摘 要

现代电力应用中，传统有线输电方式不足之处日益显现，如接触式供电方式因接触点摩擦产生电火花和绝缘磨损对用电设备的使用寿命、运行安全和可靠性产生的威胁，传统有线输电应用于油田和矿井等场所产生的电火花易引发爆炸等。随着科技的发展，现代电子设备的大量涌现，也对电能输送提出了新的要求。而无线输电技术的提出，有效解决了传统电力输送方式的不足和满足了现代发展对电力的新需求，但现今无线输电技术的发展还存在许多问题，本文即是在此背景下，对无线输电方式中的电场耦合式无线电能输送展开了相关研究。

首先，介绍了本文的研究背景、研究目的及意义，简要论述了无线输电发展历程、原理、分类、国内外研究现况及应用领域，紧接着对本文应用于无线输电的两种控制方式—PID和自抗扰作出介绍。

其次，完成了LCL复合谐振型电场耦合式无线电能传输系统（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer，ECPT）传递函数模型的分析与搭建。

最后，通过MATLAB/SIMULINK平台完成了对开环、PID控制及自抗扰控制等三种运行方式下的LCL型ECPT系统的仿真建模，得到了三种运行方式下系统在无干扰、白噪声及脉冲干扰下的电压输出波形。通过对比分析得出，采用自抗扰控制的系统，其快速性、鲁棒性和抗干扰能力都优于PID控制的结论。

关键词：无线输电；ECPT系统；闭环反馈；自抗扰控制；PID控制

Research on Auto disturbance rejection Control of Electric Field coupled Radio Energy Transmission system with LCL Composite Resonance

ABSTRACT

In modern power application， the shortcomings of traditional wired transmission mode are becoming more and more obvious， such as the threat of electric spark and insulation wear caused by contact power supply mode to the service life， operation safety and reliability of electrical equipment. The electric spark produced by traditional wired transmission in oil field and mine is easy to cause explosion and so on. With the development of science and technology， a large number of modern electronic equipment have emerged， and new requirements for power transmission have been put forward. However， the proposal of wireless transmission technology effectively solves the shortcomings of traditional power transmission methods and meets the new needs of modern development of power， but there are still many problems in the development of wireless transmission technology， that is， under this background， this paper is in this context. The electric field coupled radio energy transmission in wireless transmission mode is studied.

First of all， this thesis introduces the research background， purpose and significance of this paper， and briefly discusses the development process， principle， classification， research status and application fields of wireless transmission at home and abroad.

Then， two control methods， PID and ADRC， which are used in wireless transmission， are introduced. Secondly， the transfer function model of LCL compound resonant electric field coupled radio energy transmission system (Electric-Field Coupled Wireless Power Transfer，ECPT) is analyzed and built.

Finally， the simulation modeling of LCL ECPT system under open loop， PID control and auto disturbance rejection control is completed through MATLAB/SIMULINK platform， and the system has no interference in the three operation modes. Voltage output waveform under white noise and pulse interference. Through comparative analysis， it is concluded that the rapidity and stability of the system with Auto Disturbance Rejection Control (ADRC) is better than that of PID control.

Key Words: Wireless Transmission; ECPT system; closed-loop feedback; Auto Disturbance Rejection Control; PID Control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 选题目的及意义 2

