数字式大范围

数字式大范围（精选7篇）

数字式大范围 篇1

0 引言

自20世纪90年代以来, 我国铁路开始了全面提速。高速动车组越来越多地飞驰在祖国大地上。高速动车组包括车体、转向架、牵引变流、牵引控制、牵引变压、牵引电机、列车网络控制和制动系统等核心技术。大功率高速机车的驱动系统、牵引电机、主辅发电机、交流传动控制等核心技术以及大量的配套技术我们已经掌握。运用这些技术生产的时速200公里及以上动车组和大功率机车的国产化率可达到70%以上。

针对高速列车牵引机车变压器特种线圈制造工艺, 特种线圈精密整形生产线主要用于牵引机车变压器生产中, 按工艺要求对变压器线圈进行轴向压缩整形, 保证变压器线圈轴向几何尺寸、致密度和电磁性能, 提高线圈的紧密性和抗短路变形能力, 减小线圈的载流导线在工频交变磁场中的振动, 并保证线圈的轴向尺寸达到设计和工艺要求, 是高速列车牵引机车变压器线圈整形压装的专用设备。

南车株洲电机有限公司是我国电力机车、高速动车组、城轨车辆电机和变压器专业化科研、生产基地。公司原有低速变压器加工设备和工艺不能满足高速列车牵引机车特种变压器生产需求。目前国内尚未生产高精度高速动车组牵引机车变压器线圈整形液压机, 主要依靠进口发达国家的整形液压机实现线圈精密整形加工, 投入成本高, 核心技术受制于人, 严重制约了国内高速列车车辆制造技术的快速发展。

1 数字式大范围超高精度线圈整形机系统构成

数字式大范围超高精度线圈整形机主要由提升式主机、液压控制系统、电气控制系统、冗余式多通道在线检测与控制系统等部件组成。

1.1 主机系统

主机结构采用我公司专利设计———提升式液压机主机, 该种提升式结构由上横梁、下横梁、立柱, 下横梁组成, 下横梁上固定安装有油缸, 油缸的活塞杆上端顶托着与立柱滑动配合的动滑块, 动滑块的上端固定安装有移动工作台;立柱上部为螺纹段, 下部为光轴段;立柱的螺纹段穿过上横梁, 且与上横梁上方的蜗轮内孔螺母螺纹配合, 蜗轮转动安装于上横梁上, 蜗轮与上横梁上方的蜗杆啮合传动, 蜗杆与固定安装在上横梁上端面的电动机传动连接。上滑块可以上下自由运动, 整机占用高度空间小, 节约材料。该种专利结构主要为线圈组装干燥后, 对线圈进行整形使用。

1.2 液压控制系统

液压式线圈整形机的液压控制系统是整形机主要组成部分, 其性能高低决定了线圈整形机的性能高低。为解决现有传统线圈整形机液压控制系统控制范围小、控制精度低、控制性能差的问题, 开发研制了一种数字式大范围超高精度线圈整形机液压控制系统, 可使液压系统控制压力在3%~100%范围可调, 压力控制精度误差在设定值的±0.02MPa。消除了系统元件的线性死区问题, 实现大范围系统控制, 并提高整个系统的控制精度。该技术解决了传统液压控制系统控制范围小、系统压力控制精度不高的缺点。

1.3 电气控制系统

电气系统设有独立的电气柜, 电气柜具有照明装置。电气系统设有操作控制台, 各种显示灯、按钮、选择开关等布置于操作台面板上。电气控制系统采用西门子S7-3152DP型PLC可编程序控制器。配置进口西门子277系列10.4英寸触摸式工业显示屏, 其画面设置为菜单式。可在屏幕上非常方便地预先对移动台位置、压力、温度、时间等参数进行数字预置, 并能清晰地显示程序号及各预置值。可以存储100套程序。可显示主要错误信息, 若压机出现故障, 查找原因十分方便。

采用工控机采集记录时间和采集压力曲线等。采用西门子wicc7.0程序组态软件, 配置打印机对数据进行打印。

1.4 冗余式多通道在线检测与控制系统

通过多组位置信号、光电信号、力信号和压强信号等对设备动作进行控制, 大大提高了设备的操作安全系数。位置检测装置由接近开关和直线位移传感器构成, 位置检测装置可与外部电气控制系统连接, 对滑块位置测量做冗余控制, 保证了设备安全。光电保护器设在上横梁底部两侧, 是在滑块合模前的位置检测, 能再次对位置检测装置的测量结果进行验证, 确保设备安全。

2 数字式大范围超高精度线圈整形机研制中的创新点

(1) 首创了提升式液压机 (本公司专利:ZL200910117075.7) , 上横梁采用蜗轮蜗杆传动提升上横梁。

(2) 冗余式多通道在线检测与控制系统。通过多组位置信号、光电信号、力信号和压强信号等对设备动作进行控制。大大提高了设备的操作安全系数。

(3) 开发了数字式大范围超高精度液压机压力控制系统, 主机压力通过力传感器检测, 消除了液压、机械摩擦力等影响, 能满足多种模具不同重量的控制要求, 使油压线圈整形机的柔性化得到进一步提升。

3 数字式大范围超高精度线圈整形机研制的意义和推广

数字式大范围超高精度线圈整形机是我公司技术人员同南车株洲电机有限公司技术人员经过缜密剖析, 运用现代液压传动技术和数字控制技术, 采用液压驱动方式, 应用压力闭环反馈控制技术、在线监测技术等多种先进技术, 综合运用机械、液压、电气和光栅检测等多学科知识, 设计开发的特种线圈精密整形液压机。具有压力精密多级调整、精密保压、操作自动化等特点, 劳动力成本降低50%, 压机的精度误差小于±1%, 有效提高了高速列车牵引机车变压器线圈的精密整形质量。

通过高速列车牵引机特种线圈整形机的推广应用, 大大促进我国在高速列车牵引变压器的制造水平。目前该产品应用于新型轨道交通牵引变压器“HXD1牵引变压器”、“HXD1B牵引变压器”、“HXD1C牵引变压器”的生产。通过与某世界知名公司压机产品比较, 南车株洲电力机车有限公司使用人员反馈该机具有精度高、操作方便、压制精度高、无漏油、无爬行等突出优点, 受到用户高度评价, 认为达到了世界顶级水平。

通过该项目的实施, 大大提高了国内高速列车牵引机特种线圈整形液压机产品性能水平, 满足国内外车辆制造企业需求。同时以数字式大范围超高精度线圈整形机为基础申报国家专利4项, 实用新型专利8项, 软件著作权2项, 形成了具有全套自主知识产权的高科技产品。目前国内能生产该类型数字式大范围超高精度线圈整形机的企业仅有本公司一家。

摘要：本文主要介绍数字式大范围超高精度线圈整形机的特点和应用情况。研发冗余式多通道在线检测与控制系统和数字式大范围超高精度液压机压力控制系统并集成提升式液压机等一系列核心技术研制出具有数字式大范围超高精度线圈整形机。介绍了该设备在高速列车变压器线圈整形工艺中的应用。

关键词：机械制造,整形机,数字式大范围,提升式液压机

参考文献

[1]合肥海德数控液压设备有限公司.提升式液压机.中国, 实用新型专利, ZL200910117075.7.2009-06-15.

