CN108549752A - 一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法，涉及电气控制领域。本发明能够快速建模，计算速度快且计算精度较高，实现对电励磁双凸极发电机的功能级模型建模。本发明包括：采集电励磁双凸极发电机输入与输出的机械‑电气参数；利用所述机械‑电气参数训练支持向量机，得到所述电励磁双凸极发电机的稳态输出模型；在所述稳态输出模型的基础上，结合电励磁双凸极发电机输出滤波电容充放电规律获得动态输出模型；结合所述稳态输出模型和动态输出模型，得到所述电励磁双凸极发电机的功能级模型。本发明适用于像航空供电系统这样复杂系统的建模和分析。

Description

一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法

技术领域

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法。

背景技术

电励磁双凸极发电机是一种定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上装有电枢绕组和励磁绕组，转子上无绕组的直流发电机，因为具有结构简单、可靠性高、成本低廉、易于故障灭磁等突出优点，特别适用于航空电源等高转速、严苛环境的应用领域。

发电机是航空供电系统中关键的一个子系统。对于航空供电系统的分析和控制建立在对航空供电系统中各个子系统的功能级模型上。对于采用了航空电励磁双凸极发电机的航空供电系统而言，对于电励磁双凸极发电机的功能级建模是分析航空供电系统的一个重要环节。

功能级模型是一种涵盖被建模对象几百赫兹以下频率范围内行为的一种模型，功能级模型策略性地忽略被建模对象的高频分量，能够较好的反应电气系统的稳态和动态性能，同时对于计算资源和计算时间的要求较低，非常适用于像航空供电系统这样复杂系统的建模和分析。

然而，由于电励磁双凸极发电机的双凸极结构及运行时磁路饱和等特点，电励磁双凸极发电机参数存在着极强的非线性，针对电励磁双凸极发电机的建模存在着较大难度。

现有技术中，针对电励磁双凸极发电机的建模方法，存在计算精度低，或计算速度慢，方法复杂的缺点，无法兼顾电励磁双凸极发电机在高转速下的计算速度要求和精度要求。

发明内容

本发明提供一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法，能够快速建模，计算速度快且计算精度较高，实现对电励磁双凸极发电机的功能级模型建模。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法，包括：

S1、采集电励磁双凸极发电机输入与输出的机械-电气参数；

S2、利用所述机械-电气参数，根据支持向量机的学习训练方法训练支持向量机，得到训练好的支持向量机,即为电励磁双凸极发电机的稳态输出模型。利用电励磁双凸极发电机输入和输出的机械-电气参数，即转速、励磁电流、负载与输出电压数据训练支持向量机。直接利用支持向量机建立以转速、励磁电流和负载为输入，以输出电压为输出的稳态输出模型，从而满足对于航空供电系统的系统性和低频段的建模需要。忽略电励磁双凸极发电机内部电感与磁链变化，避免了复杂的电感和磁链变化给建模造成的难度。

S3、利用所述稳态输出模型，结合输出滤波电容的充放电过程，得到所述电励磁双凸极发电机的动态输出模型。由于航空电励磁双凸极发电机处于高速运转状态并且输出滤波电容有较强的滤波作用，因此稳态工况下发电机的电压波动会被过滤，可以忽略不计。忽略航空电励磁双凸极发电机高速运行时的高频脉动，并对短暂的动态响应进行简单近似，从而满足航空电磁力双凸极发电机功能级模型对于电机输出的低频行为的要求。

S4、结合所述稳态输出模型和所述动态输出模型，获得所述电励磁双凸极发电机的功能级模型。

进一步的，所述机械-电气参数包括：转速、励磁电流、负载和输出电压。转速、励磁电流、负载是支持向量机的输入参数，输出电压是支持向量机的输出参数。以电励磁双凸极发电机输入输出的机械 -电气参数作为支持向量机的训练参数，免去对电机内部参数进行复杂的建模，大幅消减了建模的工作量和模型应用时的计算量，提高了建模速度和应用时的计算速度。

进一步的，所述支持向量机的学习训练方法，包括：

S11、采用所述机械-电气参数中的转速、励磁电流和负载作为支持向量机的输入参数，采用输出电压作为支持向量机输出参数，对支持向量机进行训练。

S12、在支持向量机训练完毕之后，输入电励磁双凸极发电机的转速、励磁电流和负载，即可得到支持向量机回归的输出电压，从而得到稳态输出模型，实现稳态输出建模。

进一步的，所述功能级模型的输入量为所述电励磁双凸极发电机的转速、励磁电流和负载；所述功能级模型的输出量为所述电励磁双凸极发电机的输出电压。进一步的，所述电励磁双凸极发电机的动态响应，利用输出滤波电容的容值依据电容充放电计算公式进行近似计算得到。

