力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

力限控制缓解过试验原理分析与试验验证（通用9篇）

篇1：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

一般加速度控制的振动试验中,在产品的共振频率处存在“过试验”现象.文章通过对基础运动激励下试验件的结构响应进行分析,研究“过试验”产生的`原因,说明在一阶共振频率处控制振动台作用于试验件的力可以解决过试验问题.并成功地进行了卫星承力筒力限控制振动试验,对力限控制的有效性进行了验证.

作 者：张俊刚 刘大志 方贵前 Zhang Jungang Liu Dazhi Fang Guiqian 作者单位：北京卫星环境工程研究所,北京,100094刊 名：航天器环境工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING年，卷(期)：200825(6)分类号：V416.2关键词：过试验 力限控制 卫星承力筒

篇2：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

力限控制技术的试验研究

传统的加速度控制振动试验中的过试验问题已经被许多专家认识到,力限控制技术的发展给解决振动试验中的过试验提供了方法.在本文中,以某试件承力筒纵向正弦扫描振动试验为平台,进行了力限控制技术在振动试验中的尝试.对比传统加速度控制和新型力限控制情况下的试验结果,分析力限控制在提高控制精度,解决过试验方面的.优点.同时,探讨了将力限控制方法有效应用到振动试验中的一些关键技术和难点.

作 者：李新明 岳志勇 张俊刚 冯咬齐 LI Xin-ming YUE Zhi-yong ZHANG Jun-gang FENG Yao-qi 作者单位：北京卫星环境工程研究所,北京,100094刊 名：强度与环境 ISTIC英文刊名：STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING年，卷(期)：200835(4)分类号：V416.2关键词：加速度控制 振动试验 过试验 力限控制

篇3：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

随着交通的拥堵和交通事故的频繁发生, 汽车防抱死制动系统 (ABS) 是车辆主动安全控制系统中重要组成部分, 它可防止任何车轮抱死, 使车辆在制动时获得最大纵向地面制动力, 缩短制动距离, 保证制动安全性;同时, 使车辆获得较大侧向地面制动力, 能有效防止车辆制动侧滑和跑偏, 提高车辆制动稳定性[1]。常见车辆ABS控制方法有:逻辑门限值控制[2]、PID控制[3]、模糊控制[4]、模糊PID控制[5]、神经网络控制[6]等, 但目前汽车上广泛采用的是由博世公司开发的基于逻辑门限值控制器, 是以角加速度为第一控制目标, 轮胎滑移率为辅助控制目标, 虽然整体控制效果较好, 且技术较成熟, 但控制过程极其复杂, 并且制动时总制动力矩上下波动较大, 影响制动舒适性, 因此, 有很多研究人员对汽车ABS进行简化处理和研究, 也取得了一些较好的成果, 本文在以往研究的基础上对ABS进行了研究, 提出了新型ABS控制策略, 是以轮胎滑移率为第一控制目标, 角加速度为辅助控制目标, 控制过程极其简单且易懂, 在控制策略设计好后应用硬件在环制动系统实验台对ABS控制策略进行了试验验证。

1、ABS控制策略

ABS控制策略的滑移率门限值和角加速度门限值设计是很关键的过程, 通过多组试验得出不同路面地面提供的附着系数与滑移率关系如图1所示。

新型车辆ABS控制算法流程框图如图2 所示。

由图2可知, 当驾驶员踩下制动踏板后, 若制动踏板开度大于70%且车速大于10km/h时, 则判断为紧急制动模式, 进入ABS控制系统, 轮胎滑移率模块根据车辆传感器提供的车速和各轮速信号计算四个车轮的滑移率, 并将信号传送给液压控制单元 (ECU) , ABS控制器利用独立的实时原型单元Micro Auto Box, 将编译好的控制策略文件加载到控制器中进行实时仿真。若滑移率小于下限S1或轮加速度大于上限A1时, 则ECU发出增压指令使增压阀和减压阀均不通电, 即增压阀打开、减压阀关闭, 实现增压过程;若滑移率大于上限S2或轮角加速度小于下限A2时, 此时A2为负, 则ECU发出减压指令使增压阀和减压阀均通电, 即增压阀关闭、减压阀打开, 实现减压过程;若判断为除此之外的情况, 则ECU发出保压指令使增压阀通电、减压阀不通电, 即增压阀和减压阀均关闭, 实现保压过程。两后轮采用低选控制, 保证后轮具有相同的制动压力, 可有效防止后轴因制动力不等而发生侧滑现象。若不满足制动踏板开度大于70%并且车速大于10km/h的条件时, 则判断为一般制动模式, 在一般制动模式中若遇到附着系数较小的路面, 则很可能发生车轮抱死现象, 此时继续进入ABS制动模式, 当车速减至1km/h时, 可判断为制动结束, 松开制动踏板, 否则继续制动到结束为止。

2、硬件在环制动系统实验台试验验证

选取Car Sim中B级车模型, 应用Matlab/Simulink编写整车ABS控制算法, 将编写好的控制策略在硬件在环制动系统实验台上进行试验验证, 所选车型的基本参数如表1 所示。

Car Sim选取对开路面工况进行试验验证, 路面附着系数为0.2L/0.5R, 初始车速为85km/h, 试验开始后, 驾驶员将制动踏板踩到底, 在制动过程中, 若车辆发生跑偏, 驾驶员根据实际情况对方向盘进行修正, 尽可能使车辆行驶于对开路面的中间位置, 硬件在环制动系统实验台试验结果如图2~图6 所示。

由图3~图5 可知, ABS控制策略具有良好的制动效果, 车速能稳定的下降, 车轮滑移率基本上都能控制在设定的上下门限值范围内;由图6~图7 可知, 通过驾驶员对方向盘的修正, 车辆制动侧向位移较小, 车辆跑偏程度和侧滑程度均较小, 具有较好制动方向稳定性。

3、结论

从实车应用角度, 以控制滑移率为目标设计了基于逻辑门限值的新型ABS控制策略, 并编写控制程序, 应用硬件在环试验台, 设置高速紧急制动的对开路面工况对控制策略进行验证。验证结果表明所设计的控制策略具有良好的制动控制效果, 对实际ABS控制器开发具有可靠性和实际应用价值。

摘要：针对汽车防抱死制动系统ABS控制的研究, 论文从实车应用角度提出了一种新型ABS控制策略。控制策略以滑移率为主要控制目标, 以车轮角加速度为辅助控制目标进行了逻辑门限值控制, 基于电控制动系统硬件在环试验平台, 利用Car Sim与Matlab/Simulink搭建整车仿真模型并编写ABS控制策略程序, 选取车辆模型和高速对开路面紧急制动仿真试验工况进行硬件在环试验验证。试验结果表明:设计的新型ABS控制策略具有良好的制动效能且提高了制动时的方向稳定性。

关键词：汽车,制动防抱死控制,硬件在环试验,制动系统

参考文献

[1]余志生, 清华大学.汽车理论[M].机械工业出版社, 2010.

[2]郑太雄, 马付雷.基于逻辑门限值的汽车ABS控制策略[J].重庆邮电大学, 2010, 10 (02) :69-74.

[3]聂晋, 周萍.基于PID控制的ABS仿真研究[J].上海理工大学, 2010, 18 (04) :6-8.

[4]李林, 李仲兴, 陈昆山.汽车ABS模糊控制方法的分析与仿真[J].江苏大学学报, 2003, 24 (03) :49-52.

[5]朱伟兴, 陈垠昶.模糊PID控制在汽车ABS中的应用与仿真研究[J].江苏大学学报, 2004, 25 (04) :310-314.

