系统精度（精选12篇）
系统精度 篇1
0 引言
超声测距系统是现代工业、铁路、勘探以及消费电子系统中不可缺少的技术, 它要求高精度、高稳定及可控性好, 特别是对精度有着越来越高的要求。本系统通过单片机实现渡越时间测量算法, 并在硬件系统上采用高精度的温度补偿机制, 结合软件编程算法, 从而实现了精确的距离测量。且系统采用便携式设计, 完全可以在现代工业、勘探以及消费电子系统得到广泛使用。
1 系统结构框图
本系统整体框图如图1所示, 由MCU单片机组成的控制及算法系统、整形电路、滤波、放大电路、LCD距离显示、超声收发器以及温度测量等部分构成。
2 设计实现
2.1 渡越时间测量和距离补偿算法
渡越时间是指从超声发射器发出的超声波, 经气体介质的传播后, 然后反射回到接收器的时间。渡越时间与空气中的声速相乘, 就是声波传输的距离, 即:
式中, L为待测距离, v为超声波的声速, t为渡越时间。若用σL=vσΔt+Δtσv来表示测量误差, σL为测距误差, v为声速, σΔt为时间测量误差, σv为声速误差。则可知提高测量精度的方法有:
(1) 由于超声波在媒质中的传播速度和温度关系很大, 所以必须要采取温度补偿措施, 降低温度变化对测量精度的影响。采用专用数字温度传感器DS 18B20测温, 然后利用下面公式来计算当前声速, 从而得到补偿温度导致的影响:
式中, f为计数脉冲的频率, v为声速。
2.2 超声系统硬件部分设计
硬件系统主要包括了整形电路、滤波、放大电路、LCD距离显示、超声收发器以及温度测量等部分的设计。超声收发器部分采用频率为40k Hz左右的电气方式产生超声波, 由一级运算放大电路将超声控制脉冲加载到超声发射器上, 经过被测物反射回来的超声经过接收端的差分放大器放大1000倍左右。放大后的信号经带通滤波、整形后输出一个脉冲信号, 此脉冲信号再经过反相器送入到单片机停止计数, 然后根据时间计数器的计数值算出初始距离, 最后根据数字温度传感器DS 18B20测出的环境温度, 对该值进行补偿得到最终距离, 最终通过LCD显示出来。
2.3 软件编程实现
单片机控制系统的设计, 主要完成对超声收发器脉冲的控制及计数, 完成渡越时间算法及温度测量和距离补偿, 同时控制一般仪器使用时所必须的显示系统。从而可以实现测量距离为0-50米, 精度为0.01米的高精度程控电流源系统设计。单片机软件控制流程图如图2所示。
3 结论
本系统采用单片机和渡越时间算法及温度测量和距离补偿, 在多种距离和不同环境温度下进行测试, 其稳定性良好且精度较高, 具有较强的实用价值。部分测试结果如表1所示。
参考文献
[1]王荣扬, 钱振华, 殷勇辉.基于FPGA的互相关无串扰超声测距系统[J].计算机工程, 2013 (08) .
[2]杨旺喜, 茅嘉伟, 沈明明, 王荣扬.科技信息[J], 2014 (09) .
[3]游兆延, 胡志超, 吴努, 吴惠昌.电子设计工程[J], 2014, 22 (6) .
[4]郁亚男.电子世界[J], 2014 (3) .
[5]李佰庚.超声波测距仪设计[J].工具技术, 2012:82-85.
系统精度 篇2
摘要：本文简要叙述了高精度位置环系统的组成方法，详细阐述了光电编码器在位置环中的应用原理和速度修正方法。概述了单片机及串行D/A的应用。关键词：光电编码器，位置控制，测速发电机，恒速控制。
0引言：
我们在为某单位开发一种高精度恒速泵产品时，需要一种速度调节范围达1：100000以上p稳定精度≤0.3%调速系统。我们查阅了国内有关生产伺服控制系统厂家的产品，几乎没有一家能满足要求。为了研制该产品，我们经过认真分析，仔细论证后，决定采用光电编码器作反馈元件，用单片机测出光电编码器每分钟脉冲输出个数，与给定的速度量进行比较然后改变D/A输出电压幅度，送给伺服系统调整电机转速，最终将电机速度控制在±0.3%以内。试验证明该方案是可行的。
现将该系统的组成原理及实现方法作一个简单的介绍。
1实现原理：
图1中的系统是传统的带PID调节的直流伺服速度控制系统。对于控制精度较低的产品虽能满足要求。但对于精度要求高的场合就不能适应了。这是因为：当电机运转一段时间后，电机温度随着工作时间加长而不断上升，而反馈元件（测速发电机）与伺服电机同轴连接，故测速发电机的温度也随之升高。因为测速发电机是用永磁磁缸制成，其转子线圈切割磁力线而产生电势，其值为：
Ea=εa∝N
式中Ea为测速机输出电势
εa为测速机电势常数
N为电机转速
一般情况下，εa是个常数，测速发电机产生的电势Ea正比于转速N。而实际上电机温度上升后εa已经发生了变化，通常情况下是下降的，εa变小，故Ea也变小。而此时电机转速并未下降，反馈到速度环的电压Δu随之上升，促使电机转速上升，迫使Ea上升，从而达到Δu维持不变。这样，随着电机温度上升，电机的速度也慢慢上升，而给定值并未改变，这就引起电机转速的误差增大。根据实际测量一般电机温度每上升100℃，电机转速的误差会增大1－3%左右。电机转速越低，相对误差越大。
为了纠正电机转速的偏差，采用600线/转的光电编码器作反馈元件，与电机同轴安装，就可以准确测出电机的转速。因为光电编码器是由激光照射光珊发出脉冲的，而光珊安装在光电编码器的转轴上，转轴每转一周（3600）编码器就产生600个脉冲，该脉冲只与转轴速度有关，而与温度无关。因此，只要准确测出光电编码器的脉冲个数，就可确切知道电机的转速。
例如，当电机的转速ND=1000转/分，则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为
n光=1000*600/60
=10000（个脉冲）
若
ND=1转/分
n光=1*600/60=10（个）
如果实际测量值与上述理论计算值有偏差，则可以通过调节D/A输出电压调整电机的转速，最终使
Δn=ND测-ND理
这样就可以将电机的转速控制在我们所希望的误差范围内。
2元器件的选择；
2．1伺服系统（速度环）选用SC5HC60型直流脉宽伺服系统，调速范围可达1：10000以上，速度精度为0.5%FS。
2．2电机选用稀土直流宽调速伺服测速机组,与伺服系统构成速度闭环系统。
2．3D/A器件选用分辨率为16位串行D/A。控制线为三线串行方式，即：一根时钟线，一根数据线，一根选通线。
2．4光电编码器每转输出600个脉冲，五线制。其中两根为电源线，三根为脉冲线(A、B、Z)。电源的工作电压为+5～+24V直流电源。
工
作原理:当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差900相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转.Z线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲.主要用作计数。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向.
2．5单片机选用89C51-24PC单片机，晶振频率为24MHz，用一个定时器作计数器来测量光电编码器的脉冲个数，另一个定时器精确定时，这样可准确测出电机每秒钟转动的距离，同时根据设定值计算出电机每秒钟应转动的理论值并与测量值进行比较,将误差值转换成数字量输出到D/A芯片的输入端，从而改变其电压输出，送给伺服系统控制电机的转速,从而达到恒速的目的。
例如:要将电机控制在500转/分,根据伺服系统的指标,当输入为0～5V信号时,电机转速为1500转/分,故可求得当ND=500转/分时，光码盘每秒钟输出的脉冲数为：
PD=500×600/60=5000个脉冲
对应该转速伺服系统的输入电压应为：
VD=5.000×500/1500=1.6666V
当测出的脉冲个数与计算出的标准值有偏差时,可根据电压与脉冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压△U:
△U=△P×5.000/(1500×600/60)=△P/3000(V)
而输出到D/A的数字量的`增量应为:
△D=△U×216/5.000
电机的整个工作调节过程如下:
工作前通过键盘设定控制转速,计算出输出电压VD并将该电压对应的输出到D/A的数字量V数=VD×216/5.000算出,直接送给D/A,电机开始起动运转。当电机运转一段时间后电机转速不断上升从而导致测速机磁性下降，测速机输出电势下降，经速度环调整后使电机转速上升，运行时间越长，电机转速上升越多。这时系统起动位置环，通过不断测量光电编码器每秒钟输出的脉冲个数，并与标准值PD进行比较，计算出增量△P并将之转换成对应的D/A输出数字量，在原来输出电压的基础上减去增量，迫使电机转速降下来，当测出的△P近似为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在允许的范围内。
3硬件电路的实现
实际工作中由于伺服系统工作电流较大，对于微机干扰较大，故在硬件电路设计时应考虑到系统的隔离和干扰问题。由于选用的是串行D/A。信号的传输只用三根线，故采取隔离措施相对容易些。而光电编码器工作也容易受到干扰，因此除了正常的接地外，还要将光电编码器输出线中的地线可靠接地。光电编码器的A线做脉冲检测用，Z线作计数器用，速度输入用键盘输入数字，显示用液晶显示器。
4软件
根据电路的连接情况，采用汇编语言编写了整个程序。现将部分阐述如下：
4．1初始化
初始化内容包括定时器、中断系统及个单元内容的初始化
HSTART:MOVSP,#0E0H;设置堆栈顶地址
MOVIE,#90H；开中断及串行口中断允许
MOVIP,#5；将定时器1和串口中断设置高优先权
MOVTCON,#5;外中断0和外中断1全部为边沿触发方式
MOVTMOD,#21H;定时器0为方式1定时器2为方式2
MOVPCON,#0；SMOD=0
MOVSCON,#0D8H;串口设置成方式3,TB8=1,REN=1
MOVTH1,#0FDH;设定定时器1重装时间常数
MOVTL1,#0FDH
CLRET1
SETBREN
SETBES
MOVTH0,#2CH
MOVTL0,#0
SETBTR0
SETBTR1
……
4．2定时器0中断子程序
CLOCK0:CLRET0&nb
sp;;保护现场指令
MOVTH0,#2CH;重置时间常数
MOVTL0,#0
INCQSE0
MOVA,#14H;判别1秒钟定时到否
CJNEA,QSE0,HCLZ
MOVQSE0,#0;计数器清零
MOVA,QSEC
ADDA,#1;秒单元加1
DAA
MOVQSEC,A
MOVA,#5
CJNEA,QSEC,HCLZ;判5秒钟到否
MOVQSEC,#0;秒单元清零
CLREX0;关中断0停止计数
HCLZ:恢复现场指令
SETBET0
RETI;中断返回
4．3中断0计数程序
POST1:CLREX0
保护现场指令
MOVA,QLLD;计数器低位加1
ADDA,#1
MOVQLLD,A
MOVA,QLLD+1
ADDCA,#0
MOVQLLD+1,A
恢复现场指令
SETBEX0
RETI
4．4处理程序
系统精度 篇3
【关键词】箱体孔；同心度；工艺系统柔性
