1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的和意义

电场耦合式无线电能传输 ( electric-field coupledpower transfer，ecpt)是一种借助高频电场为载体进行无线传能的输电方式。ecpt系统由于其特殊的传能方式（电容），使得其耦合机构的可变换性高且整个系统电磁兼容性好。目前，电场耦合式无线电能传输技术已在足球机器人和移动设备等小功率无线电近距离传输场合有了重要的应用。针对lcl复合谐振型电场耦合式无线电能传输（ecpt）系统的参数敏感性较高的问题，采用基于阻抗变换原理建立系统的电压增益模型，分析负载品质因素q、lcl网络电感比值k以及电容比值对系统电压增益的影响规律，以降低系统参数敏感性运行的做法，是目前比较流行的做法。而本课题将基于自抗扰控制思想，建立谐振补偿环节的自抗扰模型，实现另一种ecpt系统低参数敏感性运行方式。 2.无线电能传输技术的发展历程

著名的电气工程师尼古拉· 特斯拉早在 19 世纪中后期就提出了无线电能传输技术（wireless power transfer technology）的概念，并进行了相关的实验和研究。但受早期技术条件的限制，无线电能传输技术技术还只能局限于构想阶段。

2. 研究的基本内容与方案

7. 自抗扰控制技术

7.1 自抗扰控制技术发展概况

自抗扰控制(ADRC)技术是韩京清研究员于1999年正式系统地提出的。是韩京清研究员借鉴现代控制理论在分析系统结构性质方面的成果，通过对经典调节理论与现代控制理论两方面的内在思想不断进行深人思考的过程后，在经典控制论思想精华的基础上逐步构建的，并其核心思想是，以简单的积分串联型为标准型，将系统动态中不同于标准型的部分(包括系统的不确定性和扰动)视为总扰动(包括内扰、外扰)，以扩张状态观测器为手段，实时地对总扰动进行估计，并加以消除，从而把充满扰动、不确定性和非线性的被控对象还原为标准的积分串联型，使得控制系统的设计从复杂到简单，从抽象到直观。ADRC的基本框架如附件中图7.1所示。

韩京清教授构建的是非线性ADRC通用控制器，已有文献表明，这种通用非线性ADRC经过针对具体对象的选择、参数调整后，可成为专用ADRC并具有很好的抗扰效果。美国的高志强博士应用频率尺度的概念，将ADRC线性化后，提出了通用的线性ADRC控制器结构，并将其调整参数与带宽相联系，使得ADRC参数概念更为直观，整定更为简单，极大促进了ADRC的推广。

在韩京清、高志强两位老师所取得的通用ADRC成果的引领下，诸多研究者加入到ADRC的应用研究中，并且取得了丰硕的成果。

7.1 ADRC的基本思想

ADRC(自抗扰控制)的实质，就是要在扰动明显影响到系统的最终输出之前，主动从被控对象的输入或输出信号中提取扰动相关信息，然后尽快用控制信号将它消除，从而大大降低扰动对被控量的影响。
自抗扰中的“自”取英文单词 active，意思是主动而有预见性，就像中国古语所说的“防患于未然”和“上医治未病”，突出显示了自抗扰控制思想的特点，而“主动”优于“被动”也正是自抗扰技术区别于其他抗扰技术的一个主要方面。

ADRC基本思想主要有：标准型与总扰动、扩张状态与扰动整体辨识、微分信号生成与安排过渡过程以及扰动的消减与控制量产生。

7.1.1 标准型与总扰动

ADRC的创造性贡献在于标准型和总扰动概念的提出。其中，标准型是指系统设计者期望的系统结构（并不是实际结构），通常是一种理想的简化形式；总扰动是外部扰动与内部扰动的总和，内部扰动就是标准型与实际结构之差。

标准型的概念是在对控制理论深入思考和再认识的基础上构建起来的。一般情况下，系统抽象出的数学模是不精确的，而追求模型完备又是一项不可能完成的任务，所以自抗扰研究者将模型简化成期望的结构，而将实际系统结构异于期望结构的部分，视为非期望的变化或影响。并进一步将所有影响系统成为标准型或呈现标准型特性的结构和因素（不管来自系统外部还是内部）统统归结于一个描述—一总扰动。在这样一种概念之下，所有的控制问题就都变得清晰而简洁了。设计者不再需要纠结于模型的准确程度，甚至不用再区分系统的线性与非线性，外扰与内扰。

