一种水下无线电能传输装置的控制方法

1.本发明涉及无线能量和信息传输的技术领域，尤其涉及一种水下无线电能传输装置的 控制方法。


背景技术：

2.绝大部分的工作设备都需要能量供应，传统的能量传输方式大多通过接触式的插拔接 口将能量传输到终端产品，这种传输方式会带来摩擦，易产生电火花等问题，从而影响电 气设备的安全可靠性，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿 井和水下等。
3.无线能量传输技术能使我们摆脱传统的能量传输方式，通过电磁辐射、电场耦合、磁 场耦合、超声波等形式实现非接触式的能量传输，从而避免因插拔操作所带来的磨损和密 封泄漏带来的短路等问题，延长设备在水下的工作时间、提高工作灵活性和工作范围。因 此无线电能传输技术在一些特殊场合得到了应用。
4.尤其在水下环境下，无线电能传输装置会存在参数偏移、模型结构改变、传输特性改 变等现象，其传输模型由于水下环境的影响发生改变，导致依赖系统数学模型的传统控制 方法的控制效果受到影响。
5.除此之外，在传统的反馈控制中，控制过程对反馈通道的实时性和可靠性需求较高。 水下的电磁环境复杂，对反馈通信的可靠性和实时性产生威胁，可能导致特定条件下系统 输出结果的不可靠。因此基于传统建模方法的控制方法对其水下环境下的无线电能传输装 置进行控制存在挑战。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种水下无线电能传输装置的控制方 法。通过本方法，可以在水下无线电能传输装置由于水下环境导致系统模型变化后对水下 无线电能传输装置的输出电压进行控制。
7.本发明解决技术问题所采取的技术方案为：根据自适应滤波理论和不同的实际工作 情况选择合适的自适应滤波算法用于水下无线电能传输装置的逆建模，得到水下无线电能 传输装置的逆模型。将逆模型作为水下无线电能传输装置的逆控制器。
8.首先通过初级传感器采集水下无线电能传输装置的输入和输出电压值；
9.对所述初级传感器采集的输入和输出电压值进行模数转换得到两组离散数组，将所述 两组离散数组存放在计算机中；用于逆建模过程中生成逆模型。
10.所述逆建模过程是计算机内部通过采用逆建模算法生成的逆模型，所述生成过程是先 将所述两组离散数组的输出电压值作为逆建模的输入电压值，将所述逆建模的输入电压值 通过逆建模算法进行计算得到的逆建模的输出电压值，再将所述逆建模的输出电压值与所 述水下无线电能传输装置的输入电压值进行对比得到误差，然后利用误差经过不断调整逆 建模算法的权向量不断获取更新的权向量，所述获取的权向量即为水下无线
电能传输装置 的逆模型，再将所述逆模型用作水下无线电能传输装置的逆控制器；
11.逆建模算法计算输出电压值的公式为：
12.y(k)＝x
t
(k)w(k)，
13.其中w(k)表示k时刻的权向量，x(k)是在k时刻的逆建模算法的输入电压值， x(k)＝[x(k),x(k-1),...,x(k-m+1)]
t
，y(k)表示逆建模算法计算得到输出电压值，t为矩 阵运算的转置符号。
[0014]
然后将预先设置的水下无线电能传输装置的期望输出电压值通过逆控制器进行计算， 即得到水下无线电能传输装置的输入电压值；
[0015]
进一步地，上述水下无线电能传输装置的输入电压值进行对比得到误差，然后利用误 差经过不断调整逆建模算法的权向量不断获取更新的权向量，所述逆建模算法通过误差 e(k)对逆模型进行更新。具体更新公式为：
[0016]
e(k)＝d(k)-y(k)＝d(k)-x
t
(k)w(k)
[0017]
w(k+1)＝w(k)+μx(k)]x
t
(k)x(k)[-1
e(k)；
[0018]
其中x(k)＝[x(k)，x(k-1)，...，x(k-p+1)]表示在k时刻逆建模算法的输入电压值 m
×
p的矩阵，m为权向量长度，p为逆建模算法的投影阶数，μ为逆建模算法的步长。 d(k)表示逆建模算法期望电压值。w(k)为k时刻的权向量，逆模型可以用权向量进行表 示。w(k)也是k时刻的逆模型。
[0019]
根据所述水下无线电能传输装置的输入电压值，调整水下无线电能传输装置的输入电 压；
[0020]
最后将所述调整后的输入电压输出到与水下无线电能传输装置的输出端连接的外部 负载设备。
[0021]
具体地，所述逆建模得到的逆模型作为水下无线电能传输装置逆控制器，并对水下无 线电能传输装置的输入电压值进行计算；
[0022]
进一步地，上述根据实际应用需求，将预先设置的水下无线电能传输装置的期望输出 电压值通过逆模型计算后，即可得到水下无线电能传输装置的输入电压值。其计算方法为：
[0023]
y(k)＝x
t
(k)w(k)；
[0024]
所述逆模型的计算过程即为水下无线电能传输装置的逆控制器的运作过程。
[0025]
进一步地，所述逆建模中逆模型的更新是通过最小二乘、仿射投影算法或最小四阶矩 仿射投影算法。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