机床-夹具-刀具-工作系统的不均匀柔性就是这些因素中的一个。经确定，在座标镗床上，无论是主轴回转角度或是主轴套悬伸长度的柔性都是不均匀的，且性质十分复杂。可以把不同悬伸量下主轴套筒柔性圆图的封闭特性看作是柔性假定表面的横截面。那么柔性圆图的几何中心位置，可以按与表面轴线相似的原则，看作是机床-夹具-刀具-工作系统柔性的轴线。
所以，机床-夹具-刀具-工作系统的柔性可用下列指标评定：柔性表面（可看作综合指标）；柔性的圆曲线图；柔性表面的母线或纵断面外形；柔性轴线，即柔性表面的轴线。
研究表明，在镗孔过程中上述各柔性指标是以一定的方式转移给被加工表面。其中的每一项都会造成一定的误差：圆柱度偏差，真圆度偏差，纵断面外形偏差，孔的母线或中心线的直线性偏差以及孔的同心度偏差。曾采用谐波分析法及动态模拟法求得，机床-夹具-刀具-工作系统柔性指标的解析式及相应的转移系数，这样就可以用计算方法确定上述加工误差。
柔性轴线特性是评定不均匀柔性对镗孔形状及镗孔中心线相互位置影响的依据。理论和实验研究表明，座标镗床柔性轴线是曲线。也就是说，柔性轴线的这种特性不但引起了新镗孔的中心线的直线性偏差，而且也造成了它们的相互位置的误差。这在很大程度上说明了一个往往是不可预期的事实，即在座标镗床几何误差不大、刚性也很大的情况下，在其上镗出的孔的同心度偏差却很大。
为了控制工艺系统的柔性，广泛采用了控制系统。但是由于结构特性及对座标镗床的几何精度要求极高，在这类机床上就难于应用这种适应控制系统。因此最有效的方法是采用一种可以控制工艺系统刚度的装置（简称刚度控制装置）。这类装置的不均匀刚度与机床8的刚度综合在一起，要能保证工艺系统柔性轴线的直线特性。
刚度控制装置柔性轴线的表达式可写成
使用外装工作台（见图）或刚度控制装置能够控制蠕变性轴线的形状。此装置由下支承板1和上顶板5组成。上支承板上的槽用来固定坯件。当偏心套2和3相对转动时，总偏心距e在0～10mm的范围内变化。套筒2的上部装有用锥体4涨开的弹簧卡头。这种结构可以获得各种曲率的柔性轴线，所以该装置可以在不同型号的座标镗床上使用。
式中：l——两偏心套筒工作部分高度；
L，L0——由刀具至刚度控制装置的距离（分别为主辆套筒当时的伸出量和零伸出量。）；
E——套筒材料的弹性模数。
刚度控制装置的柔性轴线在座标镗床上定方们时，应使它与机床的柔性轴线反向对称。它们相加可保证机床-夹具-刀具-工件系统柔性轴线综和的直线性。选定刚度控制装置的体积尺寸时，应考虑所述工工艺系统的动态特性，把它纳入工艺系统时，应不使刀具和坏件相对的强迫振动振幅增大。
在刚度控制装置的实验室试验和生产试验过程中，采用了相当于座标镗床上半精镗和精镗时的切削用量。试验表明，在半精镗时，采用刚度控制装置，产生了剧烈的高频振动。而在精镗床中应用效果最好，在这种情况下，同心度的偏差几乎比传统用镗削法的降低了一半；精镗孔径得出的数据见表1。
试验还表明，刚度控制装置对孔的相互位置误差有良好的影响。镗d0=100mm的孔，υ=80m/min，s=0.03mm/r，t=0.2mm时，同心度偏差减小了，见表2。
提高箱体件同心孔相互位置精度的上述方法，也可以推荐在结构布局和用途与座标镗床类似的多工序机床上进行精加工时应用。
数控车床伺服进给系统精度研究 篇4
一、数控车床伺服进给系统
伺服电机精密定位系统是通过带传动或齿轮传动系统调节伺服电机, 其中, 机械伺服电机和皮带伺服电机应用最为广泛。皮带伺服电机又分为平皮带和V形皮带伺服电机。其工作原理如图1所示, 当主动轮转动时, 使用机械张力器、锥轮、运动和力之间的摩擦力将动力从主动轮传递到从动轮上, 通过操纵机构可以改变滑轮、锥形的工作状态以及改变驱动工作, 实现变速半径。无级变速传动和定传动比、有级变速传动相比, 它能够根据工作需要在一定范围内连续变换速度, 以适应输出转速和外界负荷变化的要求, 而且功率特性好, 因此, 在现代机械传动领域内占有重要地位[2]。
近年来, 为了扩大无级变速传动的调速比 (范围) 、传动功率和过零调速, 控制式无级变速传动———用伺服电机精密定位技术作为封闭二自由度差动轮系的两个基本构件而组成的单自由度行星伺服电机已成为研究热点, 通常称之为封闭行星伺服电机。这种系统中大部分功率流经差动轮系, 而只有小部分功率流经伺服电机[3]。此外, 车用伺服电机和伺服电机的稳速问题也是研究热点。伺服电机精密定位系统是由基本伺服电机对差动轮系统进行控制, 从而构成一种组合式变速传动系统。电机皮带经过三角变速齿轮箱, 输出功率得到进一步提高, 经过斜齿轮、皮带和凸轮轴进行规范的流程操作, 通过齿轮箱的两套滑模变齿轮机构的调节, 达到变速的效果, 通过对输入轴的转速控制, 变换输出轴的动力和转速, 将调速过程限制在一个多段变速范围内, 以获得不同的输出转速, 然后在凸轮轴实现转速的变化, 以满足现实生产操作中的各种要求。差动伺服电机行星齿轮传动齿数分配及定轴齿轮传动齿数分配是控制式差动变速传动设计的难点。目前, 伺服电机精密定位系统的配齿设计还没有具体简便的方法。本文通过对伺服电机精密定位系统的齿数分配方法及计算进行研究, 提出了一种实用的配齿计算方法。伺服电机精密定位系统主要应用如下:
(1) 为适应工艺参数多变或输出转速连续变化的要求, 运转中需经常地改变速度, 但不应在某一固定速度下长期运转, 如机床、卷绕机、车辆和搅拌机等;
(2) 探求最佳工作速度, 如试验机、自动线等;
(3) 几台机器或一台机器的几个部分协调运转;
(4) 缓慢启动以合理利用动力, 通过调速以快速越过共振区;
(5) 车辆变速箱, 可节省燃料约9%, 缩短加速时间, 简化操作。
采用无级变速传动有利于简化变速传动结构、提高生产率和产品质量、合理利用动力和节能、实现遥控及自动控制, 同时也减轻了操作人员的劳动强度。伺服电机精密定位系统由机械伺服电机和差动行星齿轮机构组合而成, 它具有扩大伺服电机的调速范围, 或者扩大伺服电机的传递功率、提高调速精度等优点。
二、数控车床伺服进给系统精度研究与优化
如图1所示, 为了实现电气控制的需要, 本次的系统设计主要包括了如下五个部分: (1) 控制面板模块; (2) 姿态传输模块; (3) 系统主控模块; (4) 伺服控制模块; (5) 编码盘计数模块。详情如图1所示:
在系统工作之前, 用户可以通过控制面板来设定系统的初始值, 而在开始工作之后, 则可以通过以太网接收远程指令, 对天线的姿态进行调整, 同时系统还能够接受码盘计数信息, 这些信息经过计算处理之后, 能够得出误差信号, 将这些误差信号转换形成特定频率的脉冲信号, 从而通过对电机驱动器的调控, 达到控制天线的俯仰角和方位调整的目的。与此同时, 当系统在工作的时候, 用户还能够通过控制面板对整个系统进行控制以及检测。
用户通过控制面板能够实现对系统的实时监控, 控制面板与控制器是通过RS485串行通信进行数据的传输和指令的交换的, 而精密伺服系统信息的传输则是依据以太网的远程传输功能, 并且通过RS232串行通信实现数据的传输。作为系统的核心部分, 控制器通过电机驱动器、减速器以及编码盘对天线的姿态进行调整。
本次设计的系统硬件的核心部分是控制面板和控制器, 控制器主要是由系统的主控模块部分和伺服模块构成的。而微型处理器则是控制面板以及控制器的核心构成部分, 从目前来看, 广泛应用于伺服控制的核心处理器主要包括了单片机、专用的控制芯片以及数字信号处理器, 基于成本的考虑, 我们选用的是51系列的单片机, 将其作为本系统的核心处理器。并且在Med Win环境下对其进行开发, 该环境能够支持C语言编程, 而且由于具备窗口风格, 开发相对较为便利, 我们现在该环境下完成程序编写, 并且进行仿真调试, 最后再将程序下载到单片机。系统的具体硬件结构详见图2:
控制面板的主要作用体现在充当初始值、系统主要控制方案以及直接对天线进行控制的操作的设置, 是重要的人机交互设备;除此之外, 借助显示器可以获取目标天线角度、状态以及系统相关信息。
控制面板功能体现为以下几点:第一, 进行固定地理坐标的设置, 也就是经纬度;第二, 提供手动及自动两种控制天线转动的方式, 其中, 自动控制就是系统的定向控制模式, 手动控制对天线正向或反向的调试则需要用户通过手动方式实现;第三, 向系统发出回归至零位的复位命令。
如图3所示, 硬件主要包括:液晶LCD、中央处理器、键盘以及RS485接口, 其中后者用于确保与系统控制模块通信的实现。功能模块大致包括:
第一, 显示, 即所收集到的天线信息以及以太网中的调整信息借助主控制器向液晶显示模块进行传输, 并对该显示模块予以一定的控制, 使其将接收到的信息通过既定格式展示;第二, 操纵输入, 即相关操作者为达到对仪器模式予以控制的目的, 在键盘输入相关控制指令的行为, 以所输入的控制指令为主要依据, 单片机会实现诸如控制模式或显示数据等功能。
上述功能的实现是建立在电源模块的基础之上的, 电源模块是系统设计的重要内容之一。
(1) 液晶模块
本设计方案选取HG122321-LYH型号的液晶。
逻辑电路示意图详见图4所示。
从示意图可知:主、分方式工作分别是SED1520 (1) 和SED1520 (2) ;前者时序信号通过OSC2传出, 且OSC1与OSC2跨接电阻;后者通过OSC2将SED1520FOA (1) 提供的时钟输入。通电一段时间后, 两个芯片的RES即达到高电平状态, 因此主要是对68系列MPU时序进行控制。E1, E2信号决定芯片的选通。
上述几大模块在设置方面, ADC选择为0, 占空比为1颐32。
如图5所示, 为液晶模块与单片机之间的接口。
(2) 单片机模块
本研究用STC12C5404单片机作为显示控制CPU。作为新一代单时钟/机器周期 (1T) 兼容8051内核单片机, STC12C5404对流水线进行了更新, 对指令集结构予以了优化, 并采用专用的MAX810集成电路。
三、结论
本文研究了控制式差动变速安装的传动方案, 扩展了伺服电机的调速范围, 解决了伺服电机精密定位系统安装游移不定的局限性。进行了封锁轮回的功率比设置, 防回流阀, 从整体机械效率比封锁轮回, 虽然没有改变机械回流的效率, 但后者具有更大的应用前景。该系统扩展了普通串级节制系统的功用, 多模态串级节制具有较强的鲁棒性、非线性和时变特征, 对于负荷转变频频的对象具有良好的节制结果。扩展速度局限的封锁轮回, 封锁轮回功率的偏向取决于回流装置内传输连接点的传达。封锁轮回将使设备的机械功率损耗、效率大大下降。
摘要：伺服电机精密定位系统是由控制系统与差动轮系统进行组合而成的一种变速传动系统。通过伺服电机内部设置传输参数, 可以实现准确的速度和增大调速范围, 还能够增加伺服电机的承载能力。所以, 伺服电机精密定位系统在一定程度上有着较为广阔的应用前景。通过对伺服电机精密定位系统的运动学进行分析与研究, 推导出了不同组合类型装置的传动比、调速范围等运动学关系式;详细分析了装置内功率流流向、是否存在封闭循环功率以及封闭循环功率方向的问题, 给出了不同组合类型装置内部的功率流计算方法;利用啮合功率法对装置的传动效率进行分析, 最后推导出装置的传动参数和传动效率之间的关系式。
关键词：数控车床,系统,精度
参考文献
[1]蒋慰孙.过程控制工程[M].北京:中国石油化学工业出版社, 1998:45.
