能量优化设计论文

能量优化设计论文（共9篇）

能量优化设计论文 篇1

1 能量回收系统研究与应用现状分析

能量回收一直是科学领域研究的重点课题之一。无论是工业还是交通行业 (比如, 汽车能量回收等) , 亦或是日常生活领域, 能量浪费现象均比较严重。在当前能源消费不断增加、存量能源面临“枯竭”的背景下, 如何实现能量回收、提升能量利用效率就显得尤为重要。能量系统回收最早应用于海水淡化工艺流程。近年来, 随着能量回收系统研究力度的不断加大, 能量回收系统开始逐渐地应用于工业、交通、生活等诸多领域, 有效地消除了能量损失过大、利用效率较低的现象。

2 容积式能量回收系统及其优化设计

2.1 容积式能量回收系统简介

容积式能量回收系统采用的是“双液压缸”的工作结构, 缸内通过设置活塞隔离成为上下两个“腔室”;硬件部分主要包括配流块、换向控制集成块、供料泵以及活塞组建等;触摸屏、PLC控制系统、传感器、变频器以及组态软件等组成容积式能量回收系统的电气控制系统, 达到控制回收系统安全、稳定回收能量的目的, 比如, 供料泵的控制、液压缸的运行状态、回收能量流量等等都主要通过该控制系统来实现。实际运行过程中, “双缸”交替工作。以化工废液回收为例, 通过安装能量回收装置, 供料泵将废液输送到“A缸”的上腔, 然后打开下腔所连接的电池阀, 高压废液流入下腔, 然后推动缸内活塞向上运行;同时, 开启B缸进液阀, 低压废液流入B缸上腔推动缸内活塞向下运行, 同时打开下腔连接的电池阀排入再生系统。

2.2 容积式能量回收系统的优化设计

2.2.1 容积式能量回收系统液压冲洗的优化

过大的液压冲击不仅会影响装置的安全、稳定运行, 而且还会影响能量回收效果, 降低能量回收效率。容积式能量回收系统工作过程中, 时常会出现液压冲击现象, 对回收装置的正常运行造成不利影响。比如, 开关阀门活塞制动过程中, 液压冲击现象就会频现。实践中, 一方面, 可以采取降低电池阀换向速度或者是加入阻尼装置的方式, 缓冲液压冲击、降低系统的功率消耗;另一方面, 可以在缸内安装圆锥形环隙式缓冲结构, 以减少活塞制动、换向时的冲击力度。

2.2.2 容积式能量回收系统的流量调节

针对废液能量回收而言, 流量过大或者过小都会对容积式能量回收装置的运行、系统的回收效率产生影响, 因此, 必须对流量进行调控, 确保废液流量能在系统参数范围之内变化, 以取得比较理想的能量回收效果。废液流经A缸或者B缸时, PLC负责自动检测活塞运动位置并计算活塞运动到“电池阀门”的时间, 然后在活塞运行到极限位置时, 控制系统打开电池阀门, 但是, 实践中, 经常出现时间差过大的情形, 导致活塞运行时间变化比较大, 影响能量回收的稳定性。

2.2.3 容积式能量回收系统控制系统的优化

PLC控制系统是容积式能量回收系统的核心部件, 其自动化控制精度的优劣, 会直接影响到该系统的能量回收效果。选用自动调节阀, 提升PLC控制系统流量信号检测的精确度, 然后根据废液流量发出控制指令, 将缸内废液流量控制在设置范围之内。

2.2.4 容积式能量回收系统故障诊断的优化

传统的容积式能量回收系统的故障诊断、故障维修基本上是以人工为主, 不仅耗费时间, 而且还极易引发重大事故。针对这一问题, 可以在PLC自动控制系统 (比如, 人机界面) 增加故障自动诊断及控制模块, 通过将检测到的信号直接显示到诊断功能模块, 比如, 阀门所处的状态、电机的制动等等, 便于操作人员实时掌握设备的运行状态, 做到早期预防、早期发现, 准确、及时地发现系统故障位置以及故障原因, 这不仅大大缩短了故障诊断、维修的时间, 而且还可以防患于未然, 将各种潜在的威胁消灭在萌芽状态。

摘要：能量回收一直是科学领域研究的重点课题之一。在当前能源消费不断增加、存量能源面临“枯竭”的背景下, 如何实现能量回收、提升能量利用效率就显得尤为重要。基于现有研究成果, 重点探讨、分析容积式能量回收系统的功能、应用以及优化问题, 旨在达到扩大容积式能量回收系统的应用范围、提升容积式能量回收系统的能量“回收”效率。

关键词：容积式,能量回收,系统优化,设计

参考文献

[1]季宏丽, 马勇, 裘进浩, 等.高效压电能量回收系统的优化设计 (英文) [C].第4届国际压电驱动材料及应用研讨会论文集[C].2008.

[2]薛树旗, 孙鑫, 刘永强, 等.余压能量回收技术在船用反渗透海水淡化工艺中的应用研究[J].船舶工程, 2016, (1) .

能量优化设计论文 篇2

1、科学概念：

能量有电、热、声、光等多种形式，能量还储存在食物、燃料中。

电能可以转化成其他的形式的能量，其他不同形式的能量间也能转化。

2、过程与方法：

通过观察、小实验和阅读资料，研讨认识能量和能量转化。

分析常见能量转化的例子。

3、情感、态度、价值观：

产生研究能量的兴趣。

教学重点：

1、能量以不同的形式存在。

2、不同形式的能量是可以转化的。

教学难点：

分析能量转化

教学准备

1.学生准备：铁丝、提示学生课前搜集有关能量及能量转化的资料及事例，并对搜集到的资料进行整理、分类。

2.教师准备：课件、表格

教学活动过程

(一)导入

1、为什么打开开关就能让电脑运行起来呢?

2、电使电脑运行了,我们把通电后能工作的机器统称为“用电器”同学们的家里肯定有很多“用电器”吧?各种不同的用电器输入电后可以为我们做什么事呢?

3、生交流

4、出示各种电器的图片(电视机、电饭煲、洗衣机、空调、电熨斗、微波炉、电脑等)课件演示：

5、师小结：用电器有了电才可以工作，电的本领真是太大了，我们把电具有的这种能量叫做电能。今天我们就来探讨《电能和能量》

(二)电能和其他能量

1.电能是一种能量，除电能外，你还知道哪些能量吗?

2、学生说说知道的各种能量。

出示各种相关图片，这些不同的能量分别可以做什么工作?你能选择其中的一个举例说明一下吗?

3、不同的能量可以做各种的工作了，那我们人体也要工作、运动，我们的能量又来自于哪里呢?

4、出示人体运动的图片。食物里面储存着能量。

5、同学们让我们再来看左边这幅图，出示加油机图，哪里看到过这种机器?(加油站)它的任务是什么?

6、(出示煤炭图)汽油具有能量，那么煤炭呢?它可以做些什么工作呢?生交流

7、师小结：像煤炭、汽油这些物体通过燃烧发生化学变化，能让车子开动，能把水烧开，这种能量也称化学能。

(三)电能的转化

1、电能与其他能量之间有联系吗?电能-------转化成其他能?让我们以“电灯”为例来讨论一下吧。

2、师：电灯输入电能，输出时将其转化成了什么呢?

3、那么电输入到其他用电器的身体后，电能又能转化成什么能呢?请四人小组边交流边完成课本中的家用电器调查表(要求每个同学写出2个)

4、学生交流、填写。

5、交流调查表。师生共同补充。

课件出示：那么我们家庭以外的设备上的能量又是怎么转变的呢?

看课件(生日卡、电车、电影、电动门)

6、师小结：刚才我们通过讨论发现电能可以转化成其他能量。

7、经过用电器之后，电能可以被转变为风能、热能、光能……等等，这说明“用电器”其实就是“电能转化器”。

四、其他能量间的相互转换

1、电能可以转化成其他形式的能量，那么其他能量之间可以相互转化吗?让我们先用实验体验一下吧?

1、先用两手互相摩擦，有什么感觉?想一想：这是能转化为()能。

2、反复弯折铁丝，摸一摸，没有什么感觉?

3、师小结：这个实验将机械能转化成了热能。

4、你还能举出能量之间相互转换的例子吗?

6、学生交流

7、小结：原来不但电能能转化为其他形式的能量，其他形式的能量间也能相互转换。现在让我们轻松一下，来做个闯关游戏吧。

五：智慧大闯关

1、第一关：课件出示P62的两幅图，逐一讨论：你知道这幅图中的能量是怎么转换的吗?学生交流。第一幅交流完后：课件点击出示：化学能转化为光能和热能。

第二、三幅交流完后：课件点击出示：化学能转化为声能、热能和光能

2、这两关过完，还想试试吗?出示P62页的最后一幅图。

(1)这幅图有点难度了吧?先想想有哪些物体，这些不同的物体具有哪些能量，这些能量间又会怎样转换呢?

学生交流

(2)引导学生说出漫画中的能量转化

(3)同学们找找看，能量的源头在哪儿呢?(太阳)是的，各种能量最终来源于太阳。

3、同学们让我们想象一下：假如自然界没有能量，将会怎样?

4、师总结：原来任何物体的工作都需要能量。如果没有能量自然界就不会有运动和变化了，也就没有生命了。那么其他形式的能量可以转化成电能吗?也就是电能从哪里来?下节课我们就来探讨这个问题。

1.白杨教案和教学设计

2.《将相和》教学设计

3.将相和教学设计

4.《矛和盾的集合》教学设计

5.观潮教学设计和课件

6.《精读和泛读》教学设计

7.矛和盾的集合教学设计

8.长城和运河教学设计

9.《画家和牧童》教学设计

容积式能量回收系统优化设计研究 篇3

在能源缺失和工业效益等因素下,国内外许多科研人员已经致力于能量回收技术的应用研究。能量回收技术最早应用于海水淡化工艺,随后应用到越来越多的行业。在化工行业,合成氨工艺中废液的高压能量被浪费[1],能量回收技术的应用能有效的解决这个问题,不同形式的能量回收装置涌现出来。容积式液压能量回收装置利用液压能量一次转换,理论上回收效率达100%,实际应用中则是部分代替铜液泵对低压新鲜铜液增压。

1 能量回收机的应用背景

容积式能量回收装置采用立式双作用液压缸结构,工作时双缸交替使用。PLC和人机界面等组成能量回收电气控制系统,可以实时监控能量回收系统的运行状况。能量回收系统根据工艺要求对废液的高压能量进行回收,进而利用到低压新液的加压工序中,减少了能量的浪费,缩小了高压泵的使用范围,从而节省电能的使用,为企业带来经济效益。

在合成氨工艺流程中,洗涤原料气时需要高压新鲜铜液,铜洗结束后流出铜洗塔的废铜液仍带有高压能量,废铜液进入再生系统时不需要高压能量,通过多级减压阀将其高压能量减掉[2],铜洗塔工艺流程如图1所示。在铜洗工艺流程中装有能量回收装置,利用高压废铜液的能量对新鲜低压铜液进行加压,供洗涤原料气使用。高压铜液在洗涤过程中会有部分能量损失,而流出铜洗塔后通过管道、阀门进入活塞中也会损失小部分能量,因此在实际工程中还需要小型的高压铜泵为系统提供部分动力[3]。

