（机械电子工程专业论文）交流异步电力测功机系统软测量技术研究.pdf

t h er e s e a r c ho nt h es y s t e mo ft h ea c a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a l d y n a m o m e t e ra n di t ss o f ts e n s o rm o d e l b y c u ip i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a t r o n i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n g g u i x i a n g m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期砌年夕月) 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签 导师签 黾强 1 年 日期，年铲1 | 9 歹只。 e l 岁月) 矿e l 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 摘要 测功机是对各种动力与传动机械进行性能测试的主要设备。鼠笼式转子结构 的交流异步电力测功机由于具备电机结构简单，精度高，测功范围广，试验条件 容易控制等优点，近年来得到了广泛的应用。在变频调速装置控制下，交流异步 电力测功机不但能够为被测试设备加载转矩进行功率测试，而且还能作为电动机 拖动被测试设备进行冷磨合等试验。同时所吸收的机械能还能转换为电能实现能 量回馈和系统的电封闭。本文选取交流异步电力测功机系统为研究对象，讨论了 其系统基本组成，开展了转速和转矩的软测量技术研究。 首先以某型号某摩托车发动机实验台架为例，全面阐述了交流异步电力测功 机的测功原理，讨论了保证交流异步电力测功机系统工作稳定的条件。在分析建 立了交流异步电力测功机的数学模型的基础上，给出了整个测试系统的数学模型。 由软测量模型所需要的辅助变量为方向，搭建了系统实验中所需要的定子电流、 电压的采集电路。 接着从交流异步电力测功机的数学模型出发，采用人工神经网络的方法建立 了交流异步电力测功机系统的软测量模型，进行系统转速、转矩的辨识，并给出 了仿真结果，并对结果进行了分析。分析表明该软测量模型能对估计量进行一定 精度地估计，但是由于交流异步电力测功机电气参数的变化以及运行中损耗的存 在，及采用的神经网络模型的结构问题，估计输出还存在着一定的误差。 为改善软测量模型输出结果的误差和进一步提高转速和转矩估计的精度，建 立了实际系统中转速和转矩非线性函数的一般形式，利用支持向量回归机能够在 全局意义上逼近任意非线性函数的特点，构建了基于支持向量回归机的交流异步 电力测功机系统的稳态软测量模型。实验证明了该软测量模型能够在小样本点的 情况下对转速和转矩进行有效地估计，精度得到了进一步提高。且该算法中使用 支持向量回归机来实现变量的非线性映射，使之能够应用在交流异步电力测功机 这样一个非线性系统建模中，并具有一定的鲁棒性。 最后，依据国家相关标准，对各种软测量模型的工程应用前景进行了探讨， 并分析各模型误差的来源，提出了减少误差的研究思路和方法。 关键词：交流异步电力测功机；软测量；人工神经网络；支持向量回归机 a b s t r a c t t h ed y n a m o m e t e ri si m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep o w e rt e s t i n gs y s t e mf o rt h ed r i v e m a c h i n ea n dt r a n s m i s s i o nm a c h i n e t h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e rw i t h s q u i r r e l c a g er o t o ri su s e dw i d e l ys i n c ei th a s as i m p l es t r u c t u r e ，w i d e l yw o r k i n gr a n g e a n dg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e u n d e rt h ec o n t r o lo ft r a n s d u c e r , t h ea ca s y n c h r o n o u s e l e c t r i c a ld y n a m o m e t