运动可控（精选7篇）
运动可控 篇1
摘要：以两自由度可控闭链机构系统为研究对象,对此类机构的运动进行了分析,研究了机构在其运动空间内给定轨迹的实现方法,并以此类机构在工程机械中的应用为实例,给出了此类机构系统运动实施的协调运动控制硬件架构原理,为此类机构的运动控制软件架构提供基础。研究结果对此类机构的动力学分析、振动控制及其在工程中的推广应用具有实际意义。
关键词：两自由度,可控闭链机构,运动分析,硬件架构
0 引言
多自由度可控闭链机构由多自由度连杆机构和多个数控伺服电机组成,其输出运动由多个原动件共同决定,此类机构能使工作机械达到性能优良、输出柔性、机电融合的先进水平,满足许多实际应用场合的需求,在需要实现变行程、变摆角、变轨迹等输出运动的场合具有较好的应用前景。20世纪90年代以来,国内外许多学者对此类可控机构的运动分析与综合开展了研究,并取得了可喜的成果[1,2,3,4,5,6,7]。此类机构在给定条件下又可形成变胞机构,具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征,可以根据功能需求或环境等的变化,在运动中改变构态,进行自我重组或重构,使其适应不同任务,灵活应用于不同场合,在航空航天、工程机械、码垛机器人等领域都具有较好应用前景[8]。
此类机构的动力性能也比开式运动链形式的传统机械手优越得多,其驱动电机可以安装在机架上,避免了机械手的每一连杆的驱动装置大都安装在其铰链处,导致刚性差、惯量大的问题。在工程实际应用中,其运动的实现是这类机构能否在工程领域得到广泛应用的关键问题之一。本文以两自由度可控闭链机构系统为研究对象,对机构的运动进行了分析,进而研究了机构实现给定轨迹时电机的控制参数及机构运动实施的协调控制方法。
1 机构运动分析
两自由度可控闭链机构系统简图见图1。
1.伺服电机2 2.曲柄 3.连杆 4.连杆 5.曲柄 6.伺服电机1 7.机架
如图2所示,ABCDE组成一个闭链五杆机构,杆AB和DE为驱动杆。各杆的长度分别为L1、L2、L3、L4,β1、β2、β3和β4分别为各连杆的角位移,并假设
则
根据机构的几何关系可得:
当
当
可知
2 运动实现
图3为两自由度机构运动空间示意图。通过调控伺服电机的运动参数,理论上可以实现五杆机构任意执行点在其可行域内的任意轨迹输出。如果已知一连杆上任意一点的运动轨迹,则该连杆及与该连杆刚性连接的部件上各个点的运动轨迹便可以由刚体运动学知识推导得出。
为便于推广,选择两连杆铰链结合处的公共点为执行点,以实现给定圆轨迹为例[9]。在图1所示的坐标系中,使曲柄L4实现定速旋转运动,点C实现圆轨迹输出,根据两自由度机构可动性条件[10],选择2L1=L2=L3=8L4/3=L5,并设轨迹圆的圆心位置坐标为(x0,y0),半径为r,令
根据算例中各杆件的长度和几何关系可知,此圆轨迹曲线在执行点的可行域内,可以实现。设执行点圆轨迹曲线的参数方程为
式中,t为时间;ω2为伺服电机2旋转角速度。
调节机构的运动初始位置,使杆1和杆2的中间铰链在执行点与杆5右端固定铰链连线的右侧,并以此几何关系为准进行推导,可得
式中,β1为曲柄1的角位移,即伺服电机转子转角。
伺服电机采用幅值控制方式,因为交流伺服电机的机械特性和调节特性均为非线性,使得其控制时的传递函数的获得十分复杂,也大大降低了这种形式传递函数的实用价值,因此,本文只考虑电机的机械过渡过程,略去电气过渡过程,由电机学知识[11]可知
式中,Te*为电磁转矩标么值;Te为伺服电机电磁转矩;Tm为伺服电机的起动转矩;ae为伺服电机有效信号系数;ns为伺服电机同步转速;n为伺服电机转子工作过程中的实际转速。
由式(1)可得
则伺服电机伺服控制时的实际控制电压为
式中,Ukn为额定控制电压。
3 运动控制硬件架构
图1所示的两自由度可控闭链机构的机械结构为多关节平面连杆机构,点C为其输出点,将此机构应用于电动式挖掘机创新设计,可产生一类新型的机械式挖掘机[12](样机见图4),其驱动电源既可采用现行主要机械式挖掘机的方式(即由拖曳电缆供电的方式),也可采用柴油机驱动发电机供电来驱动各部位的电动机。这种新一代的机械式挖掘机具有机械式挖掘机和液压挖掘机的共同优点,又可克服两者的不足[13]。
为实现挖斗平面任意轨迹(直线和圆弧插补或拟合)运动,须同步协调负载(力矩)的变化,通过其末端运动轨迹,分解到各个关节运动轨迹,实现电机协调运动。为此,对图1所示的两自由度可控闭链机构系统给出双伺服电机协调控制硬件架构原理图,如图5所示。
由于在实际工作过程中,挖掘机存在负载多变等特点,结合多自由度连杆机构末端运动要求多伺服电机具有运动协调性,在运动系统控制算法中引入状态变量控制器、交叉耦合控制器和负载转矩控制器,以实现挖掘机挖斗的运动轨迹。基于双伺服电机协调运动控制原理图见图6。
4 结语
