一种自适应遗传整定PID控制的无线充电系统控制策略_郭俊杰.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:江苏省自然科学基金资助项目(BK20201147)收稿日期:20211214修改日期:20220214A Wireless Charging System Control Strategy Based onAdaptive Genetic Tuning PID Control*GUO Junjie，DING Hui，CHANG Changyuan*，JU Dongqian，BAI Yinshi，KONG Lingtao(School of Microelectronics，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)Abstract:A wireless charging system control strategy based on adaptive genetic tuning PID(AGT-PID)control algorithm is proposedThe simulation of the whole system in MATLABSimulink，and the wireless charging system test based on FPGA are completed Whenthe regulation signal is released，the AGT-PID controller compares the processed output voltage value with the target regulation valueand carries out genetic iteration on the error value The AGT-PID controller obtains the fitness function through the adaptive adjustmentof the weight of the objective function，completes the adaptive tuning of PID parameters，and finally improves the control stability andcontrol precision of the wireless charging system The verification results show that the proposed control method can meet the power re-quirements of the wireless charging system with the establishment time being less than 2 ms，the overshot being less than 4%，and thesteady-state error being less than 1%Key words:wireless charging system;stability;Qi protocol;adaptive genetic;PIDEEACC:2220doi:103969/jissn10059490202301027一种自适应遗传整定 PID 控制的无线充电系统控制策略*郭俊杰，丁慧，常昌远*，居冬乾，柏殷实，孔令韬(东南大学微电子学院，江苏 南京 210096)摘要:给出了一种基于自适应遗传整定 PID(AGT-PID)控制算法的无线充电系统控制策略，在 MATLABSimulink 中完成了整个系统的仿真，并基于 FPGA 完成无线充电系统的测试。当调节信号下达时，AGT-PID 控制器将处理后的输出电压值与目标调节值进行对比并对误差值进行遗传迭代。AGT-PID 控制器通过对目标函数权值的自适应调整得到适应度函数，完成 PID参数的自适应整定，最终提升了无线充电系统的控制稳定性及控制精度。验证结果表明:当调节信号下达后，所提出的控制方法能够满足无线充电系统的功率需求，建立时间少于 2 ms，超调小于 4%，稳态误差低于 1%，满足无线充电系统的设计规格和稳态性能要求。关键词:无线充电系统;稳定性;Qi 协议;自适应遗传;PID中图分类号:TN432文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01015706从 1890 年 Nicola Tesla 开始思考电能无线传输的问题1 并实现了超过 25 英里2 的远距离电能传输开始，一直到上世纪 70 年代，美国 WC Brown 带领的团队最终实现了微波到电能的转换，开创了无线电能传输技术的先河3。今天，有线充电方式自身的局限性给人们日常带来了诸多不便，设计出一种工作稳定、输出功率波动小、充电效率高、体积小、重量轻、高控制精度的无线充电系统迫在眉睫。文献 45 通过调节逆变器频率改变其输出功率，提升了系统的传输效率。文献 67 采用改变逆变器频率和控制信号相位的双控制方法，最终使得改进后的控制方式更加灵活，效率更高。而在将先进控制算法引入无线能量传输系统并提升系统控制性能方面，文献 8提出了一种能够快速适应瞬时参数的控制方案，控制实现采用闭环数字 PLL 技术执行，该控制响应稳定时间小于400 s。文献 9 提出一种利用追踪算法寻找无线充电系统工作的最大效率点的 MEPT 算法。文献 10 提出了一种通过减少迭代次数来避免功率损失、提升功率传输效率的改进 MPPT 控制算法，不足之处在于动态响应时间在 15 s 到 2 s，不够理想。文献 11 基于无线充电系统的原边控制，以比例积分控制为核心，提升了整体系统的控制精度，不足之处在于未提升系统的传输效率。