传递标准

传递标准（精选5篇）

传递标准 篇1

0 引言

对于规模庞大的互联电网,如果仍然按照详细的系统模型进行数字仿真计算,则计算量相当大,对于在线分析和控制来说更是沉重的负担。因此,有必要对大规模电力系统进行动态等值,以减少计算量,同时也能够突出主要问题。国内外在这一领域已经取得了一系列成果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。

同调机群励磁系统的聚合是动态等值中的重要环节,加权求和法是常用的方法。该方法的优点是:等值元件模型均为实际电力系统元件模型,可直接用于大规模系统的计算分析;计算量很小,从而可大大减少参数聚合的时间。该方法的不足是:要求各发电机元件的模型均为相同的结构形式,从而聚合前后的模型结构相同。然而,同调机群中各发电机的励磁系统却可能是多种多样的[15,16,17,18,19],所以往往无法使用加权求和法。

为此,本文提出采用标准传递函数作为等值励磁系统模型,并采用分段线性多项式函数(PLPF)法对励磁系统进行参数聚合。算例结果表明:加权平均法仅适用于模型结构相同的励磁系统聚合,而PLPF法适用于相同和不同模型结构的励磁系统聚合,并且可以达到降阶等值的目的。

1 励磁系统聚合的模型结构

励磁系统的聚合基于以下2个基本要求[1,2]:

1)通过发电机对电力系统动态起作用,所以励磁系统的聚合要考虑发电机动态对它的影响;

2)应使在同样的机端电压摄动下引起的等值机输出电流变化和各同调机输出电流总变化相等,即满足输出电磁功率不畸变的约束。

在此要求下,可推导出等值发电机励磁系统的聚合传递函数GEΣ(s)为[1,2]:

$G{}_{\text{E}\text{Σ}}(s)={\displaystyle \sum _{\forall i\in G}W}{}_i(s)G{}_{\text{E}i}(s)(1)$

式中:Wi(s)为权因子;GEi(s)为第i台发电机励磁系统的传递函数,各台发电机励磁系统传递函数可以互不相同;G为等值发电机集合。

由式(1)可见,GEΣ(s)不是GEi(s)的代数和,而需要乘以权因子Wi(s)之后再求和,如图1所示。

由此获得的聚合传递函数GEΣ(s)是一个复杂的高阶传递函数,在实际工程中难以使用。为此,本文提出将上述高阶聚合传递函数GEΣ(s)简化为低阶标准传递函数GE(s):

$G{}_{\text{E}}(s)=\frac{{\displaystyle \sum _{j=0}^{m}b}{}_{j}s{}^j}{s{}^n+{\displaystyle \sum _{j=0}^{n-1}a}{}_{j}s{}^j}(2)$

简化的目标是等效,即GE(s)与GEΣ(s)具有尽量相同的输入输出特性。一般来说,分母阶次等于或者大于分子阶次,即n≥m。

2 励磁系统聚合的参数确定

PLPF法是基于方程误差(EE)模型的时域辨识方法。该方法直接从时域采样信号,计算简捷,测试简单,而且辨识精度较高。所以,本文采用PLPF法确定等值励磁系统模型中的参数。

对应式(2)所示传递函数的时域模型为:

$\begin{array}{l}\frac{\text{d}{}^n}{\text{d}t{}^n}y(t)+a{}_{n-1}\frac{\text{d}{}^{n-1}}{\text{d}t{}^{n-1}}y(t)+\cdots +a{}_{0}y(t)=\\ b{}_m\frac{\text{d}{}^m}{\text{d}t{}^m}u(t)+b{}_{m-1}\frac{\text{d}{}^{m-1}}{\text{d}t{}^{m-1}}u(t)+\cdots +b{}_{0}u(t)(3)\end{array}$

在零初始条件下,对式(3)求n重积分,得

y(t)+an-1∫${}_0^t$y(t)dt+…+a0∫${}_0^t$…∫${}_0^t$y(t)dtn=bm∫${}_0^t$…∫${}_0^t$u(t)dtn-m+bm-1∫${}_0^t$…∫${}_0^t$u(t)dtn-m+1+…+b0∫${}_0^t$…∫${}_0^t$u(t)dtn (4)

如果设法求出输入信号u(t)和输出信号y(t)的多重积分,则可以估计模型参数aj和bj。

采用PLPF法求解积分问题,将采样时间区间T等分为K个时段,然后将输入、输出近似地用离散采集数据向量(UT,YT)与分段线性多项式函数的内积来表示:

$\{\begin{array}{l}u(t)={\displaystyle \sum _{k=0}^{{\rm K}}u}(k)F{}_k(t)=\mathit{U}{}^{\text{Τ}}\mathit{F}(t)\\ y(t)={\displaystyle \sum _{k=0}^{{\rm K}}y}(k)F{}_k(t)=\mathit{Y}{}^{\text{Τ}}\mathit{F}(t)\end{array}(5)$

式中:

$\begin{array}{l}\mathit{U}=[u(0)u(1)\cdots u({\rm K})]{}^{\text{Τ}}(6)\\ \mathit{Y}=[y(0)y(1)\cdots y({\rm K})]{}^{\text{Τ}}(7)\\ \mathit{F}(t)=[F{}_0(t)F{}_1(t)\cdots F{}_{{\rm K}}(t)]{}^{\text{Τ}}(8)\end{array}$

分段线性多项式定义为:

