一種水下潛行器的無線充電系統的負載恒流控制方法技術方案

本發明專利技術涉及一種水下潛行器的無線充電系統的負載恒流控制方法，對水下潛行器無線充電負載在充電過程中的電流進行恒定控制，包括以下步驟：采用神經網絡算法得到上一時刻升壓開關的占空比及其與本時刻升壓開關占空比的變化量；將上一時刻升壓開關占空比與變化量相加得到占空比，并驅動升壓開關。本發明專利技術基于神經網絡控制算法結合海水環境對充電系統的影響，通過實時對負載輸出電流進行檢測，保證負載端輸出電流的穩定，以滿足深海環境的應用需要。

【技術實現步驟摘要】
一種水下潛行器的無線充電系統的負載恒流控制方法
本專利技術屬于無線充電領域，具體說是一種水下潛行器無線充電系統的負載恒流控制方法。
技術介紹
自主式水下航行器是探索海底世界的重要工具，在商用民用領域以及軍事和海洋環境科學領域都有廣泛的應用但是目前由于受到自身體積和電池技術的限制，AUV無法長時間在水下工作，主要采用打撈回收至母船后進行充電的方法，不僅智能化降低，而且操作繁瑣、耗時長，大大降低了AUV的工作效率和隱蔽性。非接觸感應電能傳輸技術是目前水下電能傳輸的理想方式?，F有的無線充電恒流控制系統，由于缺少對于海水環境諸如洋流等諸多影響因素的考慮，大多都只適用于空氣環境中，無法滿足水下復雜多變環境的需要。由于IPT系統的非線性、時不變性等不確定因素，難以建立復雜的數學模型，PID控制器等傳統方法難以達到理想的控制效果。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于神經網絡的水下潛行器無線充電系統的負載恒流控制方法，結合海水環境對充電系統的影響，通過實時對負載輸出電流進行檢測，保證負載端輸出電流的穩定，以滿足深海環境的應用需要。本專利技術為實現上述目的所采用的技術方案是：一種水下潛行器的無線充電系統的負載恒流控制方法，對水下潛行器無線充電負載在充電過程中的電流進行恒定控制，包括以下步驟：采用神經網絡算法得到上一時刻升壓開關的占空比及其與本時刻升壓開關占空比的變化量；將上一時刻升壓開關占空比與變化量相加得到占空比，并驅動升壓開關。所述神經網絡算法包括以下步驟：將負載電流反饋值與設定值作差得到的誤差值與上一時刻神經網絡算法輸出的開關占空比作為神經網絡算法的輸入，輸入層節點數為2，隱藏層數為6，輸出層節點數為2，根據輸入層的輸入采用tansig函數得到隱藏層的輸入，根據隱藏層的輸入采用purelin函數得到輸出層的輸出，即輸出上一時刻升壓開關的占空比及其與本時刻升壓開關占空比的變化量。所述神經網絡算法的訓練采用訓練函數，學習速率為0.05，性能指標為0.01，訓練最大迭代次數為1000。本專利技術具有以下有益效果及優點：1.本專利技術考慮了深海環境下的海水因素對無線充電系統的影響，主要包括電磁耦合器在受到海水沖擊時，會發生偏心和間隙的變化，進而引起耦合器耦合系數發生改變。系統的輸出功率與耦合系數有關，水下復雜的水流環境決定互感系數會在一定范圍內發生變化，當電流變化超出負載的承受范圍時會對負載造成損傷。本專利技術可以根據耦合系數的變化使負載端的電流處于恒流狀態，保證負載端的正常工作。2.考慮在水下潛行器的作業水域中，由于環境影響的不確定，系統自身的非線性和參數的時變性等對電磁耦合器的穩定輸出造成很大的影響。本專利技術結合神經網絡原理對電磁耦合器進行多維建模分析，將諸多影響因素疊加耦合，逼近真實原型。神經網絡具有不依賴于被控對象精確數學模型的特點，對于處理高維度、非線性、不確定性的復雜控制問題具有極強的處理能力，無需建立復雜的數學模型。3.本專利技術可以根據負載端的電流變化情況自動進行能量補充，確保系統負載端的電流穩定，避免負載端電流的波動過大，延長負載的使用壽命。附圖說明圖1為水下潛行器無線充電系統的負載恒流控制系統的電路原理圖；圖2為本專利技術的水下潛行器無線充電負載恒流控制方法流程圖；圖3為帶有神經網絡算法的負載恒流控制方法電流控制效果圖。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本專利技術做進一步的詳細說明。一種水下潛行器無線充電系統的負載恒流控制系統，工作原理是根據采集模塊獲得的實際電流值與系統預期的電流值作比較，判斷負載端的電流是否需要調整，如果需要調整，則神經網絡控制器模塊根據采集信息自動化調節負載端輸出電流，指導電流達到穩定。一種水下潛行器的負載恒流控制系統，包括負載恒流的控制系統，和與其相連接的升壓系統；負載恒流的控制系統采用MCU，用于控制水下潛行器無線充電負載在充電過程中的電流保持恒定，根據收集到的負載端電壓和升壓系統的占空比的信息，控制和維護負載恒流系統的平穩運行。