[2]合肥海德数控液压设备有限公司.数字式大范围超高精度线圈整形机.中国, 发明专利, 201310034522.2013-01-29.

[3]西门子公司.S7-300可编程序控制器产品目录.2008.

[4]全国机械安全标准化技术委员会.GB/T5226.1-2008机械安全机械电气设备第1部分:通用技术条件[S].北京:中国标准出版社, 2008.

人员大范围流动安全教育对策 篇2

1 安全教育面临复杂性

1) 年龄结构复杂, 项目组成员年龄范围从二十岁到四十岁, 年龄跨度较大, 人员在教育培训接受能力与培训意愿方面均有差别。

2) 知识层次复杂, 项目组成员学历从小学到研究生, 不同的知识层次对知识、教育的接受能力不同, 执行力不同。

3) 工作经历差别大, 有从事过高线生产人员, 有从事过高线生产相关企业工作、有从事专业相关工作、没有工作经历。

4) 人员数量多, 累计需要培训员工651人, 入厂时间主要集中在10月份、11月份、2月份, 单月最多培训269人, 人员数量多造成培训纪律、培训效果控制困难。

5) 培训周期短, 员工分批次入厂培训, 单工种培训周期约为3个月, 这就要求在短时间内达成培训目的。

6) 人员流动性大, 因员工工作经历、工作意愿及项目建设需要的影响, 员工岗位、工种变动频繁, 部分员工需要培训3-5个岗位。

7) 场所限制, 目前棒线厂有5条生产线, 其中4条高线、1条棒材, 因项目组人员为高线项目人员, 项目组651人需要安排到4条高线, 平均每条线162人, 每班每条线40人。

8) 教育培训人员限制, 班组级安全教育涉及到岗位, 依照人员配置, 平均每一位岗位工人需要培训一名项目组成员, 而目前棒线厂2010年以前入厂人员497人、2011年以前入厂人员549人、2012年9月份以前入厂人员611人, 依照惯例工种新人出师周期约为1年, 教育培训师傅约为549人, 需要培训约651人, 平均每个师傅需要培训1.18个项目组人员。

2 安全教育对策

针对存在的人员大范围流动格局, 结合安全教育面临复杂性, 如何有效开展、达成培训目的成为一个课题。

2.1 安全教育培训内容

结合国家法律法规规定及教育培训人群特点, 棒线厂营钢高线项目组成员培训分为三级教育培训:厂级安全教育、车间级安全教育、班组级安全教育。厂级安全教育内容主要有以下内容:生产性质和主要工艺流程;预防工伤事故和职业病的主要措施;危险部位及其注意事项;安全生产的一般情况及其注意事故;典型事故案例;新员工的安全生产职责和遵章守纪的重要性;发生事故以后的紧急救护和自救常识;有关劳动纪律、工作行为方面的规章制度及要求。车间级安全教育主要有如下内容:本车间的生产性质和主要工艺流程;本车间预防工伤事故和职业病的主要措施以及消防安全知识;本车间的事故多发、危险部位及注意事项;本车间安全生产的一般情况及注意事项;本车间的典型事故案例。班组级安全教育的主要内容:工段或班组的工作性质、工艺流程、安全生产的概况和安全生产职责范围;新工人将要从事的生产性质、安全生产责任制、安全操作规程以及其它有关安全知识和各种安全防护、保险装置的作用;工作地点的安全生产和文明生产的具体要求;容易发生工伤事故的工作地点、操作步骤和典型事故案例介绍。教育培训内容涉及到正常生产、异常状况、紧急状况的内容, 确保生产过程需求内容全面覆盖。

2.2 教育培训形式

教育培训形式有三种:理论教育、现场实际操作、应急培训。理论教育主要集中在厂级、车间级、班组级教育的第一步和确认释疑阶段, 通过讲解, 使员工初步了解、进一步掌握工作涉及机器设备、作业方式、环境信息、危险源及其预防控制信息、作业要求、常见事故及预防等方面内容。现场实际操作是理论教育的落实, 是使员工行为通过操作、发现问题、纠正提升的一个过程, 通过现场操作逐步发现存在问题并整改、促进安全意识的提升, 使员工行为符合安全生产需要。现场实际操作是一个过程, 是员工行为从学习到监护操作到独立操作的过程。应急培训是员工安全素质的重要组成部分, 员工是否符合生产需要很大程度上表现在应急情况表现方面。为提升员工应急素质, 棒线厂从12月份开始分步骤进行各类应急演练, 初期主要开展预案学习、桌面演练, 后期开展功能演练、全面演练, 应急培训内容涉及飞钢、触电、煤气泄漏、煤气中毒、火灾等生产现场可能出现的应急状况。

教育培训安排。教育培训采用三级安全教育形式, 厂级安全教育、车间级安全教育采用集中式培训, 班组级安全教育采用集中式培训与分散式师傅帮带相结合的培训。厂级安全教育利用两天的时间进行培训, 分别讲解工厂现状及安全生产基本要求、生产现场及现场讲解、讲解生产现场状况及生产工作过程中注意事项, 考察员工对危险源及应对措施认知、安全生产要求等方面的认知。车间级安全教育利用三天时间进行培训, 分别为讲解车间安全生产要求及现场注意事项、参观现场、理论及现场要求进行讲解释疑。班组级教育培训中集中培训部分由班组长负责讲解班组职责范围、危险因素、安全操作规范, 主要是理论性培训, 集中培训完成后开展分散式师傅帮带培训, 分散式师傅帮带培训由师傅负责对学员进行实际操作培训。

2.3 教育培训责任制

按照“谁主管谁负责”的原则, 明确规定了“厂级、车间级、班组级”三级安全教育的责任部门和责任人。即:厂级教育由安环科具体负责, 车间级教育由主管领导组织实施, 班组级教育实行“班组长负责制”, 签订师徒协议, 采用师带徒的培训方式, 固定培训师傅, 严格落实部门、人员责任制。制定实施《营钢高线项目培训考核办法》, 将项目组成员顶岗率作为科室科长、车间主任、安环主任助理、班组长、师傅等相关人员考核指标, 促使相关人员积极、主动开展教育培训工作。