e rc a nn o to n l yp r o v e dt h el o a dt o r q u ef o rp o w e rt e s t i n g ，b u ta l s o d r a gt h em a c h i n ew h e ni tn e e dc o l dr u n n i n g - i n b e c a u s et h eo u t p u tp o w e ro ft h ea c a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e rc a nb e f e e d b a c kt ot h ep o w e rg r i dt h r o u g h i n v e r t e rf e e d b a c k ，t h ee n e r g yf e e d b a c kf o rt h es y s t e mi sr e a l i z e da n dt h ee l e c t r i cc i r c l e i sa c h i e v e de a s i l y t h i sp a p e rs t u d i e so nt h es y s t e mo ft h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a l d y n a m o m e t e rw h i c hi n c l u d ec o n s t i t u t eo ft h es y s t e m ，a n dt h es o f ts e n s o rt e c h n i c a li n t h es y s t e m f i r s t ，t h i sp a p e rd i s c u s e so p e r a t i o np r i n c i p l ea n ds t a b i l i t y c o n d i t i o no ft h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e rb a s e d o nam o t o re n g i n et e s tb e d a f t e ra d i s c u s s i o nf o rt h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e r sm o t o r , t h em a t hm o d e lf o rt h ew h o l es y s t e mi sb u i l d t h ea u x i l i a r yv a r i a b l e sf o rt h es o f t s e n s o r m o d e lt ob u i l ds y s t e ma r ea c c e p t e db yt h eh a r d w a r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r s e c o n d ，as o f ts e n s o rm o d e lf o rt h es y s t e mo ft h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a l d y n a m o m e t e rt h a ti sb a s e do na r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e d t h e nt h i sm o d e l u s e dt ot h es p e e d ，t o r q u ei d e n t i f i c a t i o no ft h es y s t e m t h es i m u l a t i o n a n dt h e e x p e r i m e n tp r o v et h a tt h es o f ts e n s o rm o d e lc a n e s t i m a t et h eq u a n t i t ya n dh a ss e v e r a l e r r o r sd u et ot h e i rs e n s i t i v et ot h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r sa n dl o s s e so ft h ea c a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e r i no