2 能量回收系统的工作流程

容积式液压能量回收装置的主体是双作用液压缸,液压缸内由活塞隔离成上下两个腔室,硬件部分还包括换向控制集成块(换向阀件、压力传感元件等)、配流块(为双液压缸的进、排液阀集成块)、供料泵和活塞组件等。

高压废铜液由铜洗塔底部排出,其中小部分铜液经过减压阀直接进入再生系统,而大部分废铜液经过管道、阀门进入能量回收装置,回收其高压能量后进入再生系统。

回收装置工作时,供料泵将低压新鲜铜液输送到A缸上腔后,下腔连接的电磁阀打开,高压废铜液进入下腔,高压废铜液推动活塞上行对低压新鲜铜液加压,上腔连接的排液阀门打开,将加压的新鲜铜液泵入铜洗塔顶部。A缸动作的同时B缸上腔进液阀开启,由供料泵供应的新鲜低压铜液进入B缸上腔推动活塞下行,下腔连接的电磁阀打开,下腔被回收能量的低压废铜液由B缸下腔排出进入再生系统。

当A缸活塞上升到限位点时,接近开关1KT闭合,进而控制进液电磁阀闭合,排液电磁阀打开,供料泵提供新鲜铜液由进液阀进入A缸上腔推动活塞下行,下腔废铜液经排液电磁阀排出进入再生系统。当B缸下行至限位点时,接近开关4KT闭合,下腔连接的排液电磁阀关闭,进液电磁阀开启,来自铜洗塔的高压废铜液进入B缸下腔,高压液体推动活塞上行对上腔新鲜铜液加压,上腔排液阀开启将新鲜铜液排出进入铜洗塔。双缸如此循环,交替上行、下行工作[4]。

能量回收装置在回收高压能量的过程中,对新鲜铜液不断提供高压能量并将其送入铜洗塔,减少了传统工艺中高压泵的电能消耗。

3 能量回收系统的电控部分

3.1 电气控制系统的组成结构

为了适应车间级工作现场实时监控的趋势,能量回收系统加强了电气控制系统部分的设计。电气控制系统采用PLC、触摸屏、变频器、传感器以及组态王等硬件和软件,实现能量回收过程中的数据采集和监控,包括铜液压力信号、液缸位置信号、供料泵工作情况、主机流量等信号,并实现报警。

电气控制系统主要包括人机界面、组态软件以及硬件结构等。其结构图如图3所示。

人机界面部分采用西门子公司的S7-200PLC和TP171系列触摸屏,通过组态王软件实现对能量回收系统的组态和监控。TP系列触摸屏代替传统的控制面板,增加了文本显示量,丰富了显示界面,提高了工作人员对人机界面的可操作性。PLC和CPU通信模式通用性强,可与整个合成氨生产工厂DCS系统互联互通。数据采集仪器将采集的现场信号送到PLC,通过液晶屏显示出来,组态软件的图形界面可以直观的呈现出工作现场,工作人员根据现场工况标准对采集信息进行分析,采取调整措施保障能量回收机正常工作并处于最佳状态。

3.2 PLC的报警设置及控制功能

在能量回收系统工作运行时,压力传感器将检测到的高低压废铜液及新鲜铜液的压力信号转换成4m A~20m A的电流信号,直接送入PLC中,PLC再传输到触摸屏显示出来,PLC根据程序员设定的各项压力报警极限,实时监控报警,工作情况严重时能量回收机将自动保护停车。接近开关将检测到的位置信号直接传入PLC,PLC根据程序指令实时控制电磁阀通断电,进而控制液压缸往复自动换向。

3.3 组态软件及人机界面

能量回收系统采用组态王软件进行系统组态,组态王是一个具有易用性、开发性和集成能力的通用组态软件,它向下能与低层数据采集设备通信,向上能与管理层通信,实现上位机与下位机的双向通信。组态王强大的界面显示组态功能和仿真功能,使得能量回收系统在设计阶段以及今后的使用阶段具有直观的实时监控性。

对于能量回收系统电气控制部分,组态王软件以画面和报表的形式将能量回收机的工作状态展现在操作人员眼前,如图4所示,方便工作人员实时地监视控制系统运行。组态王将从能量回收系统工作现场采集的数据记录在实时数据库中,把数据的变化用动画的方式形象地表示出来,同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能,并生成立式数据文件。

4 系统设计方案优化分析

容积式能量回收系统在设计方案中针对以下环节进行了分析、设计和优化。

4.1 液压冲击

由于某些因素影响,液压系统中会产生液压冲击,如阀门的迅速开启或关闭会引起液压冲击,应尽可能减慢电磁换向阀的移动速度,适当降低阀门的控制压力,或加入阻尼装置。选用气动阀作为先导阀,辅助电磁阀控制液体流量,降低功率消耗。

对于活塞换向或制动时在液压缸内产生的液压冲击,可以利用一些缓冲装置来减少冲击力度。液压缸中常见的缓冲结构有圆柱形环隙式、圆锥形环隙式、可变节流槽式和可调节流孔式,如图5所示[5]。

比较四种装置后选取圆锥形环隙式缓冲结构,其缓冲柱塞为圆锥形,缓冲环形间隙随位移的变化而变化,即通流截面面积随缓冲行程增大而减小,使机械能的吸收较均匀,其缓冲效果较好,相较可变节流槽式装置而言结构简单[6]。

4.2 流量调节

进入铜洗塔的高压铜液流量需要满足铜洗工艺需求,流量的变化对工业生产影响很大。为保证铜洗塔不间断供应铜液,两个液压缸交替工作时,双缸活塞上下行时间差应尽可能小。当活塞上、下行到极限时,PLC检测到位置信号并计算出液缸运行时间,对两缸活塞的运行时间进行比较,时间差过大时需要调整运行时间,通过调节进入液压缸的流量可调节活塞运行时间。

供料泵输入到液压缸的铜液流量影响着活塞下行时间,通过调节变频器的频率可调整供料泵的运行速度,对输出流量进行控制,进而缩小两缸运行的时间差。变频器频率与供料泵电机转数的关系如下式:

其中,n为电机转数;

f为变频器频率;

p为电机的极对数。

影响活塞下行时间的流量可通过调节阀来调整,工业中常通过手动阀控制阀门开度调整流量,由于手动调节偏差较大、调节滞后,故选择与控制系统相连的自动调节阀,当PLC检测到流量信号时,分析实际情况对自动调节阀发出命令,控制流量在设定值偏差范围内。在流量调节过程中,可利用PID控制算法进行优化。

4.3 设备故障诊断功能优化

当系统故障时,一般由检修人员检查各个设备或线路是否正常,这样造成故障停车时间较长,影响了生产进度。针对这一因素,在人机界面的设计中增加了自诊断功能界面(如图7所示),将现场检测量实时状态显示在诊断界面中,如电机启停状态、阀门开启关闭状态等,工作人员实时了解和掌握设备运行技术状态,确定其整体或局部正常与否,早期发现故障并判断故障的部位和程度,分析故障原因,及时排除故障。这大大缩短了故障检修时间,缩短了工厂故障停机的时间,降低了对维修人员的依赖程度,提高了生产效率。

5 结论

容积式能量回收系统采用以PLC为核心的电气控制部分,人机界面作为操作人员与工业现场的桥梁将PLC采集数据直观展现出来,以便实时监控系统运行工况。分析了系统优化方向,使能量回收系统能高效、稳定的工作。

摘要：以容积式能量回收装置在合成氨铜洗工艺中的应用为研究基础,对能量回收系统电气控制部分进行设计,并提出优化措施提高能量回收机的性能,使系统稳定、有效地回收利用铜液的高压能量。构建以PLC为基础的工业控制系统,采用触摸屏和组态软件等构成人机界面,操作人员通过操作人机界面直接控制现场运行状态,及时对现场工况进行分析与调整。

关键词：容积式能量回收装置,工业控制系统,人机界面

参考文献

[1]曹志锡,汪小洪,赵文宏,等.铜氨液能量回收机在合成氨生产中的应用[J].浙江工业大学学报,2003,31(1):75-77.

[2]朱芸,曹志锡,洪孝鹏.活塞式多相流能量回收装置的研究[J].液压与气动,2010,(1):77-79.

[3]杨守智,张冲,李姝娟,等.原料气洗涤液体能量回收机的研究与开发[J].化肥工业,2003,30(4):26-27,37.

[4]杨守智,马小兵.合成氨原料气湿法脱碳富液能量回收方法的选择[J].化肥工业,2006,33(5):17-19.

[5]袁承训.液压与气压传动[M].机械工业出版社,2008,61-62.

教学设计能量与太阳 篇4

《能量与太阳》教学设计

城区二小科学教师

彭 帆

【教材分析】：

《能量与太阳》是教科版科学教材六上年级《能量》单元的最后一课。其教学内容包括：分析煤带给我们的信息；认识存储了亿万年的太阳能；了解节约能源，寻找新能源的意义三部分。能量概念是抽象的，能量有多种形式，可以相互转化，储存在一些物质中，我们能观察到的只是具体能量所产生的某种效应。六年级学生的抽象思维虽然仍要借助于直观形象的支撑，但已经有了长足的发展，分析、推理能力有了明显的提高。他们从生活中，从科学课学习中，对能量已经有了一定的感性认识。在本单元前几课的学习中，学生通过制作和研究电磁铁，探究玩具小电动机怎么会转动起来，研讨各种能量形式及其相互转化，初步建立起能量的概念，知道电可以生磁，能量可以相互转化。【设计思路】：

煤、石油、天然气的形成经过漫长年代复杂的变化，这个过程是无法直接观察，也无法用实验重现的。探究其成因的活动，是让学生经历类似科学家研究煤成因的过程，是一个利用证据逻辑推理及想象作出合理解释的过程。本课本着不过分强调知识传授，能让学生主动建构科学概念的理念，通过学校的研究性教学模式——并开展搜集信息的接受式主动学习，结合互相交流和评价，培养学生的合作意识和探究精神。

本课的教学重点是指导学生大胆利用已有的经验对一些事物和现象进行有根据的推测，作出假设性解释。我们希望学生有更主动、更深入的思维参与。整节课的教学设计围绕“能量与太阳的联系”这一主线展开：1.课前布置学生利用书籍、网络搜集煤、石油、天然气三大能源的信息资料；2.归纳、整理信息，做成知识卡片；3.召开“三大能源”新闻发布会，充分交流信息； 4.拓展延伸（能源对社会发展的贡献；培养对能源的节约意识）。【教学目标】：