[2]金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社, 1993:243.
系统精度 篇5
高精度磁控管加热系统的设计与实现
介绍了一种采用磁控管作为加热源的`高精度微波加热系统的特点、硬件和软件设计,可用作飞机维修保障的辅助设备.
作 者：姬宪法 张扬 JI Xian-fa ZHANG Yang 作者单位：空军第一航空学院,河南,信阳,464000刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：13(1)分类号：V271.4关键词：微波加热器 单片机 模糊控制
系统精度 篇6
【关键词】电力系统经济运行；符合预测精度；措施
随着社会发展脚步的加快，在电力系统运行的过程中，有必要对其进行更为严格的管理，只有这样才能不断发展社会经济。要想做到电力系统的正常运行，首要的前提条件就是加强关于负荷预测的相关工作，这在电力市场的发展过程中显得十分必要。特别是我国当前的电力市场正在朝着更加蓬勃的方向发展着，为了保证电力系统更加稳定的运行，也要从这方面入手，实现电力系统的安全与经济，这对于企业来说也是相当必要的，因此，本文针对如何进行更加精确化的负荷预测开展了探讨，提出几点有效的建议。
1、电力负荷预测的基本概念与特点
首先，要想采取合适的手段进一步提高电力负荷预测的精准性，就要事先对电力负荷预测这一概念进行系统的认识，这是电力系统在工作过程中最基本的工作内容之一，由于工作目标的不同以及时间上的差异性，可以将负荷预测分为四种不同的类型，一种是超短期预测，一种是短期预测，还有一种是中期预测，最后是长期预测，通过在不同阶段的预测结果，可以更加准确的对电力系统的经济性运行提供重要的依据。超短期预测就是在短时间内对电力的使用情况以及承载能力进行预测，通常时间以1h为分割点，也就是说在1h内的电力使用情况都是通过超短期预测得以实现的。采用超短期预测的优势在于可以保证一段时间内电能的稳定性，在质量水平上也可以得到更加全面的控制，这样就避免了发生安全事故的可能性。
相对于超短期预测，短期预测的时间更长一些，一般时间控制在一天到一周以内不等，这是电力机组能够顺利运行的基础，所以在实际应用中具有经济性的特点。而中期预测以及长期预测的时间更长一些，前者是对一年内的电力负荷情况进行预测，后者的时间甚至长达十几年，所以经常用在电厂的建设以及电网改造方面。由此可知，电力的负荷预测对电力系统的经济性运行具有十分重要的作用。
在进行电力负荷预测的过程中，通常需要注意以下几点特征。一是要具有条件性，也就是对电力系统的运行环境进行综合性的考虑，控制好电力负荷预测的发展方向，充分考虑到可能影响到的不确定条件。二是要对周期性的问题进行考虑，因为在进行电力生产的过程中，通常模式都是固定的，并且具有复杂性的特征，为了满足不同客户的需求更是如此，所以对负荷预测的影响十分丰富，受到诸多因素的影响，就极有可能发生安全事故，所以在实际工作中应该在一定的时间以及范围内予以充分的考量。三是具有多方案性的特点，因为电力负荷预测的结果并不是最终的目标，还要在这一结果的基础上制定出更为合适的方案确保电力的经济性运行，多从不同的角度进行选择有助于提高实际电力经济性运行的效果。最后，电力负荷预测还具有连续性的特点，也就是在点时间内负荷预测的结果并不是保持不变的，而是呈现出不断的变化与发展。
2、电力负荷预测与经济性运行的关系
电力负荷预测的精度与电力经济性运行具有一定影响，在当前的社会生活中，加强电力负荷的预测有助于为电力相关部门提供必要的参考依据，将电力事业的发展提升到一个全新的阶段。电力负荷预测实际上也是电力水平现代化发展的一个重要标志，是社会经济发展的重要表现形式之一，所以针对这一问题的提出，也要进一步提高预测的准确性，将我国电力市场的发展朝着纵向发展。与过去相比，电力市场的经营方式已经产生了重大的变化，当前的电力市场是一个开放性的市场，所以市场竞争也相对激烈，要想占据主导地位，就要不断发挥电力负荷的预测作用，将电力价格进行统一，这对维护社会稳定具有重要的意义。同时，负荷预测的精确性对电力企业的经济效益也直接挂钩，所以二者具有紧密的联系，应该加以重视。
3、提高电力负荷预测精度的措施
在进行电力负荷预测的过程中，并不是无规律可遵循的，而是通过开展必要的措施逐步提升其准确性。具体的做法有以下几点。
一是将历史数据进行保留，并且保证其准确性。只有确保历史数据的准确性，才能对今后的电力负荷预测提供必要的依据。否则按照错误的数据进行预测，结果只能与实际情况相差越来越大。所以进一步提升历史数据的准确性迫在眉睫。
二是要加强对电力工作人员的培训，只有电力操作人员的专业素质更高，才能进一步提升其对电力负荷的预测能力，进而逐步实现电力系统的经济性运行，所以应该不定期对工作人员里开展必要的培训工作，逐步提升其理论知识与实际操作技能。
三是将电力负荷预测与气象部门紧密的联系在一起，重视气象情况的变化，因为电力负荷情况经常会受到天气的影响而出现较大的波动，如果能够提高气象播报的准确性，就可以对电力系统的运行进行有效的预防。同时建立起用户中心，对电力使用情况较大的用户进行集中性管理，防止意外情况的发生。
第四，应该对电力负荷预测的相关研究的资金投入进行有效的增强，运用科学合理的技术以及方法来建立起电力负荷预测的模型，对电力负荷预测相关工作进行合理的实施。总的来讲，应该运用相对准确的历史数据，通过科学合理的预测理论以及方法，建立完善电力负荷预测模型，已经能够有效提高电力预测的实际精度，同时还是电力企业的实际发展中非常关键的解决措施。
4、结语
在电力系统的实际运营中，电力负荷预测有着非常关键的作用，具体的预测精度会在很大程度上影响电网的安全以及稳定运行，因此，应该有效提升负荷预测的实际精度进而保证电力系统经济运行的顺利进行，同时还能够保证供电的实际质量水平。在之后的电力负荷的实际预测当中，应该对基础的数据进行科学合理的处理，探索出预测的全新方向，进而有效提升负荷的实际预测水平，有效保证电力系统的安全以及稳定运行。
参考文献
[1]李伟，马俊丽.基于负荷预测精准度的电网运行研究[J].电子技术与软件工程，2015（24）.