r d e rt oi m p r o v et h ee s t i m a t ep r e c i s i o no ft h es p e e da n dt o r q u e ，a n do v e r c o m e t h ep a r a m e t e r si n f l u e n c e ，as o f ts e n s o rm o d e lb a s e do nt h e s ef u n c t i o nf o r m su s i n gt h e s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ( s v r ) w h i c hc a n b eu s e dt oa p p r o x i m a t en o n l i n e a rf u n c t i o n i nt h ew h o l er e g i o ni sp u tf o r w a r d t h ee x p e r i m e n tp r o v et h a tt h ep r e c i s i o n o f e s t i m a t e di sb e t t e rt h a nt h es o f ts e n s o rm o d e lb a s e do nt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k m o d e l t h et r a i n i n gr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n tp r o v et h a tt h es o f ts e n s o rm o d e lb a s e d o nt h es v rh a sag o o da b i l i t yt oe s t i m a t et h es p e e da n dt h et o r q u eo f t h ea c a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e rs y s t e m i ta l s oh a sg o o dr o b u s tp e r f o r m a n c e a tt h el a s ti nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i e df o r e g r o u n do fe a c hs o f ts e n s o rm o d e li s i l l 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 d i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d s t h ef a c t sw h i c hl e a dt h ee r r o r sa r e a n a l y z e da l s o f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h ，t h em e t h o dt od e c r e a s et h ee r r o r si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：t h ea ca s y n c h r o n o u se l e c t r i c a ld y n a m o m e t e r ；s o f ts e n s o rm o d e l ； a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；t h es u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ( s v r ) i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 本文背景与国内外测功机系统的发展现况。1 1 2 测功机种类、特点及其发展现状。2 1 2 1 水力测功机。2 1 2 2 电涡流测功机3 1 2 3 电力测功机。3 1 2 4 交流电力测功机4 1 3 本文研究的内容与方法6 1 3 1 交流变频异步电力测功机原理及数学模型分析。6 1 3 2 交流变频异步电力测功机软测量技术6 1 4 课题来源与本文内容安排。8 第2 章交流电力测功机测功原理及系统分析1 0 2 1 交流电力测功机系统测功原理。