電氣傳動(dòng)設(shè)備低頻-前饋復(fù)合控制技術(shù)

王 浩

(國網(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，攻角越來越大，駝峰狀尖峰波動(dòng)越來越低，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，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

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。