ICPT系统鲁棒多目标遗传优化与最优谐振拓扑搜寻研究

【摘要】：感应耦合电能传输(ICPT)技术是一种基于电磁感应效应而实现电能近距离无线传输的技术。一方面,利用一般的参数优化方法设计出的ICPT系统存在不能同时满足多个设计目标,灵敏度高等缺点,这限制了其有效性与实用性。这是因为,首先,实际应用场合通常都要求满足多目标的系统。其次,实际环境中无法避免的多变性与不确定性会导致一个灵敏的ICPT系统性能急剧下降,甚至可能到不可用的地步。如何使设计的ICPT系统满足多个目标,并提高其鲁棒性,是亟需解决和研究的重要难题。另一方面,ICPT系统所选择的谐振拓扑结构决定了该系统的参数优化上限,随意地选择一个谐振拓扑会使得系统参数优化上限不高。普通的方法即使搜寻到在该拓扑下最优的参数设计方案,但更优的拓扑与参数方案并没有被搜寻到。如果能从众多谐振拓扑中搜寻出一种优化上限最高的结构,对于ICPT系统的最优性能非常有帮助。为了更有效地对ICPT系统进行优化,论文分别对四种基本谐振拓扑结构的谐振电路参数设计策略进行研究,并利用正弦稳态阻抗分析法对四种基本谐振拓扑结构的电路特性(如输出电压,传输效率等)进行数学建模。然后,论文采用鲁棒多目标遗传优化方法作为给定谐振结构的ICPT系统参数优化设计方法。该方法将系统参数优化过程分为“ICPT系统在参数不确定下多目标优化问题建模”与“多目标遗传优化求解算法”两个部分。作为对比,论文也介绍了一般的ICPT系统标称多目标优化数学问题模型以及相应的标称多目标遗传优化算法。论文在提出的优化方法基础上,基于给定谐振拓扑库(即不同谐振拓扑集合)中各个拓扑的所有非支配优化设计方案,进一步地将两种方法结合,并提出了一种分层综合式ICPT系统多目标(鲁棒)优化设计方法,用以搜寻对于给定设计指标的ICPT系统最优谐振结构与相应的优化参数设计方案。论文利用提出的分层综合式系统鲁棒优化方法设计了两个实际的ICPT系统,并对其进行灵敏性分析与MATLAB数值仿真验证。最后搭建实验平台,实现以上两种设计方案。相应的灵敏性分析,数值仿真结果,以及实验结果都验证了该方法相较于一般优化方法具有更好的有效性与实用性。