对于动态过程而言，由于电励磁双凸极发电机附属的不控整流器存在一个容值很大的输出滤波电容，因此可以将电励磁双凸极发电机的输出响应等效为一个一阶惯性环节，从而用电容的充放电过程近似电励磁双凸极的动态过程。由于航空电励磁双凸极发电机的转速很高，具有较快的动态响应过程，电励磁双凸极发电机动态过程的细节已经超出了功能级模型所涵盖的频率范围，因此这种近似不会影响到功能级模型所涵盖的频率范围，这种近似计算能够满足功能级模型对于电励磁双凸极发电机频率范围的要求。

对于电励磁双凸极发电机的动态响应，根据输出滤波电容的容值采用电容充放电计算公式进行近似计算：

v_t＝v₀+(v₁-v₀)(1-e^-t/RC)

式中，v₀、v₁和v_t分别为动态过程开始时、动态过程结束时和动态过程中任意时刻的输出电压。其中v₀和v₁均可以通过所述稳态输出模型获得求解。e为自然底数，R为负载，C为输出滤波电容容值。

通过上述计算，即可获得电励磁双凸极发电机在动态过程中的近似输出电压。该动态过程能够基本描述电励磁双凸极发电机的动态过程，并能够满足功能级模型频率范围内的精度要求。

进一步的，通过综合稳态过程求解与动态过程的求解，即可获得电励磁双凸极发电机的功能级模型。功能级模型的输入量为电励磁双凸极发电机的转速、励磁电流和负载；功能级模型的输出量为电励磁双凸极发电机的输出电压。

本发明的有益效果是：

本发明利用电励磁双凸极发电系统固有的控制器与传感器，采集电励磁双凸极发电机输入与输出的机械-电气参数，采用所述参数依据支持向量机的学习方法建立稳态输出模型，稳态输出模型结合输出滤波电容充放电过程，再得到动态输出的模型，结合稳态输出模型和动态输出模型，最终建立电励磁双凸极发电机功能模型，本发明建模和应用过程中消耗的计算资源与计算时间很低，并且计算精度高，适用于集成在电励磁双凸极发电机系统中，实现对电励磁双凸极发电机全生命周期的检测与建模，从而实现对于参数衰退和工况变化的自适应，在降低计算量的同时保证模型的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是电励磁双凸极发电机的结构示意图；

图2是电励磁双凸极发电机功能级模型建模与控制系统的结构示意图；

图3是电励磁双凸极发电机支持向量机建模算法的原理架构图；

图4是电励磁双凸极发电机功能级模型建模流程图；

图5是电励磁双凸极发电机功能级模型计算值与实验测量值对比图；

图6是电励磁双凸极发电机功能级模型对电励磁双凸极发电机稳态模型结果与实验结果对比图；

图7是电励磁双凸极发电机功能级模型对电励磁双凸极发电机动态(80ms处加载)建模结果与实验结果对比图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法。其中，电励磁双凸极发电机的结构如图1所示，包括转子B4和定子铁芯B3，其中，转子B4上没有绕组或永磁体，因此具有非常好的鲁棒性。定子上安装有电枢绕组B1和励磁绕组B2。励磁绕组B2安装在三相电枢绕组周围，因此励磁绕组B2和电枢绕组B1之间存在着强烈的耦合作用。

运行本实施例的控制系统如图2所示，该系统由电励磁双凸极发电机、发电机控制器、输出电压传感器、输出电流传感器、负载、励磁电流传感器、励磁电流功率开关驱动电路、速度传感器、发动机、不控整流器等部分组成。该直流发电系统中，双凸极发电机在航空发动机带动下运转，发出三相交变电流，经过三相不控整流之后供负载使用。输出电压传感器、输出电流传感器和励磁电流传感器可以将输出电压、输出电流及发电机励磁电流信息传输至发电机控制器；发电机轴上安装的速度传感器可以将轴转速传输至发电机控制器。电机控制器通过励磁电流功率开关驱动电路控制双凸极发电机的励磁电流，从而实现对输出电压的控制。