星载光电跟踪系统跟踪精度分析 篇7
关键词：星载平台,跟踪精度,跟踪误差,稳定跟踪
跟踪精度作为系统重要性能之一能够最直接地反映系统总体跟踪性能。影响星载光电跟踪系统跟踪精度的主要因素有卫星的振动、摄动及旋转、星载系统工作状态、机械结构及参照系误差、轨道预测误差和背景光噪声等。其中,参照系采取星载坐标系,其误差由实际工作情况决定。轨道预测误差由探测识别系统等星载前续系统给出的数据决定。背景光噪声影响主要来自太阳、悬浮粒子、尘埃及能对光产生反射和散射的星体等[1,2,3]。由于系统的工作状态及自身对跟踪精度都有影响,所以在工程应用中,需要根据实际情况分析影响跟踪精度的主要因素,并有针对性地提出提高系统跟踪精度的方法,满足系统指标的要求。
1 星载光电跟踪系统跟踪精度
1.1 星载光电跟踪系统跟踪误差的主要来源
对星载光电跟踪系统来说,从光电探测器开始敏感外界信号到伺服控制器收到脱靶量信息要有一定的延迟时间,其中包括探测器的积分延迟、信号处理延迟和通讯传输延迟等。在探测系统中,由于图像处理器与主控制器之间,主控制器与伺服控制系统之间均通过总线进行信息传输,这都增加了伺服控制器收到脱靶量的延迟时间。长延迟的存在对跟踪系统的带宽、跟踪精度等造成严重的影响。因此,分析跟踪误差的主要来源,建立星载光电跟踪系统的稳定跟踪技术对于提高系统的跟踪性能有着重要的意义。
图1为普通跟踪系统的主要跟踪误差源,总的跟踪误差包括静态偏置误差和动态随机误差[4]。
根据以上对跟踪误差主要误差源的分析,结合星载光电跟踪系统的组成和工作模式,列举星载光电跟踪系统的跟踪误差的主要来源:
(1)动态跟踪滞后误差;
(2)光电图像传感器误差;
(3)角度位置传感器光电码盘误差;
(4)图像定位算法误差;
(5)卫星平台振动误差;
(6)其他误差。
1.2 影响跟踪精度的因素分析
1.2.1 动态跟踪滞后误差
动态滞后是由于目标运动引起的一项误差,是控制器延时、D/A转换延时、执行机构响应速度等这些原因造成的。在跟瞄伺服系统达到稳定状态时,系统输入与对应的稳态输出之间的差便是动态跟踪滞后误差ε(t):
1.2.2 光电图像传感器误差
光电图像传感器误差是由光电探测器噪声引入误差、光电探测器不均匀性引入误差和空间量化误差所组成。
(1)光电探测器噪声误差是各项误差源中最主要的误差源,它的噪声包括信号和背景的散弹噪声、暗电流、读出噪声等。工程上对这些噪声的综合影响给出一个噪声等效角σNEA:
其中:S为信号,Δt为曝光时间,N为质心窗口半宽,Np为质心窗口像素目,Np=(2N+1)2,RF为单个像素lσ固定噪声,RT为单个像素上的背景信号(包括杂散光和暗电流),则光电探测器器件噪声功率谱密度为:
fs为光电探测器件采样频率,则由光电探测器件噪声引起的跟踪误差为:
(2)光电探测器不均匀性是单个像素的光电响应属性,这是由探测器制作过程中搀杂浓度的不均匀、淀积厚度的差异以及光刻误差等造成的。
(3)空间量化误差是由于有限的探测器像元尺寸造成的,它是光束形状、像元尺寸和光斑质心窗口尺寸的函数。间量化引入的误差通常变化比较慢,其大小由光斑的亚像素位置决定。通常,光斑质心窗口应当取大一些,以减小由于图像截断导致的空间量化误差,但质心窗口尺寸增大同样会接收更多的噪声,导致噪声等效角σNEA增大。因此,在两种误差控制上需要折衷。
1.2.3 角度位置传感器光电码盘误差
光电码盘是一种数字式角度传感器,它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出,主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。影响光电码盘精度的主要因素有:码盘的刻划误差、主轴系的回转精度、码盘的安装偏心、狭缝的刻划误差和狭缝的装配误差。光电码盘角度编码器的量化误差对跟踪精度影响最大。
对于用光电码盘进行转角位置的检测,传统方法是检测码盘输出脉冲数来计算角位移。光电码盘系统总的误差可由下式合成:
其中:σ为光电码盘均方根精度,ε为光电码盘编码器精度,ξ为精密弹性联轴器传动精度,γ为编码器转换电路精度。
1.2.4 图像定位算法误差
图像定位算法一般采用质心定位、形心定位、峰值定位、边缘定位等常用算法。当目标的形状和预测精度一定时,对目标估计精度影响最大的因素就是目标窗口的中心位置。误差对窗口中心位置非常敏感,因为误差的均值直接正比于xt-xc,xt为目标的实际位置,xc为目标窗口的中心坐标。由图像定位算法引起的误差可以写为:
其中,k与背景和目标像素之比即目标误判概率有关。
1.2.5 卫星平台振动误差
卫星轨道产生的不均匀引力、太阳的辐射压力或空间站内部的一些操作都有可能引起卫星平台的振动。在星载光电跟踪系统中,平台的振动造成的角振幅干扰可能显著地影响系统的总跟瞄误差的值,因而需要采取抑制措施。目前的卫星平台一般采用振动隔离或者是设计具有优良扰动抑制能力精跟踪系统来抑制卫星振动,所以在经过抑制卫星振动后产生的卫星平台振动误差几乎可以忽略不计。
1.2.6 其他误差
其他误差如电源波动、温度变化引入的随机噪声,系统调试校准误差等。
由于星载系统自身特点,跟踪精度可以用视轴稳定误差来表示。再根据星载空间环境特殊性,量化的跟踪误差主要由光电传感器NEA、控制系统机械误差及动态滞后误差决定。总跟踪精度为:
其中:σ为总跟踪精度,σ1,σ2,…,σn为各因素引起的误差。
2 计算跟踪精度及提高跟踪精度的方法
实例:某星载光电跟踪系统,跟踪精度要求60″。根据实际情况,列出对本系统影响较大的跟踪误差:
系统采用的光电码盘的精度是16位20″,假设光电码是线性变化的,则运用光电码盘对探测器满程定标的误差大约是σ1=10″;
跟踪相机的帧频为60Hz,则一帧的时间是16 ms。系统伺服响应时间为10 ms,所以系统总响应时间为26 ms。目标的运动速度为1°/s,由于一帧的滞后引起的误差为σ2=26 ms×1°×3 600=93.6″;
由形心算法计算得到的误差为:;
跟踪相机探测器面阵大小为1 024×1 024,光敏元大小为12μm×12μm,所对应的视场大小为2°×2°,由它引起的误差最大为0.5个像元点,即误差为;
这样,跟踪精度为σ=σ12+σ22+σ32+σ42,计算得σ=94.2″。
为保证系统的可靠跟踪和精度测量,可采用以下技术途径来提高系统的跟踪精度:
2.1 改善伺服控制系统的性能
提高伺服响应速度,减小响应时间,提高跟踪系统的带宽,减小系统响应的动态误差。
2.2 提高探测帧频
本系统的相机采用了窗口读出模式,在目标位置初步判定后,可设置一个局部图像窗口,视频读出数据率不变,帧频可提高,脱靶量检测频率也同样可提高。这对伺服控制系统的响应性能有更高的要求。
2.3 采取稳定跟踪技术
星载光电跟踪系统依靠传感器提供运动目标信息,捕获并稳定跟踪目标。由于图像传感器系统在提取目标时需要一定的处理时间,控制系统得到的运动目标的信息都有一定的滞后,在跟踪快速运动目标时,该滞后量必然成为影响控制系统的稳定性和跟踪精度的主要因素。预测滤波算法就是根据在前面的目标信息以及目标信息的滞后量已知的情况下,预推出当前目标信息,克服目标信息的滞后量对控制系统的影响。
常用的数据滤波方法有有限记忆最小平方滤波、α-β-γ滤波、Kalman滤波和综合预测器,这些滤波方法有他们各自的优势和适用场合。
(1)有限记忆最小平方滤波是用靠近现在时刻的N个带有随机噪声的测量数据,估计现在时刻或预测未来时刻目标运动参数,并使估值或预测的均方误差最小。此方法虽然简单,但精度有限,记忆点数多,当目标机动性加强时,滤波器不能及时反应,致使系统误差加大。
(2)α-β-γ滤波即常增益最优递推滤波。滤波效果优于有限记忆滤波,并且不太复杂,但是精度有限,适用中等精度系统和计算速度有限时应用。
(3)Kalman滤波精度高,高精度跟踪采用的滤波算法主要以Kalman滤波器为主要技术。但是Kalman滤波计算量大,实时性差,而且容错能力不够好,对它的适用范围也有了一定的限制。
(4)综合预测器是在某一次预测算法所涉及的范围内,目标的运动可看作直线运动和曲线运动的某种组合,因此可以用多种预测结果的综合作为最终的预测值。
3 结语
根据以上实例可以看出,在星载光电跟踪系统中,对跟踪精度影响最大的是动态滞后误差和伺服系统的响应延时。在对系统的跟踪精度进行分析之后,采用了改善伺服控制系统的性能、提高探测帧频和启用综合滤波器等切合工程实际应用的方法来提高系统的跟踪精度。经过以上的改善,系统的跟踪精度达到了60″,满足了系统跟踪精度指标的要求。
本文在理论分析的基础上,对实际系统的跟踪精度做了定量分析。可以看出,确定并提高系统跟踪性能既要考虑实际系统的工作环境特殊性,又要考虑技术实现的可能性,合理的分析和设计对实现良好的光电跟踪设备总体性能是非常重要的。
参考文献
[1]Shinhak L.Pointing Accuracy Improvement Using Model-basedNoise Reduction Method[J].SPIE,2002,4635(5):65-71.
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[3]张秉华,张守辉.光电成像跟踪系统[M].成都:电子科技大学出版社,2002.
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[6]周晓东.预测滤波技术在电视跟踪系统中的应用研究[D].长春:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2007.
[7]姜复兴,陈希军,昊征能.提高图像跟踪精度的一种算法[J].应用激光,2001,21(6):392-395.
[8]高浩军,杜宇人.目标跟踪技术及应用前景[J].现代电子技术,2004,27(24):1-2.
CORS系统的布设及精度探析 篇8
关键词：GPS,CORS系统,RTK,虚拟参考站 (VRS)
连续运行卫星定位服务系统 (简称CORS系统) 是对传统RTK技术的改进, 该系统利用一个或多个连续跟踪观测站, 获取覆盖该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数, 达到提高定位精度及扩大观测范围的目的。目前国内很多城市已经建立了CORS系统, 并取得了很好的测量效果。现结合某市 (以下称H市) 建立CORS系统的实际案例, 对CORS系统精度分布以及覆盖情况进行探讨。
1基本原理
CORS系统的理论源于20世纪80年代中期加拿大提出的“主动控制系统”。虽然这个理论最初是为了提高静态基线的解算精度, 但随着RTK技术的发展, 该理论与RTK技术结合, 成为CORS系统的理论基础。简单地说, CORS系统就是利用现有的公共通信网络作为传输手段, 利用现代计算机技术对海量数据进行优化, 实时地向不同类型、不同需求的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值 (载波相位、伪距) , 各种改正数、状态信息, 以及其他有关GPS服务项目的系统。
2系统布设方案