1、使学生知道煤、石油和天然气所具有的能量都是储存了亿万年的太阳能。能源与我们的生活密切相关。

怒江州骨干教师示范课教学材料一

2、经历一次搜集信息、报告会上的发言活动。用已有知识和经验作出假设性解释，体会到探究中证据、逻辑推理及运用想象的重要性，将自己的分析结果与已有的科学结论作比较。

3、体验科学技术对社会进步的贡献。认同珍惜能源、节约能源的观点。【教学重、难点】

重点：认识生活中的能源及来源，培养节约能源的意识 难点：探究、逻辑推理、想象等能力的培养 【教学准备】

1、学生准备：搜集有关能源的资料，填好三大能源信息卡

2、教师准备：煤的化石、能源储量资料

【教学方法】：自主探究、合作学习、猜测、验证。【教学过程】：

一、交流信息，整理信息、发布信息。

同学们课前搜集了有关能源的很多资料，一定有许多有趣的发现和成果要和大家一起交流，一起分享。我们今天就来开个“三大能源”发布会，向同学和听课的老师们发布“能量与太阳有什么联系？”的信息。在发布会前，以小组为单位对我们收集到的“三大能源”信息进行讨论、整理，然后由小组推荐汇报人上台给大家做总结汇报，希望大家好好表现。在这堂课中，我们要评出哪些小组发言最积极，收集到的信息成果最显著。（让小组充分的交流、讨论、总结，然后由小组推荐的汇报员上台发言。课前教师建立一个以组为单位的评星台）——10分钟内——PPT1

二、探究煤的形成。

1、(1)同学们看一下你们小组的桌面上放着什么？（煤）现在请你拿起你们小组的煤仔细观察一下，你发现了什么？

(2)从煤带给我们的信息，推测煤是怎样形成的。煤为什么埋藏在地下，是怎么形成的呢？ 你们这样说的依据是什么？

小结：教师根据学生发言适时用多媒体ppt课件展示：――PPT2

①常常能在煤块上看到植物枝、叶的痕迹，甚至还发现了具有完整树干形状的煤。

怒江州骨干教师示范课教学材料一

②煤大多夹在古代沉积的泥沙变成的岩层中。③煤在岩层中是一层一层分布的。

④亿万年前地球上气候温暖，雨量充足，植物生长非常繁茂。

(3)教师总结煤的成因，从哪里来？怎么形成的？（课件播放煤的成因短片）。——10分钟内

2、储存了亿万年的太阳能

（1）煤是2－3亿年前古代植物经过漫长变化而形成的，那么石油、天然气又是怎么形成的呢？（煤、石油和天然气的形成过程大致相似，都是远古的动植物残骸演变而来）

（教师播放石油的形成动画课件）

（2）教师小结：煤、石油和天然气其实就是储存在动、植物身体里的太阳能，植物依靠太阳生长，动物则以植物和吃植物的其他动物为食。它们不知不觉中把太阳的能量储存在了自己的身体里。----PPT11

在信息资料交流后，让学生用箭头表示出“太阳能”、“动植物体具有的能量”、“煤、石油、天然气的能量”三者的转化和传递关系。

板书：太阳能

→

动植物体具有的能量（生物能）

→

煤、石油、天然气（储存了亿万年的太阳能）

本课小结：通过研讨，学生会认识到：植物利用光合作用制造养料，长成“身体”，就是把太阳能转化成了自己生长需要的能量，动物的食物结根到底也是植物，所以煤、石油、天然气就是储存了亿万年的太阳能。——10分钟内

3、节约能源，寻找新能源

展示信息资料1:目前人类探明的煤、石油和天然气的储量情况。（教师准备PPT课件数据表说明）

这些能源会被用完吗？想象一下那一时刻到来时，我们的生活会是什么样子？

展示信息资料2:人们开发和利用新能源情况。

（教师ppt课件展示）教师提出问题：

1、通过学习，现在你知道哪些是再生能源，哪些是不可再生的能源？我们现在应该怎样使用能源？（让学生根据自己的理解自由阐述）

2、你还知道哪些我们可以利用的能源？（简单说明一些新能源）

怒江州骨干教师示范课教学材料一

三、总结归纳、整理信息并提出作业要求。

（1）请同学们评评哪个小组的同学表现的最好，为什么？评出发言最积极的小组。展板贴“红星卡”

（2）提出研讨过程中碰到了还没有解决的问题。（3）指导学生总结小组讨论解决这些问题的办法。（4）课外作业：将有关信息资料归类做成知识卡片。

四、拓展延伸。

将自己对能源的理解讲给身边的人，影响他们认识节约能源的重要性。

课后反思：

煤、石油、天然气的形成经过漫长年代复杂的变化，这个过程是无法直接观察，也无法用实验重现的。探究其成因的活动，是让学生经历类似科学家研究煤成因的过程，是一个利用证据逻辑推理及想象作出合理解释的过程。本课本着不过分强调知识传授，能让学生主动建构科学概念的理念，通过学校的研究性教学模式——并开展搜集信息的接受式主动学习，结合互相交流和评价，培养学生的合作意识和探究精神。

本课的教学重点是指导学生大胆利用已有的经验对一些事物和现象进行有根据的推测，作出假设性解释。我们希望学生有更主动、更深入的思维参与。整节课的教学设计围绕“能量与太阳的联系”这一主线展开：1.课前布置学生利用书籍、网络搜集煤、石油、天然气三大能源的信息资料；2.归纳、整理信息，做成知识卡片；3.召开“三大能源”新闻发布会，充分交流信息； 4.拓展延伸（能源对社会发展的贡献；培养对能源的节约意识）。

通过师生互动、讨论、交流，学生从感性认识的基础上对“三大能源”的形成成因有了一定的认识，对煤、石油、天然气有了深刻的理性认识，并对节约能源的意义有了具体的认识，可见，学生的收获是明显的！

能量优化设计论文 篇5

视觉假体是一种用于视觉功能修复的神经假体, 通过对生物体视觉神经系统进行功能性电刺激, 部分恢复视觉感受。视觉假体的主要目的是修复老年黄斑变性 (Age-related Macular Degeneration, AMD) 与视网膜色素变性 (Retinitis Pigmentosa, RP) 等疾病引起的视觉损伤。根据世界卫生组织 (WTO) 和民间研究机构的相关报道, 全球约有4 000万因眼部疾病致盲的患者, 其中仅AMD致盲患者数就超过320万[1,2], 这些疾病目前仍未有有效的治愈方法, 研究视觉假体对于相关疾病致盲患者的视觉功能修复具有重要的价值和意义。目前国际上多个国家的高校、研究机构致力于该领域的研究, 并取得了不同程度的研究进展, 如美国多所知名大学和Second Sight公司联合的Artificia Retina Project小组、麻省理工学院和哈佛大学联合的Boston Retina Implant Project小组以及德国Tübingen大学的Zrennner小组等。2013年2月, 美国Second Sigh公司宣布其推出的60电极视觉假体Argus II获得美国食品及药物管理局 (FDA) 的使用批准, 由此植入式假体的研究和开发又向前迈出了一大步。

虽然视觉假体研究取得了阶段性的成果, 但是目前能够可靠植入的假体的工作电极数量仍非常有限, 不能满足视觉修复的需求。相关心理物理学实验结果表明, 物体识别和人脸识别需要超过250个电极[3,4], 而实现有效的语段阅读电极阵列应达到25×25[5]。电极数目的增加能够提高所诱发假体视觉的分辨率, 从而增强植入者的视觉感受。随着MEMS加工、生物材料等技术的发展, 视觉假体装置的可植入电极数有望由目前的几十个增加到几百个, 美国Second Sight公司正在研制的Argus III视觉假体中, 电极数目有望超过1 000个[6]。

然而随着电极数目的增多, 视觉假体装置的功耗不断增大, 处理和传输的数据量也不断增加, 视觉假体无线传输系统的开发面临一定的挑战。Chen K等[7]于2010年研制了一款256电极视觉假体, 无线能量传输的功率达到100 m W, 数据传输速率为2 Mbps。视觉假体一般采用无线经皮传输的方式由体外向体内供能。当系统功耗显著增加时体外便携式电源的有效续航时间将明显减小, 不利于便携式长期应用。此外, 大功率近场无线传输可能导致植入局部的生物组织热效应和非热效应, 存在潜在健康风险。因此设计中应尽可能提高传输效率, 降低传输总功率, 减小能量损耗和组织热效应[8]。

本文首先介绍了视觉假体无线传输发展的状况和挑战, 然后分析了其工作原理和设计要求, 进而针对其特点分别介绍了能量传输和数据传输的考虑因素和设计方法, 对高分辨率假体装置的设计具有一定的指导意义。

1 视觉假体无线传输的原理

视觉假体无线传输系统包括体外控制部分和体内植入部分。接收装置植入体内 (脑部或者眼部) , 一般不带电源或电池;发射装置采用电磁耦合的方式由体外向体内植入装置无线传输能量和数据。这种方式能避免有线能量传输存在的接口感染、皮肤穿孔等问题, 也更便于实际使用。

无线传输系统的总体结构如图1所示。视觉信息在体外经过采集与处理, 转化为特定数据编码, 传给发射电路。发射电路按特定的调制方式将数据编码 (前向数据) 加载到发射信号上, 经由射频功率放大器、体内外耦合线圈对传输到体内植入装置。能量信号也会同时传送到体内植入装置。体内植入装置的射频收发电路从接收信号中恢复出数据、时钟和能量, 传给神经微刺激器, 产生相应的刺激电流, 经由植入式微电极阵列作用于视网膜、视神经和脑皮层等部位, 最终使植入者产生有效的视觉感知 (光幻视) 。一些方案在体内植入装置中设置了传感及监测电路, 能够监测体内植入装置的供电状态、电极阻抗和温度等参量, 根据需要将体内信息 (反向数据) 传输到体外装置, 用于反馈控制和调节。

2 能量传输设计与优化

视觉假体的无线能量传输中, 线圈耦合条件相对较差, 耦合因子往往小于0.3 (甚至低于0.1) , 属于低能磁链, 因而传输功率有限, 效率较低, 且易受线圈相对位置影响[9]。在设计能量传输时, 要充分考虑传输的功率大小、效率、稳定性、持久性等要求。

2.1 功率放大器效率和稳定性的优化

功率放大器的选型和设计直接影响无线能量传输的效率, 因此对整个无线传输系统至关重要。目前用于视觉假体无线传输的射频功率放大器多数采用E类功率放大器, 其理论转换效率最高达100%, 适用低耦合、较大功率、较高频率的射频发射要求。Sokal NO和Sokal AD[10]率先对E类功率放大器的电路架构与理论做了详尽的阐述。在此基础上, Rabb FH[11]提出了经典分析和参数设计方法。Tu SH等[12]分析了负载的品质因数对放大器转换效率的影响。

如图2所示, E类功率放大器采用单开关 (MOS管M1) 结构, 发射线圈电感L1与电容C1、C2构成振荡网络。R是发射端的等效电阻, Lchoke是扼流线圈。P W M信号控制开关周期性导通和截止, 使与开关相连的振荡网络呈现周期性振荡。C1和C2的具体数值可以根据L1、R和电路品质因素Q计算[13,14]。要使E类功率放大器工作中获得理想的漏极效率, 开关切换时要满足两个临界条件, 即零电压切换 (Zerovoltage Switching, ZVS) 和零导数切换 (Zero-derivative Switching, ZDS) 。前者要求开关导通时其漏极电压Vd接近0或者开关的饱和偏移电压, 后者则要求开关导通时Vd的导数为0[13]。