篇4：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

关键词：电气设备；试验危险点；改进控制措施

作为使电气设备安全运行可以确保的前提，电气设备试验工作具有十分重要的作用。本文对日常检修过程中的电气设备试验进行了研究，并且分析了电气试验过程中可能会导致人员伤亡事故以及设备损害的原因，在对电气设备试验危险点进行总结的基础之上，有针对性的提出了相关的改进控制措施。

1.电气设备试验工作概述

所谓的电气设备试验主要是对电气设备的运行情况以及绝缘性能的好坏等进行试验，通常可以将电气设备的试验划分为以下几种：也就是预防性试验、大修试验、交接验收试验以及出厂试验等。预防性试验主要指的是由运行部门、试验部门对投入使用后具有一定使用期间的电气设备进行的试验，其一般具有较多的试验项目、较大的工作量、较广的工作面以及较强的专业性，而且电气设备试验工作人员的安全以及电气设备的运行情况在很大程度上受到了其工作质量好坏的影响，因此必须要对电气设备的试验工作予以充分的重视。所谓的出厂试验指的是厂家以产品技术试验项目以及国家相关的标准为根据检查试验每一台产品。大修试验以及交接试验主要指的是相关的检修部门和安检部门以相应的规章制度为根据对大修设备以及新购进的电气设备进行试验。

2.电气设备试验危险点

2.1试验准备工作中的危险点

能否顺利地开展整个试验工作的关键就是电气设备试验前的准备工作，然而很多试验的工作人员在实际的操作过程中都认为试验前期的准备工作比较简单，因此并没有真正的重视这项工作。有一些试验人员在试验之前只是以电气设备试验清单为根据到设备处对相关的配套的设备进行提取，这样就可能导致各种辅助设备或者仪器设备在具体的试验过程中出现失效或者不全的情况，从而会使电气设备试验工作的进程受到严重的影响之外，同时也会因为不达标的安全辅助设施导致电气设备的试验中存在着较大的安全隐患。比如一些电气设备可能是在距离地面较高的空中进行安装，所以只有在爬上扶梯之后检修人员才能进行相应的试验工作，这时候使检修人员人身安全得以确保的重要保证就是扶梯以及安全带等各种设备。如果检修人员在电梯设备实验之前并没有认真的检测扶梯以及安全带等辅助设备，一旦在进行高空试验的时候如果出现扶梯倒塌、挂钩变形裂缝以及安全带断带的情况，就会严重的威胁到试验人员的人身安全[1]。

2.2触电伤亡危险点

在进行试验之前，如果电气设备试验人员没有认真的研究和分析需要检查的内容，没有严格的以安全控制措施的要求、工作准则中的工作范围和工作内容要求为根据进行试验工作，而是在电气设备试验的时候单纯的依靠自己的主观意识和经验，这样就很容易弄错试验间隔，导致发生损害电气设备的情况，在严重的时候还会引发爆炸、起火、运行设备短路以及检修人员伤亡等重大事故。一些试验电压的电气设备试验的过程中可能会出现几十万伏的高压，因此，因此试验人员可能需要在一个高压环境中进行长时间的工作，这就需要试验人员字具体的试验过程中以相关规范和程序将足够的试验安全距离留出来。一旦存在着安全间距不够或者不严格的安全管理等隐患就有可以能导致触电死亡事故的发生。

3.改进电气设备试验危险点的有效控制措施

3.1将试验前的准备工作做好

要想使电气设备的正常运行以及试验人员的人身安全得到充分的保证，首先要确保电气设备线路的完好无损以及其良好的绝缘性能。可以利用对电气设备介质损耗、泄漏电流、耐压强度以及绝缘电阻等相关指标的分析实施判断。只有在具体的试验之前首先测试电气设备的绝缘性能，才可以将电气设备中存在的缺陷及时的找出来，同时采取相应的措施对其进行处理，这样才能够有效地防治试验过程中电气设备出现破坏性放电的现象，从而最终引发电气设备损坏以及停电等各种损失[2]。至少要有两个人来共同完成电气设备试验，要由有经验的工作人员担任电气试验的试验负责人，负责人在具体的试验之前要将邻近间隔的带电部位以及各种注意事项详细的交代给试验人员。在具体的试验之前还要以试验项目以及建材设备的具体特点为根据将相应的仪表、仪器以及电气设备准备工作做好。试验人员要对试验人员的名字、试验的日期、测量数据试验项目，设备的编号以及设备的名称等进行详细的记录，最后还要对试验报告进行整理，要对电气设备在试验过程中周围空气的湿度、温度以及设备自身的温度进行严格的测量，保证电气设备在绝缘性试验的时候周围的温度不能够低于5 ℃。最好是在良好的天气进行室外电气设备试验，同时要保证空气具有不超过80%的相对湿度。在经过相应的检查确保没有任何错误之后，并且是所有的试验工作人员均撤离在指定的安全的位置之后，这时候才能够真正的全部完成电气设备的试验准备工作。

3.2对试验安全距离进行严格的控制

人体、物体在与各种带电体进行接近而不出现触电危险的可靠的以及安全的距离就是所谓的电气设备试验的安全距离，比如带电体与其他设备和设施、带电体与人体之间、带电体与带电体之间、带电体与地面之间都必须要具备一定的安全距离。必须要加相应的围栏或者遮栏设置在被试验的电气设备周围，试验设备的高压部分与围栏和遮拦之间还需要具备一定的安全距离，并且还要将警示标志设置出来。一旦在具体的试验过程中出现各种异常情况，在没有确认是什么原因导致发生异常现象之前必须要马上将试验工作停止，并且要保持现有的工作现状，直到将导致事故发生的原因查明清楚之后，并且保证其与试验工作之间并不存在必然的联系之后，才能够实施下面的试验工作。如果是由实验工作而引发的异常情况，就需要马上对现场实施保护措施，并且以最快的速度告知值班人员，使其采取相应的措施进行处理[3]。

3.3将回检工作做好

如果在具体的电气设备试验过程中需要对接线进行变更，这时候就需要由实验负责人将降低电压的口令发出之后，确保调压器已经回归零位，而且还要将电源断开，充分的保证被试品的放电之后才能够变更接线。同时还要采取多次放电的措施对大电容量的被试品以及直流试验设备进行处理，保证至少在1 min以上的放电时间[4]。除此之外，也要采用充分放电的方式对被测电气设备周围的大电容量设备进行处理，这时候工作人员才能够进入到遮栏工作。在完成试验之后，需要将自装的接地短路线拆除，同时要对现场进行清理和检查，保证被试设备和场地能够彻底的恢复到试验之前的状态。

4.结语

由于电气设备试验具有十分重要的作用，而且在具体的试驗过程中存在着较多的危险，因此在进行电气设备试验的过程中必须要将其危险点找出来，并采取有效措施对其进行积极的改进，这样才能够保证电气设备试验工作的安全顺利进行，同时也能够使电气设备试验工作人员的人身安全得到充分的保障。

参考文献：

[1]张来敏.在电气试验中电力变压器绕组错误接线分析[J].安徽水利水电职业技术学院学报.2013（03）

[2]张宏.电气试验工作危险点分析及控制措施[J].电力安全技术.2012（11）

[3]陈志高.高压电气试验中一些容易被忽视的问题探讨[J].广西电力.2012（05）

篇5：某柴油机缸体模态分析与试验验证

缸体是发动机的一个基础结构。其它所有的零件都是直接或间接安装到它上面。发动机工作时, 缸体在燃烧气体压力、活塞裙部和缸套间油膜压力及摩擦力、曲轴轴承处的油膜压力及摩擦力、缸盖和缸体联接处螺栓作用力的共同作用下产生复杂的振动。而这些振动对于缸体本身及安装在其上的部件产生很大影响。因此, 缸体动态特性和振动响应特性对柴油机性能影响尤为显著, 对缸体结构进行振动分析有利于分析发动机整机的振动特性[1]。而自由模态分析是整个动力分析的基石, 其本身就包含丰富的信息, 对缸体的优化设计提供有用的指导, 并能为今后进行缸体动力响应计算、结构表面辐射噪声预测以及NVH性能优化设计奠定基础。