升壓系統包括DC-DC變換器和升壓開關IGBT1，用于根據負載端電流的變化，根據恒流控制系統提供的占空比的變化量，動態調節自身的占空比，對負載端動態進行功率的補償。DC-DC變換器與MCU相連接，接收來自MCU的關斷信息，IGBT開關與DC-DC變換器相連接，由DC-DC變換器決定其關斷狀態。負載恒流控制系統包括信息采集模塊神經網絡計算模塊，占空比計算模塊。MCU內存有神經網絡算法，神經網絡算法根據采集的負載端的電流信息和上一時刻的升壓開關占空比信息，計算使系統達到穩定時，升壓開關的變化量，占空比計算模塊用于計算使系統達到穩定所需要的占空比。圖2示出系統根據實際恒定電流的需求值Iref與測量獲得的實際輸出值Ic相比較得到電流的誤差值Ierr，將Ierr和上一時刻神經網絡的輸出至DC-DC變換器的占空比d0作為神經網絡的輸入數據，神經網絡將輸出上一時刻的DC-DC變換器的輸入占空比d0和當前時刻占空比的變化量△d求和，來調節升壓系統控制比，即得到DC-DC變換器的實際需要占空比，進而驅動IGBT1，實現副邊輸出電流的恒定。圖1所示現有技術的IPT(InductivePowerTransfer)系統，該IPT系統包括一個初級側，一個次級側，初級側和次級側被氣隙分離開，具有相同的電子電路，電子電路均包括轉換器(三極管整流橋或者二極管整流橋)、電容器-電感器(LC)諧振網絡和控制器(MCU以及升壓系統)。初級側的轉換器連接到LC諧振網絡電感Lp和電容Cp以在初級繞組中產生恒定的正弦電流。同理，次級側的LC電路包括電感LS和電容CS。如果初級側和次級側的LC電路都被調諧到角頻率ω，并且滿足則IPT系統處于穩定狀態下。當系統電路導通時轉換器(D1，D3)和(D2,D4)交替導通，將直流電源VP-V變換為高頻電流并注入到原邊線圈Lp中，Cp為原邊線圈的串聯補償電容，副邊線圈通過電磁耦合獲得原邊發出的能量，經過D1-D4組成的高頻整流橋，對拾取到的高頻電流進行整流，然后Cf對輸出電流進行濾波，濾除掉輸出電壓的高頻成分，對負載R進行充電。為保證負載端輸出電壓的穩定性，可以通過添加DC/DC變換器實現負載的電流調節，系統根據實際恒定電流的需求值(Constant)Iref與測量獲得的實際輸出值Ic相比較得到電流的誤差值Ierr，將Ierr和上一時刻神經網絡的輸出DC/DC開關管的占空比d0作為神經網絡的輸入數據，獲得保持負載端輸出電壓穩定的實際DC/DC電路的占空比。本實施例采用MATLAB實現，表1給出了系統的實驗參數。表1本專利技術所提出的恒流控制算法如圖2所示，首先根據讀入的數據信息，與系統所需的數據進行對比檢測。其中數據信息主要是指系統所采集的負載端的電流值和升壓系統的升壓開關的占空比，如果采集的電流值與系統的標定電流值相差超過0.5A則需要啟動升壓系統，MCU根據采集信息計算達到系統穩定所需的占空比，輸入到升壓系統中，隨后檢測系統負載的電流值是否滿足需要，如果滿足則調節完成，否則繼續采集數據進行調節。神經網絡控制器的設計，輸入層節點數的確定：輸入層接受外部的輸入數據，其節點數取決于實際的輸入向量維數。在本文中將電流的誤差值Ierr和上一時刻神經網絡的輸出開關占空比d0作為輸入，因此本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水下潛行器的無線充電系統的負載恒流控制方法，其特征在于，對水下潛行器無線充電負載在充電過程中的電流進行恒定控制，包括以下步驟：采用神經網絡算法得到上一時刻升壓開關的占空比及其與本時刻升壓開關占空比的變化量；將上一時刻升壓開關占空比與變化量相加得到占空比，并驅動升壓開關。

【技術特征摘要】
1.一種水下潛行器的無線充電系統的負載恒流控制方法，其特征在于，對水下潛行器無線充電負載在充電過程中的電流進行恒定控制，包括以下步驟：采用神經網絡算法得到上一時刻升壓開關的占空比及其與本時刻升壓開關占空比的變化量；將上一時刻升壓開關占空比與變化量相加得到占空比，并驅動升壓開關；所述神經網絡算法包括以下步驟：將負載電流反饋值與設定值作差得到的誤差值與上一時刻神經網絡算法輸出的開關占空比作為神經網絡算法的輸入，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：袁學慶，王侃，廖顏華，
申請(專利權)人：中國科學院沈陽自動化研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21