为了使E类功率放大器保持高效稳定的工作状态, 往往需要在设计中加入反馈调节。反馈调节按照调节环路位置可以分为体内反向数据反馈和体外闭环反馈;按照反馈输入信号类型可分为电压反馈和电流反馈;按反馈输出类型可分为反馈到开关和反馈到输入电源。

反馈到开关的调节方案检测电路的振荡状态, 在满足零电压切换 (ZVS) 和零导数切换 (ZDS) 条件的最佳时间点控制开关的通断, 保证发射电路有较大转换效率。此外, Kessler DJ等[15]从理论上推导了开关控制信号占空比与功率放大器电路元件损耗的关系, 为避免转换效率的显著降低, 开关控制信号占空比应大于30%。Baker MW等[16]设计了一种漏极电压反馈控制开关的电路, 通过直接检测漏极电压Vs判断开关通断条件。该电路工作频率在4.5 MHz左右, 链接效率最高达74%。Ziaie B等[17]设计了一种初级线圈电压反馈控制开关的电路, 工作频率3.9 MHz, 效率达71%。

反馈到输入电源的调节通过改变功率放大器的输入电源电压或者电流, 进而调节功率放大器的输出功率。Wang G等[18]设计了一种电流反馈控制电源输出的电路, 检测初级线圈电流的变化, 调节E类功率放大器输入电压。该电路工作频率1 MHz, 总效率达65.8%。

2.2 线圈耦合效率的优化

基于低能磁链耦合的无线能量传输中, 优化线圈或耦合链接对提高该类无线传输的效率十分重要[9]。Harrison R建立了可植入设备的电磁耦合效率理论模型[19]。根据该模型, 耦合因子越大, 系统耦合效率和能量传输效率就越高, 而耦合因子与体内外线圈几何尺寸、耦合距离和等效电感等相关。

视觉假体植入部位通常是头部或者眼部, 实际应用中其耦合线圈的几何尺寸和耦合距离都受到严格的限制。线圈优化主要包括提高线圈品质因数Q和降低线圈上的功率损失。高Q值线圈有利于提高耦合效率和能量传输效率, 但Q值过高也会导致射频发射电路的可操作域变窄:电路中元件的微小变化都会导致电路谐振频率点的较大迁移[19]。降低线圈上的功率损失, 就要减小线圈的等效交流阻值。对于较高频率的无线能量和数据传输, 线圈上的趋肤效应和邻近效应较为明显, 可考虑采用特殊线材和绕线方式减小这类高频效应, 比如采用利兹线绕制线圈 (有效频段大约在103 Hz~106 Hz数量级之间) [20]。Yang Z等[21]提出了根据线圈内外径、匝数、线径、股数、直流电阻和应用频率等参数计算线圈等效交流电阻、电感、寄生电容的模型, 并提供了分析线圈适用频率范围的方法。

3 数据传输设计与优化

视觉假体对准确性、实时性和数据传输速率有较高的要求。为了达到闪光融合 (Flicker Fusion) 阈值, 保持视觉感知的连续性, 视觉假体数据传输帧率要求维持在 (10~50) fps之间甚至更高, 其中视网膜上假体 (Epiretina Prosthesis) 的帧率要达到 (40~50) fps[22]。以1 024电极视网膜上视觉假体为例, 假设每个电极控制命令25 bit, 帧率40 fps, 则数据传输速率须高于1 Mbps。此外, 设计数据传输时还要考虑如何消除能量传输对数据信号的干扰。

3.1 双频传输用于提高传输速率

目前视觉假体无线数据传输主要有单频传输和双频传输两类。单频传输中数据传输与能量传输使用同一对耦合线圈和相同的载波频率。数据信号通过一定的调制方式加载到载波上, 接收端恢复的能量大小则取决于载波强度。提高载波频率有利于扩宽数据带宽, 提高传输速率, 却不利于能量传输。一般而言, 载波频率越高, 传输能量的组织吸收比越大, 能量传输效率越低, 无线传输的有效深度越小[23]。因此, 单频传输中载波频率不宜过高或者过低, 要平衡数据传输速率和能量传输效率的要求。该类方案适用较低数据传输速率和对能量传输效率要求不高的情况。

当传输功率较大、数据传输速率较高时, 数据传输和能量传输对载波频率的不同要求愈发难以平衡, 单频传输的不足逐步显现。针对这一情况, 加州大学的Liu W小组[24,25]提出了用于视觉假体的双频无线能量和数据传输。该方案分离了能量传输和数据传输, 提出采用两对不同的耦合线圈、分别以不同频率的载波传输数据与能量信号, 既能提高数据传输的速率, 又能保持能量传输的高效率。双频传输中也可以根据能量和数据传输的不同要求分别对各自的耦合线圈进行优化:能量传输的线圈遵循高Q值原则, 频带窄, 以获得高效率;而数据传输的线圈遵循较低Q值原则, 频带宽, 更有利于高速率[26]。Liu W小组的方案中, 数据载波频率达到20 MHz或22 MHz, 数据传输速率最高可达2 Mbps;能量载波频率达1 MHz或2 MHz, 能为256电极视觉假体装置稳定供能。

双频传输中还要考虑能量线圈和数据线圈的相对安放位置。一种方式是能量线圈和数据线圈同轴平行放置。该方式空间排布紧凑, 但是能量线圈和数据线圈之间存在复杂的交叉耦合关系, 能量耦合与数据耦合相互干扰较大, 这导致传输的数据信号不仅包含较多的噪声, 还会因为能量耦合电磁场的抵消作用而减弱强度[24]。Zhou M等[25]提出了一种适用于同轴平行耦合线圈数据传输的DPSK技术, 可以有效抵抗能量信号对数据信号的干扰。Ghovanloo M等[27]提出了另一种双线圈对的安放方法:能量线圈和数据线圈相互垂直放置。该方法可大大削弱两对线圈间的交叉耦合, 同时尽可能增大每对线圈的耦合强度, 保证了选择不同能量和数据载波频率的灵活性。

3.2 调制方式的选择和改进

视觉假体无线数据传输中常用的数据调制解调方式有幅移键控 (ASK) 、频移键控 (FSK) 和相移键控 (PSK) 三种基本类型及由其衍生的负载变化键控 (Load Shift Keying, LSK) 、差分移相键控 (Differential Phase Shift Keying, DPSK) 等多种形式。数据调制和解调方式关系到数据传输的准确性和电路设计的复杂性, 也可能影响能量传输的效率。合适的数据调制和解调方式应当充分考虑传输速率和实际环境, 能在一定程度上抑制能量传输和外环境干扰, 简单高效地实现数据传输。

ASK是最简单调制形式, 在神经假体早期设计中经常被采用, 传输速率在 (8~250) kbps之间[28]。采用ASK的方案具有电路结构简单的优点, 但调制深度受载波传输能量要求的制约, 传输速率较低。相比ASK而言, 采用FSK方法可以获得更高的传输速率 (最高可超过2.5 Mbps) [29,30]。FSK方法对载波频带有较多要求。FSK信号调制深度受制于数据传输速率和载波频率的比值, 要同时获得高速率和大调制深度就必须提高载波频率;在单频传输中难以同时保证高数据传输速率和高能量传输效率。

PSK同样适用于较高速率的数据传输, 传输不易受载波幅度和频率波动的影响, 具有较好的抗干扰能力。相比FSK, PSK对载波频带要求低, 也能达到较好的能量传输效率[32,33]。然而, PSK方案设计中往往需要锁相环等部件实现信号锁定, 电路较为复杂。Zhou M等[25]在PSK方式基础上进一步改进, 提出一种非相干DPSK技术, 适用于较大功率的双频传输。该技术利用数据载波相位变化编码, 通过二次采样方法实现DPSK解调, 可以在不需要锁相环和ADC的条件下完成高速度的数据传输。该方法能有效抵抗能量信号对数据信号的干扰, 保证双频系统中数据传输的准确性。

LSK又常被称为反射调制, 一般用于体内装置向体外的反向信息传输。该方法通过改变次级电路负载阻抗, 经耦合线圈将这种变化传回初级电路, 实现信息的反向传输。Tang Z等[31]设计了一种实现LSK的电路配置调制器, 分析了调制原理, 并验证了相关电路的有效性。Wang G[18]在一种具有双向数据传输能力的生物可植入假体设计中应用了类似原理。FSK、PSK及其衍生方式也常被用于反向数据传输[27,34]。

4 总结

视觉假体是视觉功能修复的重要手段。无线传输系统要为体内植入部分高效率大功率地供能, 利用容量有限的体外便携式电源维持尽可能长的续航时间;同时高速率地传输数据, 保证视觉假体工作的实时性要求。为了提高电刺激所诱发假体视觉的空间分辨率, 增强植入者的视觉感知能力, 仍需提高视觉假体装置体内植入的电极数目。而随着电极数目的增多, 体内装置的功耗和数据传输量也将大大增加。这是视觉假体经皮无线传输研究中有待解决的重要问题。

能量优化设计论文 篇6

目前,爆炸载荷作用下的RC构件设计主要采用基于位移控制的试算法,例如TM5[1]和ASCE[2].该方法虽然思路清晰,但需反复修正设计方案、重复进行动力分析,一般只能得出满足要求的可行设计,而无法得到优化方案.

受爆炸波影响,RC板(包括楼面、剪力墙等)既是爆炸载荷的受力面,又是结构破坏的薄弱环节.在动力响应过程中,它会向梁柱等杆件传递可能导致破坏的弯矩、扭矩、剪力和轴力,板的破坏还导致结构整体刚度急剧退化,诱发结构的连续破坏甚至坍塌[3];因此,在RC结构的抗爆设计中,尽可能选择传力明确的力学体系,RC板通常选择单向简支.极端情况下,RC单向简支板的破坏可以切断爆炸载荷的传力路径,成为保障结构整体安全的“保险丝”.

1 单自由度系统和双折线模型

1.1 单自由度系统

爆炸载荷作用时间一般只有几毫秒到几十毫秒,系统达到最大位移之前,阻尼影响很小.爆炸分析时,结构通常被简化为无阻尼单自由度系统(图1(a))[4],只关注一阶振型的最大位移,M为系统质量,K为系统刚度,P(t)为爆炸载荷,y(t)为爆炸载荷作用下构件跨中挠度.爆炸载荷可以为具有峰值压力P和作用时间td的三角形脉冲荷载[5](图1(b))

P为峰值压力kN;P=psoBL,pso为爆炸产生的超压峰值,kN/m2.根据文献[1,2]确定,B为板宽,单向板按单宽分析;L为板计算跨度.载荷-时间曲线下方的三角形面积定义为爆炸冲量[5]I=Ptd/2.

1.2 抗力-位移(R-y)曲线的双折线模型

RC受弯快速加载试验中的R-y曲线的宏观形状与静载试验的同类曲线十分相像[6],动力分析时采用图2双折线模型,Ry和Ru分别对应受拉钢筋屈服和构件极限破坏的抗力[1,2],对应的屈服位移和极限位移分别为yy和yu.