$\begin{array}{l}F{}_0(t)=\{\begin{array}{l}1-\frac{{\rm K}}{{\rm T}}t\\ 0\end{array}\begin{array}{l}0\le t<\frac{{\rm T}}{{\rm K}}\\ \text{其}\text{他}\end{array}(9)\\ F{}_i(t)=\{\begin{array}{l}(1-i)+\frac{{\rm K}}{{\rm T}}t\\ (1+i)-\frac{{\rm K}}{{\rm T}}t\\ 0\end{array}\begin{array}{l}\frac{(i-1){\rm T}}{{\rm K}}\le t<\frac{i{\rm T}}{{\rm K}}\\ \frac{i{\rm T}}{{\rm K}}\le t<\frac{(i+1){\rm T}}{{\rm K}}\\ \text{其}\text{他}\end{array}\\ (10)\end{array}$

式中:i=1,2,…,K-1。

$F{}_{{\rm K}}(t)=\{\begin{array}{l}(1-{\rm K})+\frac{{\rm K}}{{\rm T}}t\\ 0\end{array}\begin{array}{l}\frac{({\rm K}-1){\rm T}}{{\rm K}}\le t<{\rm T}\\ \text{其}\text{他}\end{array}(11)$

基函数及其积分特性如附录A图A1所示。

将F0(t),F1(t),…,Fm(t)积分可得:

∫${}_0^t$…∫${}_0^t$F(t)dtl≈HlF(t) (12)

式中:H为m×m阶矩阵,

$\mathit{{\rm H}}=\frac{{\rm T}}{m}\left[\begin{array}{ccccc}0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \cdots & \frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& 1& \cdots & 1\\ 0& 0& \frac{1}{2}& \cdots & 1\\ \cdots & \cdots & \cdots & & \cdots \\ 0& 0& 0& \cdots & \frac{1}{2}\end{array}\right](13)$

那么,式(4)可改写为:

YTF(t)+an-1YTHF(t)+…+a0YTHnF(t)=bmUTHn-mF(t)+bm-1UTHn-m+1F(t)+…+b0UTHnF(t) (14)

消去F(t)并且将式(14)等号两边都转置后可得:

Y+an-1HTY+…+a0(Hn)TY=bm(Hn-m)TU+bm-1(Hn-m+1)TU+…+b0(Hn)TU (15)

据此,利用最小二乘法,可以获得模型参数aj和bj。由于励磁系统一般是线性系统,采用PLPF法是可行的。当然,对于复杂的非线性励磁系统,应该采用其他方法。

3 励磁系统聚合的基本步骤

1)判断同调发电机群,求取等值发电机的电气参数。

2)计算同调发电机群中各发电机的权系数Wj(s)。

3)对于同调发电机群中的励磁系统,按照式(1)获得聚合传递函数GEΣ(s)。应该指出的是,当同调发电机群机组数量较大时,尤其是存在多种不同类型的励磁系统时,这个传递函数阶次很高。但在实际工程中应用本文方法时,并不需要具体求出完整形式的高阶传递函数,而只要根据式(1)获得求和形式的传递函数。

4)根据获得的求和形式的聚合传递函数GEΣ(s),计算时域动态响应曲线,获得(UT,YT)。一般来说,激励采用阶跃方式。对于式(1)中求和形式的每一子项传递函数(这是低阶的),分别计算其对应的动态响应曲线,然后再求和,即得总的动态响应曲线。

5)计算获得式(15)中各向量。

6)采用第2节中所述PLPF法,获得参数aj和bj,由此可得等效的传递函数GE(s)。

4 励磁系统聚合的仿真算例

4.1 算例系统

以IEEE 10机39节点系统为例,系统结构如附录A图A2所示。将机组G10作为参考机;G1,G8,G9作为研究系统;G2,G3,G4,G6,G7作为外部系统,对其进行分群;发电机组G2和G3为一个同调机群C1;发电机组G4,G6,G7为另外一个同调机群C2;G5为孤岛。

设机群C1中G2和G3的励磁系统模型均为IEEE DC1A型[15,16],其传递函数框图如图2所示,参数见表1。

设机群C2中G4,G6,G7的励磁系统不相同。G4,G6,G7的励磁系统传递函数分别如图3、图4、图5所示[15,16]。

G4励磁系统的参数为:K=15.3,T1=0.5 s,T2=9.4 s,T3=0.24 s,T4=0.05 s,KSCR=40,TE=0.05 s,TR=0.03 s,β=0.05。

G6励磁系统的参数为:KI=2.02,KE=0.8,SE=0.2,KP=19.43,KD=0.52,TE=0.46 s,TR=0.02 s。

G7励磁系统的参数为:K=15,T1=1 s,T2=21 s,T3=0.5 s,T4=0.05 s,KSCR=40,TE=0.02 s,TR=0.01 s,TCS=0.03 s。

4.2 相同励磁系统的聚合

C1群中发电机G2和G3的励磁系统是相同的,不难求出其聚合传递函数GC1Σ(s)为:

$\begin{array}{l}G{}_{\text{C}1\text{Σ}}(s)=\frac{6.112s{}^6+153.6s{}^5+2316s{}^4+}{0.001384s{}^8+0.06386s{}^7+1.661s{}^6+}\to \\ \leftarrow \frac{6059s{}^3+5951s{}^2+2372s+}{21.36s{}^5+149.8s{}^4+239.5s{}^3+}\to \\ \leftarrow \frac{290.3}{145.6s{}^2+35.38s+2.872}\end{array}$

因为G2和G3的励磁系统模型结构一致,故可以采用加权求和法,获得等值传递函数GC1(s)为:

$G{}_{\text{C}1}(s)=\frac{2181s+3021}{s{}^3+21.96s{}^2+285.6s+60.72}$

对GC1Σ(s)与GC1(s)的频域波特图进行比较,如图6所示。

由图6可见,使用加权求和法对相同模型结构的励磁系统进行动态等值,其相频特性曲线拟合效果很好,幅频特性曲线拟合效果较好。

4.3 不同励磁系统的聚合

C2群中发电机G4,G6,G7的励磁系统是不同的,先求出其聚合传递函数GC2Σ(s)为:

