一种基于模糊pi的频率跟踪搜索方法
阅读说明：本技术 一种基于模糊pi的频率跟踪搜索方法 (Fuzzy PI-based frequency tracking search method ) 是由 练圣哲 王�忠 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于模糊PI的频率跟踪搜索方法,包括：根据超声换能器两端电压电流的相位差计算当前时刻超声换能器的相位差变化率；根据当前时刻的所述相位差和相位差变化率模糊推理得到频率变化标识符；根据所述频率变化标识符判断变步长级别,并在所述变步长级别内指数化PI参数；根据所述PI参数确定超声换能器下一步步长的变化量,并计算超声换能器下一步的输出频率。本发明采用模糊PI全频域搜索和跟踪,使用者不需要设定初始频率,也不需要了解换能器的谐振频率,即能直接快速搜索到谐振频率。(The invention discloses a frequency tracking search method based on fuzzy PI, which comprises the following steps: calculating the phase difference change rate of the ultrasonic transducer at the current moment according to the phase difference of the voltage currents at the two ends of the ultrasonic transducer; obtaining a frequency change identifier according to the phase difference and the phase difference change rate fuzzy inference at the current moment; judging a variable step size level according to the frequency change identifier, and indexing a PI parameter in the variable step size level; and determining the variable quantity of the next step of the ultrasonic transducer according to the PI parameter, and calculating the next step of output frequency of the ultrasonic transducer. The invention adopts the fuzzy PI full frequency domain search and tracking, and the user can directly and quickly search the resonant frequency without setting the initial frequency and knowing the resonant frequency of the transducer.)
技术领域
本发明属于超声频率跟踪技术领域，特别是涉及一种基于模糊PI的频率跟踪搜索方法。
背景技术
超声波是指频率大于20kHz的声波，因为超出人的听觉上限，故名超声波。目前，由于超声波可以产生机械效应、空化效应、化学效应及热效应，被广泛应用于清洗、检测、加工、焊接等领域。
当超声换能器工作在谐振状态时，其输出功率最大，阻抗匹配技术和频率跟踪技术成为超声换能器工作于谐振状态的两个关键技术，超声技术正是利用这一原理产生超声波。由于超声换能器负载变化、换能器老化等诸多因素的影响，超声换能器的动态参数或静态参数会发生变化，超声换能器处于失谐状态。因此，为了使超声换能器长期工作于谐振状态，对超声换能器的频率跟踪成为超声研究领域一大热点问题。
胡武林、刘丽晨等人使用PI-DDS算法实现对频率的跟踪，这种跟踪方法速度快，性能好，但跟踪范围较小。李夏林、屈百达等人采用模糊控制算法实现对频率的跟踪，成贵等人采用极大似然估计方法对换能器的参数进行估计，进而实现对频率的跟踪这种跟踪算法由于采样的局限性进而导致参数不准确。夏旭峰、黄秋霖等人提出基于模糊PI的频率跟踪算法，但由于模糊语言清晰化的设计不足，导致了初始频率只能通过快速扫频的方式实现。彭呈祥等人提出的二分法、李长有等人提出的变步长扫频方法虽然解决了扫频问题，但是扫频速度过慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模糊PI的频率跟踪搜索方法，克服现有技术在频率跟踪速度和频率跟踪范围内的不足，打破频率跟踪速度与频率跟踪范围之间的相互制约。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于模糊PI的频率跟踪搜索方法，包括：
根据超声换能器两端电压电流的相位差计算当前时刻超声换能器的相位差变化率；
根据当前时刻的所述相位差和相位差变化率模糊推理得到频率变化标识符；
根据所述频率变化标识符判断变步长级别，并在所述变步长级别内指数化PI参数；
根据所述PI参数确定超声换能器下一步步长的变化量，并计算超声换能器下一步的输出频率。
优选的，所述超声换能器的相位差变化率的计算公式为：
