（信号与信息处理专业论文）流速仪检定车测速与控制系统的研究.pdf

摘要 流速仪检定设备作为转子式流速仪参数的检定装置，有着自身的特点和对调速有着特 殊的要求。检定车的速度稳定性问题是设备的主要问题。然而我困目前的流速仪检定车大 多数是采用直流电机调速，存在故障率高、维护工作量大等缺点以外，还存在速度稳定性 较差、速度数据处理不精确、系统的可靠性较低等问题，因此急需对原有的系统进行改进。 基于计算机技术和相关控制技术的发展，本课题针对流速仪检定车的测速与控制系统 进行研究，以检定车的速度稳定性为主要研究对象。在调速方面，通过分析比较，采用恒 转速型交流同步电机进行调速，改变检定车速度受负载变化影响的状况；在控制方面，采 用交流同步电机的矢量控制方式，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台，在同步电机数学模型 的基础上，建立矢量系统模型，进行电流与速度的双闭环反馈控制，通过对仿真结果的分 析，该系统稳定性较好：在数据获取与处理方面，应用m s p 4 3 0 单片机，从软件与硬件两部 分设计车速测量系统，具有一定的扩展性，同时为了提高测量和计算的精度，提出了及时 对速度测量参数和给定参数进行自校的方法；在系统安全可靠性方面，采用多重安全保护 措施。 此外，转子式流速仪参数的确定需要检定车在不同的速度下运行，本文还从稳定运行 和调速的基本原理出发，提出应用变频装置的必要性，同时对相关参数进行了估算，避免 了实际工程中系统选择变频装置的盲目性。 关键词：流速仪检定；变频调速；速度测量；s p m ；p m s m ；m a t l a b 仿真；单片机 a b s t r a c t t h ec u r r e n tm e t e rc a l i b r a t i o nf a c i l i t yi st h ee q u i p m e n tw h i c hi su s e df o rc a l i b m t i n gt h e p 猢e t e r so fr o t “n g e l e m e n tc u r r e n tm e t e r i th a so 、1 1c h 撇c t e r i s t i ca n dh a st h es p e c i a l r e q u e s tt ot h es p e e dm o d u l a t i o n t h em a i nm a t t e ro ft h ef a c i l i t yi st h es p e e ds t a b i l i t yo ft l l e c a l i b r a t i o nc 硎a g e h o w e v e r ，i no u rc o u n t r y ，t h em 匈o r i t ) ，o fc u 玎e mm e t e rc a l i b r a t i o n c a r r i a g e sa p p l i e sd cm o t o rm o d u l a t i n gs p e e d i tn o to n l yh a st h eh i 曲e rf a i l u r er a t ea n dt h e h e a v i e rm a i n t e n a n c ew o r kl o a d ，b u ta l s ot h ew o r s es p e e d s t a b i l i t y ，t h el e s sp r e c i s ed a t a so fs p e e d p r o c e s s i n ga n dt h ew o r s er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，t h eo r i g i n a ls y s t e mi su r g e m l y i m p r o v e d b a s e do nt h e d e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y a 1 1 dt h ec o r r e l a t i v ec o n t r o l t e c h n o l o g y ，t h i sp 印e rr e s e a r c h e st h es p e e d m e a s 面n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fc u r r e n tm e t e r c a l i b r a t i o nc a r r i a g ea n dt a k e st h es p e e ds t a b i l i t ) ，o fc a l i b r a t i o nc a 玎i a g ea st h em a i no b j e c to f s t u d y i nt h es p e e dm o d u l a t i o n ，t h ep 印e rs e l e c t st h es y n c h r o n o u sm a c h i n eo 、n i n gt h ep e n l l a n e n t r o t a t i o n a ls p e e dt om o d u l a t es p e e dt h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n i tc h a n g e st h es i t u a t i o no f t h es p e e dv 撕a t i o ni n f l u e n c e db yt h el o a dc h 锄g e i nt h ec o n t r o la s p e c t ，t h ep a p e ra p p l i e sm e v e c t o rc o m r o lm e t h o do ft h es y n c h r o n o u sm