$\begin{array}{l}G{}_{\text{C}2\text{Σ}}(s)=\frac{2.988\times 10{}^{-4}s{}^{12}+0.03352s{}^{11}+}{2.046\times 10{}^{-9}s{}^{14}+4.323\times 10{}^{-7}s{}^{13}+}\to \\ \leftarrow \frac{1.419s{}^{10}+28.42s{}^9+281.6s{}^8+}{3.748\times 10{}^{-5}s{}^{12}+1.728\times 10{}^{-3}s{}^{11}+}\to \\ \leftarrow \frac{1380s{}^7+3709s{}^6+}{0.04578s{}^{10}+0.6996s{}^9+5.88s{}^8+}\to \\ \leftarrow \frac{5802s{}^5+5356s{}^4+}{25.03s{}^7+57.01s{}^6+71.83s{}^5+}\to \\ \leftarrow \frac{2819s{}^3+762.5s{}^2+}{49.51s{}^4+17.39s{}^3+2.675s{}^2+}\to \\ \leftarrow \frac{83.05s+3.001}{0.1762s+0.003966}\end{array}$

在阶跃干扰之下,由GC2Σ(s)获得时间采用数据,采样时间窗T=80 s,采样时间间隔Ts=0.05 s。然后,采用PLPF法对低阶的标准传递函数模型进行参数辨识。标准传递函数分别取为:GP1(s)为分母3阶、分子1阶的传递函数;GP2(s)为分母3阶、分子2阶的传递函数;GP3(s)为分母3阶、分子3阶的传递函数:

$\begin{array}{l}G{}_{\text{Ρ}1}(s)=\frac{-81.29s-8.935}{s{}^3-1.345s{}^2-0.03039s-0.01184}\\ G{}_{\text{Ρ}2}(s)=\frac{948.5s{}^2+1035s+75.89}{s{}^3+19.91s{}^2+3.052s+0.1003}\\ G{}_{\text{Ρ}3}(s)=\frac{-22.22s{}^3+1395s{}^2+1549s+113.7}{s{}^3+29.75s{}^2+4.569s+0.1503}\end{array}$

各传递函数的时域阶跃响应、频域波特图比较见图7和图8。

由此可见,不论在时域还是在频域,GP1(s)的拟合误差很大,GP2(s)的拟合误差较小,GP3(s)的拟合效果最好。由此可见,对于本文算例系统,采用降阶为3阶的标准传递函数,可以获得良好的描述效果。至于究竟降阶为几阶合适,这里采用的是尝试的办法,今后需要进一步结合同群发电机台数和励磁系统类型,研究确定合适的降阶标准传递函数的阶次。

5 结语

本文针对动态等值中励磁系统不同类型的情况,提出采用标准传递函数作为等值励磁系统的模型,采用PLPF法求取其参数。算例表明,采用标准传递函数作为等值励磁系统的模型是可行的,实际应用时可以将高阶的聚合传递函数简化为低阶的标准传递函数,取得了良好的等值效果。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

传递标准 篇2

今天，我们班三十个同学去张集乡健康小学参加大手拉小手爱心传递活动。一大早，我们就坐上大巴车前往张集乡。到了后，我赶紧冲下车，跑向健康小学，后面好多人也跟着冲下车，我跑到门口，看见许多农村的小朋友在教室里读书，我再往旁边一看啊!这是什么东西?我说。旁边的张子睿告诉我，这是黑板。我说：这还叫黑板啊!只见墙的那边有一个方框，方框里有一些碎碎的黑块，有大有小，已经不成黑板的样子了。我想，这儿的条件和我们学校比起来差远了。

接着，我们开始和健康小学三年级的同学们搞互动，老师叫我们互相找一个好朋友，然后围成一个大圈，幸运的是，我找到一个跟我同姓的同学，他叫邹权，接着我们开始表演节目，就在这时，我忽然听见一阵美妙的歌声传来，原来是朱润泽在唱童年这首歌，我完全陶醉在歌声里了。我想，每个人都有自己的童年，有的.人的童年是在优越的环境中度过的，有的人却是在艰苦的环境中度过的。

张集乡健康小学的同学们在如此困难的条件下，自强自立，坚持学习，真让人敬佩。节目表演完，我们开始分零食吃，我把所有的零食都拿出来给邹权吃，他可高兴了。这时，老师把文具、手套、袜子等生活用品拿出来分给我们每个人的好朋友。最后，奶奶又给我和邹权拍了一张照片，我们两人可开心了。时间过的真快，马上到中午了，我们要回去了，我依依不舍地跟邹权告别，欢迎他下次到我们学校去玩。今天，真是一次有意义的爱心传递活动啊!