根据文献[1,2],Ry和Ru分别为

其中My为受拉钢筋屈服时的弯矩,Mu为构件破坏时的极限弯矩.构件在弹性阶段的刚度由下式确定[1,2]

式中,E为混凝土弹性模量,Ia为截面平均惯性矩,Ia=(Ig+Ic)/2,Ig和Ic分别为构件全截面惯性矩和开裂后惯性矩[6].图2中yu为对应于构件极限弯矩M(即抗力Ru)的极限位移,按下式计算

其中,χult为跨中截面达到极限弯矩时的曲率,Lh为对应的跨中塑性铰长度,根据文献[7]的建议取0.75倍的截面高度.

2 分层法计算抗力-位移曲线

动力分析需考虑材料非线性及应变率效应,静力计算的矩形等效简化方法不再适用,采用分层迭代法求解My,Mu和χult.限于篇幅,简要介绍分层法的计算要点.

截面被分为n层.假设:各层应变、应变率和应力为常量;应变及应变率呈线性分布,见图3(b),图3(c);不计混凝土拉应力.由应变分布确定每一层混凝土以及钢筋的应变,按材料非线性本构关系计算每层混凝土和钢筋的应力;根据应变率确定混凝土和钢筋的动力增长系数[8]首先通过迭代确定截面中和轴位置即受压区高度,然后计算每一层混凝土和钢筋对应中和轴的力矩,总和为对应的承载力.计算要点:(1)为保证计算精度,层厚一般不大于钢筋直径;(2)选择合适的收敛条件;(3)设中和轴位于第i层,确定钢筋和每一层混凝土应变、应变率和动应力放大系数,迭代至收敛;(4)迭代过程用Excel求解.

3 爆炸冲量与能量

将载荷-时间曲线与抗力-时间曲线放在一起,见图4,根据牛顿第二定律,质点任意时刻t的加速度a=[P(t)-R(t)]/Me,0≤t≤tm,Me=0.72M[1]为系统平均等效质量,积分得t时刻的速度v(t)和位移y(t)

由图4的载荷曲线和抗力曲线,分别有

将式(2)和(3)代入式(1),在0～tm内分段积分可导出系统的最大位移

ty为构件达到屈服yy位移的时间,tm为构件出现最大位移的时间.根据瞬时速度为零时结构位移最大的边界条件,重组方程(4),得

可以看出,上式左边是爆炸冲量对系统释放的动能(相对系统等效质量的动能),右边是图2抗力-位移曲线下方的面积,用E表示

即结构在爆炸响应过程中吸收的能量,这是本文优化设计的理论基础.

4 能量法优化设计

4.1 能量与最佳配筋率

与静载极限承载力相似,最大吸能随板的几何尺寸和配筋率而变化;区别在于最大吸能是承载力和极限变形的函数,并非承载力越高,吸收的能量就越多.例如:相同几何尺寸的RC板,随配筋量的增加,极限承载力增加的同时延性将下降,超过某种情况后曲线下方面积就可能下降,也就是说当配筋率超过某个特定的值,RC板的极限承载力增加,最大吸能却下降,该特定的配筋率定义为相应截面设计的最佳配筋率.

以跨度2000mmRC板为例,混凝土C30,钢筋HRB335,板厚100 mm,保护层10 mm,ρ'=0.25ρ,以抵抗动力响应中出现的反向变形.图5(a)为分层法计算的不同配筋率的抗力-位移曲线,图5(b)为最

4.2 跨度-板厚-最佳配筋率

采用分层法研究不同跨度RC单向简支板具有不同板厚设计的最佳配筋率.RC板材料为常用的C30和HRB335,板厚选择在跨度的1/35～1/10,受压区选择不同的配筋方式讨论,ρ'=0.25ρ和ρ'=0.5p,以抵抗动力响应中出现的反向变形.

图6为跨度2000～5000mm的RC板不同板厚设计的最佳配筋率曲线,无论是ρ'=0.25ρ还是ρ'=0.5ρ的设计,不同跨度的板,板厚大于250 mm,最佳配筋率完全相同(p'=0.5ρ)或基本相同(ρ'=0.25ρ);板厚小于250 mm时,ρ'=0.25ρ的最佳配筋率为0.5%～1.4%,p'=0.5ρ时最佳配筋率为0.7%～2.2%.尽管如此,仍然说明对于不同跨度的板,板厚对RC单向简支板的最大吸能影响显著.

4.3 最大吸能与板厚

研究不同跨度板具有不同板厚设计的最佳配筋率对应的最大吸能,可以进一步说明板厚对最大吸能的影响.相同跨度RC单向简支板随板厚的增加最大吸能成二次抛物线增长,见图7;因此,抗爆炸设计中,应尽可能增加RC板厚度.

当不同跨度的板具有相同板厚设计时,无论p'=0.25ρ还是ρ'=0.5ρ,对应最佳配筋率的最大吸能几乎相同;但是,相同超压峰值情况下,爆炸波对单宽RC板的爆炸冲量与跨度成正比,可以说相同板厚板的抗爆炸能力随跨度增加而下降.对于需要考虑抗爆设计的RC板,在满足使用的前提下,尽可能降低板跨.对图7(a)和7(b)进行回归分析得

其中,E为对应最佳配筋率的板的最大能量,kNmm;h为板厚,mm.

4.4 能量与爆炸冲量

方程(5)在爆炸冲量与板最大吸能E之间建立了一般关系,形成了爆炸载荷作用下RC单向简支板能量法优化设计的理论基础.将Me=0.72M[1]与式(6)代入式(5)

式(9)表示了爆炸冲量I与最大吸能E之间的临界状态(极限状态),设计中可以根据结构的重要程度,在爆炸冲量前乘以一个大于等于1的构件重要性系数形成爆炸冲量设计值.结合式(7)和(8),有

γ0≥1为RC板的重要性系数,根据需要拟定;ps0和td分别为爆炸波超压峰值和正作用时间,可根据文献[1,2]计算;γ为板的重度;系数α1,α2,α3,ρ'=0.25ρ设计时按方程(7)选取,ρ'=0.5ρ设计时按方程(8)选取.

4.5 优化设计

有了推导的方程和曲线,无需反复进行动力分析和验算,可以直接得出优化设计方案,基本步骤:

(1)选择材料参数,拟定RC板的构件重要性系数.文献[2]建议,考虑爆炸载荷的混凝土构件,混凝土强度不低于27.6MPa.研究选择C30和HRB335,具有较强的典型性和适用性.

(2)确定设计载荷.主要是确定ps0,td,按规范选取或根据可能的爆炸当量计算[1,2].

(3)根据方程(10)计算RC单向简支板抗爆炸所需要的厚度.

(4)根据板的跨度和计算所需的板厚,按照图6选择最佳配筋率.计算用钢量,选择布置钢筋并绘图.

5 结论

RC板R-y曲线下方面积是其最大变形时的总应变能,也是其爆炸响应中的最大吸能.不同设计方案,曲线下方面积越大越安全;相同材料和截面的设计,曲线下方面积越大越优化.采用分层法迭代计算RC单向简支板的R-y曲线,对比不同配筋率情况下RC板的R-y曲线下方面积,得出相应板厚的最佳配筋率.

相同板厚设计的RC单向简支板,抗爆炸能力随跨度的增加而下降.对于需要考虑抗爆设计的RC板,在满足使用的前提下,尽可能降低板跨.

爆炸载荷下的RC单向简支板的能量法优化设计.尽管只针对C30混凝土和HRB335钢筋,板跨度为2 000～5 000 mm,但是C30混凝土和HRB335是RC板的常用材料可以满足各种跨度和厚度RC板的设计要求,2 000～5 000 mm也是RC板的常用跨度.所以,本文结果不失应用一般性,具有应用价值.

参考文献

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直流配电网能量优化控制技术综述 篇7

21世纪以来, 随着电力电子技术瓶颈的不断突破, 柔性直流系统在公共配电领域以其固有的“直流”优势逐渐引起了国内外众多专家与学者的重视。Gregory F.Reed等学者通过一系列的文献调研与仿真研究[1,2,3,4], 指出直流配电系统是包含中压配电网和用户侧配电网的公共配电网络, 其中中压直流配电网作为高压输电网与低压配电网间的重要衔接环节, 具有广阔的应用前景。如文献[1]所述, 由于新能源发电、储能系统和电动汽车等技术主要以直流作为本地电能载体, 因此发展直流配电技术并利用其对于分布式新能源和储能系统的良好兼容性, 可以有效地减少换流站的建设成本与换流过程中的能量损耗[5], 进而促进能源的合理、经济利用。随着新能源渗透率的日渐提升, 可以预见, 直流配电网在减少传统发电对环境的影响等方面将有显著效果。

从目前用电负荷的发展来看, 随着信息化时代的到来, 与计算机相关的数据中心、计算中心、网络中心等直流负荷的广泛应用已经成为这个时代的标志[3,6,7], 文献[8]统计了美国目前的楼宇用电情况, 指出全美楼宇总用电量的30%在供上述设备使用前要经换流设备转换为直流, 并且该比重在未来的10~15年内将达到80%。由此, 当考虑换流过程的电能损耗以及换流设备的购置成本与空间价值时, 直流配电网在降低负荷用电成本方面具有明显的经济与效率优势[9]。

就直流系统线路本身的送电性能方面考虑, 文献[10]指出, 由于交流系统在电能传输时其无功功率存在自然损耗, 而有功功率则会在电缆金属护套中产生涡流, 因此在相同电压等级、电流密度条件下, 直流系统单位长度的线损仅为交流系统的15%~50%, 而当采用双极直流系统送电时, 其容量可达到交流系统的1.5倍[11];此外, 文献[12-13]对由锂电池、超级电容器组成的多类型储能系统以及光伏发电等特殊单元进行了仿真研究, 指出包含上述单元的直流系统可以为用户提供高质量的电能, 是未来电能质量研究的重要方向。除上述特性外, 通过对“San Francisco Bay”直流工程的研究, 文献[6]指出直流系统因其相较于交流的弱电磁场环境, 在对人口和工业密集的城市进行电能配电这方面具有明显的优势, 为直流配电网的发展提供了工程经验的支持。

近年来, 国内外越来越多的研究关注于中压直流配电网的未来发展[1,2,4,11,14,15,16,17], 但针对直流配电系统的能量优化管理和基于优化指令的换流接口协调控制等相关技术的研究仍有待进一步深入研究。本文将从以上问题出发, 综述国内外中压直流配电网相关技术的研究背景和最新研究进展, 提出该技术领域值得深入探究的发展方向。