根据自适应逆控制理论，与传统反馈控制方法相比，采用本控制方法，可以免去系统 输出端的反馈信号的传播和处理时间，最终提升系统的响应速度。
[0028]
水下环境导致的系统传输模型变化会使传统依赖精确建模的控制方法的控制结果产 生偏差。本控制方法是基于自适应建模的，可以动态跟踪变化后的传输模型，最终提升系 统的输出精度。
附图说明
[0029]
附图1为本控制方法的逆建模结构图；
[0030]
附图2为本控制方法的结构图。
具体实施方式
[0031]
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发 明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还 可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围 内。
[0032]
如图1所示实施例，采用初级传感器采集水下无线电能传输装置的输入电压和输出电 压。
[0033]
将采集到的输入和输出电压信号模数转换为两组离散数组存入计算机。
[0034]
所述存放在计算机中的两组离散数组作为逆建模的参考信号。
[0035]
在计算机中，水下无线电能传输装置的输出电压值作为逆建模的输入电压值，经过逆 建模进行计算后得到的输出电压值与水下无线电能传输装置的输入电压值进行对比，得到 误差值e(k)。此外，逆建模算法可以采用c++或者c#等语言实现。
[0036]
逆建模计算输出电压值的公式为：
[0037]
y(k)＝x
t
(k)w(k)
[0038]
其中w(k)表示k时刻的权向量，x(k)是在k时刻的逆建模算法的输入电压值， x(k)＝[x(k)，x(k-1)，...，x(k-m+1)]
t
，y(k)表示逆建模算法计算得到输出电压值。
[0039]
误差值的计算方法为：
[0040]
e(k)＝d(k)-y(k)＝d(k)-x
t
(k)w(k)
[0041]
其中d(k)表示逆建模算法期望电压值。
[0042]
逆建模的过程通过内置自适应算法调整权向量，获取更新的权向量。逆建模获得的权 向量即为水下无线电能传输装置的逆模型,所述更新逆模型更新计算过程如下：
[0043]
w(k+1)＝w(k)+μx(k)[x
t
(k)x(k)]-1
e(k)
[0044]
其中x(k)＝[x(k)，x(k-1)，...，x(k-p+1)]表示在k时刻逆建模算法的输入电 压值m
×
p的矩阵，m为权向量长度，p为逆建模算法的投影阶数，μ为逆建模算法的 步长。
[0045]
逆模型可以用权向量进行表示，所更新后的权向量w(k+1)即为更新后的逆模型。
[0046]
具体地，逆建模中逆模型的更新方法可以根据实际需求采用不同的更新方法。如：最 小二乘、仿射投影算法、最小四阶矩仿射投影算法等。
[0047]
如图2所示，在计算机中将预先设置的期望输出电压值输入逆控制器中，逆控制器即 逆建模得到的逆模型，逆控制器输出的电压值为水下无线电能传输装置所需的输入电压值 (预先设置的期望输出电压值是随时间变化的一组离散数组。即水下无线电能传输装置的 期望输出电压值不是恒定的，而是随时间变化的)。
[0048]
在计算机中，逆建模得到的逆模型的更新计算过程与逆控制器对预先设置的期望输出 电压值的计算过程是同时进行的。在水下无线电能传输装置的运行中，这两个过程是持续 进行的，以保证逆建模得到的逆模型逼近水下无线电能传输装置的逆模型。这样，逆控制 器在每一时刻都会被更新一次。
[0049]
根据逆控制器计算得到的电压值，调整水下无线电能传输装置的输入电压，所述调整的方 式可以采用很多种方法，如全桥逆变移相控制等。
[0050]
水下无线电能传输装置的输出端连接至外部负载设备。
[0051]
逆控制方法的基本思想是通过得到水下无线电能传输装置的逆模型，以计算在水下无 线电能传输装置输出期望电压时所需的输入电压值。
[0052]
设水下无线电能传输装置为p(z)，逆控制器和逆模型均为为c(z)。通过逆建模过程， 逆控制器和逆模型c(z)逼近水下无线电能传输装置的逆模型逆控制器和水下无线 电能传输装置串联后，总的传递函数因此，在逆控制器的 输入端输入水下无线电能传输装置的期望输出电压值，整个系统最后的输出电压即为期望 输出电压。
[0053]
逆控制器和逆模型c(z)是通过逆建模过程持续更新的，所以在水下环境中，水下无 线电能传输装置的系统模型发生参数漂移、结构改变后，逆控制器和逆模型c(z)始终逼 近水下无线电能传输装置的逆模型通过本发明的控制方法，最终的水下无线电能 传输装置输出电压可以保持与逆控制器c(z)的输入电压值近似相等，最终实现系统输出 电压值稳定的目的。
[0054]
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员 能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的 结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。