多自由度可控闭链机构由多自由度连杆机构和多个数控伺服电机组成,其输出运动由多个原动件共同决定,是多自变量的函数,而各自变量,即伺服电机的角位移或转速由计算机所控制。因此,通过编制适当的计算机控制程序就可在机构运动空间内方便地实现任意运动规律,具有较好的柔性输出。在工程实际应用中,其运动的实现是这类机构在工程领域得到广泛的应用的关键问题之一。本文以两自由度可控闭链机构系统为研究对象,对此类机构的运动进行了分析,分析了机构在其运动空间内给定轨迹的实现方法,并以此类机构在工程机械中的应用为实例,给出了此类机构系统运动实施的协调运动控制硬件架构原理,为此类机构的运动控制软件架构提供基础。研究结果对此类机构的动力学、振动控制及此类机构在工程中的推广应用具有实际意义。
大脑可控的仿生手臂 篇2
过去如果你想看仿生肢体如何运转, 可以参考20世纪70年代的科幻片或星球大战的电影, 而现在这些幻想的场景已经脱离影屏变成了现实。
一位年轻女性在一次摩托车交通事故中丢失了一只胳膊。在科学家的帮助下, 一只电动机械手臂可以帮助她做正常人能做的任何事情, 剥水果, 甚至洗碗洗盘子。可能最好的状况是, 她只要考虑想做什么事情, 就真的能够做到。
医生把她过去控制手臂的神经末梢移到了胸部位置, 通过电极收集这些神经的微弱电子信号, 把信号传送到微型计算机处理器上, 计算机再把指令转化成控制仿生手臂的电动马达的信号。当她想拿起厨房桌子上的苹果时, 大脑发出了指令, 她的胳膊、手和手指就会完成这个动作。
可控动感音乐按钮的制作 篇3
运行Flash动画制作软件, 执行“文件”|“新建”命令, 新建一个影片文档。背景颜色设为“黑色”, 其他取默认值。
步骤2:播放按钮的制作
单击工具箱中“矩形工具”, 并设置笔触颜色为无, 填充色为“白色”, 绘制一个大小为“20×5”像素的无边框矩形。
按住“Ctrl”键, 用鼠标左键拖动白色矩形, 复制出5个白色矩形。单击工具箱中“选择工具”, 用鼠标左键拖动出一个矩形框, 框选前面得到6个白色矩形。在右侧对齐工具栏中, 单击“左对齐”按钮, 使6个白色矩形的左边对齐。用方向键调整上下两端的矩形的距离至合适位置, 再次框选这6个白色矩形, 单击“垂直平均间隔”按钮, 使6个白色矩形均匀排列。
用“选择工具”框选住6个白色矩形后, 用鼠标左键向右拖动两次再复制出两组矩形。用对齐工具使3组矩形水平均匀排列。如图1所示。
用“选择工具”框选住3组白色矩形后, 按“F8”将其转换为影片剪辑元件。双击该影片剪辑元件的实例, 进入影片剪辑元件的编辑环境。在它的时间轴上第2帧到第10帧, 按“F6”插入关键帧。从上向下分别删除第2帧到第10帧中的一些白色矩形, 使得每一帧都不相同。这样就制作一个共10帧的帧帧动画。
按时间轴上的场景1按钮, 返回到主场景。右键单击影片剪辑元件实例, 选择“转换为元件”命令, 将其转换为按钮元件。双击得到按钮元件的实例, 进入按钮元件的编辑环境。单击“按下”帧, 按“F5”键延伸帧。单击“点击”帧, 按“F7”插入空白关键帧。单击时间轴窗口下方的“绘图纸外观”按钮, 使得在“点击”帧也可隐隐约约看到前面三帧上的图形的轮廓。在“点击”帧, 用“矩形工具”绘制一个无边框矩形覆盖住前面图形的轮廓, 作为按钮点击的响应区域。
步骤3:暂停按钮的制作
选择主场景中的播放按钮实例, 按“Delete”按钮, 删除场景中的播放按钮实例。双击右边库中帧帧动画元件, 框选住最下一行的三个白色矩形, 按“Ctrl+C”复制这三个白色矩形。
按时间轴上的场景1按钮, 返回到主场景。按“Ctrl+V”将复制的三个白色矩形粘贴到场景中间。按“F8”将这三个白色矩形转换为影片剪辑元件。再按“F8”将影片剪辑元件转换为按钮元件。
双击按钮元件的实例, 进入按钮元件的编辑环境。单击“按下”帧, 按“F5”键延伸帧。单击“点击”帧, 按“F7”插入空白关键帧。单击时间轴窗口下方的“绘图纸外观”按钮, 使得在“点击”帧也可隐隐约约看到前面三帧上的图形的轮廓。在“点击”帧, 用“矩形工具”绘制一个与播放按钮的点击帧相同大小无边框矩形, 使矩形的下底边与三个白色矩形的下底边相平。
此时, 暂停按钮的图层结构与播放按钮的图层结构相同。
步骤4:按钮组合影片剪辑的制作
选择主场景中的播放按钮实例, 按“Delete”按钮, 删除场景中的暂停按钮实例。
按快捷键“Ctrl+F8”新建一个影片剪辑元件。在该影片剪辑元件的“时间轴”下方, 单击“插入图层”按钮, 增加两个图层。将图层1到图层3分别重命名为“文字”、“按钮”、“动作”。
单击工具箱中“文字工具”, 在“文字”图层的第1帧输入“MUSIC”。设置字体属性, 文本类型为“静态文本”、字体为“Arial Black”、字体大小为“30”。
单击“文字”图层的第2帧, 按“F5”延伸帧。