1 缸体模态有限元分析

1.1 模态分析基本理论

模态分析用于确定结构或是部件的振动特性, 主要指固有频率和振型。它也是其它更详细动力学分析的起点, 如瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析等[2]。

模态分析的实质, 是一种坐标转换。其主要的目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量, 放到所谓“模态坐标系统”中来描述。这一坐标系统的每一个基本向量恰是振动系统的一个特征向量。也就是说在这个坐标下, 振动方程是一组互无耦合的方程, 分别描述振动系统的各阶振动形式, 每个坐标均可单独求解, 得到系统的某阶结构参数。

常用的模态分析的计算方法[3]:

1) 分块的兰索斯法 (Block Lanczos Method) :它适用于大型对称问题。

2) 子空间法 (Subspace Method) :也适用于大型对称求解问题。可以用几种求解控制选项来控制选项来控制子空间迭代过程。

3) Power Dynamic Method:适用于非常大的模型求解前几阶模态。

4) 降阶法 (Reduced Householder Method) :使用编写缩简的系统矩阵求解, 速度快, 精度较低。

这些计算方法, 各有优劣, 可以根据模型大小, 计算机性能以及求解速度, 精度等方面进行选择。在此, 选择分块的兰索斯法进行计算。

1.2 缸体三维实体模型及有限元模型建立

缸体是铸造的箱体零件, 其结构相当的复杂, 有各种加强筋, 凸台, 水套, 油道等分布其中。运用UG进行建模时, 要有整体的规划, 先从大的特征入手, 小的导角等留到最后。由于其结构复杂, 建立有限元模型的时候, 不能使用软件的自动划分工能, 必须手动划分。以往有限元分析的经验是在划分网格之前进行几何清理。在这里, 由于模型很大, 进行几何清理非常繁琐, 因而在这里不提前进行清理, 划一部分清理一部分。

有限元中, 三维实体元主要有两类:六面体单元和四面体单元。由于六面体单元划分时要求结构的形状比较规则, 而对于内燃机缸体这样的复杂构件, 对其进行六面体网格的自动划分是非常困难的。并且对于模态分析十节点四面体就能得到高精度的分析结果。因而在此运用十节点四面体。根据文献[4]及缸体实际情况, 选择网格大小为6mm, 为表现结构特征, 局部可以缩小到3mm。图1, 图2分别为缸体的三维实体模型及有限元模型, 其中有限元模型共127, 696个单元。

1.3 材料参数

缸体总成包括缸体与闷塞, 由于做试验的缸体是带水套闷塞的, 因而有限元计算的时也要加上这个部件。缸体、闷塞的材料参数见表1。

1.4 有限元计算结果

为了分析方便, 建立以下坐标系;曲轴方向为Y轴, 气缸中心线方向为Z轴, 缸体横向为X轴。图3到图9为缸体在自由状态下的前十阶振型云图。第一阶模态为扭转振动。扭转的中间平面为缸体纵向的中间平面, 距中间平面越远, 振幅越大;第二阶弯曲振动, 中间和两头振动较大;第三阶为挠Z轴的扭, 中间两个气缸变形较大。

2 缸体模态试验

本次试验采用北京东方振动和噪声技术研究所的DASP系统。图6为设备的原理示意图。

模态试验时, 测试点所得到的信息要求有尽可能高的信噪比, 因此测试点不应该靠近结构振动节点, 图7为本次测量的测点布置图, 测点用数量标出。测量时, 将缸体用柔性绳悬挂, 悬挂点选择前几阶振型振幅较小区域。将试验中采集到的每次激励的力信号、各测点三个方向响应的加速度信号数据, 在模态分析软件上进行处理, 得到频响函数。进行模态拟合后, 识别得到缸体的模态参数。图8是本次测量现场图片。

激励, 采集数据之后就是数据的分析处理过程。DASP系统能够方便的对这些数据进行处理, 图9是本次试验处理后的结果。

3 有限元结果与试验结果对比

为了验证有限元分析模型的准确性, 对有限元分析结果和试验结果的低阶模态进行了对比。有限元计算结果和实验结果对比见表2。从表中可以看出, 有限元计算与实验值的最大相对误差为5.7%, 其余各阶均在5%以内, 基本满足CAE分析准确性要求。由此说明, 仿真模型是可靠的, 可以反应缸体的动态特性。

4 结语

笔者在对柴油机缸体模态分析与试验验证过程中, 有以下几点心得或结论:

1) 对缸体进行了有限元模态分析和试验模态分析。

2) 通过实验数据校核, 仿真模型最大相对误差为-5.7%, 其余各阶均在5%以内, 满足CAE分析要求。

3) 缸体第一阶固有频率为626HZ。前三阶主要是缸体作为一个整体的整体弯扭;四到八阶为主轴承座和缸体连接区域的局部模态;八阶以后为主轴承座与横隔板的往复振动以及缸体侧面局部振动。从模态分析结果可知。低频激励主要激发缸体整体的弯曲和扭转振动。高频激励可能使主轴承和缸体侧面产生局部振动。这些模态是产生机械噪声的主要模态。

参考文献

[1]胡军伟, 林运, 付先龙, 等.发动机缸体自由模态分析及试验验证[J].柴油机设计与制造, 2006, 28 (2) :23-26.

[2]李德葆, 陆秋海.实验模态分析及其应用[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[3]陈晓霞.ANSYS7.0高级分析[M].北京:机械工业出版社, 2004.

篇6：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

【关键词】职业教育；教材实验；情景教学；教研创新

0.前言

进入21世纪以来，我国现代制造业迅速发展，随着技术创新和市场需要，对产品的加工工艺要求越来越高，但劳动者素质偏低，技能人才尤其是高级技能人才匮乏已成为制约我国制造业发展的突出问题。据国家人社部统计，目前在技能劳动者中，技工和高级技工有429万名，约占4%，需求缺口达1000多万。这与制造业发达国家高级技工占技能劳动者30%以上的水平相距甚远。当前职业教育面临着来自社会和学校内部的双重压力，一方面企业对技能人才的需求量越来越大，素质要求越来越高，希望技工学校能够培养出大批高质量的技能人才；另一方面由于高校扩招、技校规模剧增等原因，技工学校的生源素质明显下降，教育教学难度加大。在这种情况下，如何适应社会的需求，如何在现有学生素质的基础上，培养出适合企业用人需求的技能人才，成为各技工院校不可回避的课题。

1.教材实验课题的背景及指导思路

教材教学实验，是以国家的教育政策为导向，以当前企业对未来人才素质的用人要求和高级工鉴定的要求为依据，通过教师树立开放的教学观念，实行教学结构、教学手段、教学内容、教学过程的多样化，打破传统的课堂教学时空概念，拓宽各学科教学的领域，激发学生的学习兴趣，培养学生的运用能力和创新能力，从而全面提高学生的素质，提高教学质量。

2.教材教学实验过程和方法

按人社部职业培训教材工作委员会办公室教材实验工作要求，我对我校09级数控加工班、09级模具钳工班、09级高级车工班、09级高级铣工班学生实施了《金属切削原理与刀具（第四版）》教材教学实验，制订了与实验工作相适应的教学计划，围绕教材实验开展了许多工作：一是按实验计划和教学大纲要求，认真编写了实施性教学计划；二是学习钻研新版教材，把新、老教材逐章、逐节对照，对照每一章节后寻找新老教材内容的相同和不同点，特别注意新教材的编写特色；三是购买最新国家标准以及围绕教材内容涵盖的新技术、新工艺等教学参考资料；四是充分重视学生的反馈意见、成立学生教材实验小组，把在学习中遇到的问题及时向任课老师反映。通过一系列的措施和方法，保证实验工作全面、客观地进行和顺利完成。