1 0 2 1 1 测功( 即发电) 运行稳态转矩分析1 1 2 1 2 拖动( 即电动) 运行稳态转矩分析1 2 2 2 电力测功机系统工作稳定性分析。1 4 2 2 1 测功运行工作稳定性分析1 5 2 ：；d 、l 客】【( ； 第3 章交流电力测功机系统的数学建模方法1 7 3 1 测功电机数学模型建立。1 7 3 1 1 三相坐标系中的数学模型1 7 3 1 2 坐标变换和矢量变换1 9 3 2 交流异步电力测功机数学模型建立。2 3 3 2 1 测功电机机在两相静止坐标系中的数学模型2 3 3 2 2 变频器数学模型。2 4 3 2 3 整体数学模型建立。2 4 3 4 本章小结。2 5 第4 章基于测功机模型的软测量技术及实现方法。2 6 v 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 4 1 测功机软测量模型建立。2 6 4 1 1 软测量模型及辅助变量的选取。2 6 4 2 软测量模型的输入输出值测量。2 8 4 2 1 电压信号的采集。2 8 4 2 2 电流信号的采集3 0 4 3 人工神经网络软测量模型研究3 1 4 3 1 人工神经网络在系统参数辨识方面的应用3 1 4 3 2 神经网络结构及b p 神经网络。3 2 4 3 基于人工神经网络的电力测功机软测量模型3 4 4 3 1 基于神经网络的测功机参数辨识方法3 4 4 3 2 系统仿真结果。3 7 4 4 本章小结3 8 第5 章基于支持向量回归机的软测量模型3 9 5 1 支持向量机简介3 9 5 1 1 标准支持向量回归机4 0 5 1 2 核函数。4 3 5 2 基于支持向量机的软测量模型4 4 5 2 1 软测量模型的建立4 4 5 2 2 软测量模型结构4 5 5 3 仿真及试验结果分析4 5 5 4 本章小结5 2 结论与展望5 3 参考文献5 5 致 射5 8 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 9 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文背景与国内外测功机系统的发展现况 近年来，由于我国汽车工业及装备制造业的迅速发展，及国家构建低碳社会、 对节能减排要求的提出，汽车发动机及动力与传动机械的功率传递与传动效率受 到越来越多的关注，因此，发动机、齿轮变速箱等装置的转速、转矩和传动效率 成了反映其产品性能的重要指标。这些量的检测是出厂试验的必要内容，也是进 行产品质量控制的基础【1 - 3 j 。 测功机是直接对各种传动机械与动力机械进行检测的主要测试设备之一。它 可以用于齿轮箱、风机、水泵及汽车发动机的输入功率测试，也可以进行以上几 种设备的输出功率测试。在对传动机械及动力机械进行检测时，测功机作为被测 系统的能耗装置，不仅用来吸收被测件输出的功，而且可以通过控制测功机以改 变被测动力机械的载荷与转速，使其达到检测时所需的工况，从而测定被测设备 在不同工况下的性能指标。近年来，以各种测功机为核心设备的功率测试平台以 及它的控制及测量技术受到越来越多的关注，并已广泛应用于企业、科研机构、 及大中专院校实验室。 早在2 0 世纪4 0 至5 0 年代就进行了发动机功率测试台架的研制，但由于当时计 算机还没有问世，所以只能进行单一的手动控制进行简单项目的独立测试。当时 多采用水利测功机，水利测功机为耗能装置，负载调整完全依赖于手动调节完成， 转矩的测量则是借助于扭矩指示表在表盘上读数并人工记载数据，使用十分不便， 耗时耗力。水利测功机测试稳定性好，但是测试精度不够，整个系统体积大，特 别是在高转速、低转矩区段，水力测功机几乎不能稳定工作；电涡流测功机在精 度方面有一定的优越性，但其本身机构、控制系统复杂。以上两种系统在测试中 只能将被测设备产生的能量全部转化为热能消耗掉，造成了严重的能量浪费，而 且在使用时还需附加额外的散热设备。此外，水力测功机和电涡流测功机不能作 为原动机的驱动设备来进行冷磨合等试验，因此在实际使用中受到了很大的限制 【4 6 l o 近年来，对发动机等驱动系统的功率测试系统需求量越来越大，而以前采用的 能耗型功率测试装置在环保，经济性，易操作性方面越来越不能满足生产的需求。 随着电力电子技术、传感器技术、计算机控制技术的发展与应用，电力测功机得 到了广泛的应用和发展【7 1 。与其他类型的测功机相比，电力测功机的特点是不仅能 够实现能量的回馈，而且还可以作为电动机驱动被测设备进行冷磨合等出厂试验。 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 鉴于此，我校机械与运载工程学院电力测功技术研究所研制了采用“内部电封闭” 技术的交流电力测功机系统，而且该技术已经在多个课题项目中突入实际应用， 并达到了国际先进水平。