1.3 本文的主要工作 2

第2章 无线输电、PID控制及自抗扰控制简述 4

2.1 无线输电原理及分类 4

2.2 无线输电国内外研究现况及应用前景 4

2.2.1 无线输电发展历程及国外研究现况 4

2.2.2 国内无线输电研究现况 5

2.2.3 无线输电应用前景 5

2.3 PID控制 5

2.3.1 PID控制原理 5

2.3.2 PID参数整定方式 7

2.3.3 PID控制的优势与不足 8

2.4 自抗扰控制 8

2.4.1 自抗扰控制技术发展概况 8

2.4.2 ADRC的基本思想 9

2.4.3 ADRC的主要构成 10

2.4.4 ADRC应用于LCL型ECPT系统可行性分析 10

2.4.5 ADRC应用于LCL型ECPT系统的优势分析 11

2.5 本章小结 11

第3章 LCL型ECPT控制系统建模 12

3.1 LCL型ECPT系统相关简述 12

3.2 LCL型ECPT系统传递函数模型 13

3.3 模型特性分析 16

3.4 闭环控制模型的建立 18

3.5 本章小结 18

第4章 模型仿真分析 19

4.1 引言 19

4.2 无干扰时系统运行仿真结果及分析 19

4.2.1系统开环无干扰时运行结果分析 19

4.2.2 PID控制下系统无干扰运行结果分析 21

4.2.3 自抗扰控制下系统无干扰运行结果分析 22

4.2.4 系统在无扰动时三种运行状态对比分析 23

4.3 白噪声干扰时系统运行仿真结果及分析 24

4.3.1 系统开环时加白噪声干扰运行结果分析 24

4.3.2 PID控制下系统在白噪声干扰时运行结果分析 25

4.3.3 自抗扰控制下系统在白噪声干扰时运行结果分析 26

4.3.4 系统在白噪声干扰时三种运行状态对比分析 26

4.4 脉冲干扰时系统运行仿真结果及分析 27

4.4.1 系统开环时加脉冲干扰运行特性分析 28

4.4.2 PID控制下系统在脉冲干扰时运行特性分析 28

4.4.3 自抗扰控制下系统在脉冲干扰时运行特性分析 29

4.4.4 系统在脉冲干扰时三种运行状态对比分析 30

4.5 传递函数参数改变时系统运行仿真结果及分析 30

4.5.1 传递函数参数改变时系统开环运行结果分析 31

4.5.2 PID和自抗扰控制方式下系统运行结果分析 32

4.5.3 系统在自身参数改变时三种运行状态对比分析 32

4.6 本章小结 33

第5章 结论与展望 34

5.1 结论 34

5.2 展望 34

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 选题背景

经过近一个半世纪的发展，传统有线输电方式已经发展得十分成熟。但随着电力技术应用的深入，有线输电方式存在的缺陷日益显现。传统电气设备的接触式供电方式因触点接触摩擦产生的火花与导体磨损问题，对用电设备的使用寿命、运行安全和可靠性产生威胁。另外，在一些特殊应用场合，如水下探测时，传统有线输电由于输电线路的限制，水下操作的范围和灵活性受到了极大的约束。而对于油田和矿井等场所，传统有线输电产生的电火花极易引发爆炸，危害现场工作人员的生命安全，造成不可挽回的严重后果。传统有线输电方式的功率输送以金属导线为依托，其电力线路的架设、维护以及检修消耗大量人力物力，且对山区及海上岛屿等远离大电网的偏远地区，采用传统输电方式技术难度大、成本高而经济效益低下。

为了解决上述传统有线输电中存在的诸多问题，无需金属导线做载体的无线电能输送方式被提出。无线输电技术除了解决传统电力传输中的常见问题，还可以降低输配电成本，使电能的生产、输送、分配和使用更加环保、安全和便利。且无线输电在日常家居产业——如电视、冰箱等日常家用电器的无线，未来技术的发展——如空间太阳能发电站的电力传、地轨卫星的供电的方面的都具有重要的研究与应用意义。无线输电技术的研究和发展将使电力的使用进入一个全新的时代，无论在大型电力传输还是小功率用电设备的供电，无论是于现在实际应用还是于未来新技术的使用，无论是军事应用还是民事设备使用中，其都将会发挥着越来越重要的作用。无线输电技术按应用场合的不同可分为电磁感应原理输电、谐振式无线输电、磁耦合共振原理输电、微波无线输。现今，无线输电技术在新能源汽、植入式医疗设、高压电力输等方面的应用已逐渐成为电力研究热点。

电场耦合谐振式无线电能传输技术是一种适用于小功率、短距离的场合的无线电能传输技。其利用共振原理，通过设置发射端与接收端参数，使得整个系统在特定频率下发生谐振，进而达到 一种“电谐振”状态，实现能量的高效传。这种输电方式在接收端输出功率比较小时可以得到较高的传输效率，电场耦合式无线电能传输技术的研究对无线输电在小功率、短距离场合的实际应用具有重要意义。在实际应用中， 耦合谐振式无线电能传输在输电过程中，由于输电距离的改变、自身参数随环境的变化等各种内因外因所造成的扰动，使得其电能输出很难保持在一个稳定范围内，而相当一部分用电设备的工作电压必须要求保持在一个相对稳定的范围之内，这就使得耦合谐振式无线电力传输与各类用电设备对电力稳定的要求产生矛。针对这一问题，本次毕业设计将应用PID和自抗扰技术，使电场耦合谐振式无线电能传输系统形成闭环反馈控制，使其能够在系统有外扰（白噪声和脉冲干扰）输入和自身参数改变的情况下，依旧能够保持电压输出幅值的稳定，满足各类用电设备的要求。

1.2 选题目的及意义

电场耦合式无线电能传输 ( Electric-field Coupled Wireless Power Transfer，ECPT)是一种以高频电场为载体，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、近距离传输场合有了重要的应。针对ECPT系统参数敏感性较高的问题，通过建立以阻抗变换原理为基础的系统电压增益模型，分析负载品质因素Q、LCL谐振网络电感比值k及电容比值对其输出电压增益的影响规律，进而降低系统参数敏感性的做法，是目前比较流行。在此基础上，已有研究者基于PID控制器，对LCL型ECPT系统进行了闭环反馈控制，这种方式通过对期望电压与系统实际输出电压的比较，得到输出误差，再通过PID控制器对逆变环节开关管周期内开通时间进行控制，从而使整个LCL型ECPT系统电压稳定输出，实现LCL型ECPT系统低参数敏感性的电压输。

与已有研究方式不同，本次课题将建立LCL型ECPT系统传递函数模型，并在此基础上，通过PID控制和自抗扰控制，形成闭环反馈控制系统，通过分析对比两种控制方式在外扰（白噪声和脉冲干扰）和系统自身参数改变下的电压输出，得到另一种使LCL型ECPT系统以高响应速度、强鲁棒性及低参数敏感性运行的控制方式，即自抗扰控制。