单击“按钮”图层的第1帧, 将库中的播放按钮元件拖放到场景中创建播放按钮元件的实例, 调整它的位置, 使它的底部与文字“MUSIC”的底部相平。选择播放按钮元件的实例, 在下面的动作面板中添加按钮动作:
单击“按钮”图层的第2帧, 按“F7”插入空白关键帧。将库中的暂停按钮元件拖放到场景中创建暂停按钮元件的实例。单击时间轴窗口下方的“绘图纸外观”按钮, 使得在第2帧也可隐隐约约看到第1帧上图形的轮廓。调整暂停按钮元件实例的底部与播放按钮元件实例的底部相平。选择暂停按钮元件的实例, 在下面的动作面板中添加按钮动作:
单击“动作”图层的第2帧, 按“F7”插入空白关键帧。分别在1、2两帧添加帧动作:“stop () ;”
步骤5:编写脚本和链接外部音乐文件
执行“文件”|“导入”|“导入到库”命令, 选择合适背景文件, 将音乐文件导入到库中。右键单击库中音乐文件, 选择“链接”命令, 打开链接属性对话框。输入标识符为“mysound”, 勾选“为ActionScript导出”和“在第一帧导出”两个选项。
将步骤4中创建的按钮组合影片剪辑元件拖放到场景中创建它的一个实例, 将其移到合适位置。
单击“插入图层”按钮, 在主场景中新增图层2。在图层2的第1帧添加帧动作:“mysound=new Sound () ;mysound.attachSound (″mysound″) ;
到此为止, 可控动感循环播放背景音乐按钮的制作就完成了。
关于程序重用的一点说明:
车辆可控性评价研究 篇4
关键词：可控性,运动特性,驾驶员模型
对普通机器而言, 能客观地观察及预言该机器的性能和功能, 从而客观地进行评价。而对于车辆而言, 其性能仅仅由驾驶员直接操纵得以发挥, 因而对其可控性的来说, 驾驶员个人的主观评价尤为重要。迄今为止, 尚无推导车辆可控性的理论方法, 只能基于一些案例及其经验的研究方法进行分析。
1车辆可控性研究方法
目前, 解析表达车辆的可控性的理论方法尚未建立, 甚至还没有一套通用的方法, 以用于分析驾驶员人主观评价及量化表达车辆运动特性与其可控性评价之间的关系。因此, 主要有三种方法被研究者采用, 如图1所示, 且每一种方法相应地适用于不同的具体情况。
1.1 飞行员评级法
在飞机领域, 作为定量表达飞行员对操纵稳定性主观评价的方法, 即飞行员评价法 (PR) , 被广泛应用。经过改进后, 现已成为飞机操纵稳定性的通用评价方法。在设计“易于操纵的飞机”, 即对飞机操纵性改进方面, 发挥了重要作用[1]。
以PR为雏形, 有人尝试通过驾驶员评级来度量对车辆可控性的主观评价。具体做法是:通过改变车辆的运动特性, 然后进行实车试验, 并由驾驶员给可控性进行评分。据此, 系统地研究这些评分, 以试图在一定程度上弄清车辆特性与其可控性之间的关系。由于车辆可控性最终体现于驾驶员个人的主观评价, 因此, 这种方法应该是最实际、最直接的。然而, 该方法毕竟易受给出评价者个人差异的影响, 因此, 所得出的结果客观性、通用性较差。此外, 如果总是用这样的方法, 会为车辆运动特性与可控性的理论推导带来困难。而且, 当车辆运动特性发生变化时, 其可控制性也将难以预先判断。
1.2 目标性能法
另一种评价车辆可控性的方法是目标性能法。即:预先设定车辆的目标途径, 然后进行实车试验来评价车辆的可控性。例如:观察车辆如何在某速度下、在某时间段内精确无误地通过设定的试验路程。目标性能法的优点是结果客观, 但问题包括如何设定目标路径、如何评价所得的结果、是否能与驾驶员的主观评价结果很好的对应起来。况且, 推导车辆运动特性与可控性关系的理论研究也较为困难。
1.3 驾驶员生理反应法
还有一种评价车辆可控性的方法, 即测量驾驶人的生理反应, 如驾驶员工作负荷的心律、能量代谢、通过皮肤电流测得的发汗量等。通过系统地改变车辆的运动特性, 研究驾驶员生理的反应变化, 以找出使车辆易于控制的车辆特性。然而, 即使这种方法能获得可观的测量结果, 但其数据本身易受到干扰因素的影响且驾驶员生理反应与车辆可控性之间确定性关系也不容易建立。
以上三种方法, 都是由试验考察当车辆运动特性改变时, 驾驶员对其可控性的评价方法。通过改变车辆运动特性, 并研究车辆相应的可控性, 有可能通过这些方法建立经验法则, 在一定程度上找出车辆运动特性与其可控性之间的关系。同时, 还能知道当车辆的运动特性发生改变时候时, 如何预测车辆的操纵性。
然而, 即使迄今为止尚未建立车辆可控性的一般通用方法。
2车辆可控性影响因素
车辆可控性与车辆转向特性, 车辆动力学特性和车辆转向瞬态响应参数都有一定关系, 其相关性的研究有助于建立车辆可控性评价理论。
2.1 车辆转向特性