采用该技术的交流电力测功系统具有结构简单、能量可 回收、测量不受电网波动影响、不对网侧产生谐波干扰，节能效果好、控制精度 高、无需经常保养等特点，因此非常适合做耐久性试验。 早期的电力测功机主要是直流电力测功机，因为直流电机具有良好的转矩转 速调节性能，而且控制系统简单，技术成熟。但直流电力测功机由于存在换向器， 所以限制了它不能用于高速运行的测试。在高转速测试时，直流电力测功机系统 往往需要附加变速器，从而造成系统复杂性增大，并且外加设备的介入增加了系 统的附加损耗，从而影响了测量精度【8 引。 随着交流变频技术的发展与应用，以异步电动机与变频器共同构成的交流测 功机由于其具有控制结构简单、电能可回馈电网等众多优点，得到广泛重视与应 用，并成为电力测功机的主流。与直流电机相比，交流电力测功机没有换向器， 因而结构更为简单，可测试功率范围更广。目前，国外许多著名的测功机生产、 研制厂家纷纷研究并推出了基于交流电力测功机的功率测试系统台架。主要生产 厂家有：日本的小野测器、奥地利的a v l 、策尔纳、德国的申克公司等。 我国虽然从上世纪7 0 年代起便陆续有厂家开始了电力测功机的研制和生产， 但主要集中在直流电力测功机的生产研制上。在交流电力测功机领域，国内的研 究、制造单位还很少，直接导致目前以交流电力测功机为核心的高档动力与传动 装置的测试设备的大部分市场都被德国和奥地利的大公司所垄断。因此，有必要 开展和进行交流电力测功机系统的研究，以使我国减少对进口产品的依赖，对促 进我国工业的发展有着重大的经济价值和实际意义。 1 2 测功机种类、特点及其发展现状 在发动机测试试验中，测功机是主要的设备，它是为发动机测试系统提供负 载和能耗吸收的装置。目前，常用的测功机主要有以下几类。 1 2 1 水力测功机 在大功率柴油机、汽油机、电动机等实验中，优先采用水力测功机作为实验 设备，水力测功机的单位转动惯量的转矩吸收能力强，其吸收功率的范围一般从 2 0k w 至1 j 3 3 0 0k w 不等【6 1 。 水力测功机属于功率吸收性测功机，一般由功率吸收部分、测力装置部分、 校正杠杆部分、控制部分和阻力油缸部分组成。工作时，压力水从定子孔流入壳 体内腔，水被迫在转子叶片和定子叶片所形成的椭圆形水窝内做环形流动。由于 转子与水发生摩擦作用而形成制动力矩，从而消耗被测试设备所做的机械功。被 2 硕士学位论文 消耗的机械功大量地转变成热能，大部分由流动的水吸收后带走，小部分由测功 机外壳传导出去。在水的作用下，外壳做相对地摆动，壳体的力臂头把力通过传 力销传到测力装置下，由指针指示制动力的大小【1 0 ，1 1 】。 根据壳体内腔水压力的变换情况，水力测功机又分为定充量水力测功机和变 充量水力测功机。 1 2 2 电涡流测功机 电涡流测功机利用涡电流效应吸收发动机输出转矩和功率，具有低惯量、高 精度、高稳定性、结构简单等特点，适用于操作控制的自动化，并且功率范围也 较宽，转速较高，响应速度较快，测试工艺比较成熟，是目前各内燃机制造厂主 要使用的测功机之一。 与水力测功机相同，电涡流测功机属于功率吸收性测功机，只能吸收原动机 的功，将其全部转化为热能消耗而不能回收，也不能作为电动机驱动发动机工作。 电涡流测功机与水力测功机相比，优点在于其测试系统的结构简单、操作方 便、测试精度高、稳定性较好、使用寿命长等等，但测功机本身的结构相对复杂 且维修较为困难【1 2 彤l 。 1 2 3 电力测功机 电力测功机的基本结构和普通电机相似，由转子和定子构成。与水力测功机 和电涡流测功机不同，电力测功机所吸收的机械能不在依靠本体发热来消耗掉， 而是通过发电状态将其转变为电能传输到外部的电阻器上消耗或者整流逆变反馈 回电网。其体积与同功率吸收型的测功机相比要小一倍以上，而且发热也很小， 转矩漂移较小，测试稳定，测功机寿命也增加了不少。典型的电力测功机有直流 电力测功机、永磁电力测功机、交流电力测功机等。其中交流电力测功机又分为 交流同步电力测功机和交流异步电力测功机。 1 直流电力测功机 和其他电机工作原理一样，常用的直流电力测功机系统工作原理也是建立在 电磁力和电磁感应基础之上的。与普通直流电机一样，直流电力测功机也能运行 在电动状态下驱动被测试设备旋转，此时电枢电动势的方向与电流的方向相反， 一般被称之为反电动势，因此可以对被测设备进行冷磨合测试。 平衡式直流电机是传统直流电力测功机系统的核心组成部分。直流电力测功 机控制简单、调速平滑，性能良好，一直在减速器、发动机、电机等旋转机械行 业测试中占据主导地位。然而，直流测功电机结构上存在机械换向器和电刷，因 此具有一些无法克服的固有缺点，如造价偏高，维护困难，寿命短，单机容量和 最高电压以及最高转速都受到一定的限制等等【9 1 ，导致直流电力测功电机在大容 量、高速测功系统中难以广泛地应用。