基于nsga-ⅱ参数寻优的ecpt系统输出稳压控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电场耦合型无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于NSGA- II参数 寻优的ECPT系统输出稳压控制方法。
【背景技术】
[0002] 经过多年的发展，无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT)技术在理论和 工程应用方面取得了一系列成果。该电能传输方式可以使电能的传输实现从供体到受体的 无直接电气连接，从而消除了传统接触式电能传输方式存在的布线杂乱、导线磨损、接触火 花等问题。因此，无线电能传输技术尤为适用于安全性要求苛刻且工作环境复杂的用电场 合，譬如潮湿、易燃、易爆等工作环境。在无线电能传输技术研究领域，基于电磁感应耦合的 无线传能技术（Inductively Coupled Power Transfer, ICPT)是目前较热的研究方向，在 理论研究与实际应用中都取得较大的突破且逐步推广应用。由于电场与磁场具有某些相似 特性以及理论分析的对偶性，且基于电场的传能方式具有一些独有的优势，比如当耦合机 构之间或周围存在金属导体时，不会使导体产生涡流损耗等，因此，基于电场耦合的无线电 能传输（Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT)技术逐渐被国内外相关团队与 机构所重视。
[0003] 在ECPT系统实际应用中，电能发射极板与电能拾取极板的相对位置常常改变。当 电场耦合机构两极板的相对位置发生变化时，ECPT系统能量拾取侧输出电压的质量因动态 波动下降。此外，在变负载或多负载的ECPT系统中，负载的变化也将很大程度上造成ECPT 系统输出电压的波动。为了提高ECPT系统输出电压的稳定性与鲁棒性，可靠且实用的稳压 输出控制策略是很有必要的。
[0004] 虽然在基本理论分析方面，ICPT技术与ECPT技术具有一定的相似性和对偶性，但 由于ECPT系统其本身工作频率高，对系统参数变化敏感等特点，使得对其进行输出控制策 略研究变得困难。在对ECPT系统输出稳压控制研究时，可以借鉴ICPT系统已有的研究成 果，并结合ECPT系统自身的特点，研究适合其特性的输出控制方法。
【发明内容】
[0005] 本申请通过提供一种基于NSGA- II参数寻优的ECPT系统输出稳压控制方法，采用 PID控制器对半桥式ECPT系统进行输出稳压控制，建立了 ECPT系统的广义状态空间平均 模型，并基于此模型提出了一种利用NSGA- II多目标多约束遗传算法对PID控制器的控制 参数进行自动寻优的方法。该优化方法在多目标多约束条件下自动搜寻出一组最优PID控 制参数，保证闭环系统在该PID控制器作用下，当ECPT系统负载和传输距离在一定范围内 发生变化时，输出电压仍然能保持上升时间短、稳态误差小、鲁棒性能好的效果，从而提高 ECPT系统的鲁棒性与传输性能。
[0006] 为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
[0007] -种基于NSGA- II参数寻优的ECPT系统输出稳压控制方法，其关键在于，采用广 义状态空间平均法建立ECPT系统的广义状态空间平均模型（简称GSSA模型）；基于GSSA 模型利用PID控制器构建闭环网络对系统进行输出稳压控制；采用NSGA- II多目标多约束 遗传算法对所述PID控制器的控制参数进行全局寻优，得到最优控制参数；在采用NSGA- II 多目标多约束遗传算法指标计算过程中，将种群中的每个个体参数分别带入PID控制器 中，PID控制器根据GSSA模型的输出值与电压设定值比较后得到的误差量生成相应控制 量，将该控制量作为GSSA模型的输入量，由此构成闭环控制网络，得到系统在不同个体作 用下的指标值；所述NSGA- II多目标多约束遗传算法根据这些指标值对个体进行分层以及 遗传操作，通过不断迭代最终在最后一代的种群个体中选择一组控制指标最优的个体作为 PID控制器的控制参数对ECPT系统进行输出稳压控制。
[0008] ECPT系统因其阶数高、开关非线性等特性使得其对参数变化较为敏感，而且因为 结构复杂，也使其理论分析变得困难。因此，有必要建立一个精确的数学模型对其内在动力 学行为进行描述与分析，并在模型的基础上设计一定的控制律来保证系统输出的稳定性。
[0009] 采用广义状态空间平均法对ECPT系统进行建模的具体步骤为：
[0010] Al :搭建半桥式ECPT系统，确定系统状态变量并建立时域微分模型；
[0011] A2 :利用傅里叶变换将ECPT系统的时域微分模型转换为频域线性微分模型；
[0012] A3:将所述频域线性微分模型中各状态变量的傅里叶系数的实虚部依次展开并定 义为ECPT系统的广义状态变量X ;