本文提出一种自适应遗传整定 PID(AGT-PID)调节的反馈控制方法，该方法通过自适应调整系统电子器件第 46 卷的目标函数及惩罚函数，将发射端输出采样值与目标值对比，得出所需调节的误差值，经控制算法自适应调节后，输出全桥的控制信号来调节发射端输出功率，符合接收端的功率需求，输出功率稳定性高，超调小，且调节速度较快。1无线充电拓扑及 PID 控制分析无线充电系统框图如图 1 所示。数字控制无线充电系统输入 5 V 直流电压，通过 4 路 PWM 信号G1G4控制 M1M4管的开断，使两桥臂分开导通，将直流转化为交流。之后通过谐振电路起振，将能量传送至接收端，接收端会将接收处理后的电压信号调制后发至发射端，解调后得到参考电压 Vref，并与无线充电系统发射端采样 Vo处理后的电压信号Ve一同送入信号处理模块，处理后得到 e(n)=VeVref，然后送入控制模块，通过数字控制策略计算得到适合本无线充电系统的相移调节信号 delta_pha，再据此信号由 PWM 调制模块生成 G1G4控制信号，调节无线充电系统发射端的输出。图 1无线充电系统框图采用状态平均建模法并代入各个模块参数与主拓扑参数推导得到的无线充电系统的主拓扑传递函数为:Go(s)=4107s1+4108s+2521012s232255(1)采用零阶保持法对开环传递函数进行 z 变换，得到相应的离散域传递函数如下:Go(z)=01473z01473z21603z+09843(2)PID 控制器将偏差信号的比例、积分和微分项的线性组合构成控制量，对被控对象进行调节。考虑到在通过系统级仿真后，要通过单片机或 FPGA等软件算法或硬件电路实现，因此要得到能够在物理平台上实现的 PID 算法数学表达式。本文采用增量型 PID 控制算法。表达式如下:u(k)=u(k1)+kpe(k)+kie(k)+kd2e(k)(3)2自适应遗传整定 PID 控制器的整体设计基于自适应遗传整定 PID 控制系统结构如图 2所示:图 2自适应遗传整定 PID 整体结构图基于自适应遗传整定 PID 控制器算法如下 1214:选定自适应遗传整定的参数及约束条件，即kp，ki，kd三个参数，本文设定的三个参数的约束条件为:kp 0，20，ki 0，1，kd 0，10;参数编码以及参数解码:分别用长度为 10 的二进制编码串表示 kp，ki，kd这三个参数，每个参数有 210个离散点，将这三个参数组合到一起，形成 30 位的码串。本文优化无线充电系统控制性能的染色体即采用kp，ki，kd3 个参数组合而成30 位的码串，其关系为:X:0000110111kp1101110001ki1110110001kd(4)确定初始群体 P(0)，由 n 个随机的 30 位向量组成集合;为得到较理想的控制稳态特性，增加无线充电系统的输出稳定性，本文将误差绝对值确定为最小单位，同时保持控制量在合理的大小，在目标函数中添加无线充电系统输入的平方项。则目标函数为:J=0 w1|e(t)|+w2u2(t)dt+w3tu(5)式中:w1w3为权值，u(t)为控制器输出，tu为上升时间，e(t)为系统误差。为了避免产生超调，附加惩罚机制，即一旦产生超调，自动将超调量作为最优指标的一项进行优化，继而得到参数结果。此时的最优指标为:if e(t)0，J=0 w1|e(t)|+w2u2(t)+w4|e(t)|dt+w3tu(6)式中:w4为权值，且 w4w1;将当代种群中各个体完成参数解码，用此参数求代价函数 J;通过遗传迭代过程对当代种群操作，生成适配值高的下一代种群;重复步骤步骤，直至预期的适配值要求;将自适应遗传所得最优个体解码得对应的kp，ki，kd参数，代入 PID 调节模块。851第 1 期郭俊杰，丁慧等:一种自适应遗传整定 PID 控制的无线充电系统控制策略3MATLABSimulink 仿真、硬件实现及测试31MATLABSimulink 仿真在 MATLAB Simulink 中依次搭建主拓扑模块Transmitter、A/D 转换器模块、自适应遗传整定 PID控制器模块及 DPWM 模块，整体框图如图 3 所示。图 3自适应遗传整定 PID 控制器闭环系统模型图 4无线充电系统调节仿真图311启动调节过程仿真基于 PID 控制算法和自适应遗传整定 PID 控制算法的无线充电系统的仿真波形如图 4 所示，图中横坐标电压、电流单位分别为 V、A，纵坐标时间单位为 s，可以看出 AGT-PID 控制算法较 PID 控制算法更快收敛达到稳态。312稳态输出功率仿真图 5 为控制器给定 5 W 和 6 W 恒定输出功率时，对比控制器分别采用 PID 控制及自适应遗传整定PID 控制两种控制算法时的 MATLABSimulink 仿真效果图。图 5 中黄色线(幅值变化波动大、收敛速度慢)表示常规 PID 控制对应的输出功率曲线，蓝色线(幅值变化波动较小、收敛速度快)表示自适应遗传整定 PID 控制对应的输出功率曲线。从图中可以看出，常规 PID 控制对应输出功率分别为 5 W 和 6 W时，曲线达到稳态的时间超过 2 ms，而自适应遗传整定 PID 控制算法达到稳态的时间少于 2 ms。图 5稳态输出功率仿真图313参数整定仿真自适应遗传整定策略下，参数 kp，ki，kd自适应整定过程如图 6 所示。图中参数 kp、kd、ki为常系数，横坐标单位为 s。图 6参数整定过程仿真图根据以上仿真波形图得到两种算法的各项控制性能指标，列对比表 1，主要对比建立时间，超调量及输出功率的稳态误差。表 1两种算法仿真效果定量比较算法PIDAGT-PID建立时间284 ms178 ms超调576%384%稳态误差2%1%观察表 1 可知，在系统建立时间、超调及输出功率的稳态误差方面，自适应遗传整定 PID 控制均优于常规的 PID 控制。自适应遗传整定 PID 控制器具有更快的建立时间，在调节建立后，电压及电流的951电子器件第 46 卷超调量小于 PID 控制器，输出功率的稳态