2.1教材实验课题的目标

教材实验，改变原有的以“教”为主的教学模式，构建多样式的教学体系，促进教师学习先进的教育教学理论，端正教育思想，建立和谐、民主、平等的教学情境，让学生心情舒畅、无拘无束地参与教学活动，为学生的学习创设一个良好的心理环境，有利于学生的主体参与、自主学习，从而改变长期来学生被动的学习方式，为学生的终身学习打下一个良好的基础。并以此来推动教学改革，提高教学质量，从而以学科教学为主渠道推进以创新精神和实际能力为核心的全面的素质教育。

2.2实验的方法

教材实验，最关键的是教师，难度最大的也是教师。教师的观念及角色的转换是实验推进成败的关键。教材实验首先应有明确的、先进的教育理念为指导，如果教师手中握着全新教育理念指导下编写的教材，所采用的却是传统的方法与旧的教育模式，教学难免会南辕北辙，走入歧途。所以在教材实验教学工作中，我始终把课堂教学方法的改革做为重要的研究课题，在教材研究上相互对照新旧教材的异同，把握新教材的理念、结构、层次和教学重点难点，根据新教材的特点与优势进行教学，针对不同内容反复设计研究出不同的授课方式和教学方法。

2.2.1兴趣是最好的导师，适时运用情景教学

学习兴趣是直接推动学生学习的动力，是学习活动顺利进行的重要条件，适时运用情景教学，可以为学生的学习创设一个良好的心理环境，使学生心情舒畅、无拘无束地参与教学活动。例如我在讲授《金属切削原理与刀具（第四版）》第二章第三节刀具的几何角度：标注参考系和工作参考系的概念时，就充分利用多功能厅教室、计算机多媒体教学软件、用flash课件制作一些优美的声音和演示画面，让学生从优雅的歌声进入到生动、形象，图文并茂的教学课件动画中，把静止参考系（标注参考系）和动态参考系（工作参考系）演绎讲解的清清楚楚，一个枯燥而且不容易理解的问题，以其形象、直观、鲜明、生动的特点给学生留下了深刻的印象，使学生学习时如身临其境，从而激起学生积极思维、探索的兴趣，起到事半功倍的教学效果。

2.2.2培养学生的创新意识和创新能力

在多年的《金属切削原理与刀具》教学实践中，我发现就大多数学生而言，从自然现象和实验归纳出概念和规律，学生掌握较好，而运用概念和规律去解决问题则困难较大。这就要求教师在课堂上必须有意识的提高学生抽象思维能力和创新能力，教师要坚信每一个正常的学生都有创新潜能，都能通过适当的教育，取得创新性的成绩，成为某一方面的创新人才。教师要创设一种民主、宽松、和谐的创新教学氛围，让学生脱离常态，从不同的角度去思考问题，在创造过程中要注意突破定型思考的习惯，对问题既可以从正面思考，又可以从侧面思考，突破思维习惯，从不同的角度思考问题，首先，要求学生利用身边的材料进行小制作、小发明，并展示自己的作品。这样不仅培养了学生的创新能力，而且使学生养成精益求精的作风，形成开放的心理，培养自强意识。其次，要求学生设计小实验，证明简单的‘金属切削原理与刀具的规律，培养学生在探求知识的过程中形成研究能力、创新意识和探索精神。

2.2.3召开学生座谈会

各实验班级在完成一定章节的教学后，要及时组织召开学生座谈会，了解学生对教材的看法以及对所学知识的掌握程度。对部分内容改动较大的章节，还要邀请部分曾经学过《金属切削原理与刀具（第三版）》教材的同学参加听课，然后座谈，更便于从学生的角度来看待新、旧教材之间的差别。对实验过程中发现的问题及时进行分析、商讨，对照新老版本的不同点，提出对新版教材的看法，确定教学方式，“以教师为主导，以学生为辅助，边教边议，逐步完善”。

2.2.4成绩评估和能力测验对比

每完成一章的教学，就及时进行阶段性测验，将测试成绩与校内的非实验班级进行横向对比，以校验教材实验的效果，验证学生对教材的适应性，促进实验开展。

篇7：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

模压成型又称压制成型,是将预成型料装入具有一定形状和尺寸的阴模腔内,再经摊料、刮平,扣上阳模,通过压力机提供的压力和热量,使成型料挤压、形变、咬合、软化、交织并充满型腔,形成与型腔相同形状和预设尺寸的工件。模压成型具有操作工艺简单、自动化程度高、生产成本低等特点,在粉体材料毛坯成型中被大量采用。砂轮毛坯的成型也普遍采用模压成型方法。

砂轮模压成型压机普遍吨位大、加热板外露、系统无调平机构、操作过程随意性大、模具受力易偏载等,成型工艺落后;并且硬质粉体材料压制过程中摩擦行为复杂[1等,致使粉体模压成型的砂轮毛坯厚度精度普遍较低、集中度差[2],砂轮几何精度完全依赖后序加工来完成,这样生产周期长、效率低、能耗大,不利于绿色生产。

随着信息技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、光电子和微电子技术等现代科学技术的迅速发展,高速精密绿色磨削加工技术得到大力发展和推广应用[3～5],作为工业牙齿的砂轮也面临着新的挑战与机遇,迫切要求其几何精度更高、动态精度更优、磨削性能更好、使用寿命更长、制造应用更环保等,为此国内外学者开展了大量的基础理论、磨具配方和磨削性能方面的研究,但如何提高砂轮毛坯成型精度方面的研究还未引起人们关注。

1 传统模压成型

1.1 模压成型精度分析

模压成型是复合材料生产中最古老而又富有活力的一种成型方法。模压成型如图1所示,模具2(含预成型粉体料)位于压机上下压板间中心位置,理论上预压制成型的工件厚度精度主要受压机上下压板1的平面度、平行度,模具尺寸精度、形位精度,投摊料均匀性等因素影响。而在实际生产中发现,压机滑动梁与导向柱的形位精度及配合不理想,压板材料、厚度有限,压板受力、受热不均匀,模具受力易偏载,压机运行精度较低等,在小直径切割砂轮压制成型过程中压制出的工件厚度偏差较大、成品率低、生产成本高等。即使对压制工艺系统进行了定时维护,精化了上下压板的平面度、平行度以及投摊料均匀性,压制成型的砂轮厚度精度仍不理想。

1.2 模压成型受力分析

为了更深入地了解压制成型工艺状况,本文采用仿真软件ANSYS中的Structural模型对压机系统中最薄弱环节压板进行了应力、应变仿真计算。材料单元选取20节点的SOLID186单元,选用Structural>Elastic>Isotropic类型,压板弹性模量设置为210GPa,泊松比为0.26,压制压力为100k N。

根据上下压板尺寸(600mm×600mm×40mm)和模具尺寸(Ф140mm,Ф300mm两种)建模,将压板和模具接触的面定义为接触面,其中模具(不含预成型料)设置为不变形刚体,模具中预成型料具有可压缩性,压板设置为可变形体,并限制模具底部的所有位移。

在图1传统模压条件下,由图2压板应力与应变分布图可知:压板内应力分布极不均匀、有一定量的应变,压板成微凸状。使用直径Ф140mm模具压制时,单压板最大位移量可达0.128mm;如果考虑压制过程中压机上、下压板出现相同的变形,则压板平面度偏差可能会2倍地传递到预成型粉体料上。

进一步,使用直径Ф300mm模具进行有限元计算结果如图3所示,随模具外径尺寸变大,压机压板最大应力差变小,压板应变也减小,如单压板最大位移量仅0.072mm,减小了43.8%。因此,可以认为采用传统压制成型工艺时,不仅要考虑压力的大小,压机(压板)的选择也应与工件(模具)的外径相适应。使用大压机压制小尺寸工件,则难以取得理想的工件厚度精度,应严禁“大马拉小车”现象。

由此可见,采用传统压制工艺生产小直径工件时,工件厚度偏差主要是压制工艺系统刚性不足,特别是压机上下压板的刚性不足是主要瓶颈,致使压机压板在强大的压力作用下发生了弯曲变形,进而会直接传递到预成型料上,影响粉体料压制厚度精度。