1 直流配电网系统结构

文献[1, 4-5, 8]对未来中压直流配电网的并网电源与负荷进行了讨论和展望, 指出直流配电系统的设计应考虑可再生能源发电、储能设备应用、智能电网接入等新技术的融合, 并且充分利用直流系统高水平电能质量的供电优势, 以适应不同技术条件下的负荷用电需求。因此, 综合上述直流系统的特点与优势可知, 直流配电网在未来发展中将作为“嵌入式”网络为配电网内负荷密度较大区域或重要、敏感负荷提供电能, 其系统能量结构如图1所示。该系统在并网运行时以交 (直) 流输电网经换流 (变压) 接口后的直流输出作为配电网主要电源, 可以通过多个换流接口与其他交流配电网进行能量交互, 有包括风电、光伏发电等可再生新能源和柴油发电机、燃料电池等可控型分布式电源以及储能系统、电动汽车充 (换) 电站等电能存储单元接入, 同时考虑交 (直) 流敏感负荷和用户侧低压直流配电网等用电负荷的并网运行[4]。当输电网或其所接换流站发生短时故障而导致配电网系统脱网运行时, 为保证重要负荷供电的连续可靠, 直流配电网将对系统内部的分布式电源及储能单元进行能量优化管理, 增大电能输出并切除部分负荷及配电网互联接口, 以使系统具有一定的故障穿越能力。

基于图1所示的系统结构, 文献[2]对20kV中压直流配电系统进行了简化和初步仿真研究, 展示了基于中性点钳位5电平交流—直流换流器的直流系统运行输出波形;文献[4]在此基础上对电动汽车充电行为进行了仿真建模研究, 在系统中加入储能单元, 验证了直流配电系统对于电动汽车充电具有更高的效率。但是上述研究在控制指令确立时没有考虑系统的建设、运行维护等经济成本, 因此其实际应用价值仍有待进一步的验证;并且仿真系统中的负荷模型较为简单, 对于配电网负荷灵活多变的用电行为和并网单元间电能质量的交互影响等问题有待更为深入的研究。

此外, 如文献[1]所述, 实际的中压直流配电网作为连接高压与低压直流系统的中间网络, 应具有多个电压等级[18], 以满足不同电源的接入和负荷的用电需求。因此, 针对多电压等级直流配电网建立电压等级序列及评价体系, 为实现系统能量的优化管理, 从直流配电网新能源接纳能力、送电容量、供电距离 (半径) 和电气绝缘保护等可靠性方面以及新能源能量有效利用、方便其渗透率提升及减少运行控制中电力电子装备成本代价等经济性方面综合评估和建立多电压等级运行标准[17,19];在多电压等级配电网拓扑的基础上, 针对系统运行潮流及配电网电源、负荷的运行特点建立数学模型, 根据系统不同运行状态制定系统能量优化管理策略, 设计合理算法以得到各并网单元的能量优化控制指令;在得到系统能量优化控制指令后, 开展系统并网单元及各个换流器间的协调控制研究, 建立系统运行的电磁暂态仿真模型, 将是直流配电网未来发展的重要研究方向。

2 直流配电网能量优化管理

由于公共直流配电网运行状态多变且功能结构复杂, 除多端直流系统潮流和并网接口换流约束外, 在并网单元建模时还需从系统的角度考虑可再生能源的不确定性出力、储能系统的充放电行为以及负荷的随机性用电需求等运行约束, 因此如何在满足系统安全可靠运行的条件下, 设计合理的系统能量管理策略及调度算法, 优化各个接入单元的运行状态与控制指令, 实现有限资源的高效、可靠利用, 是直流配电网能量优化管理研究有待解决的核心技术难题[20]。

2.1 直流配电网潮流计算

总结国内外研究成果可知, 考虑换流过程的多端直流系统潮流计算研究主要存在以下3个问题: (1) 平衡节点选择; (2) 潮流方程求解; (3) 系统换流过程等效计算。其中换流过程的等效计算作为直流配电网潮流求解中一项特殊的重要步骤, 是该问题的研究难点。

由现有工程经验可知, 输电系统相较于分布式电源具有更大的容量和更好的稳定性, 因此仍将是未来直流配电网的主要电能来源[1]。而输电网的上述特点可以满足平衡节点保持母线电压恒定和灵活输出功率以补偿系统能量缺额的要求[21], 因此输电网侧换流输出将是平衡节点的首要选择[22]。但就目前的工程应用而言, 出于经济、安全以及建设周期等考虑, 现阶段普遍采用输电网电能经多个换流接口注入直流系统的方式[18], 此时相应换流站动态响应特性和备用容量就成为平衡节点选择的重要考量依据[21]。

对于系统潮流方程求解, 由于系统中光伏、风电等分布式电源以及储能设备的存在, 使得直流配电网具有潮流双向流动的发展需要。目前, 交替求解法与统一求解法是解决多端柔性直流系统潮流计算问题的2种较为成熟的方法[23,24], 前者可以有效地兼容已有的交流计算软件[25], 因此相比于后者在算法复杂度和计算资源占用等方面具有一定的优势;而后者相比于前者则在程序扩展性和计算收敛性等方面具有较为明显的优势。文献[26]基于交替求解法提出了典型的多端柔性直流系统潮流计算模型和数学求解方法[26], 该模型可以同时满足多个直流系统与交流系统的能量交互, 且直流网络拓扑结构不受限制, 故对于直流配电网的潮流计算研究将起到较好的借鉴作用。

在换流损耗方面, 文献[27]认为换流损耗在数学模型上可由常量与变量两部分表示[27]:前者可以等效为直流配电线路上的并联阻抗所造成的有功损耗, 在形成节点导纳矩阵时给予修正, 而后者则如文献[27-28]所述, 与交流侧电流平方成正比, 可等效为交流侧换流变压器的阻抗增量。该方法在直流配电网并网运行时可以较为准确地计算换流过程的能量损耗, 但在直流平衡节点处由于系统交互功率未知且损耗计算方式复杂, 故将大大增加潮流程序的计算量, 因此有待进一步改进和验证。文献[29]在此问题上引入交流侧串联电阻γpu以对交流侧损耗进行等效。该方法直接将交流侧电源出力或负荷用电与直流侧有功功率建立联系, 从而有效地解决了交流侧损耗的计算问题。

2.2 系统能量优化策略

现阶段, 直流系统能量优化管理策略中的算法模型主要由约束条件和优化目标两部分组成。前者要求管理策略在不同的运行条件下都能保证系统的稳定与安全, 并满足并网单元和重要设备的安全可靠运行要求;而后者则要求在满足约束条件的前提下, 针对问题特点对目标进行数学模型描述, 并选择有效的解决手段[30,31]以实现系统预定的目标最优化计算。

2.2.1 系统能量平衡策略

如前所述, 鉴于直流配电网在并网和脱网2种运行状态下由不同的电源、负荷组成, 所以该系统在不同能量平衡关系下应具有不同的运行约束及经济优化模式;此外, 由于直流配电系统中的可再生能源受自然条件影响其出力具有不确定性, 并且电动汽车并网和负荷用电也具有随机性, 故系统能量平衡状态将存在较为严重的波动, 这一波动在危害系统电能质量和运行安全的同时, 也相应增加了硬件设备的性能要求和建设成本[32,33]。因此, 如何合理有效地平抑系统能量平衡状态的波动, 建立不同能量平衡关系下的系统能量管理策略是直流配电网能量优化管理研究的首要问题。在系统能量平衡状态波动平抑方面, 鉴于光伏发电与风电存在自然的互补优势, 文献[34]在目标函数中引入能量波动惩罚因子, 实现风电、光伏发电出力最大化和可再生能源联合出力波动最小化目标的兼顾优化;但是, 该方法在日前层完成系统能量波动平抑调度, 而对于系统运行的实际干扰和突发情况无法做出反应, 因此, 其波动抑制的实际效果有待进一步验证, 可考虑与实时平抑方法相结合。文献[35]基于模型预测控制技术提出风电场功率波动平抑优化控制算法, 以较少的储能容量实现了系统的实时经济最优控制。但是, 该算法的预测时长仅为10s, 在该时段内风电波动较小, 故其优化作用不明显。因此, 如何在满足系统实时控制要求的前提下, 对优化细节做适当取舍并利用有限的计算资源实现较长时段的滚动优化, 以增强算法的优化效果是一个值得改进的研究问题。

当系统能量关系改变时, 文献[36]指出直流母线电压稳定是系统能量平衡和稳定运行的重要前提, 因此提出了考虑系统电压稳定的直流系统能量优化管理策略。该策略利用储能电池充放电运行对3种系统能量平衡关系下的直流系统进行优化控制, 并提出了在脱网重负荷或持续脱网情况下考虑母线电压稳定阈值的负荷切除策略, 最大限度减少负荷的切除量并满足重要负荷持续可靠安全用电要求。但是该模型没有考虑储能设备充放电损耗, 因此其优化结果的经济性有待进一步验证。出于系统运行成本的考虑, 文献[37]针对系统脱网运行状态, 考虑系统容量备用、负荷断电和储能设备充放电状态等多种运行约束, 计及储能系统充放电损耗成本并引入弃风惩罚因子和负荷断电补偿因子以总运行成本最小为目标, 建立系统能量优化管理策略;对比了相同额定容量下, 电池储能系统和电动汽车换电站在作为系统储能装置时的系统功率平衡效果, 证明了后者在可再生能源接纳能力和系统经济性提升等方面具有明显的优势。但是该研究模型没有考虑储能设备的容量成本, 其“满充满放”管理机制使得储能设备的利用率较低, 并且对于优化过程中的储能容量选取缺少科学有效的论证, 因此有待进一步完善。

2.2.2 多时间尺度能量管理

由于能量优化管理问题同时包含了分布式电源机组组合、储能系统运行计划和系统能量实时管理等诸多方面, 因此仅考虑系统单一时间尺度下的不同能量平衡关系仍较难保证其经济性最优运行。因此, 近年来基于多时间尺度的系统能量优化管理研究受到越来越多的关注。从现有研究结果不难发现, 多时间尺度系统能量优化管理问题主要包括日前计划、实时调度2个阶段[20,38]。

在日前计划阶段, 可再生能源发电预测和系统负荷预测是2项尤为重要的研究内容, 直接关系到系统发电成本、电源备用容量和储能系统运行计划等经济指标[39]。目前较为成熟的预测方法可大致分为功率曲线预测和建模预测2类;而后者因其对实际变化的快速响应能力在近年来得到更多的关注与应用, 其建模类型主要包括以下3种[40], 即物理建模、信息统计建模和学习型建模[41,42,43,44], 如表1所示。

文献[20]基于日前预测所得数据, 提出多时间尺度能量优化管理策略, 利用调度中心指令优化与本地控制优化相结合的方法, 有效地解决了日前计划与实时功率平衡的协调优化问题;该模型考虑了储能电池充放电损耗的经济性, 将储能电池每天一次充放循环作为优化目标, 以期提高电池使用寿命, 降低系统运行维护成本。然而, 该模型对储能充放电深度的设定缺少科学论证, 并且模型中经预测所得结果与实际系统运行状态必然存在一定的误差, 因此相应修正策略将会增加程序的计算压力和复杂程度。鉴于此, 文献[9]提出一种基于系统数据及电力市场信息的实时优化控制策略, 以电动汽车作为储能单元参与系统的功率平衡与控制。针对电动汽车运营策略, 提出一种计及充电费用和电池损耗的充放电盈利模式。该策略可以根据系统实时电价等信息得出当前系统的最优决策, 对缺少历史运行数据的新系统具有良好的适应性, 并且对系统实时调度层的电动汽车管理策略有较好的借鉴作用。但是由于经济模型中的“放电回报系数”很大程度上决定了电动汽车的积极性以及配电网的经济收益, 所以如何对该参数进行合理选取将是该运营策略成功的关键, 有待进一步研究。