随着电力电子和交流调速技术的发展，直 3 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 流电力测功机目前正逐步被交流电力测功机所取代。 2 永磁电力测功机 永磁电力测功机使用永磁发电机作为测功机【1 6 】。转子被驱动后定子发电输给 外接可调电阻器，调节电阻器就调节输出电流，以调节被测试设备的负载。永磁 电力测功机结构简单，转矩特性很稳定，抗干扰性能优良。 3 交流电力测功机 交流电力测功机主要分为交流同步电力测功机和交流异步电力测功机两大类 型。 1 ) 交流同步电力测功机 交流同步电力测功机分为有刷同步测功机和无刷同步测功机两种。其中有刷 同步电力测功机使用有刷同步电机。这种测功机发热量很低，调节励磁电压就可 控制被测试设备的加载转矩，操作简单，使用方便。但是由于有电刷滑环的存在， 有刷同步电力测功机的运行速度不能太高，此外转子凸极的结构将引起额外风阻 造成功率损耗，对转矩的测试精度有一定影响，测试结果必须进行修正【1 , 1 7 , 1 8 , 1 9 】。 无刷同步电力测功机采用无刷同步发电机，定子为三相发电绕组，转子为表 面光滑的励磁极。与有刷同步测功机相比，无刷同步测功机转动惯量小，无转子 绕组，高速和低速性能均有了很大的提高。测功机的功率覆盖范围广，适用于高 速小转矩也同样适用于低速大转矩，而且系统不需要变频电源，但是定子需接三 相负载电阻。 2 ) 交流异步电力测功机 交流异步电力测功机采用的是交流异步电机。变频技术的成熟促成了交流异 步电力测功机应用上的革命。由于变频器能够方便的调节异步电机的供电频率， 因此交流异步电力测功机的测功区域不受电源频率的限制，测功范围大为扩大。 交流异步电力测功机采用结构简单、牢固可靠的鼠笼式结构使整个系统能够适应 高速情况下的测试，系统的维护也变得简单。交流异步电力测功机不仅适用于原 动机的性能测试，也适用于发电机的性能测试，其应用得到了越来越广泛地重视 和研究。与其他电力测功机类似，平衡式交流异步电力测功机是目前交流异步电 力测功机的主流【1 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 】。 1 2 4 交流电力测功机 交流电力测功机按照电机类型的不同又可分为异步电力测功机和同步电力测 功机两大类。交流同步电力测功机系统原理如图1 1 所示。 同步方案测功电机采用绕线式异步电机。由发动机直接驱动测功电机在发电 机状态下运行，k i 、k 3 断开k 2 闭合，提供直流励磁电流给测功机转子，作同步 发电机运行方式，定子发电产生电能由电阻负载消耗或由整流、逆变系统回馈电 4 硕士学位论文 网。在k 2 断开，k 1 、瞄闭合时，测功机可作为具有启动电阻r 的三相绕线式异 步电动机运行，可用于发动机冷磨合试验。 ，v 被测发动机测功电机整流器 逆变器 图1 1 交流同步电力测功机系统原理图 交流异步电力测功机系统原理如图1 3 所示： l 旦l 饭逆燹 图1 2 交流异步电力测功机系统原理图 异步方案测功机采用鼠笼式交流异步电机，定子三相绕组和三相变频电源连 接，当三相变频电源驱动电机转子的转速与转向与被测动力机械相同时，被测机 械输出接近空载。当三相变频电源降低频率，旋转磁场同步转速低于测功机转子 转速时，测功机工作于发电机状态，产生的电磁转矩方向与被测机械输出转矩方 向相反，即向被测试机械施加负载。此时，测功机将被测试机械输出的能量转换 成电能，通过输出给大功率电阻消耗或者回馈电网1 2 4 - 2 7 】。 在国外研制或生产的电力测功机系统基本实现了测功机系统的自动控制，有 较好的综合性能，并取得了经济效益，但价格昂贵，在国内的应用不多。 我国于七十年代开始进行交流电力测功机的研究，其中采用的测功电机均为 绕线式异步电机。湖南大学于1 9 7 4 年开始研究交流电力测功机，在异步方案的基 础上研制成功一批交流同步电力测功机。这些致力于低成本高性能的测功机系统 所做的研究，为我国形成交流测功机产业，减少对国外产品的依赖，发展民族工 业具有积极意义。 5 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 1 3 本文研究的内容与方法 1 3 1 交流变频异步电力测功机原理及数学模型分析 交流异步电力测功机是测功系统中一个十分重要的装置，在测功时实质上是 作为异步发电机运行，其运行特性对测功系统的运行状态及控制技术影响较大。 因此，根据理想异步发电机内部的各电磁量的关系，建立异步发电机较完整的数 学模型，推导出异步发电机的基本方程，分析转速、转矩与相关量之间的定量关 系，是进行测功电机和测功系统转速、转矩控制方案实现的理论基础和前提。 测功电机的数学模型可用函数关系或图表给出，也可用方程描述其运动状态。 在电机发展史上，很多专家学者在异步发电机建模方面开展了许多研究并取得了 多项成果。