H市位于经济发达地区, 城乡一体化程度高, 基础建设项目多, 经过综合考察, 决定设立覆盖全市范围的CORS系统。H市计划设立9个基准站, 为了提供精确的起算参数, 并且保证精度储备, 设计基准站点达到平面B级, 高程二等水准控制精度;为了方便与其他省市的CORS系统联网, 采用应用普遍的VRS算法。设计平均基线长度45 km, 最长基线边65 km, 设计精密RTK定位有效范围25 000 km2, 实际有效范围约45 000 km2。
3CORS网建设
CORS网建设施工主要分3部分:①站址选建;②平面和高程数据联测;③系统调试与检测。
3.1站址选建
站址一般要求天空开阔, 无强干扰源, 方便维护。H市的CORS系统建设考虑既要满足精度要求, 又要节约成本, 站址有7个选在了各县区的办公楼顶, 有2个是在交通便利的山上建设了专门的基站。基站新建了Ø60 cm、高1.3～2.5 m的有强制对中基座的水泥墩。站址施工完成12个月后, 才开始进行数据联测。
3.2平面和高程数据联测
3.2.1平面联测
平面联测使用了14台高精度双频GPS接收机, 9台放到基站点, 5台放到联测的A级点。观测前对仪器、量高杆、温度计、气压计等都进行了检测。
联测时将仪器提前送达点位, 以6 h为1个时间段, 观测了4个时间段。4个时间段均匀分布在24 h中, 气象数据每60 min记录1次, 时间段中间出现断电等意外情况时及时与指挥部联系, 进行调整。
外业观测结束后, 基线资料经过预处理合格后, 提交给武汉大学进行处理。
3.2.2高程联测
高程联测使用能够自动读数、自动记录的DS05级电子水准仪, 观测前对水准仪、顺准尺、钢卷尺等都进行了检测。采用往返测的方法, 共计施测了二等水准380 km。对于楼顶点或者进行常规水准测量困难的点, 采用悬挂钢尺的方法进行高程测量, 进行高程传递时要选在观测条件较好的时间, 一般在10:00—14:00。此次测量使用50 m钢卷尺进行高程传递, 先在高处做架子固定钢尺的一端, 钢尺的另一端悬挂质量10 kg的垂球, 然后在钢尺顶端和地面分别架设水准仪, 约定同时开始读数, 在不同的时段各进行2次, 符合精度要求的数据才能加改正数进行平差, 平差工作也由武汉大学进行。
3.3精度检测
3.3.1CORS内部网精度
为检验系统的稳定性以及信号覆盖情况, 在设计覆盖范围外20 km左右, 选取了8个国家等级 (高于C级) 点, 又在设计范围内选取了均匀分布的100个C级GPS点, 还在建筑物密集地区选取约100个5″精度以上的控制点作为检验点。为保证检测精度, 外业观测时采用架设固定三角架进行对中观测的作业方式。
覆盖范围有效性检验中, 距离基准站最远的点为70 km, 可以得到精确定位结果。但首次初始化时间较长, 达到150 s, 其后的几次初始化时间都不超过60 s。一般在基准站50 km范围内, 都能进行快速精确定位, 单点的初始化时间最长70 s, 90%以上的点初始化时间少于30 s, 并且信号稳定, 数据传输中断的情况也很少发生。
精度检验中, 最大平面点位误差3.3 cm, 中误差1.5 cm, 满足一般测量定位的要求。
为检验定位的稳定性, 在每个检测点都记录了连续观测时间不少于180 s的定位数据。以C级点的静态精确定位数据作为真值, 检验定位数据的误差分布区间见表1。
注:中误差0.9 mm。
从统计结果可知, 在观测时间不少于180 s的情况下定位精度在3个方向上无明显区别, 并且精度较高。
3.3.2观测时间对精度的影响
观测时间的长短也是影响最终测量成果的一个主要方面, 观测时间是从虚拟参考站 (VRS) 的形成 (即仪器取得固定解的过程) 到数据保存到仪器中的时间长。此间的前30 s接收数据的每一个历元之间差别较大, 在厘米级上变化;60 s后逐渐处于稳定, 180 s后几乎不变。
为了找到合适的观测时间长度, 分别进行了5, 10, 15, 30以及60个历元的观测精度统计, 统计结果见表2。
从统计结果可知, 要达到厘米级的测量精度, 观测15个历元即可 (95%置信度) , 但要想获得更可靠的成果, 则需要至少观测60个历元。
3.3.3检验结果
(1) 精度分布均匀。
CORS系统在理论上整个有效区内点位精度稳定在2～3 cm, H市经过对全区范围内均匀分布的200多个高等级控制点进行检验, 在精密定位检验中, 最大点位误差3.3 cm, 点位中误差1.8 cm, 并且全区无明显差别。
(2) 覆盖范围广。
设计有效覆盖范围25 000 km2是按照基准站外延30 km计算, 检验结果显示, 在设计范围内没有覆盖盲点;并且在距离基准站70 km的最远处仍然有稳定的信号保证精确定位测量。实际覆盖范围能达到45 000 km2。
(3) 定位速度快。
在设计有效覆盖范围内, 初始化时间最长70 s, 70%以上的点初始化时间少于15 s。连续测量信号稳定时, 最快1 s就可以得到高精度解, 为了保证观测结果的可靠性, 建议至少观测60个历元。
4结语
电力系统短期负荷预测精度研究 篇9
短期负荷预测精度的不断提高, 不但为电力系统的安全、经济运行提供可靠保障, 而且为市场环境下合理安排调度计划、供电计划、交易计划提供了依据[2]。因此, 短期负荷预测已经成为现代电力系统运行和管理中的一个重要研究课题。本文正是基于这一目的, 紧紧围绕提高短期负荷预测精度[3]这一目标, 对短期负荷预测的特点和影响电力系统短期负荷预测精度的因素进行了全面的分析和总结, 接着提出了提高负荷预测精度的措施, 最后对未来负荷预测的工作进行了展望。
1 短期负荷预测的特点和影响负荷预测精度的因素
1.1 短期负荷预测的特点
短期负荷预测是对未来的负荷曲线提出预告, 以便根据预测的结果对电力系统的检修计划、发电计划以及机组起停计划等做出安全、经济、全面、高效的安排。但是, 电力系统工作人员在预测过程中, 由于受经济, 政治, 气象, 时间等多种随机性因素的影响, 使短期负荷呈现随机性和不确定性。总的来说, 短期负荷预测具有以下明显特点。
(1) 条件性。
未来负荷发展的不确定性, 导致条件无法确定, 因此就需要一些假定条件对负荷进行预测。
(2) 周期性。
由于人们在长期的社会活动过程中形成了特定的生产和生活方式, 使负荷变化具有了一定的规律性, 其中最典型的是年周期性、周周期性、日周期性, 其中日周期性是日短期负荷预测和超短期负荷预测的依据和基础。
(3) 时间性。
精确的负荷预测, 要求有比较确切的数量关系和概念, 在预测过程中, 工作人员要指明预测和历史样本的起止时间。
(4) 不确定性。
电力负荷受多种复杂因素的影响, 且这些影响因素有时难以准确确定, 这就会导致负荷预测结果的不准确。
(5) 多方案性[4]。
不同地区的负荷情况所采用的预测方案是不一样的, 我们需要对各种情况下可能的负荷发展状况进行预测, 这样短期负荷预测就具有多方案性。
(6) 连续性。
短期电力负荷是连续的, 在负荷变化过程中, 无论是负荷增加还是减少都要求负荷变化量在一定的范围之内, 其外在表现就是负荷的连续性。
(7) 相似性。
在实际的负荷预测过程中, 负荷预测结果在相对应的阶段呈现相近的情况, 事实上, 我们在负荷预测过程中使用类推法和历史类比法, 就是基于这个特点。
(8) 非线性。
短期负荷的变化与其影响因素基本上不存在正比关系, 这样在短期负荷预测中应用线性模型进行预测效果就会比较差。
1.2 影响负荷预测精度的因素
精度是负荷预测最重要的指标。在电力系统短期负荷预测中, 影响短期负荷预测精度的因素是多方面的, 但主要是以下几方面。
(1) 历史数据。
历史负荷数据在很大程度上决定了未来预测负荷的水平, 然而负荷预测所需的大量历史资料并不能保证其绝对准确可靠, 在一定程度上必然会带来一些预测误差。
(2) 经济因素。
经济环境的好坏和经济发展状况对负荷预测是有重要影响的。一般来说, 经济发展比较好的情况下, 负荷水平就提升的比较快;反之, 负荷水平就会下降。
(3) 政治因素。
例如军事冲突等, 此类事件出现的概率很小, 但是一旦出现就会对负荷造成重大影响。
(4) 气象因素。
影响负荷的天气因素很多, 在进行负荷预测时, 往往预测模型只考虑研究对象的主要因素, 而忽略了许多次要的因素, 另外, 再加上气象预报本身的不准确, 会造成双重误差。
(5) 时间因素。
时间的周期性和季节性变化、节假日等时间因素使负荷曲线在不同的时间范围内呈现出不同的特征。
(6) 样本因素。
影响短期电力负荷预测的样本因素包括样本数量、样本质量和样本范围。在进行短期电力负荷预测时, 不能仅仅考虑时间、历史数据因素, 应该综合考虑影响负荷的各种因素, 同时对各个因素进行定量和定性的分析, 进而选择最佳样本, 使预测更加准确。
(7) 预测模型。
不同负荷预测模型所得出来的预测结果有时是有较大差别的, 我们应根据地区实际和特点, 选择精确的负荷预测模型。
(8) 其他因素。
在确保电力市场经济性的的情况下, 执行峰谷分时电价, 在一定程度上对负荷曲线产生了影响;难以确定反映负荷周期性、趋势性以及与影响因素之间关系的样本数;有些突发事件, 如拉闸限电、冲击负荷、停电检修和重大活动等都可能会对系统负荷产生很大的影响;大电网 (网、省级) 负荷变化一般都有较强的统计规律性, 预测结果比较准确, 而地区级电网的统计规律则不是很明显, 不能有效地指导负荷预测等, 上述情况都会对进行精确的负荷预测产生不同程度的干扰。
2 提高电力系统短期负荷预测精度的措施
2.1 电力系统短期负荷预测基本流程图
负荷预测所有工作的中心是围绕如何提高负荷预测准确率展开的, 图1为短期负荷预测的基本流程图。
2.2 提高短期负荷预测[5,6,7,8,9,10,11,12,13]精度的几条措施
根据短期负荷预测的特点以及影响负荷预测精度的因素, 结合短期负荷预测的基本流程图, 我们应在以下几个方面来提高短期负荷预测的精度。
(1) 历史数据的正确与否在一定程度上决定了预测结果的精确度, 有效的利用高质量的样本数据既是非常基础也是非常重要的工作。
(2) 加强对运行人员的培训力度, 增强运行人员的理论修养和经验知识的积累。
(3) 预测部门工作人员要加强与非统调之外电厂 (站) 的沟通与协调, 掌握准确的负荷信息, 对提高负荷预测精度将产生重要意义。
(4) 加强与气象预报部门的沟通, 提高天气预测的准确率, 它是提高负荷预测准确率的前提和基础。
(5) 建立电力负荷的大用户中心, 实时掌握大客户的负荷调整信息, 这样就能缓解在特殊情况下对负荷预测造成的不利影响, 提高预测精度。
(6) 加大对负荷预测研究工作的资金投入力度, 不断尝试用新理论和新技术对负荷进行预测, 建立完整的负荷预测体系。
(7) 针对预测地区的负荷特性分析和负荷特点, 选择精确的预测模型。
(8) 加强各地区电网的管理和协调, 实现信息共享, 建立特殊情况下的应急体系, 及时调整负荷预测的工作进度和工作方法。
3 结语