2.4 教育培训抽查效果检验

明确培训效果的复查方式, 新员工经三级安全教育培训合格上岗一个月后, 分厂通过调阅档案、考核试卷、查看学习笔记、现场实际操作考核等形式, 跟踪检查“车间级级、班组级”安全教育开展落实情况及教育培训效果, 以“良好、合格、再培”三个等级进行复查新员工对培训内容的掌握情况, 以检验培训效果。对培训效果进行评估, 对培训效果差、员工培训内容掌握情况不好、员工实际操作不熟练的情况, 有针对性的进行人员重新培训、本级教育重新开展、三级教育重新开展、延长培训期限等方式, 确保教育培训开展有效、人员素质达标。

3 安全教育成果

数字式大范围 篇3

2011年6月25日08:00(北京时间,下同),1105号强热带风暴“米雷”在东海领域,位于福建省的东面,最近距离约290 km,午后到夜间,“米雷”继续北上远离福建省时,福建省出现大范围的强对流天气过程,自西向东出现强雷暴,并伴有8~10级的雷雨大风和局部短时强降水。位于台风西侧的第Ⅲ或Ⅳ象限,且距离较远的情况下,福建省出现强对流天气过程是比较少见的。笔者对此次过程的天气系统、物理条件进行综合分析,试图找出其发生发展的原因,以便提高此类强对流天气的潜势预报和预警的能力。

1 实况分析

1.1 地面观测资料分析

根据地面观测资料的分析,2011年6月25日福建省发生一次强雷暴天气过程。此次过程局地伴有8~10级的雷雨大风、短时强降水等现象,统计25日08:00至26日08:00累积雨量,全省29个县市的75个乡镇雨量≥25 mm,其中仙游、惠安、泉州和平潭的5个乡镇≥50 mm,以仙游新周81.2 mm为最大(图1)。可见此次过程降水不大,并非大范围的强降水过程,以局地短时强降水为主。按短时强降水的定义:1 h降水量≥30 mm或3 h降水量≥50 mm,逐1 h统计19个自动站达标准,逐3 h统计4个自动站达标准。同时可看出,短时强降水主要发生在13:00—19:00,分布在福州—莆田—泉州一线的闽中沿海。

1.2 闪电定位监测资料分析

雷电资料分析得出(表1):25日11:00—21:00福建境内共发生了9 960个闪电回击,龙岩、福州、莆田、泉州闪电密度最大。闪电最高峰出现在15:00—17:00,共监测到全省1 h大约发生了2 360次闪电回击。从时间演变上,12:00—15:00主要出现在闽西地区;15:00闽中、南沿海开始出现高密度的闪电活动,闽西的闪电活动迅速减弱。可见,从中午前后开始,自内陆向沿海发展,出现高密度的闪电活动。

2 环流背景

2.1 高空形势

2011年6月23—24日,南海上有2个热带气旋,北面西风槽东移,两者共同影响,副高分裂成两环,东环副高脊线在25°N附近,两高之间的低值区在110°E附近。此时热带气旋“米雷”处于副高西南侧,移动较为缓慢(图2左),浙、赣、闽处于东环带状副高控制,福建大部分地区天气晴热。25日08:00,西风槽北支东移入海,南支移至山东—安徽一线,东环副高东撤至海上,“米雷”转为受其西侧的强盛偏南气流引导作用,在台湾岛东北洋面较快移动,路径转为偏北方向移动为主,此时江南和华南大部高度下降了20~60 gpm(图2右),福建上空由东北风转为西北风。其结果,使福建上空下沉运动减弱。

低空850 h Pa上形势,6月25日由之前高压环流转为受“米雷”外围的偏北气流控制。沿海高度场最大负变高区在闽浙附近,浙江省洪家与福建省福州的负变高最大。850 h Pa厦门站风变化,24日20:00北风(N)4 m/s→25日8:00西北风(NW)8 m/s→25日20:00西风(W)12 m/s,在25日20:00福建东南沿海至广东形成一切变线。

次数

高空三层受西北气流控制,加上福建沿海一带西高东低的地形条件,强西北气流沿山南下,加大了近地面层的增温,使得沿海一带出现焚风效应(表2有所体现)。

此次大范围强雷暴天气是“米雷”外围环流的偏北气流下发展的,副高减弱东退至海上,高空槽东移,下沉运动减弱,是强对流发展的大尺度背景条件。副热带高压控制及台风外围下沉造成的地面持续高温为强对流积蓄了充足的不稳定能量。850 h Pa切变线触发不稳定能量的释放。

2.2 地面及云图反映

地面图上,6月24日,与“海马”和“米雷”有关的低压槽从南海伸至台湾以东洋面,福建处于均压场之中,25日08:00,“米雷”进入东海,低压槽向北向西伸展控制福建浙江一带。

在红外卫星云图上,6月24日福建、浙江为晴空区,“米雷”环流开始略有螺旋形态生成并伴随有旺盛的云带衍生发展,其外围云系逐渐靠近台湾,同时在江苏—安徽—湖北—湖南有高空槽云系东移北缩。25日上午高空槽云系北段减弱北缩,南段在江西、湖南一带维持,“米雷”西侧的外围云系主要影响台湾及海峡;13:00左右,位于江西上空的云系东移过程中,范围不断扩大,形成一条东北西南向的云带,且块状结构明显,亮度增加,说明云带加强成熟。福建地区从13:00前后开始自西向东出现强雷暴天气,15:00后发展至沿海一带,并局地伴有8~10级的雷雨大风、短时强降水。

3 对流发展的物理条件分析

3.1 水汽条件

500 h Pa温度露点差在6月25日08:00(图3左)邵武站率先迅速减小(由11℃减至1℃),20:00邵武增加剧烈(由1℃增至44℃)。随后26日08:00福州、龙岩温度露点差剧烈增加至44℃,厦门增加至10℃,汕头依旧维持较小。由此可见湿区是一东移南压的过程,从25日白天开始自闽西北开始湿度增加,20:00湿区压至福建沿海一线,26日压至广东。同时可以看出干区尾随湿区之后,梯度非常大,25日20:00(图3右)在闽西北形成一明显的干线(或露点锋),26日08:00干线移至闽南粤北。在25日15:00—20:00时前后福建沿海一线的出现明显的强雷暴、8~10级的雷雨大风,并伴有短时强降水。与实况对比,可见强对流天气主要出现在露点锋以南的高湿区内。

在25日08:00、20:00,福建各探空站(邵武、龙岩、福州、厦门)低层(700、850、925 h Pa)的温度露点差值均在6℃以下,说明各站上空低层的水汽较为充沛。

3.2 稳定度

3.2.1 地面连日出现高温使低层大气内能不断积蓄

6月23—24日受高压环流控制,25日转为“米雷“外围的偏北气流控制,福建地区自23日起气温明显上升,逐日最高气温普遍呈上升的趋势(表2),23—25日出现连日高温,24日厦门同安最高气温达39.7℃。即使25日午后出现了强对流,此前气温依然相当高,泉州安溪最高气温还逼近39℃。连续高温的结果,使低层大气内能不断积蓄。