7.2.2 扰动的扩张状态与整体辨识

ADRC另一个贡献在于将总扰动扩张成系统的一个状态，并利用状态观测器对其整体进行辨识。在标准型与总扰动的概念中，总扰动是指所有影响系统成为标准型或者呈现标准型特性的结构和因素。既然总扰动是实际存在的，而且会影响系统动态，那么用现代控制理论状态空间的角度去观察，总扰动也必然能够被看作是系统的一个状态，只是这个状态不在系统原有的空间内，而是通过扩张得到的。既然总扰动只与系统的输入和输出有关系，那么借鉴状态观测的思想，在大多数的情况下，扩张的状态就可以由系统输入和输出重构，只要此扩张状态观测收敛，则观测误差必然趋近于零，也就意味着估计出的总扰动接近实际的扰动总和。这就使得系统特性异于标准型的总扰动，采用扩张状态观测的方法，通过系统的输入和输出予以实时估计和整体辨识，使得扰动获取途径得到了极大简化了。

7.2.3 微分信号生成与安排过渡过程

实际工程中，经常存在于不连续或带有随机噪声的测量信号中来提取连续信号及将其微分的问题。可是由于微分器物理上的不可实现，所以只能够近似实现，并且当输入信号被噪声污染时，输出里的近似微分信号就会被放大的噪声分量所淹没，根本没有办法利用。因为这个原因，除特殊情形之外，在工程上广泛应用的PID控制器，实际上都是PI控制器。ADRC在最速综合函数的基础上，建立了最速反馈系统，从而构造出了微分——跟踪器，实现了对输入信号的快速跟踪和同步微分的输出，有效降低了噪声放大效应，减小了稳态误差。

7.2.4扰动的消减与控制信号的产生

传统工业控制中采用的PID控制只能对误差的比例、积分和微分进行简单的加权求和，控制效率低下，而ADRC采用非线性状态误差反馈策略(NLSEF)，可明显提高反馈控制的效率，非线性状态误差反馈根据“小误差、大增益，大误差、小增益”原则，选取适当参数和线性区间进行分割，并在不同区间内采用不同的控制增益，以获得最快速的调节效果。除此之外，采用非线性反馈后，系统稳态误差明显减小，控制精度显著提高。实际应用表明，对相同控制对象，在同样的控制目标下，非线性反馈比线性反馈的增益小一个数量级以上。而且，非线性反馈的系数比线性反馈的系数具有更大范围的适应性。

7.2 ADRC的主要构成

韩京清教授构建的ADRC主要由跟踪一微分器(Tracking Differentiator，TD，用于微分信号获取和过渡过程配置)、扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO，用于总扰动的观测)以及非线性状态误差反馈控制律(Nonlinear State Error Feedback，NLSEF，用于控制量生成)组成。

7.3.1 跟踪——微分器

跟踪微分器（TD）是ADRC的重要组成部分，跟踪——微分器的主要目的是为了更好地解决在不连续或带随机噪声的量测信号中合理提取连续信号及微分信号的问题，以便提高控制品质和简化控制器设计。经过对跟踪微分器的动态结构、跟踪性能和微分品质等的进一步研究之后，将跟踪微分器发展成为了更便于利用计算机计算的快速离散跟踪——微分器。进一步，通过跟踪——微分器的微分输出与最速综合函数，就可以安排闭环系统的过渡过程，在基本无超调的前提下实现指令的快速跟踪，从而解决超调和快速性之间的矛盾。

7.3.2 扩张状态观测器

扩张状态观测器(ESO)是ADRC的核心。扩张状态观测器用于解决主动抗扰技术中的扰动观测这一核心问题，基于状态观测器的思想，将影响被控对象输出的扰动作用扩张成新的状态变量，用特殊的反馈机制来建立能够观测被扩张的状态观测器，即扰动作用的扩张状态观测器。扩张状态观测器并不依赖生成扰动的模型，也不需要直接测量就能对扰动进行观测，得到估计值。

系统中含有非线性动态、模型不确定性或外部扰动，均可使用扩张状态观测器进行实时观测并加以补偿。扩张状态观测器可将含有未知外扰的非线性不确定对象用非线性状态反馈化为“积分器串联型”，并对一定范围对象有很好的适应性和鲁棒性。将系统化为“积分器串联型”以后，就能对它采用“非线性状态误差反馈”控制算法，设计出理想控制器。非线性状态误差反馈控制器中，由于扩张状态观测器能够实时观测未知外扰和系统模型产生的实时作用，所以采用恰当方法加以补偿，就可使线性设计所需的内模原理和在常值扰动下为消除静差而采用的积分器都不再必要。