车辆的转向特性是影响车辆运动特性的一个重要因素。因此, 首先研究车辆转向特性与其可控制性的关系。根据测量可知[2]:驾驶具有US特性车辆时驾驶人的心律120次/min左右, 而驾驶员具有OS特性的车辆时, 心律130～140次/min之间, 意次味着与US驾驶特性的车辆相比, 驾驶员驾驶OS特性车辆的工作负荷会更大。由此, 可推断具有US特性的车辆比具有OS特性的车辆更易于控制。
稳定性因子A是评价车辆US/OS特性强弱的指标, 其计算公式如下:
undefined (1-1)
经过试验分析, 可知:车辆US特性越强, 车辆越易于控制。然而, 车辆稳定性因子A表示的是车辆转向特性, 也是唯一直接影响车辆稳态特性的因素。但是, 如果车辆的转向特性改变了, 车辆所固有的动力学特性也会随之改变。而且, 除了转向特性, 其他因素也会影响车辆的动力学特性。因此, 仅靠车辆的转向特性就来判断其可控性未必合适, 不能简单得具有结论, 说具有US特性的车辆更易于控制。
2.2 车辆动力学特性
车辆动力学特性包括车辆垂向、纵向和横向动力学特性。研究车辆可控性问时, 主要考虑车辆的侧向动力学特性。
对一辆原本就是直线行驶车辆, 若突然给其转向盘一个固定的侧向转角, 然后松手, 那么对一辆稳定的车辆而言, 将在经历一些振动性的横摆运动后趋于稳态。这种情况下, 决定车辆运动特性的指标之一是横摆阻尼, 它受到车辆转向特性、转向系统特性及车身侧倾的影响。以两自由度模型描述的车辆侧向运动, 得到理论上的系统国有频率wn和阻尼比ζ表达式如下:
undefined (1-2)
undefined (1-3)
美国的林克通过实验证明[3]:阻尼比相同时, 车辆的固有频率越小, 车辆的可控评级越不好。车辆固有频率与横摆阻尼比相比与可控性关联度更大。另外, 美国霍夫曼等人研究表明:随着侧偏响应时间的增加, 车辆变得更加难以控制。但仅以车辆的运动特性表达来评价车辆的可控制性还是不够的。
2.3 车辆转向瞬态响应参数
车辆转向时, 对转向输入的车辆横摆角速度响应参数包括响应时间tt和增益常数G。威尔等人对实际车辆的响应时间tr和增益常数G等效值进行了测量, 并研究了两者与车辆可控性的关系。实验发现对于增益常数G, 不同的驾驶员其偏好的数值范围不同;响应时间范围, 越熟练的驾驶员, 其适应的响应时间范围越大。另外, 伯格曼等人还研究了车辆侧向加速度增益Gy和侧向响应时间ty与可控性之间的关系。实验表明:相比侧向加速度增益常数, 车辆运动的侧偏响应时间对车辆的可控性敏感程度更高。
通过考察车辆可控性以及两个反应运动特性的参数, 可以较好地理解车辆可控性与车辆运动特性之间的关系。但如何表达车辆可控性这个问题, 还无法保证应考虑哪些运动特性。因此, 当主导车辆的参数发生变化, 也不能轻言车辆就是易控的。
3基于驾驶员模型的车辆可控性评价
到目前为止, 对量化测量实际驾驶人对车辆可控性的评价, 仍然没有如飞机的飞行员评级法那样精确、全面的通用方法。但在车辆转弯过程中, 驾驶员会自适应于车辆不同特性, 从而改变他自身的参数, 由此可以认为, 驾驶员参数可以反映车辆的操纵特性。因此, 可以考虑是否可能基于驾驶员模型来考察来评价车辆的可控性[4]。
可以利用实验数据, 通过采用驾驶员参数辨识的方法, 试图表明驾驶员是如何随着车辆运动特性的变化去调整其自身参数的。驾驶员人-车辆模型如图2[5]。
驾驶员模型主要由参数三个决定, 车辆前视和微分动作的综合效果参数τh, 驾驶员响应延迟时间τL和比例因子h。y0为前方L处目标路径, y为前方L处的, 车辆位置, 驾驶员基于预估的目标路径, 通过转向操纵, 使车辆达到目标位置。驾驶员模型中, 参数h和τL代表驾驶员的响应性, 参数τh表示驾驶员的微分动作程度。对于驾驶员说要使微分时间越小, 驾驶员感觉车辆越容易。基于该模型, 一旦得到驾驶员模型的辩识参数, 就可以利用这些辩识参数推导出由驾驶员评价的车辆可控性。
参考文献
[1]喻凡.车辆操纵动力学[M].北京:机械工业出版社, 2012.
[2]T.Nakatsuka.Vehicle safety in high speed driving and human characteristics[J].The Japanese Journal od Ergonomics, Vol.4, No.4, 1968.
[3]W.Linke et al.Analysis on vehicle running stability sub-jected to side wind on high way[J].Proceedings of Annual Meet-ing of JASE, No.761, 1976.
[4]M.Abe et al.A study on vehicle handling evaluation through model based driber behavior[J].Proceedings of FISITA2008, Munish September2008, in CD.