3.2.2 连日低层升温和中层降温使层结稳定度减小

连日的高温使低层大气增温。厦门、福州探空资料显示,6月25日08:00 850 h Pa温度分别比24日08:00上升了1℃和2℃。而在700 h Pa恰恰相反,邵武、龙岩、福州、厦门温度分别比24日08:00下降了3、2、3、1℃,出现了中层降温的现象。探空资料还显示,25日08:00邵武、龙岩、福州、厦门0℃层位势高度24 h下降了200~400gpm,表明中层出现降温。可以想见,低层升温和中层降温的结果,将使层结稳定度减小。

3.2.3 稳定度指数

表3中衢州、邵武、福州、厦门、汕头5个站自西北向东南排列,从稳定度指数看出闽处于不稳定区,且稳定区是逐渐东移南压的。6月25日08:00衢州站的CAPE由1 357.6 J/kg减至434.1 J/kg,K由39℃降至29℃,SI由-2.3℃升至0.2℃,由不稳定转为稳定状态,20:00邵武亦有类似的变化,转为稳定状态。26日08:00,闽是一个稳定区,汕头附近是相对不稳定区。K指数25日08:00衢州、汕头均为29℃,闽>36℃为高不稳定能量区,20:00厦门站上空高达42℃。

℃

由上面的物理量分析可看出从6月24日开始闽地区的层结存在大的对流不稳定,尤其是25日所表现的不稳定性更明显,十分有利于雷暴等强烈天气的发生。

25日08:00,邵武、龙岩在925 h Pa附近有一个逆温层,逆温层厚度在20 h Pa左右,逆温2℃左右。20:00厦门在925 h Pa附近及以下有一个逆温层,逆温层厚度60 h Pa左右,逆温4℃左右。低空逆温层的存在,能使风暴发展的高静力能量得以累积。

3.3 能量场特征

总能量的垂直廓线,6月25日08:00(图4左)能量平衡高度很高,Pc约250 h Pa左右,强对流经验划分为Pc≤300 h Pa,Pc越高,对流强度越大,强雷暴的发生也映证了这点;干空气总温度TD和总温度Tt廓线在600 h Pa以上间隔小,表明整层空气湿度条件并不很好,但700 h Pa以下间距大,说明低层空气比较潮湿,可供对流发生发展;总温度Tt和饱和总温度Ts两者廓线比较接近,表明饱和能差比较小,对流不稳定能量较大。综上的能量条件分析,说明25日08:00当天闽南地区上空积聚了相当大的不稳定能量,唯独高空水汽条件欠佳,此次过程以大范围强雷暴为主,仅局地出现强降水,这可能就是制约强降水未能大范围发展的重要原因。

25日20:00(图4右)在相当深厚的层次内能量分布均匀,Tt和Ts垂直变化较为一致,饱和差也小,属于中性层结,这种情况往往表示空气绝热上升运动剧烈,对流天气正在发生。而此时厦门正在下雨,有雷暴活动,20:00—21:00同安西柯1 h雨量26.0 mm。

3.4 对流天气的触发机制

在水汽及稳定度条件满足的情况下,有时只要有低层的辐合就能触发不稳定能量的释放,造成对流性天气。除了系统性辐合运动以外,低空流场中风向或风速的辐合线、负变高或负变压中心区都可产生抬升作用。

福建上空的散度场分析,6月25日08:00 700 h Pa及其以上为辐散,850 h Pa为辐合,辐合中心位于江西,925 h Pa为辐合很弱,25日20:00 500 h Pa及其以上仍为辐散,700 h Pa转为辐合,低层维持辐合且强度略有加强,尤其是925 h Pa,有利于上升运动发生发展。

3.5 雷达回波分析

分析多普勒天气雷达回波图发现,从6月25日12:00左右开始,在南平、三明、龙岩局地不断有絮状强回波生成,在西北气流的引导下,向东南沿海移动,过程中不断生消,15:00前后移至东部沿海地区。此间强回波呈零散的絮状,短时有出现小区域的弱回波区或回波顶高可达14 km,内陆地区出现强雷暴,但由于移速较快,并没有出现强降水。

分析在中南部沿海出现强降水的原因发现,之前零散的絮状回波,移至沿海地区时,汇合成一线状(图5),同时在莆田仙游、泉州洛江区、泉港区、惠安一带的上空回波顶高达14~17 km,且持续了近60 min(16:24—17:24);实况为16:00—18:00仙游、泉州、惠安出现短时强降水,其中16:00—17:00仙游新周1 h雨量达48.0 mm。

17:08—17:26、17:38—18:31在福清出现一弱回波区,移过平潭,约18:30之后范围明显减弱移至海上。可见(图6)处于弱回波区北部是存在辐合流场的,这也是17:00—19:00福清、平潭出现短时强降水(其中18:00—19:00平潭东澳1 h雨量达45.6 mm)的重要原因。

通过分析径向速度发现,在18:00之前为西北气流,18:00左右开始转为偏西气流,19:00已转为西南气流,气流方向的转换也是造成沿海地区出现短时强降水的重要原因之一。18:00开始转为偏西气流,使絮状回波转向东移,有所合并在沿海一线,转为西南气流后使原已移出境外的回波又再次返回境内,这样的强回波影响时间加长,激发更多的降水出现。

厦门地区的强降水出现在15:00—16:00同安西坑42.5 mm、小坪31.8 mm,20:00—21:00时同安西柯26.0 mm。第一时段是龙岩方向在西北气流下移过来的回波影响,第二时段是漳州方向在西南气流下移过来的回波影响。同时对逐时自动站风场资料分析发现,16:00厦门同安由西南风(SW)转为西北风(NW),风速由4.0 m/s加大至7.7m/s,17:00风速减弱至2.0 m/s,18:00转回西南风(SW)1.0 m/s。之后漳州长泰、南靖也出现相应的风向转变现象,但风速没有变化,维持较小,从而16:00在厦门站与同安站之间形成了一东北西南向的小尺度的切变线,17:00切变线延伸至漳州中部,18:00厦门地区的切变线减弱消失了,而漳州段仍维持,19:00消失不见。可是这与两降水时段时间并未吻合,还是对第二时段的降水有预示作用,还有待研究。