在系统不同能量平衡关系的多时间尺度优化研究方面, 文献[38]针对并网、脱网2种运行状态提出具有日前计划和实时调度双层优化结构的多时间尺度能量管理策略;通过计算日前层储能备用容量以补偿日前计划中可再生能源发电和负荷用电的预测误差, 并且在并网和脱网不同情况下采用不同优化目标, 从而实现系统能量优化管理。但是该算法仅根据可再生能源的预测容量确定日前层储能备用, 势必将造成储能资源的浪费, 因此如何根据系统实时运行情况对储能备用进行短时优化调整以减少储能容量需求是一个值得进一步研究的问题。此外, 由于该策略中调度层指令间隔是分钟级, 无法满足系统波动平抑要求, 因此在现有基础上添加更短时间尺度下的系统能量波动平抑控制层, 实现3层协调优化是本研究值得进一步深入的方向。

3 优化指令协调控制

直流配电网能量优化与控制技术是一个系统层面的控制问题, 其能量优化计算结果作为上层调度指令下达至下层的换流控制器。因此, 如何在系统能量优化控制的框架下, 根据上层优化指令, 克服实际运行时的突发干扰和系统并网负荷及可再生能源的用电、出力波动, 实现下层换流器之间的协调稳定快速响应, 是直流配电网能量优化控制研究中的又一重要内容。

文献[45]对多馈入直流系统的协调控制层次结构进行了讨论, 并对基本协调控制的实现方式进行了介绍。文献[46]在舰船中压直流配电系统中考虑系统出现故障后潮流变化对其余工作设备的冲击和危害, 提出电压敏感特性算法, 以优化换流器电压和功率指令值。在母线电压稳定控制方面, 根据网络规模及系统通信条件的不同, 目前换流接口间的基本协调控制模式主要包括电压下垂控制和主从控制2种, 二者的优缺点比较如表2所示[21,25,47]。文献[21, 24]认为主从控制策略的核心是主换流器对系统功率的补偿以维持母线电压的稳定。因此, 这种策略过分依赖主换流器的性能和容量, 将对换流器的选址定容设计提出诸多限制和要求。

国内外研究结果表明[21,48], 协调控制中电压下垂特性的实现可以从程序控制和控制器仿真建模2个层面进行考虑。前者在潮流计算过程中引入下垂参考值, 而后者则在控制器中引入独立的指令修正环节或是带有下垂等效电阻的反馈环节以协调控制多个换流器, 从而满足系统能量需求。

3.1 潮流控制

文献[21]对基于电压下垂协调控制的多个换流站所组成的直流系统进行了潮流研究;考虑部分换流站故障情况下的协调运行, 在交替求解法的框架下对潮流算法进行了理论模型的分析和改进, 模型以MATPOWER[49]潮流仿真为基础, 引入下垂参考量后, 可以在线设定系统换流站的电压下垂指令值, 以达到更多电源参与系统功率平衡调节的目的。但该模型没有考虑换流器的实际容量限制, 认为换流器的电压下垂控制曲线始终保持线性, 该假设在母线电压波动较大时会造成系统换流站的越限运行[47], 故其模拟结果可信度低, 不能对实际问题有良好的指导作用。此外, 虽考虑了换流损耗, 但在换流过程中该模型将换流响应延迟、通信时间延迟以及换流误差等问题理想化, 不考虑母线上的电压偏差, 因此对于换流响应的实现, 还有待进一步的完善。针对上述稳定问题, 文献[50]提出换流器的稳定运行域概念, 在计算换流器损耗的同时, 检验系统状态变量是否满足换流器容量安全约束, 以保证换流器运行的安全性。

3.2 控制器仿真建模

在控制器仿真建模方面, 文献[29]考虑了换流器的通信延迟、直流母线能量损耗、换流损耗以及反馈信息选取对于换流站电压控制和功率输出的影响, 在PSCAD仿真平台上建立了基于电压下垂特性的精确协调控制模型 (如图2所示) , 得到了预想的换流电压和功率输出响应波形。但该模型仍存在电压跌落越限的问题, 当实际系统受到较大扰动或者负荷增加过大时将导致系统电压跌落超过允许范围, 因此仍有待进一步解决。图2中:PI表示比例—积分控制器。

针对上述问题, 文献[51]提出“二次调节”的控制策略, 在电压下垂控制的基础上引入指令值二次修正环节, 如图3所示。图中:PWM表示脉宽调制。该环节在检测到换流器出口母线电压跌落时将根据跌落值自动调整控制指令值, 将各控制器的下垂特性曲线整体上移, 从而在换流器容量允许范围内恢复系统母线电压, 并维持其稳定。此外, 不同于文献[29]中的“独立计算环节”, 该模型在计算下垂修正量时引入了带有下垂等效电阻的反馈控制环节, 使得控制器模型设计更为简单紧凑。

当配电系统通信条件有限时, 调度指令与换流站实际运行状态间存在较大延时, 此时在本地控制器层面引入下垂协调控制具有较为明显的优势, 可以自动满足通信滞后期间系统的功率平衡需求。并且, 由于下垂系数的取值对协调控制效果具有很大的影响[36], 因此在程序设计层面优化选取下垂控制参数具有一定的研究意义。

4 结语

直流配电网的能量优化控制是一个有待解决的复杂问题。从现有文献可知, 直流配电网的特殊性除直流潮流约束外, 主要体现在换流器的使用、控制方面, 其输出约束、损耗计算和调节裕量等问题需要在研究中加以特殊考虑。与此同时, 虽然直流配电网的系统能量优化管理策略存在特殊性, 但仍可借鉴交流系统中较为成熟的优化模型和优化方法, 并考虑上述特殊性对其进行改进和验证, 以适应直流配电网的运行特点和技术要求。本文对国内外关于直流配电网能量优化控制问题的研究进展和重要研究成果进行了综述, 提出如下的研究方向以供参考。

1) 直流配电网能量优化管理策略研究。研究多时间尺度直流配电网能量优化策略, 考虑可再生能源出力、电动汽车充放电等行为的随机性与波动性, 综合利用储能系统对直流配电网能量进行优化;研究引入直流配电系统后对原有交流配电网的影响, 考虑分布式电源出力与负荷用电的不确定性, 对交直流系统随机潮流进行研究;并在此基础上建立系统网损、储能充放电损耗等用电成本经济模型, 对系统能量进行优化管理。

2) 直流配电网实时控制方法研究。研究可再生能源发电、储能系统和电动汽车充电站等特殊单元并网对直流配电系统暂态运行的影响, 改进多换流接口间的直流侧电压稳定协调控制方法;此外, 优化下垂特性参数, 兼顾其功率调节性能与系统的稳定性, 也是直流配电系统实时控制研究中的一项重要内容。

3) 稳态分析与暂态仿真相结合的系统分析研究。结合系统能量优化管理策略和实时控制方法, 建立稳态分析与暂态仿真的平台接口, 将优化结果作为暂态仿真中的控制指令, 将仿真结果作为稳态分析中的系统状态, 对直流配电系统进行分析, 实现实时仿真优化。

可以预见, 直流配电系统的建立必将大大提高配电系统的能量利用效率, 最大程度地实现资源的合理利用, 并且降低对环境的影响, 从而优化配电网能量结构, 进而从根本上改变目前电力市场的经济运行模式。

摘要：随着化石能源的日益枯竭, 风电、光伏发电等可再生能源、储能系统、电动汽车等新技术逐渐得到人们的重视。但它们在并网时会产生不可避免的换流损耗, 而直流配电网在降低新能源换流成本、提高其能量利用率等方面具有较为明显的优势, 且通过对换流器运行指令的合理有效设计, 可以实现直流配电网的安全、经济、高效运行。文中首先介绍了直流配电网的特点与优势, 并对其系统结构进行了简要说明;然后对直流配电网能量优化管理技术以及基于优化指令的换流接口协调控制技术的最新研究进展进行了综述;最后讨论了仍有待进一步改进和完善的相关研究方向。

能量优化设计论文 篇8

关键词：MBCR协议,网络功耗,网络分割,节点剩余能量

1 引言

无线传感器网络是节点以自组织方式组成的无线网络,在军事、工业、医疗和民用领域都有着广泛的应用前景。ZigBee通信技术具有低功耗、低复杂度、低速率和低成本等特点,逐渐地成为了无线传感器网络的首选网络协议。

ZigBee网络节点是依靠电池提供能量的,由于ZigBee节点体积小,而电池的寿命十分有限。当无线传感器网络中某些ZigBee节点电池电量耗完,节点将无法参与工作,容易导致网络分割,可能使其他节点无法正常通信,从而整个ZigBee网络性能下降甚至瘫痪。在实际应用中无线传感器网络一般部署在环境复杂的地区中,大部分ZigBee节点随机播撒,当节点电池能量不足时,及时更换电池是不可能的。降低网络功耗和均衡网络能量是网络控制中的一对矛盾,而目前的相关能量有效路由协议也只是从单方面因素考虑节能路由,并没有把两者有效地结合起来。因此,降低网络功耗和延长网络寿命是无线传感器网络的重要目标。下文在分析现有算法的基础上,提出了将节点划分区域,数据分组RREQ中增加一个标志位的方案。

2 相关路由协议

在目前的路由算法中,关于能量消耗控制的路由协议有通信状态下和空闲状态下两大类,其中通信状态下的能量路由协议又分为两类:最小化传输能量路由和能量平均消耗的路由。其中最小化传输能量路由代表性协议有MTP、PARO、COMPOW,该类路由具有网络耗能小的优势,但是个别节点电池易耗尽,容易引起网络分割。能量平均消耗的路由代表性协议有LEAR、DDSR、MBCR、MMBCR,该类路由一定程度上避免能量较低的节点,缓解网络分割问题,但是有关网络能量均衡的考虑并不周全。

能量均衡消耗的路由协议尽量让网络中所有节点平均消耗能量,从而达到延长节点寿命和缓解网络分割的目的。下面介绍相关的能量有效路由协议:MBCR路由协议和MMBCR路由协议。

2.1 MBCR(最小电池开销)路由协议

它的主要思想是选择源节点和目的节点之间路径中总的剩余能量最多的路由。如果剩余能量一样多,选择转发数据次数最少的路由。

假设节点电池剩余能量为e,f(e)为节点剩余能量的开销函数,将其定义为:f(e)=1/e,由此看出,节点的剩余能量越大,开销函数越小,该节点就更容易参与数据转发。假设源节点与目的节点之间路径为j=n0...nd,其中n0是源节点,nd是目的节点,路径中电池开销定义为:路由选择路径中电池总的开销最小路径m,即Cm=min{Cj|jA},其中A是源节点和目的节点之间所有可能路径的集合。