短期负荷预测是电力系统调度运营部门一项重要的基础工作, 预测精度的高低直接影响到电网运行的安全性、经济性以及电能质量。作者认为未来的负荷预测工作, 在加强对基础数据进行处理的同时, 要运用科学的技术手段不断完善负荷预测模型, 并积极探索负荷预测的新思路和新方法, 在实际中, 有针对性的对特定地区和特定情况选用特定的负荷预测模型, 建立全面的和不断更新的负荷预测数据库, 不断提高负荷预测精度和负荷预测工作水平。
摘要：电力系统短期负荷预测精度的高低直接影响到电网运行的安全性、经济性以及电能质量, 特别是随着我国电力市场的建立和不断完善, 短期负荷预测在电力系统调度运营部门中的作用越来越重要。本文首先对影响电力系统负荷预测精度的因素进行了深入的分析, 然后提出了提高负荷预测精度的几项措施, 并对未来需要进行的工作进行了展望。
双站方位时差定位系统精度分析 篇10
关键词：时差,方位,示向线,几何稀释
0 引言
无源定位技术按照观测站的数目可分为2类:多站无源定位和单站无源定位。多站无源定位因其具有全覆盖快速的优点得到广泛应用。其中最常见的2种是测向交叉无源定位和时差无源定位。
时差定位体制的定位精度与时差测量精度以及各站布局有关,通常站点数目大于目标位置维数,在平面模型下,需要采用3站同时观测实现单次定位。时差定位对站间时统要求较高。测向定位是最常见的定位体制,定位精度主要受测向精度的限制,在平面模型下,采用双站即可实现定位,不过定位精度偏低,一般采用多次连续测向定位。
方位和时差联合定位通过双站实现高精度的单次定位,定位精度要优于单纯的测向定位,而且站点数目要少于单纯的时差定位,并具有测向定位体制设备成本低、时差定位体制定位精度高、不需要站间时统的优点,具有良好的应用前景。
1 定位模型建立
测向定位一般指根据方位角测量值做交会定位,方位角定义在水平面内。平面模型下需要至少2次测向结果或2个站的测向结果实现交会。时差定位分3站平面定位和4站空间定位,该文主要考虑3站平面定位的情况。当目标到测量站的距离较小时,可以不考虑地球曲率的影响;当目标到测量站之间的距离远大于目标和测量站的高度时,可以不考虑目标高度的影响。因此平面模型包括2个关键因素,一是不考虑地球曲率,二是忽略高度影响。该文仅仅考虑平面模型,目标的位置用二维直角坐标表征,引入地球模型以及考虑高度后的定位处理不属于该文的讨论范围。
如图1所示,在二维场景下展开讨论,假定两接收站的位置分别为P1(x1,y1)、P2(x2,y2),目标辐射源位于T(xT,yT)。其中P1站作为主站,P2作为辅站。主站实现测向与测时差处理,辅站负责信号接收并将数据传递给主站,假定2站距离记为d。主站测量的示向线是一条从主站出发的射线,相对于双站的时差线是一条以双站为焦点的双曲线,时差线与示向线的交点即为辐射源的位置。双曲线一般包括2条曲线,由于时差测量值要么是正数要么是负数,因此实际的时差线只是一条曲线。
理论上,时差和方位角分别表示为:
式(1)表示时差测量方程,式(2)表示方位角测量方程,其中r1和r2分别表示目标到主站和辅站的距离。式(1)即双曲线方程,式(2)即直线方程。联合求解时差测量方程和方位角测量方程即可得到目标位置。
双站和目标构成一三角形,根据余弦定理有:
从而可得目标位置的解析解:
xT=x1+r1cos θ , (4)
yT=y1+r1sinθ 。 (5)
图2给出等时差线与等方位线交会示意图,等时差线用虚线表示,等方位线用实线表示。等时差线是以双站为焦点的一簇双曲线,等方位线是以主站为起点的一簇射线。其中实心圆圈表示双站位置。从图中可以得知,一个时差对应一条双曲线,一个方位角对应一条射线,射线与双曲线的交点就是目标的位置。
测向定位是直线交会,当2条直线正交时,具有最小定位误差;时差定位是双曲线交会,当2条双曲线在交点处的切线相互正交时,具有最小定位误差;测向与时差联合定位也有此特征,如图2所示,在主辅两站的连线上,示向线与时差线接近正交,定位误差最小,在主辅两站连线的延长线上,双曲线接近于直线,与示向线几乎平行,定位误差最大。
2 误差分布规律
定位误差主要由2个因素决定:测量因子和几何因子。测量因子指方位角测量精度和时差测量精度;几何因子指基线长度、目标相对于双站的位置。测向精度越高、时差测量精度越高,定位精度越高。其中时差测量精度对定位的影响与具体的时差值大小有关,基线距离越大,时差理论值越高,同等测量误差引入的定位误差越小。
考察几何因子对定位精度的影响能够对实际布站提供理论支撑。能够调整布站效果到最佳的几何因子。假定地面2站之间相距30 km,测向精度1°,时差测量精度100 ns。绝对定位误差分布如图3所示。其中2站位置用实心圆表示,呈现8字形的曲线表示等定位误差线,从最外面到最里面的8字形曲线,分别表示8 km、4 km和2 km等误差线。
观察图3等误差线的形状可知,方位时差联合定位体制的误差分布具有如下特点:
① 距离双站越远,定位误差越大。不论目标正对着双站连线或是在双站连线的斜上方或斜下方,目标到双站中心的距离越远,定位误差越大。对于正对着双站连线的目标,随着距离的增大,定位误差从2 km逐渐增加到8 km。这一点类似于测向定位与时差定位;
② 定位误差相对于双站连线成线性对称分布。在双站连线前后呈现出相同的误差分布,从几何的角度分析,是因为前后目标和双站组成的三角形呈对称分布,相当于具有相同的几何因子。这一点类似于测向定位。3站不共线的时差定位,误差分布是非对称分布;
③ 等误差线是一条呈现8字形的闭合曲线。类似于测向定位和时差定位,不过测向定位是对称的8字,时差定位是不对称的8字。要注意的是,当目标非常接近主站甚至和主站重合时,示向线失去意义,此时不可定位;
④ 双站连线之间具有最小定位误差,双站连线的延长线上不可定位。双站连线上时差线与方位线正交,双站连线的延长线上,时差线与方位线平行,不可定位。对于测向定位,在双站连线以及延长线上,2条示向线平行,不可定位;对于时差定位,在3站两两连线以及延长线上,时差线退化为直线,并相互平行,不可定位。在双站连线之间达到最小定位误差是方位时差联合定位的一个显著的特点。
3 定位精度分析
定位误差与时差测量精度、测向精度以及目标与双站的相对位置关系有关。时差测量精度与测向精度构成测量因子,目标与双站位置关系、双站距离构成几何因子。定位误差由测量因子和几何因子共同决定。一般是定位方程组两边对各个测量量分别求偏导数,并通过适当的变形,将目标坐标的微分量表示成关于测量量微分的等式,通过矩阵运算求解数学期望,最后得到理论定位精度的几何稀释(Geometric Dilution of Precision,GDOP)。
对时差方程和方位角方程两边分别求微分,并转换为矩阵形式,从而有:
。 (6)
其中,
。 (7)
式中,τ和θ的表达式分别见式(1)和式(2)。
记:
, (8)
于是定位误差可表示为:
式中,trace(Φ)表示求矩阵Φ的迹,即对角元素之和。
矩阵H将测量量精度与目标位置精度联系起来,矩阵H是否可逆直接影响能否定位。
当目标位于双站连线的外延长线上时,有:
此时矩阵H第1列为全零,不可逆,不可定位。
从几何角度分析,当目标位于双站连线上时,示向线为一直线,等时差线也和双站连线重合,此时出现无数个交点,无唯一解,不可定位。
当目标位于双站连线之间时,有:
矩阵H可逆,此时示向线和等时差线正交,具有最高的定位精度,这一点和前面分析的结果一致。
4 定位性能对比
设定具体的定位场景,通过仿真说明3种定位体制的优缺点。假定地面2站之间相距30 km,测向精度1°,时差测量精度100 ns。地面双站的位置坐标分别记为(-15,0)km,(15,0) km,设定第3个站位于(0,-20) km。表1给出3种定位体制下,对不同位置辐射源的定位精度。
表1提供了3个典型位置在不同定位体制下的定位误差分析,从表1可以得到如下几项结论:
① 从目标点(0,0)的定位结果可知,在双站连线上测向定位与时差定位不可定位,测向时差联合定位具有最高定位精度;
② 从目标点(0,15)的定位结果可知,在双站连线的正前方,3种体制均可以定位,测向时差联合定位性能优于测向定位;
③ 从目标点(20,20)的定位结果可知,在双站连线的侧面,测向与时差联合定位效果比测向定位差。
除在各站连线上不可定位外,时差定位具有最高精度。在双站连线以及双站连线正前方,测向与时差定位要优于测向定位。
根据误差分布规律以及表1给出的数据,可以根据感兴趣的区域设定双站位置。如果目标和双站共面,可以考虑使双站连线正对目标,或者使双站连线尽可能的接近目标。如果双站位于机载平台,而且目标距离飞机很远时,并不考虑高度影响时,可以按照平面模型处理,此时双机连线的侧面具有较高定位精度,双机过顶时具有最高的定位精度。
5 结束语
双站方位时差联合定位体制利用数目较少的平台实现了较高精度的定位,融合了单纯测向定位设备简单以及时差定位高精度的优点,避免了测向定位精度低、时差定位平台数目多、时统要求高的缺点。通过理论分析和仿真,得到理论定位精度,并分析双站方位时差联合定位的误差分布规律,发现在双站连线上以及双站连线正前方或正后方,具有较高的定位误差,从而为实际布站提供理论依据。
参考文献
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系统精度 篇11
摘要：首先利用小波变换对一不能明显识别车轴信息的数值仿真信号进行处理，证明小波变换能够高效放大车轴经过传感器时产生的不连续变化斜率，从而识别出车轴信息。然后基于实桥测试，对那些不能直接识别出车辆信息的FAD信号，通过联合控制最小Shan-non熵值和最大相关系数选取最适变换尺度和最适变换小波函数进行小波变换。分析结果表明：对于不能直接识别出车辆信息的FAD信号，小波变换也能准确地识别车辆行驶速度、车轴数目以及车轴间距。小波变换可提高桥梁动态称重（BWIM）系统车轴识别的效率及精度，为将BWIM系统发展为超载车辆控制的有效工具提供技术支撑。
关键词：桥梁动态称重；车轴识别；小波变换；小波函数选取；变换尺度
中图分类号：U491；TN911.7 文献标识码：A
我国超载现象比比皆是，超载车辆对道路和桥梁造成的破坏不容忽视。近些年来，超载车辆导致桥梁垮塌的报道屡见不鲜。高效率、高精度的超载车辆监管系统可控制超载车辆并监测桥梁安全，在我国有着广阔的应用前景。
动态称重系统（weigh-in-motion：WIM）近年来在国际上越来越多地应用于对桥梁和道路交通车辆的监测。该技术在测试车辆数据时不需要中断交通，效率较高，是一种获取车辆荷载数据、控制超重车辆的有效工具。传统的动态称重系统（也称为路面动态称重系统：Pavement WIM）通过在路面埋置传感器来测试通行车辆的轴重、轴距和车速等信息。该系统是永久性的，不能拆迁，使用寿命较短，且安装及维护费用较高，精度也有待提高。桥梁动态称重系统（bridge weigh-in-motion：BWIM）直接利用桥梁为载体，在线监测桥梁在移动车辆荷载作用下的动态响应，并通过程序反算出车辆轴重。和传统路面WlM系统相比，BWIM系统不仅可以在不阻断交通的情况下连续不间断地识别车辆轴重和总重，而且可以在线监测桥梁在车辆荷载作用下的动态响应信号，进而获得结构的实际影响线以及在车辆荷载作用下的结构荷载横向分布参数和桥梁冲击系数等。