式中，为超声换能器的相位差变化率，为当前时刻超声换能器两端电压电流的相位差，为前一时刻超声换能器两端电压电流的相位差。
优选的，所述频率变化标识符的获取方法为：根据预设的模糊规则，采用重心法推理得到。
优选的，所述预设的模糊规则为
。
优选的，所述指数化PI参数包括：计算PI调节的比例系数和PI调节的微分系数。
优选的，所述PI调节的比例系数的计算公式为：
所述PI调节的微分系数的计算公式为：
式中，Kp为PI调节的比例系数，Ki为PI调节的微分系数，flag为频率变化标识符，flag的变化范围为[0,7.5]，k为变化方向标识符， Z为调节系数；当flag＞4时，k为2；当flag＜4时，k为1，当flag=4时，，停止频率搜索；flag在[0,2.5]U[5.5,7.5]内时，Z为5；flag在[2.5,5.5]内时，Z为4。
优选的，所述超声换能器下一步步长的变化量的计算公式为：
式中，df为超声换能器下一步步长的变化量，Kp为PI调节的比例系数，Ki为PI调节的微分系数，为当前时刻超声换能器两端电压电流的相位差，为前一时刻超声换能器两端电压电流的相位差。
优选的，所述超声换能器下一步的输出频率的计算公式为：
式中，为超声换能器下一步的输出频率，为超声换能器当前的输出频率，df为超声换能器下一步步长的变化量。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用模糊PI全频域搜索和跟踪，使用者不需要设定初始频率，也不需要了解换能器的谐振频率，即能直接快速搜索到谐振频率；
（2）本发明通过相位差及相位差变化率识别换能器所处状态，进而调节步长，不会出现跟踪到并联谐振点的情况；
（3）本发明能够在18步内搜索到谐振频率附近，然后对谐振频率进行动态跟踪；从任意频率开始，其搜索效率总比普通PI变步长搜索高约40%；
（4）本发明方法的性能优于普通PI变步长跟踪，这是由于本发明的参数是处在动态调整中的，其兼具了调节步长和调节精度两方面的优点；而普通PI变步长跟踪算法在一定范围内是定参数的，因此跟踪步长变化率有限；
（5）本专利的指数化变化步长，可以使变化步长在1Hz至100kHz之间变化。
附图说明
图1为基于模糊PI的频率跟踪搜索方法的流程图；
图2为模糊PI控制的原理框图；
图3为超声换能器两端电压电流的相位差的模糊函数曲线图；
图4为超声换能器的相位差变化率的模糊函数曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-4，本发明提供一种基于模糊PI的频率跟踪搜索方法：
如图1所示，一种基于模糊PI的频率跟踪搜索方法，包括：
S1. 根据超声换能器两端电压电流的相位差计算当前时刻超声换能器的相位差变化率。
所述超声换能器的相位差变化率的计算公式为：
式中，为超声换能器的相位差变化率，为当前时刻超声换能器两端电压电流的相位差，为前一时刻超声换能器两端电压电流的相位差。
S2.根据当前时刻的所述相位差和相位差变化率模糊推理得到频率变化标识符。
如图2所示，本实施例中输入模糊化使用典型函数设计，根据超声换能器的相位变化特征对输入函数进行模糊化并在实际调试中对参数进行微调。超声换能器两端电压电流的相位差的变化范围为[-1.57,1.57]，模糊论域为[NB NM NS ZO PS PB]，其模糊函数曲线如图3所示。超声换能器的相位差变化率放大后，其变化范围为[-2,2]，模糊论域为[NB NMNS ZO PS PB]，其模糊函数曲线如图4所示。
所述频率变化标识符的获取方法为：根据预设的模糊规则，采用重心法推理得到。
所述预设的模糊规则为
。
模糊规则采用模糊条件推理if E is NM and EC is NS，Then U is NM的形式。为了避免搜索到并联谐振频率，制定模糊规则时，判断了并联谐振频率特征，即当模糊控制器追踪到并联谐振频率时，能够避开这一频率范围。
S3.根据所述频率变化标识符判断变步长级别，并在所述变步长级别内指数化PI参数。
所述指数化PI参数包括：计算PI调节的比例系数和PI调节的微分系数。
所述PI调节的比例系数的计算公式为：
所述PI调节的微分系数的计算公式为：
式中，Kp为PI调节的比例系数，Ki为PI调节的微分系数，flag为频率变化标识符，flag的变化范围为[0,7.5]，k为变化方向标识符， Z为调节系数；当flag＞4时，k为2；当flag＜4时，k为1，当flag=4时，，停止频率搜索；flag在[0,2.5]U[5.5,7.5]内时，Z为5；flag在[2.5,5.5]内时，Z为4。
本实施中超声换能器下一步步长的变化量可实现更大化（df的范围可取为1~106）。当需要大步长搜索时，步长会取的足够大；当需要小步长跟踪时，步长可以取得足够小。因此，既可实现全频率快速搜索，又可以实现谐振频率邻域的跟踪。
S4.根据所述PI参数确定超声换能器下一步步长的变化量，并计算超声换能器下一步的输出频率。
所述超声换能器下一步步长的变化量的计算公式为：
式中，df为超声换能器下一步步长的变化量，Kp为PI调节的比例系数，Ki为PI调节的微分系数，为当前时刻超声换能器两端电压电流的相位差，为前一时刻超声换能器两端电压电流的相位差。
所述超声换能器下一步的输出频率的计算公式为：
式中，为超声换能器下一步的输出频率，为超声换能器当前的输出频率，df为超声换能器下一步步长的变化量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。