2.2 MMBCR(最小最大电池开销)路由协议

MMBCR是对MBCR路由协议的改进,与MBCR不同的是,它选择的路径是路径中的节点最大总的剩余能量最多的路由。它的电池开销重新定义为:Cj=max f(e),MMBCR选择路径中电池开销最小的路径m,即:Cm=min{Cj|j∈A}。MMBCR仍把节点的电池剩余能量作为选择路由的标准,和MBCR路由比较,更能使节点更多参与数据分组的转发,但同时也带来网络消耗大的问题。

MBCR、MMBCR路由在一定程度上防止了低能量节点的使用,但是由于只考虑了剩余能量的总和,所选的路径中也有可能包含低能量节点,这样更加快了低能量节点的使用,使网络分割更严重化。同时为了选择一种最佳的路由,能量低的节点也会参与分组请求的转发,在某种程度上又消耗了节点的能量。而MMBCR路由只是针对MBCR路由低能量节点的改进,为了全面地考虑网络功耗与节点剩余能量平衡,文中以MBCR路由为基础进行改进。

3 能量路由协议的改进

改进的算法主要从两方面进行:(1)低能量节点的控制(2)在传输方向上对路由进行控制。

3.1 低能量节点控制

为了使低能量节点有效地使用,将节点划分为两个区域:安全区和危险区。

安全区:如果节点当前剩余能量大于它初始能量的20%,它就位于安全区。

危险区:如果节点当前能量小于初始能量的20%,节点位于危险区。

位于安全区的节点剩余能量充足,选择路由时只考虑跳数。位于危险区的节点向它的父节点请求重新分配地址,不再具有路由功能,邻节点尽量避免危险区的节点参与数据转发。

定义路径经过节点n1...nd的路径总开销为C=,并且危险区的节点消耗能量大于安全区节点的消耗能量,Csafty

3.2 在传输方向上对路由进行控制

数据分组进行转发时,节点收到RREQ分组后,先判断自己是不是目的节点,如果自己不是目的节点,向周围所有的邻居节点转发此RREQ。如果某节点确定目的节点是自己的子节点,而该父节点仍转发该分组,造成一种资源浪费;如果某节点确定目的节点不是自己的子节点,而该父节点仍然向所有的子节点进行转发,也会使增加网络功耗。

给请求分组RREQ中增加一个标志位,此标志位用来记录RREQ的节点与本地节点的关系。规定标志位中的‘1’表示RREQ的节点与本地节点是父节点与子节点关系,标志位中的‘0’表示RREQ的节点与本地节点是非父节点与子节点关系,在转发RREQ之前,根据此标志来判断是将RREQ分组转发给其父节点还是子节点,以减少资源的浪费。

4 实验与分析

利用NS2作为模拟平台,比较MBCR协议、MMBCR协议和改进后的协议在单位时间内低能量节点耗尽的个数,以此证明改进后的协议能够有效地防止低能量节点的过度使用。

此仿真实验,由测试人员自定义节点的初始能量、传输RREP所需的能量和接收RREP所需的能量及其相关的初始值。

此次实验仿真时间为800s,发包速率为1.5 packet/s。节点初始能量为10J,节点发送功率为0.5w,接收功率为0.2w。Csafty=1,Cdanger=8,这样在危险区和安全区的开销对比明显,保证路由选择时尽量避免低能量电池。

仿真结果如图1所示,纵坐标为耗尽能量节点的个数,仿真中每隔100s记录一次。蓝色代表MBCR路由,绿色代表MMBCR路由,红色代表改进后的路由。

通过图1仿真结果,可以发现在300s左右MBCR出现了第一个能量耗尽的节点,而MMBCR路由和改进后的协议在第400s时才出现,在800s的仿真时间内,。MBCR路由低能量节点的电池耗尽最快,,而MMBCR路由适当减少了低能量节点的使用,MBCR和MMBCR路由中枢纽节点容易耗尽,较容易引起网络分割,改进后的协议由于将安全区和危险区的节点进行划分,在路由选择时尽量避免低能量区域的节点,使低能量节点得到有效的使用,从而达到了全网的能量均衡消耗,延迟了网络分割的时间。

在测试网络功耗问题时,选择40个FFD节点,此类节点都具备路由功能,节点的能量初始值设置为500J,保证节点的电池能量足够。仿真过程中假设节点的发射半径不受节点自身能量影响。发送数据包的耗能为发送RREQ分组耗能的2倍,其他的耗能暂记为0,实验中选择部分节点向其他节点发送数据,收集800s内三类路由功耗的数据。

仿真结果如图2所示,纵坐标为在选择路由时网络中所消耗的功能,仿真每隔100s记录一次。其中蓝色代表MBCR路由,绿色代表MMBCR路由,红色代表改进后的路由。

通过图2仿真结果,可以发现在前300s左右MBCR路由中网络功耗要低于MMBCR路由中的网络功耗,这是因为MMBCR算法相对MBCR算法需要寻找最优路径,因此在在转发分组RREQ中更加浪费了资源,但是路径建立以后,节点的耗能得到一定的控制。而改进后的路由从仿真刚开始时,就以最低的网络功耗传输数据,降低了网络功耗。

5 结语

目前,一些和能量有关的算法只考虑了剩余能量的总和,没有考虑到个别低能量节点仍然过度使用。本文提出将节点划分区域和在传输方向上对路由的控制,其核心思想是在解决能耗不均衡问题上采取了较主动的方法,同时降低了网络功耗,充分考虑了节点剩余能量和路径中消耗的总能量,进一步提高网络的整体生存周期。在以后的工作中会进一步研究关于节点的能耗问题和网络功耗的矛盾问题,在算法中引入“工作/休眠”交换的策略,进一步节省节点能量消耗。

参考文献

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能量优化设计论文 篇9

所谓优化计算是求解满足一定条件下目标函数极小值的计算。组合优化是通过数学方法去寻找离散事件的最优编排、分组、次序和筛选等。由于在某些情况下,约束条件过于复杂,加上变量维数较多等诸多原因,一些复杂的优化问题用传统的运筹学方法很难找到最优解,而神经网络本身具有很强的自适应性、鲁棒性和非线性复杂问题的搜索能力,在解决这些问题上有很大的优势。Hopfield神经网络是人工神经网络的一种模型,在优化计算、联想记忆、模式识别和图像恢复等许多领域有着广泛的应用。

Hopfield能量函数是一个反映了多维神经元整体状态的标量函数,而且可以用简单的电路形成人工神经网络,它们互联形成了并联计算的机制。当各参数设计合理时,由电路组成的系统状态,可以随时间的变化,最终收敛到渐进稳定点上,并在这些稳定点上使能量函数达到极小值。以此为基础,可以人为地设计出与人工神经网络相对应的电路中的参数,把优化问题中的目标函数、约束函数、约束条件与Hopfield能量函数联系起来。这样,当电路运行后达到的平衡点,就是能量函数的极小点,其系统状态满足了约束条件下的目标函数的极小值,在此方式下,利用人工神经网络来解决优化问题。由于人工神经网络是并行计算的,其计算量不随维数的增加而发生指数性的增长,因而特别适用于解决规模较大的优化问题。

2 Hopfield网络能量函数

Hopfield在80年代初提出了一个对单层反馈动态网络的稳定性判别的函数,这个函数有明确的物理意义,是建立在能量基础上的,同Lyapunov函数一样,Hopfield认为在系统的运动过程中,其内部存储的能量随着时间的增加而逐渐减少,当运动到平衡状态时,系统的能量耗尽或变得最小,那么系统自然将在此平衡状态处渐进稳定,即有。因此,若能找到一个可以完全描述上述过程的能量函数,那么系统的稳定性问题就可解决。

对于连续反馈网络的电路实现,其状态方程组为:

当系统达到稳定输出时,Hopfield能量函数定义为:

2.1 能量函数设计的一般方法

所以梯度下降法可以确保E总是下降,直到抵达某一局部最小。在用Hopfield能量函数求解优化问题时,首先应把要求解的问题转化为目标函数和约束条件,然后构造出能量函数,并利用条件式求出能量函数中的参数,由此得到人工神经网络的连接权值。

2.2 能量函数设计的具体步骤

应用Hopfield神经网络来解决优化计算问题时,能量函数设计的具体步骤为:

(1)根据要求的目标函数,写出能量函数的第一项f(u);

(2)根据约束条件g(u)=0,写出惩罚函数,使其在满足约束条件时为最小,作为能量函数的第二项;为了使设计出的优化结果能够在电路中得以实现,加上一项

(3)根据能量函数E求出状态方程,并使式(4)成立;

(4)根据条件与参数之间的关系,求出wij和bi,

(5)求出对应的电路参数,并进行模拟电路的实现,或在计算机上进行仿真。

2.3 网络稳定性分析

Hopfield在反馈神经网络中引入了"能量函数",使神经网络运行稳定性的判定有了可靠的依据。所谓网络是稳定的是指网络从任何地方出发的解均收敛到网络的平衡态集合中的某个点。Hopfield网络的能量函数与通常的Lyapunov函数用于判别系统稳定性是有区别的,文献[1-5]对此作了许多研究,对如何完善能量函数的方法有着重要意义。

考虑由微分方程

证明:必要性,若网络是稳定的,则其平衡态集合非空,且网络的每一个解均收敛到平衡态集合中的点。于是,网络的每一解均是有界的。

用上面的结论可以严格证明Hopfield神经网络的稳定性。

定理2,若连接权系数矩阵T是对称的,则网络

(其中i=1,2,...n)是稳定的。

证明:首先证明网络的一切解有界,由式(6)有

其中i=1,2,...n。构造Hopfield能量函数

3 网络平衡态与能量函数极小点

下面定理给出网络的平衡态为能量函数局部极小点的条件。

当神经网络用于优化计算时,最为重要的是能量函数的全局最小点。

4 结论

本文针对神经网络解决优化计算中难于构造能量函数的问题,总结了构造能量函数的一般方法,给出了应用能量函数判别神经网络稳定的一个严格的准则并讨论了网络平衡态是否对应能量函数极小点的问题。严格证明了Hopfield网络的稳定性,文中的结论为神经网络的设计和应用提供了一定的理论基础。

摘要：Hopfield神经网络是求解组合优化问题的一种有效方法。将所求问题转化为能量函数是神经网络求解组合优化问题的难点。针对此问题给出了能量函数设计的一般方法和步骤,证明了网络稳定的充分必要条件是网络的解有界。讨论了网络的平衡态与能量函数的极小点的关系,进一步完善了能量函数的方法。作为应用,严格证明了Hopfield神经网络的收敛性,所获结果不仅推广了一些已有的结论,而且为该网络的应用提供了一定的理论基础。

关键词：Hopfield神经网络,能量函数,稳定性,收敛性

参考文献

[1]马润年,张强,许进.离散Hopfield神经网络的稳定性研究[J].电子学报,2002,30(7):1089-1091.

[2]朱培勇,孙世新.Hopfield网络的全局指数稳定性[J].控制理论与应用,2006,23(2):302-305.

[3]Cao Jinde.Global exponential stability of Hopfield neural networks[J].Int J of Systems Science,2001,32(2):233-236.

[4]雷杜平,阮本清,解建仓.离散Hopfield神经网络稳定性分析[J].计算机工程,2003,29(21):139-167.