为了提高压制工艺系统刚性,减小压机上、下压板变形,按传统压制成型工艺,通常是购置高精度新压机,拟增加压板厚度、提高压板材料硬度、减小压板长度和宽度等改进措施,但这样投资大、成本高,效果不理想。

2 过定位压制成型

2.1 机械过定位技术

在机械加工中,确定一个物体在空间位置所需要的独立坐标数目,叫做这个物体的自由度[6]。根据运动学原理,任何一个物体在空间直角坐标系中有六个自由度,过定位是指在物体定位时,物体的定位点超过了六个或同一个自由度被两个或两个以上约束点约束的现象。在机械设计和加工中,严格按照六点定位原则,力求避免过定位,否则会破坏定位、引起干涉、影响稳定、降低制造精度[7]。

但是,近年来随着科学技术的进步和加工精度的提高,过定位问题得到了新的认识,过定位技术在机械设计和高速精密加工中的应用已经得到普遍认可,合理的过定位有利于提高系统刚性、改善加工质量[8～10]。如数控机床中HSK刀柄替代BT刀柄就是典型的例子,利用机械过定位技术可数倍地提高刀柄的重复定位精度、动平衡精度和动静刚度,进而有利于提高机床系统加工精度。

2.2 过定位精密压制技术

对于粉体材料模压成型来说,模具型腔已限制了工件4个自由度向自由度主要靠模具对预成型料的摩擦力限制,且与工件厚度方向相垂直,不影响工件的厚度精度;向自由度即压机加压方向主要受压制成型工艺(定模或定压)、压机压板动态形位精度影响,如前分析如果在粉体料成型过程中压机压板变形较大,必然会影响到粉体压制工件的厚度精度。

为了减小压机上、下压板变形,提高粉体材料压制成型精度,本文借鉴机械过定位技术,提出了过定位精密模压压制方法。即在工件压制成型过程中有意在压机上、下压板间,围绕模具周围外侧对称均布若干个与模具压制高度(模具高度和工件预设高度之和,为预成型料压制后的工件模具总高度)等高的标准块,使压机上、下压板在向(上下移动方向)被多个约束点约束,使工件向处于过定位状态[1]。图4就是针对正方形压板设置了四个标准块的过定位压制示意图。

2.3 过定位压制仿真

为了全面验证过定位压制技术的可行性,在图2(模具Ф140mm)仿真计算的基础上,采用图4平面布局原理在模具中心Ф400mm圆周上对称均布设置了四个Ф100mm标准块,模型网格划分后如图5所示。然后针对压机压板又进行了有限元仿真计算。

由图6有限元应力与应变分布图可知,由于在压机向设置了四个标准块,压板应力差减小了68.7%,大幅度减少了应力集中,改善了应力分布;压板最大位移量0.031mm,较图2减小了75.6%。由此可见:在模具周围外侧对称均布设置若干个标准块,不仅提高了压制工艺系统刚性,而且明显改善了压机压板的变形,这有利于提高粉体材料压制成型工件的厚度精度。

进一步分析:上述仿真计算的最大位移量0.031mm是针对压机600mm×600mm压板面积,而模具直径Ф140mm,压制工件直径只有Ф100mm远小于压板尺寸,由此可见压制成型的工件厚度偏差值会更小。

3 过定位精密压制技术在砂轮成型中的应用

砂轮是用磨料、结合剂和填料等粉体材料经模压成型的中央有通孔的圆形固结磨具,砂轮的成型主要采用单向压制成型工艺,经过装模、投料、摊料、刮平、压制、脱模、固结或烧结等完成砂轮毛坯的成型过程。

本试验在四柱下压式油压机上进行,砂轮模具及标准块平面设置采用图4布局。现场设备照片如图7所示,标准块布局如图8所示,模具位于下压板正中位置、四个标准块位于砂轮模具周围最外侧对称均布,标准块的高度与模具压制高度相一致。

在砂轮压制过程中,压机滑动梁带动下压板、模具和标准块上移,当上压板与装有预成型料的模具接触后,首先预成型料被压缩,随着滑动梁继续上移,预成型料压缩量逐渐加大,压力进一步增加,上、下压板变形亦同步增大;其次,待上压板与四个标准块接触后,上、下压板的变形被限制并逐渐获得校正,直至压制系统达到设定的行程和设定的压力稳定状态;最后,待保温保压均达到设定要求后,压机滑动梁回退,转入卸模程序。

具体条件是: M Y S - 1 6 0 T热压机, 额定压力1600k N,压机上下压板尺寸长600mm、宽600mm;压制砂轮为1A8型D64mm×T0.15mm×H40.00mm、压力100k N;砂轮毛坯厚度采用数显千分尺(分辨率0.001mm)检测。

试验过程分别采用传统压制工艺和过定位压制工艺各进行50片小批量实验测试,每片砂轮沿周向均布4点检测砂轮厚度,进而取每片砂轮的最大最小数据差作为砂轮厚度差记录。两种成型工艺各统计50片的砂轮厚度差数据如图9所示,砂轮厚度差分布如图10所示。

从图9、图10试验统计数据可以看出:采用传统压制工艺成型的砂轮厚度差分布范围大,从5μm到17μm,集中度差;而采用过定位压制工艺成型的砂轮厚度差从4μm到13μm,分布范围明显缩小了,集中度提高了。

进一步计算两种成型工艺试验数据的均差、标准差和方差,从表1分析数据也可看出:采用过定位压制成型技术可分别使砂轮厚度差均值、标准差、方差减小22.3%、41.1%、65.3%。

可见,过定位压制技术不仅对砂轮毛坯厚度精度有较大改善,而且集中度也有明显提高,应用效果显著。

4 结论

1)分析了影响粉体材料模压成型工件厚度精度的因素,通过对压板应力应变有限元分析,采用传统压制工艺时压板应力分布极不均匀,应力差、变形量均较大;并且模具直径相对压机压板尺寸越小,压板应力差、变形量越大。

2)提出了粉体材料精密模压成型新技术。在粉体压制过程中,利用机械过定位原理,通过若干标准块的设置增加了压机上、下压板间的重复约束,均化了压板应力,限制了压板的变形,提高了压制系统刚性,有利于提高粉体压制成型厚度精度。

篇8：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

【关键词】RTK；可靠性；测量精度

1.RTK技术的原理与应用

实时动态（RTK）差分定位原理是在基准站上设置GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测。根据基准站的已知三维坐标求出各观测值的校正值（坐标改正数、距离改正数或载波相位），并通过无线电通讯传输设备将校正值实时发送给各流动站，流动站将接收的GPS卫星信号与基准站传来的校正值进行差分计算，从而实时高精度地解算流动站的三维坐标。其工作原理它的系统由GPS接收设备，无线电通讯设备，电子手簿，蓄电池，基站和流动站天线及连线配套设备组成。目前，双频GPS接收机使用RTK技术，在10km范围内，实时定位精度可达到厘米级，已广泛应用于地形测量、地籍测量及各种工程测量等碎部点的数据采集及工程放样中。实时动态差分定位是GPS技术发展的一个新突破，它即克服了常规测量要求点间通视，费工费时而且点位精度不均匀，同时又避免了GPS静态及快速静态定位需要进行后处理。如果采取适当的测量措施，使其满足一、二级控制测量精度要求，将大大减轻测量作业的劳动强度，提高作业效率。

2.RTK定位精度及可靠性因素分析

RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，主要有以下几个因素。

2.1初始整周模糊度(初始化)

在RTK测量的作业模式中，OTF法（即on the fly,属运动中解算整周模糊度，即在流动站运动状态通过观测至少5个历元，按一定算法求出整周模糊度之差）已有多种算法，是一种有前途的方法。