控制器的标准传递函数设计方法 篇3

在控制器的设计方法中, 除了常规的频域法、根轨迹法和状态反馈极点配置法以外, 还有一种标准函数设计法。只要用过这种设计方法, 就不难发现:一旦选定具有最优性能的标准传递函数, 再推导出含有已知的受控过程模型参数和待求的控制器参数的闭环系统传递函数, 那么, 控制器参数就可通过简单的代数运算算出。既不需要复杂的最优化算法, 也不需要大量的整定试验。正是因为这种方法的独特思路和设计的简捷性, 近三十年来吸引了不少学者去扩展研究, 并且取得了不少成果[2,3,4,5,6,7,8,9,10]。在应用标准函数设计法时, 常用的闭环系统标准传递函数主要有两种:ITAE标准传递函数和Butterworth标准传递函数。我国的学者在应用这两种标准传递函数中发现了一些不足, 并且已经做了一些完善工作[13,14,15,16,17,18]。此外, 从前人的研究工作阐述中, 还可看出标准函数设计法本身的理论研究也很有必要。许多基本的设计概念应当明确提出。针对不同的控制系统结构, 应用标准传递函数来设计控制器, 理应有更细致和更科学的处理方法。只有把设计理论做完善了, 才能为设计者提供有力的指导。以下的论述正是为了这一目的而展开的。

2 控制器的标准传递函数设计基本概念

常见的系统标准传递函数有ITAE标准传递函数和Butterworth标准传递函数。

ITAE标准传递函数是使系统ITAE指标最小的闭环系统传递函数。根据文献, Ⅰ型系统的ITAE标准传递函数如式 (1) 所示, 其1～8阶的函数的各系数值如表1所示;Ⅱ型系统的ITAE标准传递函数如式 (2) 所示, 其2～6阶的函数的各系数值如表2所示。

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undefined (2)

Butterworth标准传递函数是通过把系统极点均匀地配置在根平面中以原点为中心、以ωn为半径的左半平面圆周上形成的。根据文献, Ⅰ型系统的Butterworth标准传递函数也如式 (1) 所示, 但其1～6阶的函数的各系数值如表3所示。

控制器的标准传递函数涉及的基本主要有以下几点:

选定控制系统的结构, 如串联校正型、反馈校正型或状态反馈型。

推导闭环系统的传递函数。假设被控过程的传递函数是已知的, 则所导出的系统传递函数中包含了未知的控制器的传递函数。

依据期望性能指标和已推得的系统阶数, 选定标准传递函数, 如6阶的Ⅰ型ITAE标准传递函数。这意味着期望的系统具有阶跃输入稳态无差特性、超调量在5%和ωnts=7.8。

根据期望的调整时间ts可导出期望的系统自然振荡频率ωn, 从而可得到所需的标准传递函数系数αi (据表1、表2或表3) 。选取ωn时, 理应顾及控制量的约束条件。在追求快速性能时, 自然会加大控制量的变化幅度。一旦其幅值超出实际允许限值, 快速性就提不高了, 而且可能引发不期望的非线性或不稳定的动态特性。

为使所导出的闭环系统的传递函数等于期望的标准传递函数, 必须使两者函数在构成上完全相等, 从而可通过令各同类项系数相等, 联立推导出控制器函数的各个参数。对于n阶标准传递函数, 可提供n个独立的系数对等代数方程, 可解出n个待定系数。若待定系数个数大于n, 则无解。若待定系数个数小于n, 则没有唯一解, 有多组解, 且可能含有不稳定解。

在实际设计过程中, 这个系数对等的推导过程是比较复杂的设计过程。如果控制器的结构先定, 如选定PID控制器, 则可能出现导出函数与期望函数结构上不对等的情况。这时的推导工作难以为继。如果勉强推导, 那么导出的参数可能出现负值而使系统发散。如果控制器的结构后定, 则可能出现对等推导出的控制器无法实现的情况。具体细节详见下几节的论述。

Ⅰ型标准传递函数对应于阶跃输入稳态无差的系统。Ⅱ型标准传递函数对应于斜坡输入稳态无差的系统。最常用的还是Ⅰ型标准传递函数。

常用的Ⅰ型标准传递函数是一个无零点的动态系统, 那么用标准传递函数设计出的控制系统也应是无零点的系统。但是, 如果控制器含有零点, 或者是被控过程含有零点, 那么闭环系统就可能含有零点, 这时用标准传递函数设计应考虑以下提出的约束条件。

3 串联校正型控制器的标准传递函数设计

在控制系统中, 串联校正型控制器是最常见的。图1所示的是典型的串联校正型控制系统。其中, Gc (s) 是控制器传递函数, Go (s) 是被控过程传递函数, R是系统的设定值输入, Y是系统输出。容易推出系统总的传递函数如式 (3) 所示。如果将该系统中各传递函数用分式表示 (见式 (4) ～式 (6) ) , 那么容易导出在闭环系统为无零点的限定条件下对控制器和被控过程的约束条件。

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根据式 (4) ～式 (6) , 式 (3) 可重写为式 (7) 。显然, 若采用无零点的标准传递函数, 那么对控制器和被控过程有式 (8) 所示的约束条件。即, 控制器和被控过程传递函数乘积的分子多项式的阶数为0 (deg[]表示求多项式的阶数运算) 。换句话说, 若要闭环无零点, 则要求控制器无零点和被控过程无零点, 或是两者的乘积无零点。这个约束条件显然对标准函数设计法的应用推广不利。例如, 常见的PID控制器就有两个零点, 所以, 不加额外处理就不便用标准函数设计法了。

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deg[Nc (s) No (s) ]=deg[Nw (s) ]=0 (8)

若先不确定控制器的结构, 而在选定标准传递函数以后, 倒推出控制器, 会怎样呢?根据式 (3) , 可得到如式 (9) 所示的控制器的直接设计公式。根据式 (4) ～式 (6) 的分式定义, 还可把式 (9) 表示成式 (10) 。既然控制器的传递函数就是根据已定的标准函数推出来的, 自然满足前述的约束条件, 但是有可能产生控制器的不可实现问题。例如, 当所设的无零点标准传递函数的阶数比被控过程传递函数的分母多项式阶数与分子多项式的阶数之差值还小时, 据式 (9) 或式 (10) 导出的控制器传递函数的分子多项式的阶数就可能高于分母多项式阶数, 那么控制器的实现就面临高阶微分环节的实现困难。若为保证控制器的物理可实现性, 设所设计的控制器最多只含有一阶微分环节, 那么在选择标准传递函数的阶数时, 应考虑式 (11) 所示的约束条件。