a c h i n e ，u s e st h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n p l a t f o 肌，m a k e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y n c h r o n o u sm a c h i n ea sf o u n d a t i o n ，e s t a b l i s h e sm e m o d e lo fv e c t o rs y s t e ma n dc a i n e so nt h ed o u b l ec l o s e d1 0 0 pc o n t r o lo ft h ee l e c t r i cc u n n ta n d t h es p e e d t i l r o u g ha n a l y s i s i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es 切b i l i t yo fs y s t e mi sb e t t e r i nt h eg a i n a n dp r o c e s s i n go ft h ed a t a s ，t h ep a p e ru s e st h em s p 4 3 0t od e s i g nt h es p e e dm e a s u r e m e n ts y s t e m o fc a l i b r a t i o nc a 玎i a g ef o mt h es o r w a r ea n dt h eh a r d w a r e i ti sc e n a i ns c a l a b l e m e 锄、v h i l e ，i n o r d e rt oi m p r 0 v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o n ，t h ep 印e rp r e s e n t st h em e t h o do f c o r r e c t i n gp r o m p t l yt h em e a s u r e m e n tp a r 锄e t e r sa n dt h ea s s i g n i n gp a r a m e t e r s i nt h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fs y s t e m ，t h ep a p e ru s e st h em u l t i p l es e c u r i t ym e a s u r e s i na d d i t i o n ，t h e i d e m i 母o f t h ep a r 锄e t e r so fc u r r e n tm e t e rn e e d st h a tt h ec a l i b r a t i o n c a 玎i a g em o v e si nt h ed i f r e r e n ts p e e d t h i sp a p e ra l s oe m b a r k sf r o mt h es t e a d yo p e r a t i o na n dt h e b a s i c p r i n c i p l eo fv e l o c i t ym o d u l a t i o n ，a n dp i e s e n t st h en e c e s s i t yo fa p p l y i n g 仔e q u e n c y c o n v e r s i o ne q u i p m e n t a tt h es 锄et i m e ，t h ep a p e re s t i m a t e st h er e l e v a u l tp a r a m e t e r sa n da v o i d s t h eb l i n d n e s so fc h o o s i n gf k q u e n c yc o n v e r s i o ne q u i p m e n ti nt h ea c t u a lp r o j e c t k e y w o r d s ：c u r r e n tm e t e rc a l i b r a t i o n ；v e l o c i t ym o d u l a t i o n 印p l y i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ； s p e e dm e a s u r e m e n t ；s p w m ；p m s m ；m a t l a bs i m u l a t i o n ；s i n g l e c h i p 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) 是聋二。多年月“日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：坐珲一，。：眸月6 日 ( 注：手写亲笔签名) 河海大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国是一个水资源丰富且水情复杂的国家，在水利水文系统中，对流速的测量始终是 一个重要的课题，流速的测量通常采用专门的测流仪器。转子式流速仪是水利行业水文专 业使用最为简单、最为普遍且不可缺少的水文仪器，被广泛应用于水文测验、水环境监测、 水量量测等测量工作，同时在电力、地质、环保等部门也有相应的使用。使用转子式流速 仪对流速进行测量，由于河流含沙量大、仪器的磨损等致使流速仪的参数发生变化，为了 保证流速测量的准确性，根据水文仪器总技术条件的要求，各转子式流速仪在出厂前和定 期使用后必须在已经检测过的流速仪检定水槽中检定，才能投入使用。 