他们将定子及转子分别作为单相、三相或两相线路，应用磁链守恒、 矢量法、双反应理论等加以分析，为电机研究奠定了基础【2 引。 电机的数学模型可从三个方面加以分类。常用的模型主要是p a r k 方程和k r o n 模型，以 及有关延伸形式，其类型如表1 1 所示。 表1 1 电机常用数学模型 分类依据 类别 按模型变量 按坐标系统 按模型阶数 电流模型电压模型混合模型 相轴线( a b c 系统) 模型正交轴线( 筇0 ) 模型 静止轴线( 由0 ) 模型 三阶模型四阶模型五阶模型 高阶模型降阶模型 本文采用坐标变换以及电机学理论，进行测功电机数学模型的研究，详细研 究了测功电机在不同坐标系上的数学模型。在此基础上推导出测功电机的电压方 程、磁链方程与运动方程，分析得到测功电机转速、转矩控制及其的相关量之间 的关系，总结出交流异步电力测功机转矩控制的基本方程式，分析了测功机电机 转矩和转速的控制方法。 1 3 2 交流变频异步电力测功机软测量技术 在交流电力测功机系统中，转速和机械转矩的测量是其关键。目前实用的测 功机系统中，转速和轴上机械扭矩的测量系统采用的是两种方法：第一种是通过 改造交流电机的结构来实现，如定子可摇动的平衡式电力测功机系统以及安装测 速齿轮盘。第二种是安装高精度的扭矩仪或扭矩法兰进行检测。上述测试方法直 接导致了电机结构的特殊要求，增加了传动系统的复杂程度和系统的体积。同时， 高精度的传感器大大增加了系统的成本，而且对安装条件和环境要求严格。 由现代交流调速理论可知，异步电机定子电压电流和轴上转速和电磁转矩存 在着非线性关系。得到电磁扭矩后，将测功机各种损耗考虑进来，可以得到测功 硕士学位论文 机的轴上机械扭矩。相对于扭矩和转速的测量，电压电流量的测试成本低，且不 会引起电机结构和传动系统的复杂化，易于实现。但是因为测功电机是一个强耦 合的多变量非线性系统，所以描述测功机准确的数学模型难以获得。 上世纪七十年代，美国学者b r o s i u o w c b 提出了软测量技术。它是针对不可 测量变量的推断控制基础上发展起来的过程领域测量技术以及应用技术。其具体 含义是指通过易测量的辅助变量，采用间接测量的方法，利用计算机软件建立以 辅助变量为输入，主导变量为输出的数学模型来在线推断和估计主导变量【2 9 1 。近 年来，随着计算机软件和硬件技术的发展，软测量技术和应用研究方面的发展十 分迅速，在诸多领域得到广泛的应用 3 3 - 3 5 】。 软测量技术是建立在成熟的硬件传感器的基础之上，利用软测量模型，通过 较易在线测量的辅助变量去估计不可测或难测的主导变量，其基本结构如图1 所 示： 图1 3 软测量模型结构 软测量的核心技术是建立描述辅助变量和主导变量之间的数学关系的软测量 模型。即构造数学模型来完成由辅助变量x 到主导变量估计y 的非线性映射，： y 。1 ( x ) ( 1 1 ) 由以上分析可以看出，将软测量方法应用于测功机转速和机械转矩的测量是 不需要准确的电机数学模型，其关键在于需找合适的算法来建立软测量模型，来 回归测功机电量输入与转速和机械转矩之间的非线性关系。 神经网络以其固有的自学习能力，对复杂的、不确定性问题强的逼近能力， 以及独特的非传统解析表达方式，在非线性系统辨识领域得到了广泛的应用。由 采用非线性函数作为神经元函数的多层神经网络在经过严格训练后具有对任意函 数的逼近能力，故越来越多的学者将神经网络的方法应用于感应电机的参数估计 中。但是神经网络存在陷入局部最优解的缺点，而且学习的速率，目标精度等受 网络结构影响较大【3 6 3 引。 支持向量机是数据发掘应用中的一种新方法，它是基于统计学基础的最优化 方法来解决机器学习问题的新工具。是由v a p n i k 在2 0 世纪9 0 年代提出，近年来 在算法实现方面和理论研究上都取得了突破性的进展。支持向量机是以结构风险 7 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 最小化为原则，针对小样本情况，利用核函数，将输入空间的非线性问题映射到 高维特征空间，并在高维空间中来构造线性判别和回归函数。其中，用于解决回 归问题的支持向量机称为支持向量回归机。在引入核函数后，支持向量回归机与 神经网络方法相比，它能克服局部最优解的缺点，使回归函数能够在全局意义上 反映复杂系统的非线性关系【3 9 4 4 1 。 本文在分析了交流异步电力测功机系统的基本数学模型构建及影响测功机转 速和机械转矩的各个因素后，采用神经网络及支持向量回归机构建测功机转速和 机械转矩的软测量模型，用来建立测功机定子电压电流与转速和机械扭矩的非线 性关系，提出了交流异步电力测功机系统转速和机械转矩的一种测量方法。 1 4 课题来源与本文内容安排 本课题在湖南省自然科学基金项目一“无传感器的交流电力测功机原理研究” 的支持下，以某摩托车发动机实验台架为对象开展研究。