7.3.3 非线性状态误差反馈控制律

基于跟踪——微分器方法，就可以产生过渡过程的误差信号和误差微分信号，并生成误差积分信号，组合控制律就是将误差、误差微分和误差积分三种信号形式组合起来所得。组合而成的非线性状态误差反馈控制律被可以是线性的，也可以是非线性的，如利用函数fal或者最速控制综合函数fhan构造非线性控制器。函数fal或者fhan实际上是“小误差大增益，大误差小增益”原则在工程实践经验中的数学拟合，其具有快速收敛的特性。因此，这种非线性组合易于实现且具有良好的鲁棒性和适应性，甚至于部分包含了智能的成分。

7.3 自抗扰控制技术应用于LCL复合谐振型ECPT可行性分析

将自抗扰技术应用于LCL复合谐振型ECPT系统可行性的分析，将通过以下两个方面加以说明：

1）ADRC的几乎模型无关性。 在工业界占据百年主导地位的PID实践经验告诉我们，控制器的设计应该尽可能简单、通用、参数可调整，并且不要依赖于对象模型。ADRC满足以上所有要求，同时又允许有经验的使用者将已知的对象信息加入到设计中，因此，ADRC适用于从对对象模型一无所知到完全掌握对象模型的任何情况。所以，将自抗扰控制技术应用于LCL复合谐振型ECPT系统完全可行。

2）ADRC的天然解耦性。 ADRC通过估计扰动并实时消除，实现对扰动的抑制，对于多输入多输出系统的ADRC控制而言，当输入与输出一一对应时，通道之间的交叉影响(耦合)被当成每个单输入单输出回路的扰动加以估计和消除，也就是说交叉耦合被自然解耦了，可以说ADRC具有天然的解耦性。相较于目前比较流行的降低LCL复合谐振型ECPT系统的参数敏感性的做法（即采用基于阻抗变换原理建立系统的电压增益模型，分析负载品质因素Q、LCL网络电感比值k以及电容比值对系统电压增益的影响规律，以降低系统参数敏感性运行的方式），系统采用自抗扰技术，能将系统内各类影响因素解耦，实现系统更好的控制。

7.4 自抗扰控制技术应用于LCL复合谐振型ECPT系统的优势分析

将自抗扰控制技术应用于LCL复合谐振型ECPT系统的优势优势主要有以下几点：

1）自抗扰控制本就是在扰动明显影响系统的最终输出前，主动从对象的输入/输出信号中提取扰动信息，然后尽快用控制信号把它消除。因此，LCL复合谐振型ECPT 系统采用自抗扰技术后，扰动信号对系统的影响可大大降低。

2）ADRC可以不依赖于过程或对象的模型，及时通过观测消除导致跟踪误差产生的原因——扰动（不管外扰还是内扰）。这样，扰动在产生影响之前就被抑制掉，而不需要等到误差产生后再消耗能量来进行修。因此，应用ADRC技术具有显著的节能效果。

3）由于ADRC技术实现简单、适用广泛、不依赖模型、能显著改善性能且鲁棒性强，所以ADRC技术有很强的工业应用性。而将ADRC技术应用于LCL复合谐振型ECPT系统后，ECPT系统的工业应用性也可得到进一步提高。

8. 课题研究拟采用的方法

本次课题将在分析综述无线电能传输研究现状的前提下，建立基于自抗扰控制理论的无线传输自抗扰补偿模型，并利用MATLAB仿真平台建立LCL复合谐振型ECPT系统的仿真模型，进行参数调节和仿真研究，从而得出ECPT系统在自抗扰模式下的低参数敏感性运行方式。ECPT系统原理框图及LCL 型 ECPT 系统主电路如附件中图8.1、图8.2所示。

自抗扰的技术的核心在于“总和扰动”（内扰和外扰总和）的实时作用量的估计与补偿，且其中扩张状态观测器是个动态过程，只需使用原对象的输入输出信息，没有用到系统传递函数的任何信息。所以，本次设计拟将LCL型复合谐振ECPT系统输出端作为采样点，将输出信号（负载两端电压）与输入信号（直流源逆变后所得交流电压）相比较，得到总和扰动，再通过自抗扰控制器，抑制系统总扰动，实现低参数敏感性运行。

3. 研究计划与安排

第1-2周：查阅资料，理解课题及任务书要求；

第3周：提交开题报告；提交阶段性报告；

第4-8周：详细研究；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]苏玉刚 等.复合谐振型电场耦合式无线电能传输系统传输特性分析.电工技术学报，2015，30（19）:55-60.

[2]黄学良 等.无线电能传输技术研究与应用综述，电工技术学报，2013，28(10)；

[3]韩 冲 等.谐振式无线电能传输系统中高频逆变器的特性分析和参数设计，电工技术学报，2018，33 (21).