一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法，包括：

S1、采集电励磁双凸极发电机输入与输出的机械-电气参数。

S2、电励磁双凸极发电机功能级模型建模流程图如图4所示，电励磁双凸极发电机功能级模型包含了稳态求解过程和动态求解过程两块。其中，稳态求解过程利用所述机械-电气参数，根据支持向量机的学习训练方法训练支持向量机，得到训练好的支持向量机即为电励磁双凸极发电机的稳态输出模型。

机械-电气参数包括：转速、励磁电流、负载和输出电压。转速、励磁电流、负载是训练支持向量机的输入参数，输出电压是支持向量机的输出参数。直接利用支持向量机建立转速、励磁电流、负载与输出电压的稳态输出模型，以满足对于航空供电系统的系统性和低频段的建模需要。忽略电励磁双凸极发电机内部电感与磁链变化，避免了复杂的电感和磁链变化给建模造成的难度。

支持向量机建模算法的原理架构图如图3所示，该支持向量机由输入层、功能层和输出层组成，以电励磁双凸极发电机的转速、励磁电流和负载作为输入，以电机直流侧输出电压为输出。

支持向量机的学习训练方法，包括：

S11、采用所述机械-电气参数中的转速、励磁电流和负载作为支持向量机的输入参数，采用输出电压作为支持向量机输出参数，对支持向量机进行训练。

S12、在支持向量机训练完毕之后，输入电励磁双凸极发电机的转速、励磁电流和负载，即可得到支持向量机回归得到的输出电压，得到稳态输出模型，从而实现稳态输出建模。

S3、利用所述稳态输出模型，结合输出滤波电容的充放电过程，得到所述电励磁双凸极发电机的动态输出模型。即，所述电励磁双凸极发电机的动态响应，利用输出滤波电容的容值依据电容充放电计算公式进行近似计算得到。

对于动态过程而言，由于电励磁双凸极发电机附属的不控整流器存在一个容值很大的输出滤波电容，因此可以把电励磁双凸极发电机的输出响应等效于一个一阶惯性环节，从而用电容的充放电过程近似电励磁双凸极的动态过程。由于航空电励磁双凸极发电机的转速很高，具有较快的动态响应过程，因此这种近似不会影响到功能级模型所涵盖的频率范围。

航空电励磁双凸极发电机工作在较高转速下，具有较快的动态响应速度，电励磁双凸极发电机动态过程的细节已经超出了功能级模型所涵盖的频率范围。因此这种近似计算能够满足功能级模型对于电励磁双凸极发电机频率范围的要求。

航空电励磁双凸极发电机工作在较高转速下，具有较快的动态响应速度，该动态过程处于功能级模型忽略的高频范围。对于电励磁双凸极发电机的动态响应，根据输出滤波电容的容值采用电容充放电计算公式进行近似计算：

v_t＝v₀+(v₁-v₀)(1-e^-t/RC)

式中，v₀、v₁和v_t分别为动态过程开始时、动态过程结束时和动态过程中任意时刻的输出电压。其中v₀和v₁均可以通过所述稳态输出模型获得求解。e为自然底数，R为负载，C为输出滤波电容容值。

通过上述计算，即可获得电励磁双凸极发电机在动态过程中的近似输出电压。该动态过程能够基本描述电励磁双凸极发电机的动态过程，并能够满足功能级模型频率范围内的精度要求。

由于航空电励磁双凸极发电机处于高速运转状态并且输出滤波电容有较强的滤波作用，因此稳态工况下发电机的电压波动会被过滤，可以忽略不计。忽略航空电励磁双凸极发电机高速运行时的高频脉动，并对短暂的动态响应进行简单近似，从而满足航空电励磁双凸极发电机功能级模型对于电机输出的低频行为的要求。

S4、结合所述稳态输出模型和所述动态输出模型，获得所述电励磁双凸极发电机的功能级模型。功能级模型的输入量为电励磁双凸极发电机的转速、励磁电流和负载；功能级模型的输出量为电励磁双凸极发电机的输出电压。

图5是电励磁双凸极发电机功能级模型计算值与实验测量值对比图，由图5可得，实验获得的数据点与通过功能级模型获得的计算值高度重合，该结果验证了电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法的有效性和高精度。

图6是电励磁双凸极发电机功能级模型对电励磁双凸极发电机稳态建模结果与实验结果对比。通过实验获得电励磁双凸极发电机的输出特性，即不同输出电流下的输出电压。功能级模型计算的结果与实验获得的结果高度重合。该结果验证了电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法的有效性和高精度。

