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        電氣傳動(dòng)設(shè)備低頻-前饋復(fù)合控制技術(shù)

        2022-05-26 02:47:46
        機(jī)械與電子 2022年5期
        關(guān)鍵詞:電氣傳動(dòng)攻角聲壓

        王 浩

        (國(guó)網(wǎng)江蘇綜合能源服務(wù)有限公司,江蘇 南京 210019)

        0 引言

        各個(gè)行業(yè)都離不開電氣能源供給。目前,綜合能源已作為主流能源接入電氣傳動(dòng)設(shè)備,推動(dòng)電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和所需能量轉(zhuǎn)換。但能源接入對(duì)電氣傳動(dòng)設(shè)備造成能量沖擊的同時(shí),也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾,不利于生產(chǎn)工作效率,也對(duì)周邊居民的生活環(huán)境產(chǎn)生影響,因此對(duì)綜合能源接入下電氣傳動(dòng)設(shè)備低頻-前饋復(fù)合控制的研究迫在眉睫。

        傳統(tǒng)控制方法更多關(guān)注高頻擾動(dòng)的去除,側(cè)面加重了設(shè)備自身的承載負(fù)擔(dān),還會(huì)影響電氣傳動(dòng)設(shè)備的散熱,且擾動(dòng)抑制效果并不理想,傳動(dòng)設(shè)備的高頻擾動(dòng)無(wú)法消除。為此,馮碩[1]優(yōu)化包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng),從伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)方面減少高頻擾動(dòng)現(xiàn)象。徐大可等[2]建立了具有慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻能力的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略,快速調(diào)整有功功率的合理分配與荷電狀態(tài),減少外界干擾。

        綜合以往研究方法,提出一種綜合能源接入下的電氣傳動(dòng)設(shè)備低頻-前饋復(fù)合控制技術(shù)。

        1 電氣傳動(dòng)設(shè)備擾動(dòng)信號(hào)采集和預(yù)處理

        在電氣傳動(dòng)設(shè)備上安裝信號(hào)采集傳感器[3],對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾進(jìn)行采集,將采集的擾動(dòng)信號(hào)作為初級(jí)信號(hào),利用揚(yáng)聲器還原采集好的初級(jí)擾動(dòng)信號(hào),用S0表示,利用預(yù)處理控制初級(jí)擾動(dòng)信號(hào),得到控制后的擾動(dòng)信號(hào)S1,對(duì)比二者信號(hào)間的誤差,統(tǒng)計(jì)形成誤差變量函數(shù),即

        (1)

        e1(t)為時(shí)間為t1時(shí)傳感器的誤差信號(hào);N為安裝前饋裝置的任意一點(diǎn)。為了估計(jì)出不同位置的控制性能[4],將誤差變量歸一化處理,用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)表示為

        (2)

        2 電氣傳動(dòng)設(shè)備有限分析元模型

        為了更好地控制綜合能源接入電氣傳動(dòng)設(shè)備所產(chǎn)生的擾動(dòng)現(xiàn)象[6],建立電氣傳動(dòng)設(shè)備有限分析元模型。在傳動(dòng)作業(yè)時(shí),電氣設(shè)備表面振動(dòng)頻幅是影響擾動(dòng)信號(hào)大小的主要因素,本文采用邊界元法對(duì)其求解,分析電氣傳動(dòng)設(shè)備表面結(jié)構(gòu),在表面結(jié)構(gòu)分析元網(wǎng)格上,完成電氣設(shè)備外部聲場(chǎng)的計(jì)算。

        電氣傳動(dòng)設(shè)備表面振動(dòng)下,其自身所輻射出來(lái)的聲壓用p(r,t)表示,在滿足電氣設(shè)備外部聲場(chǎng)的聲學(xué)邊界條件下,引入聲學(xué)函數(shù):

        Δ2p(r,t)-k2p(r,t)=0

        (3)

        (4)

        (5)

        Δ2為拉普拉斯算子;r為電氣設(shè)備表面立體聲場(chǎng)中Q、P這2點(diǎn)間的物理距離,Q為電氣傳動(dòng)設(shè)備表面S上的任意一點(diǎn),P為電氣傳動(dòng)設(shè)備底部范圍任意一點(diǎn);k=wlc為擾動(dòng)波數(shù),w為聲音振動(dòng)頻率,c為擾動(dòng)信號(hào)在空氣中傳播聲速;n為單位矢量;a(r,t)為電氣傳動(dòng)設(shè)備表面垂直方向振動(dòng)加速度;rs為電氣傳動(dòng)設(shè)備振動(dòng)表面上任意一點(diǎn)。諧波電壓Un的有效值表達(dá)式為