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deg[Dw (s) ]-deg[Nw (s) ]≥deg[Do (s) ]-deg[No (s) ]-1 (11)

4 反馈校正控制器标准传递函数设计

在控制系统中, 还有图2所示的反馈校正型控制系统。可推出系统总的传递函数如式 (12) 所示。利用式 (4) ～式 (6) 的分式函数定义, 可导出系统总的传递函数的分式函数表达式 (式 (13) ) 。进而得到在闭环系统为无零点的限定条件下对控制器和被控过程的约束条件, 式 (14) 。有趣的是, 对反馈校正型控制器的约束则是要求控制器无极点。而从其物理可实现性考虑, 一个无极点的控制器, 最多能实现2阶微分。可见这种设计方法的可用性很有限。

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deg[Dc (s) No (s) ]=deg[Nw (s) ]=0 (14)

若是先不确定控制器的结构, 而是在选定标准传递函数以后, 倒推出控制器。类似上节的推导可得如式 (15) 所示的控制器的直接设计公式, 或写成式 (16) 。若为保证控制器的物理可实现性, 设所设计的控制器最多只含有一阶微分环节, 那么在选择标准传递函数的阶数时, 应考虑式 (17) 所示的约束条件。显然, 这个条件比串联校正型控制器设计时要苛刻的多。

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deg[Dw (s) No (s) -Do (s) Nw (s) ]-deg[Nw (s) No (s) ]≤1 (17)

5 状态反馈控制器的标准传递函数设计

若是考虑图3所示的单输入单输出 (SISO) 的状态反馈控制系统, 则总的控制系统的传递函数可表示成式 (18) 。式中{A, B, C}来自被控过程传递函数Go (s) (式 (19) ) 的能控标准形状态方程 (式 (19) 、式 (20) ) 。式中的向量F, 代表了状态反馈控制器, 通常用极点配置法设计。进一步的分析可以证明, 若被控过程是一个无零点的过程, 状态反馈控制器的接入不改变无零点的特性, 容易保证无零点标准传递函数特性的实现。状态反馈控制器可以看成是一个无零点控制器。所以只要被控过程无零点就可确保无零点标准传递函数特性的圆满实现。此外, 状态反馈控制器的无零点特性完全避开了前述的物理可实现性问题。由此看来, 标准传递函数设计法用在状态反馈控制器设计上特别合适。

Gz (s) =C[sI- (A-BF) ]-1BE (18)

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6 大惯性和大时滞被控过程的无零点模型

在过程控制系统设计中, 被控过程常被考虑为两类:有自平衡过程和无自平衡过程。而这两类过程常被模型化为式 (22) 和式 (23) 所示的模型。对于惯性时间常数T很大的过程, 被称为大惯性过程。对于纯时滞时间常数τ很大的过程, 被称为大时滞过程。这两种过程都是公认的难控过程, 一般采用常规的PID控制难有好的效果。由于纯时滞环节e-τs是非线性的, 不便进行设计和分析, 所以常对它进行如式 (24) 所示的线性化处理。这样一来, 过程控制系统中的典型被控过程可统一采用式 (25) 所示的模型。

不难发现, 式 (25) 所示模型代表的是无零点的高阶动态系统, 特别适合采用标准传递函数法进行状态反馈控制设计。

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7 控制系统的不期望零点补偿设计

虽然, 式 (25) 能代表一大类被控过程, 但是总有含零点的被控过程存在。若还想用标准传递函数法进行控制器的设计, 则需要另想办法。

对于图1所示的典型的串联校正型控制系统, 若被控过程有零点因式 (deg[No (s) ]≠0) , 则可让串联校正控制器含有相同的极点因式 (见式 (26) ) 与之对消, 然后串联校正控制器的其余部分可按标准传递函数法进行设计。采用如式 (9) 所示的控制器直接设计公式, 既可对消过程零点, 还可对消过程极点, 是更有效的设计方法。

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对于状态反馈控制系统, 可先对被控过程进行零点补偿, 然后把补偿器Gb (s) 与被控过程Go (s) 一起看成新的被控过程G′o (s) , 见式 (27) , 再应用标准传递函数法设计状态反馈控制器。不过, 还需用状态观测器提取被控过程G′o (s) 的状态变量。因为从被控过程Go (s) 中提取的状态变量不能反映补偿后的过程了。

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还有一种设计思路是, 先无视过程零点的存在, 就按无零点系统用标准传递函数法进行设计, 然后根据控制效果再加补偿器。若按无零点系统设计有零点系统的误差影响不大, 则不再修正。若其影响不容忽视则可在系统中加入补偿环节, 通过试验确定补偿环节的参数。不过, 无视过程零点的存在, 也冒着系统可能不稳定的风险。

8 举例验证

试考虑管式检定炉的温度控制问题。假设采用串联校正型控制系统方案。已知被控过程管式检定炉的数学模型如式 (28) 所示。这是一个有零点的被控过程。

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(1) 控制器采用PID结构。

若采用PID控制器, 则控制器的结构如式 (29) 所示。可导出实际闭环传递函数形如式 (30) 。与形如式 (1) 的4阶Ⅰ型期望闭环传递函数相比, 实际的比期望的多三个零点, 无法对等。若按无视已有零点的处理思路, 只对分母多项式进行推导, 则可发现所求的控制器参数为负值。这说明系统稳定性已失去保障, 故放弃采用PID控制器结构进行设计的方案。