BWIM的概念最初由Moses于1979年提出。BWIM系统利用安装在主梁下缘的传感器所采集的动态信号反算出車辆轴重。早期BWIM系统除了在主梁下缘安装传感器外，还需要在桥头路面上埋置便携式磁带开关或压电电缆来测试车辆速度、轴数、轴间距等信息，所以早期BWIM系统也存在耐久性问题，且安装时需要中断交通，更换也不易。
近几十年来，各国学者在原始BWIM模型基础上推广和改进，共同创建了新型商业BWIM系统。
新型BWIM系统摒弃了早期BWIM系统所需的埋置在桥头路面上的便携式磁带开关或压电电缆，而是直接在桥面板下安装额外的传感器（也称车轴探测传感器或FAD传感器），从而获得车轴信息。新型BWIM系统的安装、调试及数据采集全部在桥下进行，桥面上不布置任何测试设备。相较于早期BWIM系统，新型BWIM系统不仅可以在不阻断交通的情况下连续不间断地识别车辆轴重和总重，更具有携带方便、安装和测试隐蔽、可以反复使用，且安装、维护及使用成本低等优点。
Moses，Znidaric和Peters都曾提到车辆信息识别（轴数及轴间距）的准确度是影响BWIM系统轴重及总重识别精度的一个主要因素，同时有效且准确地识别出车轴信息也是BWIM系统精确识别车辆轴重的前提及基础。然而试验证明，有时难以直接从FAD信号中准确识别车辆信息，特别是在连轴（相邻车轴间距很小）或信号动态成分较大的情况下。Dunne和Chatterjee提出通过对FAD信号进行小波变换可更有效地识别车辆信息，但对于小波函数选取及最适变换尺度都缺少研究。
本文基于仿真分析及实桥测试结果（湖南省怀化市舞水五桥引桥的现场测试），在标定车辆经过测试桥梁时，采集记录FAD信号和桥梁桥底动态响应信号，结合最小Shannon熵值以及最大相关性从而选取合适小波函数以及变换尺度，并利用小波技术变换FAD信号来获得未能直接识别的车辆信息。分析结果表明：作为强大的信号处理工具，小波变换在BWIM系统中能够有效提高对车轴信息的识别。
1小波理论
1982年法国工程师Jean Morlet首先提出小波变换的概念，它可以认为是经典傅里叶变换的延伸。两者最大的区别在于小波变换可以同时在时域和频域上定域，而傅里叶变换只是时域和频域之间的转换工具。小波变换可分为连续小波变换（Con-tinuous wavelet transform：CWT）和离散小波变换（Discrete wavelet transform：DWT）。
1.1连续小波变换
连续小波变换的数学定义为：
（1）
小波一词意味着特定的小波函数，即式（1）中的ψ（t），例如db2和rbi02。4（图1）等。这种小波函数都是紧支的，即函数的定义域是有限的。傅里叶变换是将信号分解成一系列不同频率的正弦波叠加，而小波变换是通过缩放和平移这些小波函数来逼近信号。显然对于一些尖锐变化的信号，用不规则的小波函数逼近要比光滑的正弦曲线好。
经过连续小波变换得到许多小波系数，这些系数就是缩放因子（尺度）和平移（位置）的函数，其中小波分解尺度与傅里叶变换中的频率相对应，所以连续小波变换又可以定义为式（2）。它表示信号f（x）与被缩放和平移的小波函数ψ（t）之积在信号存在的整个时间段求和的结果。
（2）
1.2最适小波函数和变换尺度的选取
在MATLAB小波分析工具中有13个小波函数族，包括60多个常用小波函数，而对于同一个目标信号，每一个小波函数通过变换都会得到不一样的结果。小波变换最大的挑战是对于不同情况怎么选取小波函数来获得最理想的结果。目前，对于小波函数选取的方法总体可以分为两类：定性方法和定量方法。
定性方法是基于小波函数的本身基本特性（正交性、对称性、紧支性、光滑性、消失矩）或通过目标信号与小波函数之间的形状匹配度来选取最适小波函数。对于特定的目标信号，需要針对想要结果的特性选取合适的小波函数。例如，考虑到小波函数的紧支性、消失矩和正交性，选择Coil4小波函数以便有效分离肌动电流图中的脉冲波和滋补成分。
定性方法中大部分是通过肉眼来判断，缺少客观依据，而定量方法则是通过计算出特定的数值（能量、熵值、相关系数等）以便更客观地对比小波函数之间的差异。
对于连续小波变换，它在每个可能的尺度上都进行计算，得到一系列的小波变换系数，其中只有部分结果是有用的，所以如何选取变换尺度至关重要。本文提出采用最小Shannon熵方法选择最佳小波变换尺度。
小波变换系数在尺度s下的能量为：
（3）式中：ωt（s，i）为小波变换系数；N为小波变换系数总容量。
小波变换系数的Shannon熵的分布如下：
（4）
显然小波变换系数Shannon熵值的范围为0≤Eentropy（s）≤log2N。仅当所有小波变换系数都为0时，Shannon熵值为0；且仅当所有小波变换系数均相同时，Shannon熵值等于log2 N。Shannon熵值的大小反映了小波变换系数概率分布的均匀性，熵值越大，概率分布越不均匀，能量就越分散；熵值越小，概率分布越均匀，能量分布就越集中。因此，对于不同尺度下一系列的小波变换系数，其中某尺度对应的小波变换系数包含少量大幅度的系数且其他的小波系数相对而言较小或者可以忽略时，将产生最小的Shannon熵值。这一特性正适合在BWIM系统中利用FAD信号对车轴信息进行识别。因为对于FAD信号，只需考虑当车轴经过FAD传感器时产生的明显波峰，其他时刻的振荡均需忽略，使得车轴产生的峰值更加凸显（即能量集中分布在车轴经过传感器时刻）。
2数值仿真结果的小波变换
仿真分析中模拟一辆两轴车以20 m/s的速度经过跨度为15 m的简支梁。车辆模型的简化车身质量平均作用在车轴上（如图2所示），且每个车轮自身重为7.5 kN。表1列出了计算分析中车辆和桥梁采用的详细参数。
图3示出了车辆经过桥梁时数值模拟产生的跨中梁底动态应变响应信号（采样频率为6 400 Hz）。由于车桥耦合振动，很难直接从图中获得车轴经过桥梁跨中时刻的准确时间信息。本文拟用rbio2.4小波函数对图3中模拟信号进行连续小波变换，并为了选取最适合变换尺度，算出利用rbio2.4函数的连续小波变换在尺度1至64的Shannon熵值（图4）。显然，当尺度为1时，Shannon熵值最小，所以选取当尺度为1时的连续小波变换系数作为变换结果（图5）。其结果显示的2个明显峰值，表明所经过车辆为一两轴车。2个峰值所对应的时刻分别为0.375 s和0.450 s，因此2个车轴经过跨中点的时间差即为0.075 s。已知车辆行驶速度为20 m/s，即可算得峰值间距离（即轴距）为1.5 m，与车轴间距模型的设计值完全吻合。由此表明经过小波变换后得到的波峰对应时间点即为车轴经过跨中点的瞬间。
以上分析表明：对于没有出现任何尖峰的跨中梁底车桥耦合振动信号，小波变换能非常有效地从这些信号中识别出各车轴经过传感器的准确时间信息。其原因在于：这个数值模拟信号是由具有非常“尖角”的静态信号叠加在振动效果上所得到的。而小波变换就像是信号的放大器，能够找到并放大这些“尖角”。
3实桥测试
3.1试验桥跨简介
实桥测试选择湖南省怀化市舞水五桥怀黔路侧简支跨引桥作为测试跨。该桥主桥为预应力混凝土连续箱梁桥，主桥跨径布置为65 m+100 m+65 m。主桥两侧各有一跨径为40 m引桥，为全预应力混凝土简支T梁结构，其横向由10片T梁组成。测试跨的传感器布置如图6，图7和图8所示。40 m引桥沿行车方向共布置5道横隔板，如图8所示。该桥横向宽度为24.0 m，桥宽布置为：2.0 m（人行道）+3.0 m（非机动车道）+4×3.5 m（行车道）+3.0 m（非机动车道）+2.0 m（人行道），具体布置如图7所示。
由图6，图7和图8可以看到，在每个车道对应的桥面板下都安装了一对FAD传感器，在每片T梁下缘都安装了一个采集桥梁动态应变的传感器（称重传感器）。如图8所示，编号1-10为布置在梁底的称重传感器，编号11-18分别为布置在各个车道桥面板下的FAD传感器。其中编号为11和15的传感器对应于行车道1，编号分别为L1-FAD1和L1-FAD2；编号为12和16的传感器对应于行车道2，编号分别为L2-FAD1和L2-FAD2；编号为13和17的传感器对应于行车道3，编号分别为L3-FAD1和L3-FAD2；编号为14和18的传感器对应于行车道4，编号分别为L4-FAD1和L4-FAD2。对各车道而言，FAD1和FAD2分别表示车辆先经过编号为FAD1的传感器，然后再经过编号为FAD2的传感器。
在新型BWIM系统中，对测试的桥跨结构，要事先用标定车对该桥跨进行标定试验。在整个标定试验中采用标定车（已知轴重和轴距）重复进行跑车试验，然后根据测试得到的动态响应来修正或计算结构的实际影响线。在标定后得到的影响线基础上，以FAD传感器识别的车辆信息（轴数、轴距等）为前提，根据连续采集的梁底动态应变计算出行驶车辆轴重及总重。
试验现场传感器的布置图如图9所示。试验时选取2辆两轴车（分别称为A和B）作为标定车，同时或分别在每个车道上重复进行跑车试验（如图10所示）。试验中所采用的标定车详细信息见表2。试验过程中采用扬州科动公司生产的KD4001工具式应变传感器作为测试元件，日本TML公司生产的动态应变仪DC-204R作为数据采集仪。标定试验采集频率为200 Hz。
3.2试验结果的小波变换
3.2.1单辆车过桥时FAD信号的小波变换
在试验中，当标定车辆行驶过桥时，采集的FAD信号大部分能够直接识别车辆信息，但有时由于车桥耦合振动的动态成分较大而导致FAD信号难以直接识别车辆信息。例如仅车辆A在车道3跑车时，如图8所示，编号为13的传感器（L3-FAD1）和编号为17的传感器（L3-FAD2）记录了桥面板下缘处在车辆荷载作用下的动态应变信号（图11）。从图中可清晰地看出，标定车经过车道3时，先经过L3-FAD1，然后再经过L3-FAD2，这和传感器的布置一致。
如图11所示，L3-FAD1和L3-FAD2的信号都只出现了一个明显的峰值。当标定车A的2个轴分别经过每一个FAD传感器时，该传感器采集的测试信号理应会显示出2个明显的峰值，但是L3-FAD2的信号只显示了一个明显峰值信号以及在它之前的一个小波峰，而L3-FAD1的信号只呈现了一个明显峰值信号及它前后许多小波峰。就L3-FAD1信号而言，程序难以直接识别出哪些波峰是由于车轴经过该FAD传感器时所产生的。
小波变换拟用来提高FAD信号的车轴信息识别。为了更好地说明小波函数以及变换尺度的选取，以Re-verseBior（rbio）小波函数族中rbio1.3，rbio2.2，rbio2.4，rbio2.8，rbio3.3，rbio3.9，rbio4.4和rbio6.8为例。对于L3-FAD1信号，由公式（3）和（4）算出上述小波函数从尺度1至64的连续小波变换的Shannon熵值分布（图12）。由图可知，每个小波函数所对应小波系数的Shannon熵值曲线在尺度5至15存在最小值。以rbio2.2函数为例，当尺度为6时，Shannon熵达到最小值。图13列出了rbio2.2在不同尺度下的连续小波变换系数。可以看出，当尺度较小时，小波变换系数杂乱无序，对车轴信息识别毫无意义；当尺度较大时，小波变换系数的波峰将被稀释（包括车轴产生的波峰），这也导致无法精确识别车轴信息。当Shannon熵值最小时（尺度为6）呈现出2个明显能识别的波峰，在此能量集中分布于2个波峰所对应的时刻。并且当尺度与最小Shannon熵值对应的尺度越接近时，由车轴经过FAD传感器产生的波峰越明显。因此，也证明使Shannon熵值最小的小波变换尺度对应的小波系数能获得最佳车轴识别效果。