        (6)

        對(duì)其求解,可得

        (7)

        將諧波電壓的求解結(jié)果與式(3)~式(5)聯(lián)立,進(jìn)一步推導(dǎo),獲取電氣傳動(dòng)設(shè)備的底部外場(chǎng)聲壓p(P)與垂直方向振動(dòng)加速度a(r,t),設(shè)置設(shè)備外場(chǎng)擾動(dòng)情況的微分方程式,即

        c(P)p(P)=

        (8)

        c(P)=α/4π,α為電氣傳動(dòng)設(shè)備表面結(jié)構(gòu)上P點(diǎn)的表面呈現(xiàn)角度;a(Q)為電氣傳動(dòng)設(shè)備三維聲場(chǎng)中Q點(diǎn)處垂直方向振動(dòng)加速度;S(Q)為包含Q點(diǎn)在內(nèi)的電氣設(shè)備表面面積。

        利用邊界元法將式(6)中各個(gè)單元及節(jié)點(diǎn)離散處理,得到結(jié)果為

        (9)

        C、D為描述干擾對(duì)電氣設(shè)備所產(chǎn)生的影響矩陣[7];p為電氣傳動(dòng)設(shè)備作業(yè)時(shí)在分析元網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)上的聲壓向量[8];a為電氣設(shè)備網(wǎng)格上各節(jié)點(diǎn)在垂直方向的加速度向量。利用插值法,對(duì)式(9)求解,得到電氣傳動(dòng)設(shè)備底部空間上外場(chǎng)中任意一點(diǎn)P處的作業(yè)輻射聲壓p(P),即

        (10)

        c、d為電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生干擾的差值系數(shù)矩陣。

        3 電氣傳動(dòng)設(shè)備低頻-前饋復(fù)合控制技術(shù)

        3.1 物理隔聲控制

        在電氣傳動(dòng)設(shè)備上,附加物理隔聲裝置[9],在進(jìn)行傳動(dòng)作業(yè)時(shí),電氣傳動(dòng)設(shè)備自身所產(chǎn)生的電壓位于設(shè)備頂部和底部,形成上下環(huán)繞的電場(chǎng)力,中間部位雖屬于電場(chǎng)力中,但處于相對(duì)平衡狀態(tài),將隔聲腔安裝在電場(chǎng)力相對(duì)穩(wěn)定的部位,能夠更好地控制擾動(dòng)信號(hào)傳播,不會(huì)影響電器傳動(dòng)設(shè)備的正常作業(yè)。因此,本文將物理隔聲腔安裝在電氣傳動(dòng)設(shè)備的中間部分,通過(guò)簡(jiǎn)化電氣傳動(dòng)設(shè)備,可以得出其周圍兩極電場(chǎng)力和激勵(lì)電壓之間的關(guān)系[10]。

        兩極板之間的電場(chǎng)力為

        (11)

        A為極板面積;ki為電極之間的距離;u(t)為電壓。

        附加隔聲腔后,電氣傳動(dòng)設(shè)備的基波電壓為

        u0(t)=U0sinwt

        (12)

        U0為電氣傳動(dòng)設(shè)備的基波電壓有效值;w為角頻率。

        諧波電壓表示為

        un(t)=Unsinwt

        (13)

        Un為電氣傳動(dòng)設(shè)備的諧波電壓有效值。

        附加隔聲腔的電氣傳動(dòng)設(shè)備上,基波和各個(gè)諧波疊加后的電壓表示為

        u(t)=u0(t)+un(t)

        (14)

        聯(lián)立以上公式,可以得到電氣傳動(dòng)設(shè)備的電場(chǎng)力為

        (15)

        其中,基波電壓的有效值為

        (16)

        3.2 電氣傳動(dòng)設(shè)備低頻-前饋復(fù)合控制系統(tǒng)

        通過(guò)傳感器誤差信號(hào)e1(t)、e2(t)以及傳感器采集的信號(hào)數(shù)據(jù)u(t),對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理并建立相應(yīng)的基礎(chǔ)函數(shù),用Vk(q)表示。

        對(duì)擾動(dòng)所產(chǎn)生頻域進(jìn)行估計(jì)比對(duì),即

        (17)

        (18)

        (19)

        (20)

        (21)

        (22)

        基于以上操作,對(duì)綜合能源接入下電氣傳動(dòng)設(shè)備作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制,阻隔信號(hào)傳播,降低聲壓,使擾動(dòng)信號(hào)得到有效抑制,減小對(duì)周圍環(huán)境和作業(yè)人員影響。