在OTF解算未知的模糊值时，至少需要有5颗共同卫星，卫星数越多，解算模糊值时的速度越快，越可靠。研究表明，卫星数增加太多对提高RTK点位精度不显著，但可提高观测成果的可靠性。

2.2基准站与流动站间的数据传输

由于RTK技术是在两台GPS接收机间加一套无线电通讯系统来完成，在流动站完成初始化后，将基准站传送来的载波观测信号和流动站接收到的载波观测信号进行差分处理，实时求解出两点间的基线值，进而由基准站的坐标求得流动站的WGS-84坐标，通过坐标转换，即可实时求得流动站的坐标并给出其点位精度。因此，基准站和流动站的观测质量好坏以及无线电信号传播质量好坏对定位精度影响很大，主要包括卫星星数、大气状况等。

2.3GPS的测量误差

对流层和电离层都会对GPS信号传播造成影响，基线越长，影响越大。当基线较短时，其影响能够模拟，残差可通过观测值的差分处理得到削弱或消除。环境对RTK影响的主要因素有地形、基准站与流动站之间的障碍物、覆盖物、多路径效应误差、电波干扰等。观测方案和观测者的操作对RTK结果的质量和可靠性影响也很大，如：基准站位置的选择、校正点的选取、对中误差、天线姿态、观测次数等。

3.RTK精度可靠性试验方法

3.1用静态测量结果进行试验

作为RTK测量起算数据的高级控制网,一般用GPS静态获得,具有很高的可靠性。为检核坐标转换参数、已已知点纳入到测量链中的方式进行检查,这是一种十分有效的方法,可在任何情况下时使用。即在布测控制网时用静态GPS或全站仪多测出一些控制点，批量作业前用RTK测出这些控制点的坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正。

3.2双基站或多基站试验检测

在测区内同时建立两个以上基准站,每个基准站采用不同的頻率发送改正数据,流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据,从而得到两个以上解算结果,比较这些结果就可检验其质量状况。这种方法的变通是在不同时段两次架站,但缺点是工作效率较低,所以使用不多。

为保证RTK测量精度的可靠,在同一地区,可以建立多个固定的基准站点,并统一求解转换参数和基准站点的WGS-84坐标。在RTK测量过程中,对同一待测点,用不同基准站点分别测量坐标,在限差范围内求均值。有条件的单位或地区,即具有多套相同型号GPS-RTK仪器的单位或地区,可分别同时在多个基准站点架基准站,同一台流动站只需改变每个基准站发射电台的频道,就可分别测出对应不同基准站的同一点的坐标,不但起检验的作用,而且能提高RTK精度。

3.3不同时段测量试验

对于缺少其他检验条件的待测点,还可以用同一基准站在不同时段(如隔几天)测量,若结果不同,则必有一个是错误的,需再次测量;若结果在限差范围内,则说明测量值正确,可取中数。

3.4测前测后的控制点检验

为保证RTK测量的可靠性,建议在每个基准站点附近设立几个检验控制点,每次RTK作业前,在架好基准站，流动站初始化后,就测试检验控制点,以判断卫星信号的正测试检验控制点,再次检测卫星信号的正常情况,来判断前面所测点位的可靠性。有条件的话,在作业中,检测一下附近控制点,可随时判断卫星信号的正常情况。特别注意,在同一地区若有相同型号的GPS接收机,如果转换参数不同,容易发生在公共频道(或相同频道)接收了其他单位参考站发出的数据链而导致测量数据错误。因此,有必要对本单位的GPS接收机设置特殊的识别码,以防止接收错误的数据链,同时加强对控制点或相关地物点的检测判断。

4.试验分析

从上述那些问题可以看出

4.1应用GPSRTK实时定位技术进行城市低等级平面控制测量，平面点位精度一般优于±5cm，其高效率、灵活、误差不积累、厘米级的高精度越来越受到测绘人员的青睐。在满足CJJ/T73—2010相应技术要求下，可代替相应等级的常规导线测量。

4.2与静态、快速静态GPS测量相比较，RTK无足够的几何检核条件，笔者认为不宜用来作首级控制。在使用RTK布设加密控制点时要加强检核，若代替一、二级点时可以采取在不同的基准站上分别独立施测或设立双基站的方式施测，取中数使用，这样不但避免了粗差，而且使点位精度得到提高。

4.3RTK定位的数据处理主要是基准站和流动站间的单基线处理，而基准站和流动站的观测数据质量及无线电信号的传播质量对定位精度的影响极大。因此，把基准站设立在要进行RTK测量区域的较高点上，提高基准站和流动站天线的架设高度。基准站与流动站应同步锁定5颗以上的卫星，且PDOP值应小于6。

4.4RTK测点必须在求取WGS-84坐标到地方坐标系转换参数的高级控制点的范围内，同时尽量均匀分布，最高、最低点也尽可能选点。点校正应选择4个（含4个）以上精度较高、分布均匀的控制点进行，对校正值较差的控制点应舍弃。

5.结束

综上所述，应用RTK技术进行平面控制测量是可行的，主要得益于RTK自身定位理论的优良性，并在作业时注意基准站位置的选择、控制流动站到基准站之间的距离、为求转换参数（点校正）而选择具有控制和代表测区范围及高度的数量足够的公共点。这样，RTK完全可以满足低等级控制测量，且各点间不存在误差积累。RTK测量与GPS静态测量相比，较易出错，必须进行质量控制，尤其在控制测量中更要进行内部和外部的可靠检验。■

【参考文献】

［１］徐绍铨等.GPS测量原理及应用.[M].武汉大学出版社.2003.

［２］李本玉,高伟,胡晓.GPS实时动态定位技术的发展与应用研究[J]．矿山测量，2009.

篇9：力限控制缓解过试验原理分析与试验验证

近年来, 相量测量装置 (PMU) 得到了广泛的应用[1,2,3], PMU以全球定位系统 (GPS) 为参考, 可测量得到发电机转子角。 在实际系统中, 转子角都在不断波动。 这是由于电力系统有功功率控制一直以频率标准为参考, 通过自动发电控制 (AGC) 完成控制任务[4,5]。 这一控制通过检测频率的偏移, 使发电机组调速机构动作以抑制频率的变化, 这个过程中频率不断变化必然导致发电机转子角处于波动的状态。 风电、光伏等可再生能源发电接入后, 仍继续沿用这一控制方式[6,7,8,9,10,11], 所以发电机转子角波动程度也随之加剧。

当前电力系统有功功率的控制模式可以认为是变角度模式, 尽管这一模式有其优越性, 但还是存在弊端。 随着新能源 (如风电和光伏) 的广泛接入, 系统频率变化更加频繁无序, 而且特性各异的电源散布在各级电网之中, 也难以对数量繁多、特性各异的被控量进行协调调度;另一方面, 智能电网的发展导致发、输、配、用环节的界限也不再明晰, 不清晰的输电通路也存在潜在的安全风险。 传统的基于频率信号的集中式发电调度与控制方式在决策效率、信道延迟以及频率信号的非同步性方面均出现问题, 不仅难以实现多区域协调控制, 甚至可能成为区域间潮流波动的根源。

在这个背景下, 能够分散自治、不需要调度干预的自动负荷跟踪机制就具有显著的优越性。 文献[12]提出绝对转子角控制的思路, 可以让每个发电机转子都在指定的时刻到达指定角度位置, 从而把各发电机的绝对转子角在GPS确定的旋转坐标系中固定下来。 这种做法可以及时跟踪负荷增减, 并在不需要调度干预的情况下维持能量平衡和系统频率恒定。 这种做法还会带来其他好处, 如文献[13] 已经证明, 实施转子角控制后可以根据就地量测得到区域间振荡信息, 并提供相应的阻尼转矩, 因而可在不利用远方信息的前提下大幅度提高区域间振荡的抑制阻尼比;文献[14]表明, 由于正常运行时每个发电机都固定在自己的转子目标值上运行, 所以事故发生后, 各发电机可根据当前转子角量测确定自己在电网中的位置并增减有功, 向事故前目标值回归 (但不一定能回到扰动前的数值) , 以恢复秩序和稳定, 所以这一新模式也会显著地提高电力系统的暂稳极限。