目前，交流异步电力测 功机的转速和轴上加载转矩的测量有三种方案：第一种是采用平衡式交流异步电 力测功机，结构复杂，对加工和运行环境有很高的要求；第二种方法是安装高精 度的转矩仪或转矩法兰进行检测，该方法测试精度高，但是却增加了传动系统的 复杂程度和测试系统的体积。同时，高精度的传感器大大增加了系统的成本，而 且对安装条件和使用环境要求严格，传感器也需要专门的机构进行定期的校正； 第三种为软测量方法，该方法从异步电机工作电压和电流包含转矩和转速信息的 事实出发，建立交流异步电力测功机的数学模型，通过测定交流异步电力测功机 的定子电压或电流等辅助变量来计算出转矩和转速这两个主导变量。由于该方法 无需转速传感器、转矩传感器等机械类传感器，故又称为间接检测法。采用软测 量方法不但能使交流异步电力测功机结构及其测试系统大为简化，而且能大大提 高系统的可靠性，因此目前受到世界各国测试控制领域科技工作者的广泛关注。 在交流电力测功机的应用领域，软测量的方法是基于对电机转矩的估计，从 而获得作为实现闭环控制所需的反馈量。本文在研究交流异步电力测功机系统组 成以及借鉴前人的研究成果的基础上，开展了软测量技术在交流异步电力测功机 系统中应用的研究。全文内容安排如下： 第一章介绍了测功机的基本类型及其基本原理和发展趋势，并简述了交流异 步电力测功机系统的组成及软测量技术原理及其在交流电力测功机系统的应用和 意义，最后给出了本文的研究内容。 第二章分析平衡式交流异步电力测功机的测功原理，以某摩托车发动机功率 测试实验台为例，介绍了该测试控制系统的组成，详细讨论交流变频异步电力测 功机系统的组成。 第三章在前文测功原理分析基础上，建立测功机数学模型，建立了应用软测 8 坝士掌位论文 i i e = 自自g 目= 目目= _ = 目_ _ l _ l _ _ _ _ _ | = 自自自! e e = = = = = 目自t = g 目l e _ i - _ j _ 目- = 目= = e = e = = | _ j 目_ _ _ l 目e 目e e 自自= = 自目自= i 量技术进行功率测试系统的硬件平台的搭建。 第四章在前几章的基础上，提出了基于神经网络技术的交流异步电力测功机 系统的软测量模型，并给出了相应的实验仿真结果。 第五章以支持向量机的理论为基础，建立了基于标准支持向量回归机的软测 量模型。并对在不同的核函数及参数的选取下，对软测量模型输出进行了实验和 仿真，对实验结果进行了分析。 第六章对前面五章的内容进行了总结，提出软测量技术在交流异步电力测功 机系统中应用所存在的需要改进的地方及发展方向，对未来的工作进行了展望。 9 交流异步电力测功机系统软测量技术研究 第2 章交流电力测功机测功原理及系统分析 交流电力测功机是一个多学科交叉的应用领域，它不仅涉及到机械，电机， 而且还与控制理论，计算机软硬件设计等有关。本章从工程实践出发，根据发动 机性能测试的要求，进行了测功系统的测功原理分析，着重介绍了测功机“被测 发动机一电力测功机一负载电阻 系统，及测功机系统的测功原理，并在理论形 式上着重进行了交流异步电力测功机系统运行的稳定性分析，给出系统稳定的条 件。 2 1 交流电力测功机系统测功原理 常见的测功方法有测定电功率法和反向转矩测定法。 测定电功率法通过检测发电机的电压、电流以直接测定发电机发出的电功率。 但由于发电机效率受外界负荷、转速、温度以及发电机参数受温度变化等因素影 响较大，以及各种损耗的影响导致测定的电功率变化也较大，因此必须采用曲线 校正的方法，而且测定的电功率与原动机的输出功率相差很大，从而造成了该方 法的试验工作复杂、试验结果不准确，应用范围受到限制。 测功电机反向转矩测定法是将发电机的定子外壳平衡浮置，通过测定其反向 转矩，测得发动机的输出转矩和输出功率，其结构示意图如图2 1 所示。 1 电机2 安装吊架3 安装悬臂4 称重传感器5 机座 图2 1 反向转矩测定法的结构示意图 图2 1 定子外壳平衡浮置的平衡式电力测功机的基本结构和普通电机相似，由 转子和定子构成，但与普通电机不同的是平衡式电力测功机的定子及其外壳是可 坝上学位论文 薯i 皇葛鲁富皇暑暑暑暑暑量皇暑薯暑詈鼍置皇昌_ 詈暑兽詈皇篁皇暑昌墨昌詈穹篁皇詈詈暑詈暑昌昌兽皇詈詈_ 量皇冒昔皇宣昌鲁詈暑皇昌詈墨量墨詈量昌| 一 以自由摆动的，而不是固定在机座上。转子通过轴承支撑在定子外壳上，定子外 壳通过滚动轴承浮动地支撑在支座上，定子外壳与电机底座之间用拉( 压) 力传 感器相连接。由于定子用轴承浮动支撑，因此拉压传感器就可测出定子上所作用 的转矩的大小。测定测功电机反向转矩法的测定数据不受测功电机效率、外界负 荷、温度和测功电机参数的影响，方法简单易行、测定数据可靠，因此被广泛采 用1 2 3 1 。本文就是采用反向转矩测定