可控式稳压电源设计 篇5
1 可控电压源设计需求
可控直流稳压电源输入220 V交流电,经过变压、整流、滤波、调压转换为0~9 V可调的直流电。可控电压源的主要功能:能显示输入电压和输出电压;通过键盘设定所需电压;蜂鸣器在按键输入时发提示音。设计的稳压电源主要性能指标如下:输入电压:交流220 V;输出电压:直流0 V至9 V可调;精确度:1 m V。为满足设计要求,需要设计供电电路将220 V交流电转换为稳定直流电给单片机、LCD、D/A芯片、A/D芯片供电。控制芯片AT89C51及其外设电路(键盘,显示,提示音),提供方便的人机界面和控制输出电压的大小。D/A转换用于键盘输入电压值,A/D转换用于实时采样输出电压更新LCD的显示电压[5,6]。
2 总体结构设计
本文采用以线性稳压电源为基础、以单片机为控制核心、以LCD为显示器件的设计方案。在传统稳压设计下,为增强人机界面功能,扩展外接矩阵式键盘、LCD显示、并伴有按键声音提示。系统的总体结构设计如图1所示[7,8,9]。
本文设计的可控式稳压电源采用220 V交流电源供电,经变压、整流、滤波和稳压器件输出±12 V直流电压作为可控电压源的电源部分。采用4*4键盘,可对输出电压进行设置,并通过LCD显示。AT89C51单片机通过TLC5615C(L)D数模转换模块,其输出电压经过LM324进行电压转换,并由LM324反馈实现稳压,再将电压通过TLC1543模数转换模块经AT89C51单片机显示于LCD。
2.1 稳压模块
稳压模块采用运算放大器LM324。LM324系列由四个独立的,高增益,内部频率补偿运算放大器组成,适合单电源供电的电压。
2.2 D/A转换芯片TLC5615C(L)D
设计要求输出电压变化范围为0~9 V,最小分辨率为1 m V,该转换芯片输出为电压型,最大输出电压是基准电压值的两倍,带有上电复位功能,只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入,易于和工业标准的微处理器或者微控制器(单片机)接口。D/A芯片TLC5615C(L)D的引脚SCLK与P3.0口相连,片选信号CS与AT89C51的P3.1口相连,DIN与P3.2口相连。
2.3 A/D转换芯片TLC1543
该转换芯片的内部转换器具有高速(10μs转换时间),高精度(10分辨率,最大±1 LSB不可调整误差)及低噪声的特点。在本电路中,A/D芯片TLC1543的SDO引脚与AT89C51的P3.4口相连,ADDR,CS,CLK分别与单片机的P2.4,P2.5,P2.6口相连,EOC与P3.6口相连。TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位,而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。
2.4 人机交换电路
利用键盘、蜂鸣器和LCD实现简单的人机对话。通过键盘输入电压值,蜂鸣器同时发出提示音,实际输出电压由LCD显示。
采用4*4矩阵式键盘,0~9数字键用于设定调整电压,确定键用于确认输入的电压,返回键用于修改输入电压值的上一位的值,复位键用于对系统进行初始化,见图2。
采用LCD显示,用于显示当前电压。其中LCD选用字符型液晶显示模块(16字2行),AT89C51的P0.0~P0.7输出端接LCD的D0~D7口线,用于数据输入,通过外接放大电路74LS08和74LS02增加LCD的显示亮度。LCD的VDD接+5 V数字电压,VSS接数字地,RS,RW,E口线分别接P2.0~P2.2接口。
3 系统的软件设计
主控程序工作流程:首先对系统进行初始化,之后在判断是否有键按下,当键盘有按键按下时,伴有按键声音,接收来自键盘的电压输入值,并通过D/A把输入的数字量转换成模拟电压值,控制输出电压的大小。然后采样输出电压的大小,并与输入电压值进行比较放大,由电压调整电路中输出电压的大小,直到输出电压与输入电压相等。A/D采样输出电压并进行模数转换,通过LCD显示更新的电压值。系统流程图见图3。
主控程序执行过程中,还需调用键盘子程序和显示LCD子程序。键盘子程序用于判断是否有按键按下,当有按键按下时,确定究竟是哪一个键被按下,以及最后进行相应键处理,根据所按键码进入相应的功能程序。LCD子程序实现输入电压和输出电压的显示。
4 系统测试与性能分析
本设计要求输出电压范围为0~9 V,Proteus软件中对本系统进行性能指标仿真测试,当输出端接空载时,记录其数字控制量和空载输出电压关系,分析记录,误差率均不大于0.2%,误差在允许范围之内。计算系统绝对误差为0.003 V,相对误差为0.081%,灵敏度为1m V,说明本设计精确度高,满足设计要求。对电路的原理进行分析,输出电压误差主要来源于电路和器件系统:DAC的量化误差、基准电压温漂引入的误差、稳压器电路引起的误差、其他器件和线路由于温漂不稳定引起的误差[10]。
5 总结
随着科学技术的发展,直流稳压电源等仪表数字化、智能化、网络化将成为今后的发展方向,高精度数控直流稳压电源具有相当广阔的发展空间。本文设计的可控式稳压电源以线性电源为基础电路,以高性能单片机为控制核心,组成数据处理电路,在控制软件支持下,通过对线性电源输出电压进行数据采样并与给定数据比较,从而调整输出电压,使之达到给定数值的要求。经过测试可知:理论电压与实际输出电压差值为毫伏级别,并且输出电压稳定无波动,满足了设计要求所需的各项指标。在系统设计过程中,力求硬件线路简单、明了,充分发挥了软件编程方便灵活的特点,使系统稳定性好、可靠性高、准确度高。
参考文献
[1]万中波.基于单片机控制的数控直流稳压电源[J].湖南科技学院学报,2007,28(4):31-33.