1.3 本文的主要工作

针对LCL型ECPT系统运行时参数敏感性高的问题，不同于目前通过控制各类参数选值，以降低系统敏感性运行的做法，本文通过分析LCL型ECPT系统，得到其等效电路，建立等效电路的传递函数模型，在该模型下建立闭环反馈，分别采用PID控制器和自抗扰控制器对模型进行控制，最后通过对比开环状态、PID控制及自抗扰控制情况下的电压输出特性，得出自抗扰控制下系统性能优劣分析。全文共分为5个章节，各章节的主要研究内容如下：

第1章 课题研究背景、目的和意义的论述。

第2章 本文理论基础的概述。首先，对无线输电原理、发展历程、国内外研究现况、发展前景及当前无线输电面临的技术性难题做出简要介绍；其次，介绍了PID控制并说明其优势和不足之处；最后，为解决PID控制中存在的不足，提出了自抗扰控制，并对其优势作出说明。

第3章 建立系统开环及闭环控制模型。通过对LCL型ECPT系统的分析，完成了LCL型ECPT系统传递函数的推导和模型建立，在分析了开环时系统的幅频、相频、零点和极点等特性后，为进一步提升系统性能，建立了基于PID控制和自抗扰控制的闭环反馈控制模型。

第4章 仿真研究。利用MATLAB/SIMULINK 仿真平台，对系统在白噪声、脉冲干扰和自身参数改变时，于开环状态、PID控制及自抗扰控制等三种运行方式下的电压输出进行对比分析，得到了采用自抗扰控制，可使系统响应速度更快、鲁棒性更好和抗扰能力更强的结论。

第5章 总结本次课题研究的主要结论，给出后续研究展望。

第2章 无线输电、PID控制及自抗扰控制简述

2.1 无线输电原理及分类

无线输电技术按原理可分为以下四类。

1）电磁感应原理。电磁感应原理输电系统有原边和副边两部分，利用电磁感应，原边线圈发射电能，副边线圈接收电能，实现电能无线输送。目前，电磁感应式无线输电主要应用在电动牙刷、手机等小功率便携式电子设备。

2）谐振式无线输电。 谐振式无线输电能量发送端产生的特定频率的电磁波弥漫于整个空间，只有以相同频率谐振的接收端回路，才能实现能量接收。这种方式传输在大功率、远距离传输场合效率低而辐射严重，因此只能应用于小功率、短距离的场。

3）磁耦合共振原理。磁耦合共振方式由发射和接收两部分组成。首先，发射端在特定频率振动，将电能转换成磁能后，接收端共振集能，完成磁到电的能量转换，最终实现能量无线传。

4）微波无线输电。微波无线输电系统的组成及输电流程如下：

电源→电磁波发生器→发射天线→接收天线→整流器→变电→有线电

2.2 无线输电国内外研究现况及应用前景

2.2.1 无线输电发展历程及国外研究现况

无线输电概念最早提出于19 世纪中后期，但受早期技术条件的限制，此项技术只能局限于构想阶段。

后来，随着电磁波理论的发展，古博（Goubau）等人通过大量的理论与实验研究，对自由空间波束导波传输能量的可行性作出了分析。到20世纪初期，日本的H. Yagi 等人发明了一种将能量以微波的形式发送出去定向天线。在此基础上，雷声公司（Raytheon）的布朗（W.C.Brown）等人设计了将微波能量转换成直流电的整流天线。现今，微波输电已经可应用在大功率、较远距离的功率输送。除微波外，大功率远距离的无线能量传输还可通过激光来实。

至上世纪80年代，电磁感应耦合式无线传能技术开始受到关。新西兰奥克兰大学相关研究人员利用电磁感应原理，实现了载人游览车无线供电试验，使得以该原理为基础的输电技术取得了重大进步。

2007 年，麻省理工大学研究人员利用谐振原理，在1.9m 外点亮了60w 的灯泡，开辟了谐振式无线输电新方式。

到目前为止，无线能量传输已经初步实现了在各种传输场合的研究应用。

2.2.2 国内无线输电研究现况

我国无线输电起步晚，开始于本世纪初，目前集中于感应式和磁耦合谐振式无线电能传输的研究。中国科学院电工研究所、重庆大学自动化学院对无线输电技术研究较早，并且已经取得了一定理论和实际应用的成果。东南大学于 2006 年开始对无线能量传输的研究后，提出了磁耦合谐振式无线能量传输系统、功率调频控制技术、电场耦合的光电机技术、电动汽车无线充放电与电网互动等一系列关键技术。此外，浙江大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等高校在基础理论和应用研究方面也做出了大量贡。目前，国内研究基本上都还处于理论阶段，无线输电的具体实施应用依旧还未实现。

2.2.3 无线输电应用前景

无线输电作为电力输送领域的新热点，其应用前景有以下几个方面：

1）电动汽车领域。无线电能传输技术不仅能解决电动汽车充电桩的建设问题，还能够分散电动汽车接入电网充电的集中程度，缓解电动汽车规模化充放电对电网产生的冲击。而且，无线充电式电动汽车可成为电网的移动储能设备，在电力系统的“削峰填谷”中发挥重要作。

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