4 结论

(1)此次大范围强雷暴天气是在“米雷”外围环流的偏北气流下发展的,副高减弱东退至海上,高空槽东移,下沉运动减弱,是强对流发展的大尺度背景条件。

(2)副热带高压控制及台风外围下沉造成的地面持续高温为强对流积蓄了充足的不稳定能量,6月25日08:00中空的降温加剧了层结不稳定。

(3)地形作用产生的沿海焚风效应,6月25日20:00中层转为辐合,低层辐合加强,850 h Pa切变线为激发沿海短时强降水提供了有利条件。雷达回波在沿海一线加强,弱回波区、回波顶高、气流方向转换等是造成沿海短时强降水的重要原因。

摘要：利用常规观测、闪电定位、多普勒雷达、气象卫星以及自动气象站等监测数据对2011年6月25日发生在福建的一次强对流天气过程的影响系统、物理量条件进行了综合分析。结果表明,此次大范围强雷暴天气是在“米雷”外围环流的偏北气流下发展的,副高减弱东退至海上,高空槽东移,下沉运动减弱,是强对流发展的大尺度背景条件。地面持续高温为强对流积蓄了充足的不稳定能量,中空的降温加剧了层结不稳定。高层辐散、低层辐合为对流的发展提供了有利的上升运动。低层水汽充足以及高能量,这就满足了雷暴天气发生的三条件。地形作用产生的沿海焚风效应,低层切变线为激发沿海短时强降水提供了有利条件。雷达回波在沿海一线加强,弱回波区、回波顶高、气流方向转换等是造成沿海短时强降水的重要原因。

频率大范围变换下的电能计量 篇4

关键词：自适应有限脉冲响应滤波器,视在功率,有功功率,基波,Prony算法,最小加权二乘法

0 引言

近年来出现了各种有效电能计量方法,但这些方法大部分只适用于电能信号处于平稳情况下的测量。对于非稳定状况下的电能计量,如频率不断变换时,由于电能系统产生的总电能与消耗的电能之间的不平稳关系,使得这些测量方法会产生很大的误差[1]。

对于同步采样的电力系统标准周期信号,研究者可通过传统快速傅里叶变换(FFT)算法无误差地计算出其基频幅值、相位等参量,但因电网频率的波动,采样频率难以等于信号频率的整数倍,从而产生非同步采样现象,FFT算法的栅栏效应和频谱泄漏将导致较大的测量误差,减小非同步采样误差的方法有两大类:加窗、插值以及同步采样技术。通过加窗和插值算法对计算结果进行修正时,一般要求采样窗口的宽度不得低于8个基波周期,才能在频率波动范围较大的情况下仍然获得较为理想的谐波分析结果。由此可知,通过加窗、插值等方法进行改进,可提高一定的精度,但计算量加大,不利于实现[2,3,4,5]。小波变换通过把信号分解到不同尺度上求正弦情况下谐波的分量,但受分解尺度影响不能准确反映被测信号的各种参数[6,7]。Kalman滤波求谐波参数有很好的实时跟踪性,然而,只有在信号和噪声的统一特性先验已知的情况下,这种滤波技术才能获得最优滤波[8,9]。Gauss-Newton法不受频率变化的影响,但对初始值敏感,初始值设置不当将造成迭代不收敛[10]。

为了解决上述问题,本研究提出一种新的电能计量算法,可同时计算信号的频率、有功功率以及视在功率。为了提高基波有功功率和视在功率测量的精度,本研究引入自适应最小加权二乘法(WLS),并通过仿真分析和FFT算法的比对,以验证本研究算法的有效性。

1 基波有功功率测量

算法方框图如图1所示,有功功率、视在功率和基波频率测量分为3个部分:第1部分将经过基波滤波器滤波后得到的瞬时电压信号和瞬时电流信号进行相乘得到瞬时有功功率p1(k);第2部分将瞬时有功功率p1(k)经过直流滤波器滤波以后,得到有功功率;第1部分的瞬时有功功率去掉第2部分的有功功率以后,剩下的一部分经过Prony算法和最小加权二乘法(WLS)的计算,获得基波频率f1(k)和基波视在功率。k时刻的基波频率要用于k+1的CIC滤波器的设计和功率的测量。

由文献[11]提出,有功功率和视在功率定义如下:

其中:

式中:Uk,Ik—k次谐波电压和电流的有效值。

假设输入信号经过基波滤波器滤波后噪声为零,瞬时电压和电流信号模型为:

式中:ω(k)—基波的角频率。

本研究将式(3)和式(4)相乘,得到基波瞬时有功功率:

其中:

由式(5)可知,瞬时有功功率可以看作两部分组成:第1部分是直流部分即基波有功功率P1;第2部分可看成频率为2w的基波分量。因此,可以用低通滤波器滤出P1。对于频率处在不断变换情况下,低通滤波器的设计必须满足条件:

文献[12,13,14]提出了一种自适应CIC滤波器(级联积分-梳状滤波器),用z变换函数表示如下:

其中:目的是滤除频率为的信号。

且:

上式的功能是滤除i次谐波并且对于直流分量的增益为1,M为级联子节的数目,其值取的最大整数部分。

2 频率的测量

通过上述分析可知,本研究可以从瞬时有功功率中将基波有功功率滤出,将P1从式(5)中去除后,剩余部分为:

为了测量瞬时频率,文献[15]提出了基于Prony的测量方法。

公式(9)用一对复指数表示如下:

其中:

根据文献[15]的介绍,可以获得的角频率为:

3 基波视在功率的测量

由式(13)获得瞬时频率以后,本研究将瞬时频率代入式(11)可获得z1(k)和z1*(k),因此,式(10)可以简化为未知参数b的线性等式:

式(14)是(k+1)´2维Vandermonde矩阵,Vandermonde矩阵为满秩矩阵,因此式(14)可用具有自适应遗忘因子的最小加权二乘法(WLS)改进。具有自适应遗忘因子的WLS是在最小二乘法的基础上进行改进的方法,通过用不断变化的遗忘因子代替原先固定不变的值,使算法的收敛性变快,而且准确度也更高[16,17],具体实现步骤如下。

根据式(14),k时刻的瞬时参数b可用下式表示:

即:

式(15)可用下式表示:

其中:

本研究运用文献[12]所提供的具有自适应遗忘因子的WLS算法,可以获得视在功率S1(k)为:

可以看出,上述方法结构简单,易于在DSP上实现。

4 仿真分析

为了验证本研究算法的有效性,笔者完成了大量的数字信号实验。以下将对算法进行仿真,测试非稳定状态下对于频率、有功功率及视在功率的测量,为了突出本研究算法的有效性,将与FFT算法进行比较分析。

设有非正弦工况下电压、电流信号为:

其中:ω=2πf,另加信噪比为30 dB的高斯白噪声。本研究对以上信号以采样频率为1 024 Hz采样,一次采样6个工频周期(1.2 s),共采样1 228个点,考察系统频率在3种情况下的理论计量结果。

模型1(缓变频率):