流速仪检定水槽是一种综合测试系统，它包括流速仪检定车、槽体、钢轨、控制系统 以及信号采集与处理系统等。对于转子式流速仪，采用静水槽检定的方法，实际上是为了 确定流速仪转子的转速与水流流速之间的关系，以供水文技术工作者在测速时查读。 根据水利部直线明槽中转子式流速仪的检定方法s l t1 5 0 一9 5 这一行业标准，转 子式流速仪检定的原理是：在横断面均匀一致的直线静水槽中，检定车以各种稳定速度牵 引流速仪，测定检定车的速度和流速仪转子的转速，用方程式以及图表建立二者的相关关 系n 1 。因此流速仪检定设备的深入研究对流速仪参数的精确获取是至关重要的。 流速仪检定设备作为确定流速仪参数的检测装置，仪器的测量精度要求较高。通常， 检定槽槽体的长度分为加速段、稳定段、检定段和制动段，为了安全，在槽体的两端还设 置了缓冲段。槽体的具体各段的长度、槽体的宽度都是由最大检定速度和检定流速仪的数 量决定的。在检定设备中，检定车是整个系统的最为重要的部分，通常采用推进式的方 法驱动车体，检定车的速度稳定和调速的平滑，直接影响到参数测量的结果。钢轨的加工 和安装与车速的稳定性有直接的关系，轨道安装时应沿检定槽长度方向平直，接头处应保 证光滑平直，轨道底座应有调整装置，便于定期对轨道进行测量和调整。 根据行业标准的相关规定，在检定车进入检定段时，进行流速仪转速和检定车车速的 历时测量，测量精度要精确到o 1 以内，检定方式采取连续加速行车，逐级采样的方式乜1 ， 低速部分检定完后，再对中、高速部分进行检定。流速仪参数关系在中、高速部分为直线 形式，而在低速部分的曲线可以通过拟和方法，处理成某种数学模型的形式。 河海大学硕上学位论文 1 2 流速仪检定的历史背景及国内外研究动态 流速仪检定设备主要用于检定流速仪、海流仪以及用于船模试验等，早期的流速仪检 定是借用船模实验设备，但与流速仪检定不同的是，船模实验的速度比流速仪检定的速度 要大，而且在速度平稳性方面，流速仪检定有更高的要求。 在国际上，许多国家的流速仪检定与船模实验合用一套设备，虽然可以节省设备的投 入，但是影响了流速仪枪定的质量。只有很少的发达国家拥有几部流速仪检定设备。在美 国，流速仪检定都是在密西西比州国家空间技术实验基地内的海湾水力科学中心水力实验 室设备上进行，该检定车的速度可在0 4 5 所s 范阐内调节1 。在越南，流速仪检定设备 建在其首都河内市，是由我国南京水利水文自动化研究所向越方签订提供的，其精度、自 动化程度及安全可靠性均较先进h 1 。 在我国，1 9 9 5 年水利部针对1 9 8 5 年颁布的行业标准进行了修订，新的国家标准对流速 仪检定的适用标准、检定水槽的尺寸、检定车的轨道、检定速度点等方面做了详细的规定， 该标准由南京水利水文自动化研究所、重庆水文仪器厂等起草。目前，国内有1 0 多台流 速仪检定车在运营中，基本都是建于上世纪七八十年代。存在设备老化，故障多，检定质 量较差等问题瞄3 ，因此急需对原有的系统进行改造。 1 3 检定车测速与控制系统研究的现状和意义 流速仪检定设备作为一种流速测量仪器的检定设备有着自身的特点和对调速有着特 殊的要求，其中，检定车的速度稳定性是系统运行的关键点。然而要想得到车速的高度稳 定性和平滑的调速，对检定车测速与控制系统的研究是整个系统的重中之重。 我囤现有的流速仪检定设备，大多数是采用直流电机调速晴1 ，存在故障率高、维护工 作量大等缺点以外，还存在一些共性的问题： 1 速度稳定性较差； 2 速度数据处理不精确； 3 系统的可靠性较低等。 随着交流电机调速理论的突破和大功率电力电子器件的快速发展，交流电机调速运行 的一些缺陷逐渐被克服，交流电机控制系统已经可以和直流电机控制系统相匹敌，甚至有 些系统运行指标已经完全超过直流电机控制系统1 。在调速系统领域，矢量控制模式和直 接转矩模式的出现和r 益成熟，极大推动了交流变频调速系统的应用。同时，p w m ( p u l s e 2 河海大学硕士学位论文 w i d t hm o d u l a t i o n ) 脉宽调制的发展，为变频调速系统提供了优异的控制方式，提高了交 流调速的控制精度。 基于计算机技术和相关控制技术的发展，本课题针对流速仪检定车的测速与控制系统 进行研究，以检定车的速度稳定性为主要研究对象，尽可能采用先进技术，使系统具有较 高的自动化程度，总体达到水利部行业标准中的一级精度要求： 1 在调速方面，采用恒转速型电机调速，改变速度受负载变化影响的状况； 2 在控制方面，采用交流同步电机的矢量控制方式，进行电流与速度的双闭环反馈 控制； 3 在数据处理方面，采用及时对速度测量参数和给定参数进行自校的方式，提高测 量和计算的精度； 4 在系统可靠性方面，采用多重安全保护措施。 1 4 本课题具体研究内容和重点 本课题研究的流速仪检定车设备，对检定车的速度及精度要求要达到一级精度标准， 根据s l t15 0 9 5 行业标准，具体为n 1 ： 检定车的速度范围为o 0 1 聊s 5 o 朋s ； 为保证车速稳定，检定车应采用先进的控制及调速方式，达到无级变速。 对于满足一级精度要求检定车的速度变化率万满足以下规定： i 、当检定车的车速v 0 1 聊厶时，车速变化率万1 o ； i i 、当检定车的车速o 1 m s v = l o ) n t e m p l20 ； n t e m p 2 + = 1 ； i f ( n t e m p 2 = 1 0 ) n t e m p 2 2 o ； n t e m p 3 + = 1 ； i f ( n t e m p 3 = 1 0 ) n t e m p 0 = o ； n t e m p l = o ； n t e m p 2 = o ； n t e m p 3 = o ； i f 【n t e m p 3 = 1 0 ) )i f ( n t e m p 2 = 1 0 ) )i f 【n t e m p l = l o ) )i f ( n t e m p 0 = l o ) s t c l k _ l o ( ) ； d a t a o u t ( s e g 【n 1 e m 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