[2]刘琳,薛智宏,杨国福.基于AT89C51单片机的智能型稳压电源的设计[J].江苏电器,2008(7):7-9,37.
[3]姚义,马剑,张建茂,等.可调直流稳压电源的设计[J].电子测量与仪器学报,2008,22(增刊2):366-370.
[4]朱俊星.基于单片机的智能稳压电源[D].北京:北京交通大学,2004.
[5]王利平,杨德州,贾春蓉,等.一种新型稳压电源的研制[J].电力电子技术,2009(11):47-49.
[6]史凤光.基于数字化控制开关电源的设计[D].北京:北京化工大学,2010.
[7]吕建军.连续可调高压开关电源的研究[D].北京:北京工业大学,2010.
[8]张宇鹏.无线电源系统接收部分低压差线性稳压电源的设计[D].天津:南开大学,2010.
[9]楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
励磁系统可控硅故障分析 篇6
水电站正常运行时, 励磁系统励磁电压的稳定与否是关系到发电机组以及电网的安全运行的重要因素, 良好的励磁系统在保证电能质量, 合理分配无功功率及提高电力系统运行可靠性方面都起着十分重要的作用。利用可控硅整流是当前励磁设备普遍采用的方法, 它把电力系统信号经过一定的变换后, 作为调节器的输人信号, 并与给定信号相比较, 产生相应的脉冲信号去控制功率单元的输出, 达到自动调节系统无功功率的目的[1]。实践证明, 该系统性能可靠, 能及时并准确响应机端电压的变化, 满足系统自动调节的需要。但长时间运行会出现一些故障。目前, 多数文献只注重于带感性负载的可控硅整流桥故障后励磁系统输出的直流电压变化, 主要考虑发电机的失磁问题。而没有注意到带感性负载的可控硅整流桥故障后对励磁系统自身的影响, 特别是对可控硅和励磁变压器的影响本文针对我公司#2机组励磁系统出现的故障。探讨了带感性负载的可控硅整流桥故障后对发电机励磁和励磁变压器的影响, 为励磁系统出现异常后的分析提供理论依据。
2 故障现象
2013年2月28日, 沙沟水电站2#机组进行并网前的零起升压实验, 发电机经过冲转, 逐步达到额定转速, 各项温度指标正常, 由于我们的励磁设备升压最小设定值是额定的百分之四十, 调试人员首先设置好参数, 合上灭磁开关后起励开机这时候触摸屏警报报起励失败, 当时以为是设定值小了或者是最大空载输出限制导致的, 再把空载输出限制调到最大的1.6倍, 升压直接到额定的百分之六十后起励成功了, 但是很快发现PT电压只有3.25KV。由于电网电压是6.3KV, 机端电压正常情况下现在应该达到3.78KV, 此时调试人员观察到触摸屏上的触发角为54°, 根据经验已经判断出这个触发角不对, 紧接着我们通过增磁来逐步增加机端PT, 当极端PT达到6.3KV与电网电压一致时我们就具备了并网的第一个条件, 也说明我们减压成功了, 但PT达到5.9KV时再也增大, 初步判断这是可控硅导通问题, 需要借助小负载试验来分析故障原因。
3 原理分析
3.1 三相全控型整流桥工作原理
在三相全控整流电路中, 当触发脉冲的控制角在0°<α<90°时, 工作在整流状态;90°<α<180°时, 工作在逆变状态。下面就整流状态加以分析。考虑到不同控制角时带感性负载的三相全控整流桥的输出电压波形虽然不同, 但其近似的数学表达式是相同的, 其大小仅与阳极电压和控制角有关, 而且其输入电流的波形以及大小仅与负载的电流有关 (只在相位上有差别) , 所以文中仅以可控硅的控制角为0°的波形为例进行分析[2]。
如图1所示, 在第1-2阶段a相电位最高, 共阴极组VT1管触发导通, b相电位最低, 若在ωt0以前共阳极组的VT6的触发脉冲Ug16还存在ωt0时给共阴极的VT1施以触发分析。电源的a相经VT1—L—VT6回到电源的b相。共阴极组的a相电流为正, 共阳极组的b相电流为负, 负载上电压Ud=Ua-Ub=Uab。
在第2-3阶段, a相电位仍然为最高, VT1继续导通, 但C相电位最低, 在ωt1时刻向VT2输入触发脉冲Ug12, 共阳极组的VT2导通, 电流从b相换到c相, T6因承受反向电压关断。电流的通路换成:a—VT1—L—VT2—c, 共阴极组的a相电流为正, 共阳极组的c相电流为负, 负载上电压Ud=Ua-Uc=Uac。
第三阶段, b相电位最高, 自然换相点处触发VT3管, 则共阴极组切换至VT3, 电流从a相换到b相, VT1因承受反向电压关断, VT2因c相电位仍为最高而继续导通, 负载上电压Ud=Ub-Uc=Ubc。
以下四五六阶段以此类推。在第四阶段, VT3、V T 4管道通, Ud=Ub-Ua=Uba, 在第五阶段, V T 3、V T 4管道通, Ud=Uc-Ua=Uca, 在第六阶段, VT3、VT4管道通, Ud=Uc-Ub=Ucb。以后重复上述过程。