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(2) 控制器按直接设计公式求取。

若采用3阶Ⅰ型ITAE期望闭环传递函数, 并取ωn=1, 则有式 (31) 所示的期望闭环传递函数。根据式 (9) , 可推得控制器传递函数, 见式 (32) 。

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利用MATLAB中的Simulink平台, 可搭建如图4所示的仿真试验系统。

将以上的利用直接设计公式和标准传递函数法设计的控制器置入试验系统, 并与常规PID控制系统和所选用的3阶Ⅰ型ITAE标准传递函数同时进行阶跃响应试验, 就获得了如图5所示的阶跃响应曲线。其中, 实线是标准传递函数响应, 虚线是PID控制响应, 点线是所设计的控制器的控制响应。显然, 所设计的控制器的控制响应与标准传递函数响应完全重合, 也就是达到了设计目标, 超调量小, 调整时间短, 远比PID控制响应要优越。

9 结 论

传递标准 篇4

紫外光度法就是检测紫外线波长为253.7 mm时臭氧的最大吸收值特性, 以此来测量臭氧体积分数的方法。这种方法属于非破坏性检测物理方法, 在具有一定强度紫外光的情况下, 分解臭氧速率的常数是不变的。由此可见, 该方法适用于PID臭氧自动控制发生系统中。臭氧自动监测仪的基本原理是, 利用恒定的速度将样品空气——红素送到设备气路系统中, 一部分是样品, 一部分是具有选择性的臭氧涤除器变为零的空气。在电磁阀控制的作用下, 交替输入零空气和样品空气至光吸收室, 利用波长为253.7 mm的紫外光照射它。在此过程中, 要严格遵守朗伯-比尔定律, 并使用透光度计算臭氧的体积分数, 即:

2 臭氧量值溯源

臭氧检测设备与其他常规检测设备的标准不同。在设备校准和标准溯源的过程中, 并没有使用钢瓶气, 而在传递的过程中, 需要使用标准臭氧发生器。一般情况下, 国际上遵循的是美国的国家标准、臭氧技术研究实验室仪器校准和传递臭氧标准。目前, 全世界有30 多个臭氧实验基地。2002 年和2003 年, 我国台湾和香港分别建立了臭氧实验室;2008 年和2011 年, 大陆也建立了臭氧实验室。

3 臭氧标准传递方法

臭氧标准传递方法有间接传递法和直接传递法2 种, 直接传递方法适用于内置安装紫外光度计的臭氧发生器工作标准动态校准仪上, 例如API401、TE49ips、ESA6103、ECOTECH9811等。在实际工作中, 可以将这些仪器当作工作标准, 也可以将其看作是传递标准。如果内部只有臭氧发生器的工作标准动态校准仪, 则适合使用间接传递法, 例如API700、TE 146i、ESA9100 等。但是, 只能将这些仪器作为工作标准。四川省德阳市城区的4 个空气自动监测点位均使用的是TE49ips, 所以, 选择使用直接传递法。

4 传递仪器设备

使用直接传递法时, 需要使用初级或传递标准臭氧校准仪、零气发生器、若干输气管道和工作标准多点动态校准仪。在此, 零气发生器需要拥有Purifier装置、活性炭和反应器, 需要适当去除污染物和湿气, 例如一氧化碳、二氧化硫、臭氧和二氧化碳等。但是, 在此过程中要注意的是, 要每隔6 个月更换1 次Purifier装置、活性炭。因为臭氧分子不是十分稳定, 它被吸收后非常容易被分解, 会在一定程度上影响输出浓度, 所以, 需要利用清洁性好的化学惰性聚四氟乙烯接头处理气路管道, 避免出现吸附臭氧的问题。此外, 还要处理好管道的问题。一般情况下, 要应用1.0×10-6的臭氧钝化管道1 h, 避免管道在吸附臭氧时受到干扰。

与直接传递法相比, 间接传递法只需要将内置臭氧的发生器作为工作标准多点动态仪, 不需要安置光度计, 所以, 需要多准备1 台比对用的臭氧监测仪。

5 气路连接

在气路连接的过程中, 采用直接传递方法需要适当改变标注校准仪, 在光度计前端直接输出标准臭氧校准仪;采用间接传递方法需要分别使用初级或传递标准臭氧校准仪、零气发生器和输出、对比臭氧检测仪。

6 标准传递方法

6.1 直接传递方法

采用直接传递方法时, 需要先启动并稳定仪器, 然后使单点检查工作标准臭氧校准仪和标准传递臭氧校准仪光度计的跨度数和光度计零基本一致。此时, 要适当更改传递标准——臭氧发生器中设置的臭氧的体积分数, 然后合理测量臭氧体积分数为80%, 60%, 40%, 20%, 10%和0%时的相应值, 并记录设备读数, 半天重复1 次, 连续3 次, 然后记录读数, 绘制合理的校准曲线, 检查截距、斜率是否符合标准, 以保证传递工作能够顺利进行。

6.2 间接传递方法

采用间接传递方法时, 需要先启动并稳定仪器, 使用单点检测抽样标准检测仪和传递标准校准仪, 保证设备的跨度数和光度计零基本一致。标准传递臭氧校准仪是通过多点线性校准作对比的臭氧检测设备, 校准工作需要半天1 次, 连续3 次, 以确保检测仪器具备良好的线性性能。另外, 要合理调整工作标准——臭氧发生器运行中设置的臭氧值, 并将其输送到对比设备中, 检测满量程时测得臭氧体积分数为80%, 60%, 40%, 20%, 10%和0%的相应值, 记录设备发生器中的对应臭氧值, 例如百分比等。同时, 要合理设置臭氧发生设备中的百分比, 多点检测, 每半天检测1 次, 连续3 次, 合理记录相关数据信息。在这种检测方式中, 可以将检测发生器中臭氧的百分比看作标准浓度, 并绘制相应的检测臭氧多点校准曲线, 仔细检测截距、斜率等, 以保证传递工作能够顺利进行。

6.3 传递的结果和讨论

我站使用1 台比对合格的Tanabyta 724 作为传递标准, 1台DASIBI 5208 动态校准仪作为被传递的工作标准。

在此过程中, 合理调整DASIBI 5208 臭氧发生器运行中设置的臭氧值, 分别给出满量程时臭氧体积分数为80%, 60%, 40%, 20%, 10%和0%的相应值, 并记录Tanabyta 724 设备的读数。测量结果如表1 所示。

由相关读数可知, 该设备的相关系数为0.999, 其斜率为1.003, 截距为-1.200.