        4 算例分析

        設(shè)置一個(gè)電氣傳動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)綜合能源接入下的電氣傳動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的干擾進(jìn)行了測(cè)試。

        4.1 不同攻角擾動(dòng)抑制測(cè)試

        電氣設(shè)備干擾聲壓頻譜分布結(jié)果如圖1所示。

        圖1 水平作業(yè)時(shí)擾動(dòng)抑制前后頻譜

        由圖1可知,在水平方向上,原始擾動(dòng)信號(hào)的總聲壓值為28.5 dB,經(jīng)過(guò)文中方法控制后的干擾總聲壓值為17.8 dB,信號(hào)在經(jīng)過(guò)控制后聲壓下降了37.5%,聲壓降低效果較為明顯。

        但電氣設(shè)備在傳動(dòng)作業(yè)時(shí),需要在不同角度變換,所產(chǎn)生的干擾頻域和聲壓也不盡相同,擾動(dòng)抑制技術(shù)在不同角度對(duì)干擾的控制情況也會(huì)有所不同。模擬電氣傳動(dòng)設(shè)備在不同角度下傳動(dòng)作業(yè)的聲壓頻譜分布,分別對(duì)攻角為2°、6°、10°時(shí)的擾動(dòng)抑制情況進(jìn)行測(cè)試并對(duì)比,如圖2~圖4所示。

        圖2 攻角2°的擾動(dòng)抑制前后頻譜

        由圖2~圖4可知,在3 000~6 000 Hz頻率范圍內(nèi),頻譜圖內(nèi)原始擾動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)了類似駝峰狀的尖峰波動(dòng),攻角不同時(shí),峰值也不相同,攻角在2°、6°、10°時(shí),原始擾動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)峰值分別為69.5 dB、68.4 dB和65.2 dB,攻角增加時(shí),原始擾動(dòng)信號(hào)的駝峰狀尖峰波動(dòng)會(huì)隨之降低,且控制后噪聲的峰值皆存在不同程度的降低,擾動(dòng)抑制效果明顯。由此可見,攻角越來(lái)越大,駝峰狀尖峰波動(dòng)越來(lái)越低,擾動(dòng)抑制前后頻譜差異縮減,但抑制效果依舊明顯,具有較優(yōu)的控制性能。

        圖3 攻角6°的擾動(dòng)抑制前后頻譜

        圖4 攻角10°的擾動(dòng)抑制前后頻譜

        4.2 擾動(dòng)抑制效果測(cè)試

        為進(jìn)一步測(cè)試所提方法的有效性及吸聲效果,以吸聲系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),吸聲系數(shù)表示任意材料或構(gòu)造對(duì)聲音的吸附能力,在測(cè)試中使用相同材料,計(jì)算不同擾動(dòng)抑制技術(shù)下透射過(guò)材料后干擾大小,計(jì)算不同方法的干擾吸聲系數(shù),測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

        圖5 吸聲效果對(duì)比

        由圖5可知,原始擾動(dòng)信號(hào)從產(chǎn)生開始頻率迅速增加到500 Hz, 之后出現(xiàn)震蕩上浮趨勢(shì),優(yōu)選擾動(dòng)抑制法在250 Hz內(nèi)對(duì)干擾的控制較好,吸聲效果明顯,隨著干擾頻率越來(lái)越大時(shí),優(yōu)選擾動(dòng)抑制法的吸聲效果保持穩(wěn)定增長(zhǎng),但在干擾震蕩較大的情況下,并不能完全吸收干擾,最小均方誤差算法的吸聲效果明顯不如優(yōu)選擾動(dòng)抑制法,在高頻率干擾情況下,無(wú)法獲取良好的吸聲效果,反觀本文方法,當(dāng)干擾出現(xiàn)時(shí),可以很好地控制和吸收干擾,250 Hz后吸聲效果保持均勻穩(wěn)定,具有很高的吸聲性能,吸聲效果較優(yōu)。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        提出了一種電氣傳動(dòng)設(shè)備的低頻-前饋復(fù)合控制技術(shù),并進(jìn)行了測(cè)試,可得到如下結(jié)論:

        a.在傳動(dòng)作業(yè)的各個(gè)角度下,當(dāng)電氣設(shè)備受到干擾最高峰值時(shí),擾動(dòng)抑制效果依然明顯,能夠降低聲壓。

        b.擾動(dòng)抑制效果不受作業(yè)角度限制,吸聲更加穩(wěn)定,吸聲系數(shù)高,吸聲效果明顯較優(yōu),控制性能較好。

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