负载L上得到线电压Uac。以此类推, 每隔60°依次向共阳极组或共阴极组的可控硅元件施以触发脉冲, 则每隔60°有一个臂的元件触发换流, 每周期内每臂元件导电120°。此时三相全控整流电路的输出电压与不可控三相二极管桥式整流电路的输出电压相同, 其电压的平均值为Ud=1.35ULCOSαUL为线电压) 。
当控制角α=60°时, 在ωt1时刻VT1与VT6被触发, 此时a相的电位高于b相的电位, VT1与VT6导通, 由VT1与VT6构成通路。交流电源的a相经VT1—L—VT6回到电源的b相, 在负载L上得到线电压Uab。当到达ωt2时刻Uab=0, 此时VT2被触发, a相的电位高于c相的电位, VSO6因承受反向电压而截止, VSO2导通, 由VT2与VT1构成通路, 负载L上得到线电压Uac。以此类推, 每隔60°依次向共阳极组或共阴极组的可控硅元件施以触发脉冲, 则每隔60°有一个臂的元件触发换流, 每周期内每臂元件导电120°。当60°<α<90°时, 电压波形开始有负值, 但输出电压的平均值大于0, 分析方法同上。
在以上分析可知, 三相全控桥式整流电路中, 对于共阴极组的三个可控硅, 阴极所接交流电和压制最大的一个导通;对于共阴极组的三个可控硅, 阴极所接交流电压值最低的导通;任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个可控硅导通。其余的可控硅均处于关断状态。触发角a的起点, 仍然是从自然换相点开始计算, 无论正负方向都有自然换相点。可控硅导通顺序为V T 1、V T 6-V T 1、V T 2-VT2、VT3-VT3、VT4-VT4、VT5-VT5、VT6, 一周期中每个可控硅导通120°, 每隔60°有一个可控硅切换。当触发角α>0时, 每个可控硅每个可控硅都不在自然换相点换相, 而是从自然换相点向后移α角开始换相[3]。
3.2 小负载试验波形分析
由于本励磁装置是自并励励磁方式, 我们运用三相调压器模拟机端电压器送过来的100V电压, 20欧姆的钨丝模拟转子线圈, 通过示波器观察输出励磁电压波形, 来判断励磁装置故障。
如图2所示为故障状态下小负载的实验波形, 图3为正常情况下的实验波形[5]。本励磁装置一周期为20毫秒, 正常情况下一周期内应该有6个正向脉冲波头, 而本次试验下看到的却是四个正向脉冲波头和一个负向波形图, 由此可以判断有一相可控硅没有导通。
3.3 正常百分百建压触发角角度计算
假设三相整流桥输入端三相相电压有效值为, 晶闸管触发控制角为α, 可以计算励磁电压平均值[4]。U2
励磁设备工作就是在六个可控硅之间轮流导通, 且六个可控硅波形相同, 我们只用求出π/3的部分, 其它地方完全一样[5]。假设起始部分是π/3+α, 终点, 可得:
由于周期为π/3, 得到输出电压平均值
本机组励磁电压为52.79v, 三相输入电压为100v, 可以算出
结合上面开机触发角在54°可知, 由于少了一路脉冲, 励磁电压减小, 励磁装置为了保证机端电压稳定必定通过减小触发角来增大励磁电压, 但是依然没能达到额定励磁电压, 这就是建压失败的根本原因。
3.4 输出电压和输入电流的变化分析
如图4、图5所示分别为三相整流桥正常情况下和丢失+A相脉冲输出电压和电流波形。由图4 (a) 可求出控硅整流桥输出电压
由 (b) (c) (d) 可以求出可控硅整流桥的输入电流的直流分量和输电流的有效值分别为[5]:
由图5 (a) 可求出可控硅整流桥+A相脉冲丢失的输出电压为
由 (b) (c) (d) 输入电流的直流分量和输入电流的有效值分别为:
由图5 (e) 可知, 当励磁电流不变时, +A相的缺相导致了流过+C相可控硅的电流的有效值增大到了原来的两倍, 这会引起它温度过高容易导致快熔熔断, 给水电站的安全运行来极大威胁。
(已上图中电流大小的基本单位为Id)
4 结语
综合上面分析可知, 对于励磁设备来说, 相可控硅的不导通不仅会导致其它可控硅承受的电流增大引起散热困难, 还会导致励磁电压减小从而影响电网电压, 所以我们的励磁设备不仅仅是在并网前要保证可控硅的完全导通, 发电状态更是需要保证可控硅能承受住电流、电压以及发热的问题的影响, 避免发生事故。
摘要：2013年3月28日, 调试人员在沙沟水电站2#机组进行试开机建压过程中发现励磁设备无法升到额定电压, 导致无法并网。本文首先介绍了故障现象, 然后通过实验分析故障产生的原因并提出解决方法, 最后通过计算加以验证, 最终解决问题保证了并网的顺利进行。
关键词：励磁系统,建压,并网
参考文献
[1]孙海涛, 管春江.励磁整流桥故障分析[J].电工技术.