[0013] A4 :建立以ECPT系统中各变量的傅里叶系数实虚部为广义状态变量的广义状态 空间平均模型：i = + B?，其中，A为系统矩阵，B为输入矩阵，X为系统的广义状态变 量，u为系统的直流输入。
[0014] 进一步地，步骤Al中搭建的半桥式ECPT系统由半桥逆变电路、阻抗匹配电路、单 级谐振网络电路、LCL复合谐振网络电路、整流滤波电路以及负载依次连接而成，其中所述 半桥逆变电路包括两个功率开关器件仏和Q 2，阻抗匹配电路包括电感L1、电容Cla以及电容 Clb，单级谐振网络电路包括电感L2a、第一耦合极板等效电容Csl以及第二耦合极板等效电容 Cs2, LCL复合谐振网络电路包括电感L2b、电容C2以及电感L 3，系统直流输入Ed。的正极连接 开关管Q1的漏极，开关管Q i的源极连接开关管Q 2的漏极，开关管Q 2的源极连接系统直流输 入Ed。的负极，开关管Q i和开关管Q 2的连接点作为输出连接电感L i的一端，电感L i的另一 端依次连接电感L2a、第一耦合极板等效电容Csl、电感L2b、以及电感L 3，电感L3的另一端连 接整流滤波电路的一个输入端，在电感L1与电感L 2a之间连接并联的电容C la和电容C lb，并 联的电容Cla和电容C lb的另一端连接开关管Q 2的源极，第二耦合电容C s2的发射极板连接 开关管Q2的源极，第二耦合电容Cs2的接收极板连接整流滤波电路的另一输入端，电容C 2的 一端连接在电感L2b与电感L 3之间，电容C 2的另一端连接第二耦合电容C s2的接收极板与整 流滤波电路之间的连线上；
[0015] 构建的ECPT系统由发射侧和拾取侧组成，其中Csl、Cs2表示ECPT系统中耦合极板 的等效电容，该ECPT系统的直流输入经过半桥逆变电路和发射侧的单级谐振网络电路后 得到高频交流电，在其作用下，耦合机构的两极板之间形成交互电场，在交互电场的作用下 产生位移电流"流过"极板，实现电能的无线传输，接收极板接收到的电能经过拾取侧的LCL 复合谐振网络电路与整流滤波电路变换后提供给用电设备。若要对系统输出电压进行闭环 控制，可以通过能量信号并行传输或射频传输等方式将输出电压采样信号从拾取侧传输到 发射侧，采样获得的实际值与期望设定值比较后得到偏差量，将此偏差量作为控制器输入， 再根据具体控制策略生成对应的控制量来控制逆变电路开关管QJPQ2的导通与关断，由此 构成闭环控制系统保证输出电压稳定性。
[0016] 如图2所示，从拓扑结构上来看，该系统主要由半桥逆变电路、阻抗匹配电路、单 级谐振网络电路、LCL复合谐振网络电路、整流滤波电路以及负载组成。其中，单级谐振网络 中的电感L 2a用于对第一耦合极板等效电容C sl和第二耦合极板等效电容C s2进行补偿；L 2b、 C2、L3在系统拾取侧构成LCL复合谐振网络，其作用主要有以下两点：一是提高A、B端右侧 网络的功率因数，二是在耦合极板电流较小的条件下，提升了流经负载&的输出电流且由 于耦合极板的电压差较小，系统的运行安全性得到提高；电容C lb用于补偿其右侧网络的阻 抗使其呈现纯阻性；由于LCL复合谐振网络电路的引入使系统拾取侧的总阻抗增加，因此 在逆变电路输出端利用电感L 1及电容Cla对其右侧所有电路的等效阻抗进行匹配，提升系 统输出功率。
[0017] 将电容Cla和电容Clb简化为电容C1，即C 1= C la+Clb，将电感L2a和电感L2b简化为 电感L 2，即L2= L 2a+L2b，将第一耦合极板等效电容Csl和第二耦合极板等效电容C s2简化为电 容Cs，即Cs = (；1(；2八(；1+(；2)，并分别定义& 1、1^、&3、1^为简化系统中电感1^1山、1^以及 耦合极板的内阻值，将简化系统中电感电流和电容电压作为状态变量，采用零次谐波分量 表示ECPT系统中的直流状态变量U rf，采用基波分量表示ECPT系统中的交流状态变量iu， ucl，Ucs，紅2,11。2, ，得到ECPT系统时域微分模型为：
[0018]
[0019] 以及各时域状态变量的傅里叶级数表达形式：
[0020]
[0021] 式中，ω。为基波角频率，iu为流经电感L满电流，L1为电容C 1两端的电压，Ucs 为耦合极板两端的电压，L为流经电感L 2的电流，u。2为电容C2两端的电压，匕3为流经电 感1^的电流，Urf为滤波电容Cf两端的电压，交流状态变量i u，U# L，11。2,、3分别用 其基波分量表示，〈iu>JB <i u> i为电流i u的一阶傅里叶变换系数，<u ei>JP <u a> i为电 压Ud的一阶傅里叶变换系数，<u J1和<u es> i为电压u M的一阶傅里叶变换系数，<i 和 <L> i为电流U2的一阶傅里叶变换系数，<u e2>JP <u e2> i为电压u。2的一阶傅里叶变换系 数，<U3> i为电流U3的一阶傅里叶变换系数，直流状态变量u 用其零次谐波分量