不过, 从某种意义上讲, 转子角控制模式是与现有模式存在很大差异的一种全新模式, 有很多问题有待解答, 例如:仿真和实际是否存在显著差异, 测量精度是否足够用于控制, 能否同时指定所有发电机的转子角目标值等等。 所以, 通过动模试验来证明这种模式的可行性, 是一项必需的基础工作。 本文通过动模试验, 对这些问题进行了解答, 证实了转子角控制模式的可行性, 并对新模式下的负荷跟踪机制进行了详细的试验验证, 从而为未来的可能应用奠定了基础。

1转子角控制的原理

1.1绝对转子角的测量

近年来, PMU技术得到了长足的发展, 测量精度不断提高, 应用也越来越广泛。 新出现的技术使PMU可以利用键相信号直接测量绝对转子角[15]。 ( 绝对转子角是指发电机q轴相对于协调世界时 (UTC) 整秒确定的旋转参考矢量的角度) 。 图1为这种直接测量法的示意图。 图中, q轴领先GPS参考矢量的角度 δ 为绝对转子角 (正序机端电压U领先GPS参考矢量的角度则为正序机端电压绝对角) 。

通过测量键相脉冲到达时刻和秒脉冲PPS (Pulse Per Second) 分频得到的精确50 Hz脉冲到达时刻间的时间差可以计算得到 α, 再减去初相角 β, 就可以得到绝对转子角。 可以看出, 绝对转子角不是转子q轴相对于系统中某个其他发电机的角度, 而是在GPS确定的旋转坐标系中的角度 (相对PPS的角度) , 因而这个数值的获取不需要任何远方信息。

1.2转子角控制器的结构和工作原理

在实际运行的电力系统中, 由于系统频率不是非常准确的50 Hz (或60 Hz) , 所以PMU按照前述原理测量得到的转子角会不断变化。 频率超过50 Hz时转子角逐步增大, 频率低于50 Hz则逐步减小。 如果系统中存在低频振荡, 不同的发电机角度增加或减少的数值也各不相同。 这也是广域测量系统 (WAMS) 中常见的现象, 即频率变化和低频振荡导致发电机绝对转子角处于变化之中。

然而, 从控制的角度看, 也完全可以转而控制角度, 即通过精确地控制发电机转速, 可以使每次秒脉冲到达时, 发电机转子都转到相同的位置, 这样PMU测量得到的绝对转子角将保持不变, 频率也将是精确的50 Hz (或60 Hz) , 即可同时实现转子角和转速 (频率) 的无差控制。

图2给出了一种使用PID精确控制转子角的调速器结构图。 图中, s为拉普拉斯算子;ω0= 2πf0为弧度制的额定转速;δ 为本地PMU测量得到的绝对转子角;δaim为调度下发的绝对转子角目标值;Kp为比例增益;KG为微分增益;T3为低通滤波时间常数; Ti为积分时间;Tch为高压缸时间常数;Trh为再热器时间常数;Fhp为经再热器后由中低压缸产生的功率比例;Ts为伺服机构时间常数。 δaim的参考点也是PPS。 显然, 在发电机与无穷大系统连接时, δaim越大则发电机出力越多。

图2所示调速器的原理并不复杂:如果测量得到的发电机转子角落后 (小于指定目标值) , 就把汽轮机调门开大一些, 根据摇摆方程可知, 此时发电机转速将会上升, 转子角也会随之加大, 并逐步回归期望值;反之亦然。

1.3转子角控制器和传统调速器的比较

现有的电力系统通过一次调频和AGC来跟踪负荷变化, 随时维持负荷和发电间的平衡。 如果要在电网中实施转子角控制, 就必须用转子角控制器替换传统的调速器。 一次调频功能也随之消失。 不仅如此, 转子角控制器内没有接收调度功率指令PLoadref的接口, 也就不可能以传统的方式实现AGC。 为此, 有必要对转子角控制模式下电网如何跟踪负荷进行进一步分析。

图2所示控制框图比较复杂。 图中积分路径中的低通模块和输出前的补偿模块主要为改善阻尼转矩而设置, 在稳态时不需要考虑。 为简单起见, 可以将不包括补偿模块的转子角控制器输出表示为:

其中, Δδ 为PMU量测得到绝对转子角和调度下发的转子角目标值的差值, 如式 (2) 所示。

作为比较, 式 (3) 同时给出了传统调速器的输出:

可以知道, 在负荷和发电精确相等且转子角量测也等于目标值的瞬间, 转子角控制器只有积分路径有输出, 因此就类似于传统调速器的PLoadref。

不过, 传统控制器根据频率增加功率的部分由代替, 即在负荷变化后, 转子角控制器会同时根据频率和角度增减功率。

在使用传统控制器时, 如果负荷增加, 则系统最终会稳定在一个稍低的频率上 (否则根据频率差增发的部分会回归到0) , 即传统调速器是根据频率的有差控制。

使用转子角控制器后, 在负荷增加的初期, 角度和频率都会下降, 所以控制器内比例和微分路径都会增发功率, 不过随着频率逐步恢复额定值, 微分路径输出会减小到0, 但根据角度差增发的部分仍会保留下来, 即角度会稳定在新的更为滞后的数值上, 新模式在扰动后一段时间内是根据角度的有差控制 (但是频率的无差控制) 。 随后, 积分路径会逐步发挥作用, 再让角度逐步回归目标值, 最终实现角度的无差控制。

2负荷跟踪机制的动模试验验证

2.1硬件平台

动模试验在山东大学动模试验室完成, 试验中使用了2台12 k W的交流发电机, 原动机为直流电动机。 2台发电机的高压母线通过线路连接, 负荷则通过降压变压器接在其中一台发电机的高压母线上。 试验接线如图3所示。

图4是测量和控制接线示意图。 其中, 角度测量由发电机飞轮上的贴纸和光纤传感器配合实现, 每次贴纸转过传感器探头时, 传感器都会发出一个脉冲给PMU (这个信号就等同于汽轮机的键相信号) , 再根据2.1节所述原理PMU即可计算得到绝对转子角。 由于光纤传感器在高速模式下响应时间为50 μs, 所以传感器误差小于0.9°, 加上PMU测量误差0.144°, 合计理论误差在1° 左右 (实际短时测量漂移仅为0.2° 左右) 。

PMU得到转子角后, 送给转速控制器。 控制器内部逻辑和图2所示结构类似, 但通过模式切换可以选择定功率模式、一次调频模式 (闭锁比例和积分路径) 或者转子角控制模式。 控制器的输出指令则通过RS-485通信线发送给研华的ADAM模块, 再以4~20 m A的电流信号输出到直流电动机控制柜, 最终达到改变直流电动机控制柜电流环定值和电动机转矩的目的。

这个控制闭环并没有显式地模拟汽轮机的某些环节 (没有对应再热器和伺服机构的惯性环节) 。 这是因为本文仿真目的是验证负荷跟踪机制 (而非暂态过程) , 而在准稳态过程中, 转子角控制器内的补偿环节可以抵消对应再热器和中低压缸的环节。 此外, RS-485传输和ADAM模块存在纯时延, 直流电动机控制回路的时间常数又正好对应伺服机构、汽门和高压缸的时间常数, 所以最终效果应与实际汽轮机是相当的。

2.2在多机系统中启动转子角控制

启动转子角控制可以有2种方式:一种方式是在黑启动时, 让投入运行的第一台发电机直接进入转子角控制模式, 随后各发电机再依次并网即可;另一种方式则是运行中的多台发电机在某一时刻同时投入转子角控制器。 下面分别给出2种方式启动转子角控制的试验结果 (图中角度数值由PMU记录后再由MATLAB作图, 因此没有使用实际时间) 。