模型2(突变频率):

f={5049.8HzHzt<0.00.055

模型3(线性变化频率):

f={ff==5050+HtzHzt 0<0..0505

在信号频率为突变信号的情况下,频率和电能计量的情况如图2所示。当频率在0.05 s的时刻突然由50 Hz调到49.8 Hz,本研究提出的算法虽然在突变部分有一个过渡的过程,但仍然能有效地跟踪信号的变化,有功功率和视在功率的误差率也不明显。当信号频率为一个正弦波的缓变频率时的频率、功率计量情况如图3所示,由图3可知,测量的频率和实际频率曲线基本重合,有功功率和视在功率的误差呈现出一个曲线波形,但最大误差率不超过0.3%。当信号频率线性变化时的频率、功率计量情况情况如图4所示,由图4可知,该算法对频率的跟踪性很好,有功功率的误差在0.003 6%之内波动,视在功率的误差与频率一样呈现线性变化,但在一个周期内最大误差率不超过0.06%。

3种模型下使用本研究算法和FFT算法的误差率的比较如表1～3所示。比较结果显示,在一个数据取样周期内,本研究算法的误差率要远远小于FFT算法。

5 结束语

数字式大范围 篇5

向统一化、互联化方向发展的现代电网给继电保护工作人员带来了整定计算的工作量越来越大、复杂度也越来越高的问题[1]。因此,开展大电网分区整定的研究,有效整合先前独立电网的计算机资源,使得各大区电网既能够独立完成整定工作,又能考虑互联后各大电网间的相互影响,能够帮助提高整定计算的工作效率与计算的正确性。

整定计算中,电网相间短路电流速断保护、线路零序电流保护的保护范围的确定一直是整定计算工作人员比较关心的问题之一。现有算法一般采用图解法,或者通过黄金分割法、折半法等逐点逼近的迭代循环计算方法得到保护范围,需要进行大量繁琐的重复计算[2,3]。文献[4]基于分解协调法和补偿法,将大规模电力系统分解成若干子系统,并计及子系统间的相互影响,能够快速完成故障量的计算,但是该方法仅停留在故障量的计算方面。文献[5]提出电网电流保护范围计算新方法,由于未考虑系统运行方式变化而导致的网络拓扑结构的变化以及互联系统间的相互作用的影响,同样满足不了大电网继电保护分区整定计算的要求。

本文在建立大规模电力系统分区整定计算通用计算模型的基础上,采用叠加的原理,首先导出发生短路故障后子系统内节点的电压的表达式。通过运用戴维南等效求解出表达式中的未知量。并根据故障后的节点电压推导出短路电流与发生短路故障点的关系式。最后通过解方程,得出电流保护的范围。避免了现有方法计算量冗余繁杂的缺陷。

1 电网分区模型与短路等值

1.1 电网分区计算模型的建立

根据各个地区电网的特点的不同,在进行电网分区时所选择的条件也不尽相同。但无论如何分区,首先应该考虑的是分区后各个子系统之间协调性与计算速度的问题。在广域电力系统中,可以选择联络线为边界将电力系统分解成P个没有电磁联系的子系统群。考虑系统间联络线的影响,并采用补偿法来模拟子系统内部的网络操作。由于正负序网络与零序网络求解思路完全一致,以下仅以三相短路为例进行说明。设子系统k短路故障点注入电流为Idk(k=1,2,…,p),建立起如图1所示分区整定子系统通用计算模型。图1中,Zck(k=1,2,…,p)为模拟子系统k网络操作所需要的支路阻抗矩阵;Uck、Ick(k=1,2,…,p)为子系统k模拟操作端口的电压与电流列向量;Zk(k=1,2,…,p)为第k个子系统内部的节点阻抗矩阵;Ib1,Ib2,…,Ibp为外部系统与k系统间的联络线的电流列向量。

1.2 短路等值模型

图2(a)是系统k内部线路i-j上任意点f发生短路故障的等值支路。设故障点f离节点i的距离占线路总长度的比例为α(0≤α≤1)根据文献[6]的结论,如图2(b)所示,任意故障线路故障口电流可以恒等变形为分别向线路端点注入相应的故障电流[7]。根据图2(b),k系统短路注入电流为:

2 故障附加状态的节点电压

由图1可知,任何子系统相对于外部系统来说都是相互独立的结构,因此各子系统之间整定计算所需的故障电气量可以进行并行计算,且计算方法相同。

当仅在k系统短路故障点f处注入单位电流时,根据叠加原理,计及系统的网络操作,且与其他子系统的联络线有电流作用,则第k个系统内任意节点m的电压为:

式中:Zmk为k系统节点阻抗矩阵中的第m行元素;Idk为短路点单位注入电流列相量;Ack为子系统内的节点与模拟网络操作所需支路的关联矩阵;Ick为k系统网络操作端口的电流列相量;Abk为子系统k内的节点与所有联络线支路的关联矩阵;Ibk为联络线上电流列相量。

对于式(1)来说,仅有网络操作的补偿电流与联络线电流为未知量。图3为以网络端口为边界用戴维南等效定理将系统简化后得到的求未知量的等值电路。对于联络线端口求解方法相同,最后考虑网络端口与联络线端口之间的相互作用,叠加得到式(2a),(2b)。

式(2a),(2b)中,Uck、Ubk分别为k系统网络操作端口与联络线端口的电压矩阵;Ukc[0],Ukb[0]分别为网络操作端口与联络线端口的开路电压矩阵;Ick,Ibk分别为注入k系统的补偿电流和联络线电流矩阵;Zckc,Zbkb为网络操作端口和联络线端口自阻抗矩阵;Zckb,Zbkc为两种端口间的互阻抗矩阵;Zck,Zbk分别为模拟网络操作所需支路和联络线支路的阻抗矩阵。

根据开路电压的物理意义,Ukc[0],Ukb[0]可由各子系统节点矩阵中相应元素求得;Zck,Zck可根据网络操作与电网分解操作形成。Zckc,Zckb,Zbkc,Zkbb可根据入端阻抗的物理意义,由各个系统节点阻抗矩阵中相应元素求得[8,9]。

联立式(2a),(2b)求出Ick,Ibk后,k系统内任意节点电压便可根据式(1)求出。

3 电流保护范围的计算

3.1 相间短路电流保护范围的计算

根据图2所示短路等值示意图,对于无互感线路I-j在f点发生短路故障,可以得到如下结论[6]:

式中:zkij为I-j支路阻抗;Uik,Ujk分别为线路两端的电压;Ufk为故障点电压。

当k系统处于无源状态且在短路点f注入单位电流源时,短路点f的电压值即等于短路故障点的入端阻抗,即:

且式(5)可进一步简化,得到短路点注入单位电流作用下,流过故障线路i-f的电流为:

由式(6)、式(8),推出线路i-j上任意点fs处发生三相短路故障时,短路电流为:

由式(9),(10)可得短路电流方程:

由式(1),可得单位电流作用下节点i,j的节点电压:

式(12)、(13)中右边最后一项均为已知量,因此可分别用m,n表示;Zkii,Zkij,Zkjj为k系统节点阻抗矩阵元素;Zik为节点阻抗矩阵中的第i行元素。

将式(12)、(13)代入式(7)可得:

设节点i处电流速断保护定值的标幺值为Idz,令Ikif=Idz,Ukij=Ikif zkij,则式(11)变成:

将式(14),(15)代入式(16),整理得:

式(17)为一个以α为变量的一元二次方程,可记为:

解方程(18),求出相应的α,即可得到k系统线路三相短路时,电流速断保护的范围。

当发生两相短路故障时,只需根据两相短路故障电流与三相短路故障电流之间的关系,进行必要的电流替换,便可根据式(18)计算出相应的两相短路时的保护范围。

3.2 零序电流保护范围的计算

以上仅推导出了相间短路时的电流保护的范围。当线路上发生单相接地短路和两相接地短路,需要求出相应的零序电流保护范围时,只需要修改式(10)即可。

当发生单相接地短路时,式(10)应改为:

同时式(9)的下标应相应改为零序。将式(19)代入修改后的零序短路电流方程。通过解二元一次方程,即可得到单相短路时零序电流保护范围。

同理发生两相接地短路时,式(10)应改为:

以上对于电流保护范围的计算都是建立在故障线路无互感的基础上。实际上,对于有互感线路发生短路故障,由于正序、负序网络无互感,互感线路与无互感线路的区别仅在零序网络[10]。不难推导,上述式子对互感线路的仍然成立。原因在于,互感线路对保护范围的影响已经反映在系统的节点阻抗矩阵中。

4 算例

在图4所示算例系统中,所有参数均为标幺值。分子为正、负序电抗,分母为零序电抗。系统网络操作为3,4节点之间双回线的Ⅰ号线切除。

全网的节点阻抗矩阵为Z,节点阻抗元素编号与网络图中各母线的编号相同。

选择节点2与节点3,5之间的线路作为联络线从而将系统分解成2个子系统。左边的系统为系统1,右边的系统为系统2。系统1,2的节点阻抗矩阵分别为Z1,Z2。阻抗元素的编号按照原网中节点顺序排列。

模拟Ⅰ号线切除所需等值支路关联矩阵的转置矩阵AcT为:AcT=(1-1 0)

系统1与系统2联络线支路的关联矩阵的转置矩阵

在此基础上求得模拟网络操作所需的补偿电流与联络线上的电流。不难看出,系统1以及Ⅰ号线的切除对节点3、4、5电压的影响主要通过式(12)中右边的最后一项反映出来。分别用m1,m2,m3表示。计算所得结果分别为:0.486,0.013,0.362。

R1,R2保护的定值为系统大方式运行下电流速断保护的定值,相应的计算结果见表1。

5 结语

本文基于大电网分解理论,将大电网分解成若干个可以独立进行继电保护整定计算的子系统。建立分区整定的计算模型,并根据模型的特点,阐述了通过解方程得出求解电流保护范围的方法。本文的计算方法既考虑了电力系统运行方式改变的因素,又计及了各个子系统间的相互影响,在保证计算结果精确度的基础上缩小了计算规模,简化了各个系统间的整定计算的配合工作,提高了计算速度与效率。

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数字式大范围 篇6

12月15日,我国南方江西、浙江、湖南、四川、上海、安徽、湖北、重庆、福建等雨雪冰冻灾害宜发区域迎来大范围雨雪天气,部分地区出现暴雪。国家电网公司高度重视,迅速启动应对雨雪冰冻灾害预案,提前向所属相关省市电网企业发出黄色预警通知,立即启动应急系统,加强电网调度和运行监视,落实灾害预防、预警措施,加强输电线路和低压配网线路巡视检查,密切监视线路覆冰情况,组织抢修人员到岗到位,备足应急物资和车辆,做好抢修和应急供电准备,全面进入应急预警状态。同时,充分利用科技手段,启动直流融冰及输变电设备监控系统,通过提高导线温度消除覆冰,并做好机械除冰和人工除冰准备,全力确保电力可靠供应。

截至16日12时,国家电网公司经营区域内电网主网运行正常,未发生跳闸情况。受低温雨雪影响,江西、湖南少数输电线路出现轻微覆冰,个别杆塔塔身最大覆冰厚度10 mm,线路覆冰1～2 mm,均不影响线路运行;浙江、江西、福建山区部分农网线路跳闸,其中35 kV线路12条、10 kV 822条,国家电网公司所属单位迅速组织人员抢修恢复,近七成线路已恢复供电,剩余线路正组织力量全力以赴抢修恢复。

(信息来源：中国电力信息网)

数字式大范围 篇7

在一般的温度控制系统中, 大多采用将加热、制冷装置直接作用于温控对象的方式来实现控温目的。在本文中, 按照系统功能要求, 专门设计出一套依靠循环水间接作用的制冷系统。现主要对该系统的控制算法进行研究。

1 系统特点及性能要求

该温控系统需要实现直径在5 m范围内8点的大范围恒温, 目标温度变化范围小 (目标温度为20.0 ℃) , 且要求较长时间的温度稳定性 (3 h) 。就目前的技术而言, 通过在目标上直接加热和制冷来恒温, 还无法达到如此精度。采用热容量大的水作为介质维持一定范围的恒温是高精度恒温系统中最常见的方式, 循环水冷却器的用途是通过温度较低的水将仪器所产生的热量带走, 从而使仪器保持稳定的工作温度。

为了提高控制精度与温度稳定性, 设计出一套由粗到精的多级控制方案。循环水恒温系统 (其结构如图1所示) 共包括冷却、一级加热、二级加热等共三级温度控制[1]。其中, 冷却控温采用压缩机制冷, 各级温控系统的目标温度分别为:冷却水箱为 (19.5±0.5) ℃, 一级加热水箱为 (19.8±0.2) ℃, 二级加热水箱为 (20.0±0.1) ℃。同时, 在二级加热水箱后设置一体积较大的恒温箱, 以减小水温波动。由于恒温保持部分不存在水温控制单元, 若恒温保持箱的水温失调时, 关闭外部循环开启内部控温循环。

各级水箱的体积分别为:一级加热水箱体积V1=40 L, 二级加热水箱体积V2=40 L, 恒温水箱体积V3=200 L。为了进一步保证温度的稳定性, 在各级水箱以及作为热交换器的水套上覆盖树脂隔热层。

2 PID控制算法研究

PID温控算法基于经典控制理论中的PID控制原理, PID控制器通过综合系统误差、误差变化率以及误差积累三方面因素来实现控制目标, 其控制量为u (t) , e (t) 为误差变量:

2.1 系统模型建立

PID控制的前提就是建立被控对象的精确数学模型。加热设备具有非线性、大滞后和不对称性的特点, 并且加热体的结构、容积大小等各种因素都对滞后产生一定程度的影响。这里采用惯性环节与纯滞后环节相结合的形式建立两级加热水箱的数学模型, 即:$\frac{{\rm K}}{{\rm T}s+1}\text{e}{}^{\tau s}$。通过阶跃响应法[2], 分析系统温度飞升曲线, 可以得出两级加热系统的数学模型分别为:

2.2 PID控制参数确定

用PID方法实现的温度控制器, 其控制品质的好坏主要取决于3个控制参数 (比例值KP、积分值KI、微分值KD) 。依据Ziegler-Nichols经验公式[2], 可得:

对于一级加热系统, 分别将K=100, T=3 810, τ=141代入以上各式可得其控制参数分别为:KP=0.324, KI=0.001 15, KD=22.842。

同理, 对于二级加热系统, 分别将K=100, T=7 720, τ=281代入以上各式可得其控制参数分别为:KP=0.329, KI=0.000 585, KD=46.224。

2.3 仿真评估

系统初始状态设置如下:设经冷水箱冷却后, 一级加热水箱中起始水温为19.5 ℃, 目标温度为19.8 ℃;而经一级加热水箱加热后, 二级加热水箱中起始水温为19.8 ℃, 目标温度为20.0 ℃。分别用上面计算所得数据作为两级加热设备的PID控制参数, 设置采样控制周期为1 s, 在仿真步长ts=0.01 s开始仿真, 得到图2所示的温度控制响应曲线[3]。其中, 上方曲线为二级水箱温度响应;下方曲线为一级水箱温度响应。

由图2可知, 对一级加热水箱而言, 第一次达到稳态值19.8 ℃的上升时间为250 s左右, 系统稳定在目标温度范围内 (19.8±0.2) ℃需要450 s左右, 而达到设定值19.8 ℃需要时间1 500 s左右。

而对二级加热水箱而言, 第一次达到稳态值20.0 ℃的上升时间为500 s左右, 系统稳定在目标温度范围 (20.0±0.1) ℃内需要930 s左右, 而达到设定值20.0 ℃需要时间2 500 s左右。

通过以上分析得到以下结论:

(1) 采用PID控制可以达到设定的目标温度值, 满足系统要求;

(2) 与二级水箱温度变化曲线相比, 一级水箱温度变化较快, 这一方面是由于一级水箱加热功率较大, 另一方面是由于二级水箱温控精度更高的缘故;

(3) 两级控温装置在起始响应阶段均会形成一定的超调量[4], 最大超调量分别为0.25 ℃, 0.15 ℃。

3 模糊控制算法研究

与PID控制法不同, 模糊控制法并不依赖于系统精确数学模型的建立[5]。

3.1 控制原理

为了兼顾控制的快速和稳定性, 两级加热温控装置均采用双输入单输出[6]的模糊控制器, 其控制原理如图3所示。其中, e为当前水温T与设定水温T0的偏差, ec为偏差e的变化率de/dt。e和ec经模糊化后可得到相应的模糊量E和Ec, 送入模糊推理器, 经过含有模糊规则的推理模块, 得出结论, 然后再经过清晰化变换成清晰控制量u[7], 转换成不同占空比的连续时间调宽脉冲 (PWM) 来控制加热装置的通电时间, 以控制加热器的平均功率, 实现升温与保温功能。

3.2 控制算法

将偏差e (一级加热水箱为0～0.3 ℃, 二级加热水箱为0～0.2 ℃) 、偏差变化率ec (-0.05～0 ℃) 、控制量u (0～1) 的模糊论域E, Ec, U从小到大分为5个等级, 分别对应5个模糊子集, 即:E={L1, L2, L3, L4, L5};Ec={L1, L2, L3, L4, L5};U={L1, L2, L3, L4, L5}。

以上各模糊量均采用三角形隶属函数。

为了便于观察, 将控制规则 (25条) 制作成表, 如表1所示。

经过上述规则推理之后, 所得控制量仍然为模糊集合U的形式[8], 需要经过反模糊化 (清晰化) 的变换才可得到清晰控制量u, 这里采用面积中心法来确定精确控制量u。

3.3 仿真评估

与PID控制法类似, 系统初始状态设置如下:设经冷水箱冷却后, 一级加热水箱中起始水温为19.5 ℃, 目标温度为19.8 ℃;而经一级加热水箱加热后, 二级加热水箱中起始水温为19.8 ℃, 目标温度为20.0 ℃。按照3.2节制定的模糊推理规则, 设置采样控制周期为1 s, 仿真步长ts=0.01 s开始仿真, 可得如图4所示的结果。其中, 上方曲线为二级水箱温度响应, 下方曲线为一级水箱温度响应。

由图4可知, 对一级加热水箱而言, 达到稳态值19.78 ℃的上升时间为100 s左右, 之后温度便可以稳定在此值附近, 波动十分小。而对二级加热水箱而言, 达到稳态值19.99 ℃的上升时间为500 s左右, 之后温度同样可稳定在此值附近, 波动更小。

通过以上分析得到以下结论[9]:

(1) 虽然两级控温装置都无法达到设定目标值19.8 ℃和20.0 ℃, 但由于系统要求一级、二级加热控温系统稳定于 (19.8±0.2) ℃, (20.0±0.1) ℃ 即可, 所以通过模糊控制法可以满足系统要求;

(2) 与二级水箱温度变化曲线相比, 一级水箱温度变化较快, 同时一级水箱温度达到平衡点附近后温度波动比二级水箱剧烈, 这一方面是由于一级水箱的加热功率较大, 另一方面是由于二级水箱对温度精度的要求更高。

4 结 论

通过上面的计算与仿真分析可知, 就温控系统而言, PID温控方法的优点在于精度高, 能达到设定的目标温度值, 但在开始阶段会出现一定数值的超调量, 且响应速度较慢, 二级控温稳定到设定温度值需要2 500 s左右。

模糊温控方法的优点在于响应速度快, 无超调, 且不必依赖被控对象的精确数学模型, 但也有一定的弊端, 这种控制方式虽然可以达到系统的精度要求, 但响应曲线只能保持在设定值附近的某个范围内 (尽管偏差非常小) , 在平衡点形成了一小段“盲区”。

通过综合响应的快速性与准确性, 并结合系统控制精度要求, 考虑软件设计的便捷性, 由此可知模糊控制法能够作为一种较为理想的控制方案。当然, 在系统的后续改进过程中, 也不排除起用一种将两类控制方法相结合的方案[10], 以获得更快的响应速度, 达到更高的控制精度。

参考文献

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