试验结果表明, DASIBI 5208 动态校准仪的相关系数、斜率、截距在有效范围内, 可以作为工作标准。

7 结束语

环境监测的核心工作就是要保证监测数据的准确性、精密性、代表性、可比性和完整性, 反映环境质量的真实性。在监测臭氧的过程中, 臭氧标准校准和臭氧测量值溯源是保证臭氧监测质量的基础和前提。目前, 校准设备主要有2 种, 它们的区别就是看其是否有光度计——有光度计的校准仪器可被当作传递标准在日常工作中使用, 也可被当作工作标准。这样做, 能稳定输出臭氧, 保证其不受压力、环境和温度等因素的影响, 同时, 这种方法比较简单, 具有较长的重新标定时间。因此, 在实际工作中, 适合使用带有光度计的设备。

参考文献

[1]鲍雷, 刘萍, 翟崇治, 等.紫外光度法臭氧自动监测仪及其标准传递方法[J].中国环境监测, 2015, 31 (1) :128-133.

[2]李影, 杨慧中.一种水质总氮总磷在线自动监测仪的优化设计[J].工业水处理, 2013, 33 (5) :77-81.

传递标准 篇5

1 推广喷油泵标准油量传递与调试技术的必要性

喷油泵标准油量传递技术是将喷油泵制造企业调整喷油泵的标准油量通过标准系统逐级传递给基层喷油泵维修企业用于喷油泵调试的一项技术。喷油泵调试技术是指在规定的条件下, 按正确的维修工艺、调试方法对喷油泵和喷油器进行维修、调试, 使之达到应有的功能。喷油泵标准油量传递与调试技术的推广应用不仅关系到柴油机技术状态的完好, 而且直接影响农机使用的可靠性、作业效率, 燃油的节约、生态环境的保护。推广喷油泵标准油量传递与调试技术, 对确保柴油机处于完好技术状态, 促进农机节能减排, 加快绿色、低碳农业机械化发展具有十分重要的作用。

1.1 有利于促进农机节能减排

近几年来, 由于国家实施了农机购置补贴政策, 广大农民购机积极性高涨, 大中型拖拉机、联合收割机、插秧机等高性能农机具大幅度增加。2011年, 全省新增大中型拖拉机1.08万多台, 其中75马力以上达到70%, 保有量达11万多台;稻麦联合收割机保有量达到9.7万台, 其中高性能联合收割机近3万台;全省农机总保有量达到250多万台 (套) , 其中大中型拖拉机、稻麦联合收割机的动力为柴油机, 年消耗柴油250万t。随着农机具保有量的增加, 农业机械的能耗和污染物排放也在增加, 2007年江苏省农机排气污染源普查结果显示, 江苏省在用的拖拉机、联合收割机、插秧机等五大类农业机械一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、颗粒物的总排放量为30多万t。

喷油泵的技术状态直接影响柴油机的功率、油耗和废气排放。通常情况下拖拉机、联合收割机使用一段时间后, 其功率会降低, 燃油消耗和污染物排放会增加。根据江苏省抽样调查显示, 在用拖拉机、联合收割机等农机的功率损失平均约为5%;小型拖拉机的油耗率平均高出标定值13%, 大、中型拖拉机平均高出标定值6%~10%;四种排气污染物的排放总值平均会增加20%~30%。经喷油泵标准油量传递与调试后, 可有效降低油耗5%~10%, 恢复动力3%左右, 降低排气污染物15%左右。

依此测算, 在全省推广喷油泵标准油量传递与调试技术后, 可以节约农机用油量约12.5万t, 恢复农机动力近23万k W, 减少排气污染物排放4.5万t。由此可见, 推广喷油泵标准油量传递与调试技术, 可有效推进农机节能减排。

1.2 有利于提高喷油泵维修质量和水平

喷油泵是柴油发动机的心脏, 它控制着发动机在各种工况下的转速、供给燃油的数量和质量。每台柴油机的喷油泵使用一定时间后, 必须到农机维修站 (中心) 的喷油泵试验台上进行调试, 使其供油量达到标准值。经标准油量传递调试的喷油泵能够保证柴油机处于良好的工作状态, 有助于延长柴油机的使用寿命, 降低噪音, 减少废气排放。通过对全省近40家专业合作社500多台柴油机喷油泵的调修周期进行抽样调查发现:一是农机手缺乏调校喷油泵的主动性。一般只要机具能工作, 农机手就不会主动定时进行喷油泵的保养维护, 通常要等到机具出现不能启动、动力不足、冒黑烟、工作不稳定等状况时, 才去调校喷油泵。二是喷油泵调校频率不高。调查表明, 喷油泵调校频率较高的拖拉机为1年1次, 低的为2~3年1次, 一些合资品牌的半喂入联合收割机甚至4年中也没有调校过喷油泵。三是实施喷油泵调校的机具比例不高。调查显示, 拖拉机喷油泵年度调校比例最高在70%左右, 联合收割机喷油泵年度调校比例低至20%, 最低的不到10%。四是喷油泵调校质量难以保证。目前在用的喷油泵试验台存在设备旧、性能差、缺少标准油量基准等问题, 导致喷油泵调试后供油量达不到标准值。通过推广标准油量传递与调试技术, 基层喷油泵维修点定期接受省级基准站的喷油泵标准油量传递, 确保其校验的喷油泵其喷油量与标准油量一致, 提高了农机喷油泵维修质量和水平。