前述已证明在最小Shannon熵时，能够得到最佳车轴信息识别效果，图14列出上述一系列小波函数对应最小熵值尺度下的连续小波变换系数。对于每一个小波函数，尽管都处于最优车轴识别效果状态，但不一定能够有效地识别出车轴信息。从图14中可以看出，rbio1.3，rbio3.3和rbio3.9的小波变换结果在车轴经过FAD传感器的时刻产生峰值，但由于波峰本身是反对称形状，导致波峰峰值减小，或者如rbio3.9结果所示，一个车轴经过FAD时显现出2个波峰，这都将导致车轴信息难以准确识别。另外如rbio2.8和rbio6.8小波变换结果所示，在由车辆后轴产生的大波峰两侧会出现小波峰，峰值有时甚至大于由车轴产生的小波峰，这也将影响对车轴信息的判断。
事实上，只有rbio2.2，rbio2.4和rbio4.4小波变换系数显示了2个可识别的波峰且其波峰形状与目标信号相似。本文提出通过计算相关系数来进一步选取小波函数。相关系数计算公式见式（5）。
（5）式中：x为目标信号；x为目标信号平均值；y为所得小波变换系数；y为小波变换系数的平均值。
由公式（5）计算得到图14中的小波变换结果与L3-FAD1信号的相关系数（图15）。识别效果较差的rbio1.3，rbio3.3和rbio3.9小波函数所对应的相关系数很小，不超过0.04；而rbio2.8和rbio6.8小波函数对应的相关系数稍大，但也不超过0.13；车轴识别效果较好的rbio2.2，rbio2.4和rbio4.4小波函数所对应的相关系数均超過0.25，且rbio2.2对应的相关系数达到0.50。
因此，利用小波变换来高效识别FAD车轴信息，可以通过最大相关性和最小Shannon熵值来选取最适合的小波函数及其最佳变换尺度。针对MATLAB中所有常用小波函数，基于上述方法对图11中的FAD信号分别进行小波分析。对于L3-FAD1信号，在rbio2.2且尺度为6时获得最大相关系数以及最小熵值，而L3-FAD2信号，在mexh小波函数尺度为3时获得最大相关系数以及最小熵值。所对应连续小波变换结果如图16所示。这些原始信号经过连续小波变换后，可以很明显地识别出车轴数目，为BWIM系统识别车辆轴重及总重提供前提条件。
当车轴数目及对应时刻被一对FAD传感器识别后，可计算出车辆行驶速度和车轴间距，同时还可与静态测量的轴距进行比较。从图16可以得到，标定车A经过L3-FAD1时，前后2个波峰对应的时刻分别为t1=2.115 s和t2=2.730 s，经过L3-FAD2时2个峰值对应的时刻分别为t'1=3.150 s和t'2=3.740 s。在已知2个FAD传感器距离（如图6和图8所示，LFAD=8 m）前提下，车辆行驶速度可计算如下：
（6）
在求出速度V后，根据任何一个FAD信号中2个波峰之间的时间差即可计算出轴距，计算公式如下：
A1，2=V（t'2-t'1）或者A1，2=V（t2-t1）。 （7）通过公式（6）和（7）可得到车辆的轴间距并和相应的静态测量结果比较，其结果均列在表3中。
3.2.2多辆车同时过桥时FAD信号的小波变换
为了进一步验证小波变换应用于BWIM系统中提高车轴识别效果的有效性，下面利用小波变换识别当两辆车同时行驶过桥时所产生的不易直接获得的车辆信息的FAD信号。
标定车A和B分别同时沿车道4和车道3行驶过桥，对应于这2个车道的FAD传感器L3-FAD1，L3-FAD2，L4-FAD1和L4-FAD2采集的动态应变信号如图13所示。由于试验持续时间长，传感器L3-FAD2工作不稳定，产生了白噪声干扰信号（如图17（a）所示）。
如图17所示，图中L3-FAD1，L3-FAD2，L4-FAD1和L4-FAD2的信号都只显示出一个峰值信号和一些小波峰，通过这些信号难以直接识别过桥车辆车轴信息，尤其是信号L3-FAD1和L4-FAD2，这种现象更明显。运用上述方法从常用小波函数里面找出最适小波函数分别对2个车道的FAD信号进行连续小波变换，得到的结果如图18所示。尽管信号L3-FAD2掺杂有较大的白噪音信号，在coif1函数尺度14的小波变换下仍能高效识别出车轴信息。另外L3-FAD1，L4-FAD1和L4-FAD2信号分别在rbio2.2尺度为6，gaus2尺度为4和rbio2.2尺度为7时获得理想结果（如图18所示）。
这些FAD信号在经过连续小波变换后都表现出2个明显的尖峰。对于车道3或车道4，从图18中可明确得到车辆各车轴经过每个传感器的时刻。同样，根据相对应的一对FAD传感器，由公式（6）和（7）可计算出车辆A和B的轴距，结果列于表4。
4结论
1）从数值模拟信号的小波分析结果可以看出，小波变换能够高效率地发现和放大车轴经过传感器时产生的不连续变化斜率，从而准确识别出过桥车辆车轴信息。
2）实桥试验结果分析表明，小波变换能有效解决新型桥梁动态称重（BwIM）系统中部分FAD信号难以直接识别车轴数目、车轴距离及车辆速度的问题。在2组分析例子中，对于所采集的不理想FAD信号，由小波变换所识别的车辆轴距误差在4%以内。
3）在利用小波变换识别车轴信息时，小波变换尺度至关重要，低尺度小波系数显示高频信息，而高尺度小波系数显示低频信息。根据最小shannon熵的方法得到，只有在使shannon熵值最小时才能获得最利于识别车轴信息的小波变换尺度。
4）通过对常用的几十种小波函数对同一目标信号进行变换，所得的结果不一致，并且部分小波函数并不能达到预期结果，而只有选取合适的小波函数才能准确地识别车轴信息。依据本文所提出的采用最大相关系数的方法，可以获取最合适的小波函数，从而高效率地识别车轴信息。
超声波测距高精度系统设计 篇12
随着科学技术的快速发展, 超声波在测距仪中的应用越来越大。这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术产业。未来, 超声波测距将朝着更加高精度的方向发展, 研制具有更高定位精度的被动测距声奶等技术以满足社会发展的各方面的需要。
一、超声波测距原理
1. 超声波测距
发生器发出的超声波以一定速度v在空气中传播, 到达被测物体时被反射返回, 接收器接受, 其间经过的时间t, 由s=vt/2即可算出被测物体距离。
超声波发生器可以分为两类:电气方式产生超声波和用机械方式产生超声波。
2. 影响精度的一些因素
超声波作为一种声波, 其声速与温度有关。如果测距精度要求分很高, 就应通过温度补偿的方法加以矫正。
根据超声波测距式S=340t/2可知测距的误差主要好似有超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差主要由发送计时点和接受即时点准确性确定的, 应该对发射信号和接受信号校正的方式来实现准确计时。使用12MH晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能反复煸的计数到1μs的精度, 因此系统采用AT89S51的定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。此外, 使用具有自动增益控制功能的接受放大器, 可以使近距离的增益很小, 远距离使得增益很大, 这样一方面发射信号的余震幅度变小, 相应的延续时间缩短, 可以分辨出近处的接受回拨信号, 故可使盲区减少。另一方面, 可使远处的回拨信号的幅度增大, 以提高测量精度。
二、系统总体设计
1. 系统软件设计
根据设计要求并综合各方面因素, 可以采用由单片机AT89C2051作为主控制器, 驱动信号用单片机的定时器完成, 动态扫面来实现LED数字显示。
测距系统采用一般模块化编程, 由发射脉冲子程序用中断实现回波接受子程序, 计算程序, 显示程序几部分组成。
超声波发射设计:超声波发射电路由反向器74HC04和超声波换能器构成, 通过点击之间转换调节, 放大的信号通过检波电路调解后把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。转换波利用压电晶体谐振工作。
由于超声波会受到温度的影响, 本次设计决定采用运用较为广泛的TCT40-16Tzuowei超声波发射探头, 采用TCT40-16Rzuowei超声波的接受探头, TCT40-16T/Rjuyou抗温度、湿度的能力, 环境的温度湿度变化对其性能影响不大, 能在极其恶劣的条件下稳定工作, 而且它具有很好的抗撞击、振动能力。总之, 要尽可能的缩短声波自由震荡的时间。
软件的整体系统为:首先系统控制部分初始化整个系统:初始化LED, 初始化计数控制部分, 清除计数值, 使之恢复为0。当单片机连续发射40KHZ的脉冲波, 立即启动INT0, 系统进入中断激活系统, 等待计数值满产生中断, 开始启动接收程序。接着立刻置INTO为0, 等待回波信号。回波信号到达, 关闭计时器, 捕获INT1的值超。单片机将计数值进行计算后得出的距离值, 显示在LED上。
此外超声波存在的盲区处理也应给予关注, 超大超声波换能器之间的距离能减少盲区的范围, 但由于受整个系统体积所限, , 本系统超声波换能器之间的距离要尽量缩小, 一部分波不经反射就直接进入接收还能器, 形成绕射现象。因此, 系统处理要更加精细。
2. 系统硬件设计
在超声波发射电路包括超声波振荡器和超声波发射头两部分组成。发射超声波需要在超声波振荡器的外接电路两端产生振荡, 超声波发射头才能发射超声波, 利用单片机的I/0口输出40KHZ方波见过反向器74LS04一级一级推免式将方波信号加载到超声波发射头上, 可以调发射强度, 提高驱动能力。超声波接收电路:本设计采用一种常用的集成电路CX20106A作为超声波接受电路的核心。而该集成电路一般常见于电视机红外遥控接收器, 一般接受38KHZ或者40KHZ频率的信号。在实际中, 用CX20106A组成的超声波接收电路的抗干扰能力和灵敏度都非常理想, 并且适当改变电容和电阻就可以改变接受的频率, 提高灵敏度和抗干扰能力。
三、结束语
在电路设计制作完成调节后, 程序编译运行, 并根据实际情况修改声波发生所有程序, 以适应不同距离的测量需要。此外, 本文介绍采用了74LS04和CX20106A两款集成电路, 减少电路之间的干扰, 可以用于小距离测距。系统软硬件设计结构紧凑, 软硬件资源得到充分利用, 有效压缩了系统成本, 提高了系统性价比和稳定性。系统利用老一些的技术更安全稳定。系统多次对测量误差和重复一致性进行多次实验分析, 不断优化系统达到实际使用的测量需求。使系统的设计力求达到可读性、可理解性、可维护性。
摘要：超声波频率高于20000赫兹, 能获得较集中的声能, 在介质中能够直线传播, 穿透力强。超声波测距是一种非接触式的检测方式, 它能够在特定场合或比较恶劣的环境下使用。超声波测距多适用于工业实用应用, 水下定位与通讯、地下勘察等, 适用于高精度的中长距离测距。利用超声波距离, 设计方便, 计算处理也简单。
关键词：超声波接收,精度计算,系统设计
参考文献
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