图7是电励磁双凸极发电机功能级模型对电励磁双凸极发电机动态(80ms处加载)建模结果与实验结果对比。在动态过程的开始和结束，电励磁双凸极发电机功能级模型计算结果均获得了很高的精度。在动态过程中，电励磁双凸极发电机功能级模型的计算结果能够较好的模拟实验过程中测量结果。由于动态过程非常短暂(40ms)，因此电励磁双凸极发电机功能级模型计算结果与实验测量结果之间的误差完全处于功能级模型涵盖的频率范围之外。因此，电励磁双凸极发电机功能级模型在动态过程中仍取得了符合要求的计算结果。

通过以上直流发电系统，可以采集到电励磁双凸极发电机在不同工作状态下的各项参数数据。发电机控制器作为整个输入与输出的机械-电气参数检测系统的核心，实时地对各类信号进行采样，计算实时的各项输入与输出的机械-电气参数，并进行输入与输出的机械- 电气参数建模。

该方法应用于航空电励磁双凸极发电机的直流发电系统中。该系统由高速电励磁双凸极发电机、三相不控整流器、输出滤波电容、负载、输出电压传感器、输出电流传感器、发电机控制器、励磁电流传感器和励磁电流功率开关驱动电路等部分组成。该直流发电系统中，双凸极发电机在航空发动机带动下运转，发出三相交变电流，经过三相不控整流之后供负载使用。输出电压传感器、输出电流传感器和励磁电流传感器可以将输出电压、输出电流及发电机励磁电流信息传输至发电机控制器；发电机轴上安装的速度传感器可以将轴转速传输至发电机控制器。电机控制器通过励磁电流功率开关驱动电路控制双凸极发电机的励磁电流，从而实现对输出电压的控制。

通过以上直流发电系统，可以采集到电励磁双凸极发电机在不同工作状态下的各项参数数据。发电机控制器作为整个输入与输出的机械-电气参数检测系统的核心，实时地对各类信号进行采样，计算实时的各项输入与输出的机械-电气参数，并进行输入与输出的机械- 电气参数建模。

综上，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所述的建模方法直接对转速、励磁电流、负载与输出电压进行检测和建模，无需增设磁链检测等特殊装置，由于检测系统利用了发电系统中原有的传感器，因此使得结构简单、成本低廉；

(2)本发明所述的建模方法学习过程无需大量数据，建立的模型预测精度高，泛化性好，适用于电励磁双凸极发电机的在线建模；

(3)本发明所述的建模方法是针对双凸极电机的输入与输出量进行建模，区别于部分现存基于磁链建模方法，无需对发电机转子位置角度对应的磁链进行建模和运算，因此可以节约大量的计算资源，易于实现在线建模。在具备快速运算速度的同时，也具有更好的应用性，特别适用于对于整个航空供电系统的分析和控制。

(4)本发明所述的建模方法实现对象是实体电机，区别于部分现存基于仿真实现的建模方法，具有更高的准确性、泛化性能和更高的应用性。

(5)本发明所述的建模方法易于集成在电励磁双凸极发电机系统中，实现对电励磁双凸极发电机全生命周期的检测和建模，能够通过不断的训练和学习，适应电励磁双凸极发电机系统中的参数变化，保持模型的精度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种电励磁双凸极发电机功能级模型建模方法，其特征在于，包括：

S1、采集电励磁双凸极发电机输入与输出的机械-电气参数；

S2、利用所述机械-电气参数，训练支持向量机，训练好的所述支持向量机，即为所述电励磁双凸极发电机的稳态输出模型；

S3、利用所述稳态输出模型，结合输出滤波电容的充放电过程，得到所述电励磁双凸极发电机的动态输出模型；

S4、结合所述稳态输出模型和所述动态输出模型，获得所述电励磁双凸极发电机的功能级模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械-电气参数包括：转速、励磁电流、负载和输出电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S1中,所述支持向量机的学习训练方法，包括：

S11、将所述转速、励磁电流和负载作为所述支持向量机的输入参数，将所述输出电压作为所述支持向量机的输出参数进行训练；

S12、在所述支持向量机训练完毕之后，输入所述转速、励磁电流和负载，得到所述支持向量机回归得到的输出电压，即得到所述稳态输出模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述S3中，根据所述稳态输出模型，利用输出滤波电容的容值，依据电容充放电计算公式进行近似计算，从而实现动态响应建模。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能级模型的输入量为所述转速、励磁电流和负载；所述功能级模型的输出量为所述输出电压。