合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述中繼WPT系統(tǒng)包括發(fā)射單元，中繼單元和接收單元；所述發(fā)射單元包括發(fā)射線圈Lp及與其串聯(lián)的發(fā)射補(bǔ)償電容Cp，所述接收單元包括接收線圈Ls及與其并聯(lián)的接收補(bǔ)償電容Cs，所述中繼單元包括第一中繼線圈L1及與其并聯(lián)的中繼補(bǔ)償電容Cr和第二中繼線圈L2，其中第
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述狀態(tài)空間模型建模為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，在所述步驟S21中，全階無(wú)源動(dòng)態(tài)輸出反饋控制器的基本模型表示為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述步驟S3包括步驟：
9.具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼WPT系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其特征在于：其設(shè)有建模模塊、控制器構(gòu)建模塊、控制器求解模塊、控制器應(yīng)用模塊，分別用于執(zhí)行權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述控制方法中的步驟S1至S4。
...【技術(shù)特征摘要】
1.具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述狀態(tài)空間模型的狀態(tài)向量x(t)與發(fā)射線圈、中繼線圈、接收線圈的電流及三者的諧振電容的電壓中的至少一種相關(guān)；所述狀態(tài)空間模型的狀態(tài)向量輸入控制向量u(t)＝s(t)edc，edc表示系統(tǒng)輸入直流電壓，s(t)是與時(shí)刻t、逆變器的工作頻率t、運(yùn)行周期數(shù)n、初始相位θ相關(guān)的方波函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，方波函數(shù)s(t)構(gòu)建為：當(dāng)s(t)等于a；當(dāng)s(t)等于-a，a為不等于0的自然數(shù)，n為整數(shù)集合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有時(shí)延的參數(shù)不確定中繼wpt系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述中繼wpt系統(tǒng)包括發(fā)射單元，中繼單元和接收單元；所述發(fā)射單元包括發(fā)射線圈lp及與其串聯(lián)的發(fā)射補(bǔ)償電容cp，所述接收單元包括接收線圈ls及與其并聯(lián)的接收...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：肖靜，吳曉銳，陳紹南，夏梓壹，劉泉，文云，莫宇鴻，唐春森，吳寧，陳衛(wèi)東，吳劍豪，盧健斌，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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