图5为动模试验时一台发电机首先投入转子角控制, 随后另外一台发电机并网的试验结果曲线。 由于增加了PPS作为坐标系参考, 所以两机系统可以画出2条角度曲线。 图中 δ1、δ2分别为发电机G1和G2的转子位置量测 (未扣除初相角, 否则并网后曲线会压在一起) 。

图5一台发电机投入转子角控制后另一台发电机并网的试验结果Fig.5 Experimental results when one generator begins operating in rotor angle control mode and another generator is then integrated into grid

从图中可以看出, 在t = 71 s时, 发电机G1先启动角度控制 (以该时刻的转子位置量测作为目标值) , 转子位置在PPS确定的旋转坐标系中不再变化。 约150 s后2台发电机并网, 并网时发电机G2的调速器为定功率模式, 但并网后发电机G2的转子位置就不再变化 (而在目前实际运行的电网中, 任何并网发电机在GPS坐标系中的转子角度位置都随频率波动而不断波动) 。

图6给出了已处于并网运行状态且带负载的两机系统启动转子角控制的角度记录。 试验开始前, 2台发电机的调速器仅包括一次调频环节 (角度的微分环节) , 电网运行在传统的变角度模式下, 且通过手工增减指令使运行频率距离额定频率很近。在t=94.4 s时将发电机G1的控制器转入角度控制模式 (以该时刻的转子位置量测作为目标值) , 发电机G2仍保持传统的一次调频模式。从结果曲线可以看出, 系统在经过一个短暂的过渡过程后就稳定下来, 2台发电机的转子角都不再变化, 实现了由变角度到定角度的转换。

图 6 双机系统由变角度模式转为定角度模式的角度记录Fig.6 Rotor angle records when two-machine systemoperates from variable rotor angle control mode toconstant rotor angle control mode

第一个试验表明, 如果电网已经运行在定角度模式, 则新并网发电机的转子角度在并网后也会固定下来。第二个试验则表明, 假如电网中发生非常大的扰动以致不得不暂时转入传统变角度模式, 在扰动平息且频率基本恢复后, 电网仍可以很方便地重新转入定角度模式。

2.3转子角控制模式下的负荷跟踪

2.3.1混合模式下的负荷跟踪

考虑2台发电机仅有1台启动转子角控制的场景 (另外一台发电机使用传统调速器, 即仅包括对应角度微分的一次调频环节, 不包括比例和积分环节) 。

在t=50 s时, 将负荷增加2 k W, 并记录各发电机的转子角度和给负荷提供的电流 (由机端TA、TA6得到) 变化曲线, 结果见图7 (由于负荷为纯电阻, 所以电流和功率等比例变化, 没有给出功率是因为使用2个互感器结果进行计算会引入更大误差, 此外, 该图及后续录波图宽度对应时间长度均小于角度曲线时间长度) 。

从图中可以看出, 负荷增加后, 2台发电机的角度都开始落后, 频率也有短暂的下降, 所以2台发电机都开始增加输出功率。随后, 由于频率逐步向额定值回归, 发电机G2增发的功率也逐步减少, 而发电机G1逐渐增多。最终, 频率恢复到50 Hz后, 发电机G2的出力回归到了初始值, 而发电机G1完全承担了负荷增量部分, 在没有AGC参与的前提下实现了功率平衡和频率的无差调节。

这个试验表明电网中的多台发电机可以同时运行在不同模式下 (定角度模式或传统的一次调频模式甚至定功率模式) 。在扰动后, 运行于传统一次调频模式的发电机也可以对电网提供短暂支援, 但是增发功率最终会完全消失, 负荷增量仅由定转子角模式运行的发电机承担。

2.3.2单一模式下的负荷跟踪

如果2台发电机都运行在定角度模式下, 则试验结果又会显著不同, 在t=50 s时, 将负荷增加2 k W, 并记录各发电机的转子角度和给负荷提供的电流变化曲线, 结果见图8。从图中可以看出, 负荷增加后, 2台发电机的角度都开始落后, 频率也有短暂的下降, 所以2台发电机都开始增加输出功率, 频率和角度相继恢复。最终2台发电机的转子角都恢复到扰动前的数值, 频率也恢复到50 Hz, 在没有AGC参与的前提下实现了功率平衡和频率的无差调节。

图8单一模式下负荷跟踪过程角度和电流记录Fig.8 Rotor angle and current records during load following in single mode

和2.3.1节结果进行比较, 可以看到:首先, 由于参与角度控制的发电机更多, 所以过渡过程中发电机角度滞后的幅度更小一些;其次, 2台发电机都承担了部分负荷增量。这个实验也表明, 即使负荷挂在某个定转子角的发电机的高压母线上, 该负荷的增量部分也不一定都由该发电机承担。

2.3.3定角度发电机到达有功上限后的情形

在多机系统中使用转子角控制时, 不可避免会碰到某台发电机到达功率上限的情况。显然, 此时发电机会失去维持转子角度不变的能力, 原本该由此发电机承担的负荷就会转而由相邻发电机承担。

假设试验系统中, 发电机G1到达了有功上限, 在t=120 s时和t=475 s时, 分2次各将负荷增加2 k W, 并记录各发电机的转子角度、两机间转子角度差 (扣除了初相角) 和给负荷提供的电流变化曲线, 结果见图9 (录波图分为2个子图显示) 。

可以看出, 由于发电机G1已经到达有功上限, 在负荷增长时, 该发电机转为恒功率机组, 不再增发功率 (电流瞬时波动则由定子线圈储能提供) 。 因此, 发电机G1的转子角逐步落后。 与此同时, 本应由发电机G1承担的负荷都自动地转由发电机G2承担。 因为发电机G2有功仍有充足的裕度, 所以其转子角能够维持不变, 且同时确保了系统内的功率平衡, 保证频率维持在额定频率上。

在本节试验中, 发电机G1的转子角度是随着负荷增长而被动地逐步落后的。 不过, 在实际运行中, 当某个发电机接近出力上限时, 调度应主动更改该发电机和相邻机组的角度目标值, 从而改变各发电机出力和潮流分布, 避免发电机到达出力上限。 这样各发电机可提供的备用和支援能力才不会缩小。

值得注意的是, 本节试验还说明, 实施转子角控制后, 尽管控制器总是力图将转子角维持在目标值上, 但不少因素会使实际角度偏离目标值, 即角度并不是任何时刻都被刚性地固定在目标值上的, 而会在目标值附近浮动, 尤其在大扰动后更是如此 (大扰动再进入稳态后事故地点附近发电机的新运行点均会偏离目标值) 。 这就为运行和控制提供了一定的缓冲余地。

3结论

为了验证转子角控制的可行性及相应的负荷跟踪机制, 在山东大学动模试验室进行了相关的动模试验。 试验表明, 现有的测量精度和控制技术完全可以实现定转子角控制, 并且可以同时指定多个发电机的目标转子角。

动模试验表明, 发电机并入运行于定转子角模式的电网后转子角亦随之固定下来, 此外, 如果电网在大扰动后暂时变为变频变角度模式, 也可以在频率偏差较小时很方便地重新启动定角度模式。

动模试验还表明, 电网中多种模式 (定功率/ 仅有一次调频/ 定角度) 的发电机可以并列运行, 在负荷快速增长或者大扰动发生时, 电网中的发电机都会参与调节, 但调整结束后负荷增量仅由定角度机组分担。 定角度机组越多, 则调整过程中发电机角度滞后越少。 此外, 如果运行于定转子角模式的发电机到达出力上限, 该发电机就会失去维持角度的能力, 但相邻的发电机可在负荷增长时提供支援, 因此系统频率仍可维持不变。

本文提出的新的控制模式在带来益处的同时, 也会带来一些新的问题, 例如汽轮机调整过于频繁、影响机械寿命等, 需要寻找更好的控制手段加以解决。