1.3 有利于推动农机维修行业管理

近几年, 农业部农机化司十分重视对农机维修行业的管理, 颁布了《农机维修管理规定》, 将维修管理执法内容写入《农机安全监管条例》, 制定了多个农机修理质量标准, 规范农机维修行业的发展。但目前农机管理部门对农机维修网点的技术资质、配件价格、维修质量等缺乏有效的监管。开展喷油泵标准油量传递和调试技术推广工作, 有利于基层农机维修管理人员以此工作为抓手, 加强对农机维修网点技术资质审核和维修质量的监督管理, 加大对农机维修节能减排技术的推广力度, 规范农机维修业务, 推动农机维修行业管理。

2 推广喷油泵标准油量传递与调试技术的可行性

2.1 符合国家节能减排政策

近几年国家对节能减排工作越来越重视, 制定并出台了一系列的政策措施。2007年国家环保总局和国家质监总局联合发布了《非道路移动用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》, 提出2009年10月1日起, 农业机械用柴油机排气污染物的排放限值要达到国Ⅱ排放标准。喷油泵标准油量传递与调试技术推广作为实现农机节能减排的有效手段, 符合国家农机节能减排的发展战略, 利国利民, 应大力推广应用。

2.2 有成熟的技术支撑

喷油泵标准油量传递技术主要包括标准油量传递方法和调试工艺、在用喷油泵试验台的校验方法、试验台用标准喷油泵和标准喷油器等标准元件的校验方法以及喷油泵调修行业标准油量传递网络。喷油泵调试技术主要包括喷油泵各缸的供油开始位置的确定, 供油量的检验与调整, 喷油泵总成密封性的检验, 调速器特性, 喷油泵附属件的检验与调整, 以及调试的工作环境、技术条件和设备配置的要求。喷油泵标准油量传递与调试技术作为柴油机维修的主要技术, 从1990年起在河北、新疆等地推广, 取得显著效果, 已经非常成熟, 足以支持推广应用。

2.3 具备较好的推广条件

一是有一支比较健全的农机维修管理服务队伍。目前, 全省各市、县基本都设有从事农机维修管理的机构和人员, 为该技术的推广应用提供了人员支持。二是有可利用的社会资源。无锡威孚科技股份有限公司在南京建立了喷油泵标准油量传递基准站, 愿意为全省农机维修网点的标准油量传递工作提供技术支持和服务。三是有省农机三项工程立项示范。为加快农机维修节能减排先进技术推广应用, 2011年省财政厅、省农机局专门立项推广、示范喷油泵标准油量传递与调试技术。因此, 喷油泵标准油量传递与调试技术推广应用的人员、技术等条件已经具备, 只要加强示范、引导, 就可以进行推广应用。

3 推广喷油泵标准油量传递与调试技术的措施

3.1 建立喷油泵标准油量传递基准

由于目前江苏省从事农机喷油泵调试的企业大多是普通的农机维修站 (点) , 无法直接从喷油泵制造企业获取相关的标准油量基准, 因此建议采取合作的方式, 利用无锡威孚高科技集团公司南京基准站 (南京伟业燃油喷射技术有限公司) 现有人才、技术和设备资源, 依托省农机三项工程, 加大资金投入, 进一步完善喷油泵标准试验台和环境条件。根据全省大中型拖拉机、联合收割机的功率情况购置多套能满足喷油泵标准油量传递要求的基准系统, 建立起标准化的省级标准油量传递基准站, 定期接受无锡威孚公司的标准油量传递, 确保其校验的喷油泵的喷油量与标准油量一致, 实现标准化传递, 以此作为传递的桥梁, 形成喷油泵制造企业、省级标准油量传递基准站、基层农机维修站 (点) 的三级传递喷油泵标准油量传递系统。

3.2 接受喷油泵标准油量传递技术服务

在全省范围内选择基础条件较好、有喷油泵调试设备的农机维修站 (点) , 主动接受省级基准站的标准油量传递和技术服务。在省级基准站的指导下购置、使用经过标定的标准喷油器总成等系统配置, 并由省基准站技术人员协助对在用喷油泵试验台进行校验, 确认合格后定期接受省级基准站的标准油量传递和技术服务。正常情况下基层传递点每一年或每调试400台次喷油泵, 需要对试验台环境条件和技术状态进行校验;每半年或每调试200台次喷油泵, 需使用标准泵对试验台用喷油器进行标定。

3.3 开展喷油泵标准油量传递与调试工作

通过省农机三项工程项目的实施, 进一步完善标准油量传递技术工艺路线, 总结制定《标准油量传递调试车间环境标准及设备配置标准》、《标准油量传递调试工艺流程及操作规范》, 指导基层喷油泵维修点在接受省级基准站标准油量传递的前提下, 严格按照技术规范积极开展大中型拖拉机、联合收割机等农业机械的喷油泵标准油量传递与调试工作, 保证经维修过的喷油泵达到出厂时的技术指标要求。建立喷油泵标准油量传递与调试台账和管理制度, 详细记录用户档案资料, 并实行三个月质量保证期。

3.4 加大宣传推广力度