[2]刘薇.励磁系统中全控整流电路异常波形分析[J].南京工程学院学报, 2002 (12) .
[3]樊立萍, 王忠庆.电力电子技术[M].北京大学出版社.
[4]刘军.经济型小水电励磁装置的研究[D].河北工业大学, 2011年.
也门69区块可控震源参数优选 篇7
也门69区块地处沙漠腹地, 沙丘分布广泛, 主要呈近东西向条带状起伏, 地形上易采用可控震源施工操作。在该地区采用震源施工的方法, 其激发参数的优选挑选扫描长度和组合方式的针对性分析, 根据试验数据的分析结果对比, 获得最佳的优选参数。
2 可控震源工作原理
可控震源勘探原理是通过电子箱体控制平板产生连续震动信号, 将能量分散的传送给大地, 然后用相关方法把分散的能量集中起来, 通过接收和叠加, 最终获得与井炮记录相当的地震资料。可控震源是车装的机械装置, 由计算机中的固定程序来产生需要的扫描频率信号, 通过推动振动器振动向地下发射延续时间较长的振动信号, 作为激发源来产生地震波。可控震源可以有效的控制了激发的地震信号的能量和频率等要素, 并且在信号的激发过程中使产生的地震信号具有可调节性。
3 可控震源参数选择
在69区块, 根据以往资料和勘探要求, 可控震源的激发参数主要集中在扫描长度和组合方式, 对所的试验资料经过详细分析, 综合选取合理的生产参数。
由表层调查和个干扰波调查, 获得该地区初至折射的速度为2700m/s, 面波的速度分布在550m/s-1100m/s, 震源次生声波干扰的速度350m/s, 震源次生线性干扰速度为720m/s。扫描频率采取8-80Hz, 主要考虑地下目的层的频率响应, 区内的主要干扰波和相关子波的分辨率, 尽力的避开强面波干扰, 提高资料信噪比和保真度。
3.1 震源扫描长度
主要考虑目的层的埋藏深度和获得资料的信噪比, 有足够的扫描时间提高激发的能量, 震源激发应具有足够的扫描长度, 同时利用增加扫描长度, 使目的层的反射波可以避开震源产生的谐振干扰。
可控震源激发是向地下传输一个延续时间为SL的扫描信号, 这个延续时间段就是扫描长度。由于可控震源产生的地震记录是地震信号的数学运算过程, 是个信号相关过程, 扫描长度越长, 最大相关值迅速增加, 相关的效果越佳, 其获得的信噪比也相应提高。在确定震源扫描时间长度的时候, 要考虑以下两个方面:
(1) 扫描长度要满足最大的扫描速率, 即t≥|fh-fl|/K, 其中K为可控震源所限定的最大扫描速率值, 由震源液压系统所限定;
(2) 避免相关虚象对地震记录质量的影响。可控震源在机械振动过程中, 当介质表现为弹性或者塑性的时候, 如果越出了弹性形变的范围, 震动信号除了产生所需要的扫描振动信号外, 还伴有分频信号与倍频信号, 若倍频信号和扫描频率有重复, 则将会在地震记录中产生二次谐波的虚象;若分频和扫描频率有重复, 则将会在地震记录中产生“多初至”的现象, 在实际生产中, 我们可通过调节扫描时间长度来, 避免虚像的出现。还要考虑地质目标、地质任务、施工效率的要求, 确定最佳的满足要求的扫描长度。试验采用扫描频率8-80Hz, 扫描长度分别采用8s、10s、12s、14s、16s、18s。通过对比分析试验资料的原始单炮记录和频谱分析, 在原始单炮上, 14s的能量最强, 其他基本一致, 各扫描长度获得的地震记录目的层位都不明显, 在频谱分析对比中, 可得到18s的扫描长度获得频带宽度略大。综合考虑生产因素, 采用10s和12s的扫描结果更适合实际生产。
3.2 可控震源组合方式
可控震源组合方式与炸药组合方式相同, 主要目的是增加激发能量和压制干扰波。震源组合方式的点试验采用扫描频率8-80Hz, 扫描长度12s, 出力70%, 4台4次垂直线性组合定点震动, 4台4次垂直测线线性组合动点震动, 4台4次平行测线线性组合定点震动。
通过对比分析震源组合方式的点试验单炮和频谱, 可看到定点震动比动点震动能量要强, 垂直测线震动组合比平行测线震动组合效果好。对比分析震源组合方式现场处理剖面, 可看到定点震动比动点震动能量要强, 垂直测线震动组合在小号比平行测线震动组合效果好, 而沿测线定点震动的剖面同向轴连续性和信噪比在大号部分要略好于垂直排列移动震动。震源的组合方式主要作用在于对压制干扰具有方向特征, 但是对能量、信噪比等影响较小。综合考虑到施工难度和两种震源方式的剖面效果, 在该工区选取沿测线方向线性定点震动, 扫描长度12s, 扫描频率8-80Hz, 出力70%。
4 结论
可控震源参数的选择影响地震勘探的成功与否, 优选的可控震源激发参数影响所获得的地震资料的分辨率和信噪比。故在设计激发参数的时候, 必须要考虑到目的层的深度及仪器设备的条件, 针对所在勘探地区的地表状况、地质构造、目标层位和主要存在的干扰波选择合适的激发参数。只有这样, 才能做到有的放矢, 有效的提高地震记录的质量, 为数据处理和资料解释提供方便和资料保真度。