面向高压设备数字孪生的虚拟传感器设计与应用技术

针对高压设备数字孪生的模型构建、信息交互、动态仿真等需求,对虚拟传感器的设计与应用技术进行了分析,虚拟传感器是具有传感器行为的计算机仿真系统,能够基于功能、结构和服务要求对复杂数字孪生系统进行解耦,降低工程应用的复杂性。文中提出虚拟传感器在高压设备数字孪生工程应用上的设计要求,给出了观测虚拟传感器、参量计算虚拟传感器和预测告警传感器的设计方法及其应用方式。研究结果表明:虚拟传感器具备组件化、服务化、易重构、可进化等优点,可作为数字孪生单元级功能组件的设计手段,解决目前工程应用中数据获取和融合困难、仿真预测算法耦合复杂等问题,支撑设备状态全面感知、趋势精准预测、风险提前预警和设备全寿命精益管理等应用。

基于新颖虚拟电网磁链观测器可控整流器控制

PWM整流器控制中采用类似于交流电机磁链观测的方法构造了一个以虚拟电网磁链作为定向矢量的无电网电压传感器,对谐波和干扰有良好的抑制作用。传统的虚拟电网磁链采用低通滤波器代替纯积分器以克服直流偏移,但会造成一定的幅值和相角误差。在此采用两个一阶低通滤波器代替纯积分环节的新颖虚拟电网磁链观测器,可使得幅值无差且无相移。实验结果验证了观测器的可靠性和控制方案良好的动静态特性。

基于虚拟传感器的轮胎力和车辆状态变量估算

构建滑模观测器(sliding-mode observer,SMO)估算轮胎力,结合单轨车辆模型推算质心侧偏角和质心速度.设计双曲正切函数替代符号函数以克服滑模固有的颤振现象并证明了观测器的收敛性.利用动力学软件ve-DYNA和硬件在环试验平台对多种工况下虚拟传感器的估算效果进行验证,结果表明,在不同的附着系数路面和操作工况下,该虚拟传感器均具有较高的精度和鲁棒性.

基于LCL的风电并网逆变器无传感器控制

基于LCL滤波器的风电并网逆变器(LCL-GCI)需要增加传感器去检测电容电压或者电容电流来抑制LCL滤波器存在的固有谐振问题,提高了系统的控制成本,降低了系统的运行可靠性。鉴于此,在分析虚拟磁链观测思想和LCL-GCI数学模型的基础上,提出了LCL-GCI的无电网和无电容电压传感器控制技术,只检测变换器侧电流和直流母线电压,通过状态重构的方法设计电网电压观测器和LCL电容电压和电流观测器。利用观测器输出的电容电流进行前馈控制,从而实现了LCL-GCI的有源阻尼控制。采用低通滤波器来代替纯积分器来设计观测器,使得系统具有较强的抗干扰、抗负载扰动能力。实验结果表明,LCL-GCI的无传感器控制技术能够减少传感器数量,降低系统的控制成本,具有一定的应用价值。

无电压传感PWM整流器的虚拟磁链自适应滑模观测研究

针对无电压传感的三相PWM整流器虚拟磁链估计中存在直流偏置和初值等问题,本文提出一种具有自适应功能的新型虚拟磁链滑模观测与控制策略。该策略将滑模变结构控制引入虚拟磁链观测器中,以Sigmoid函数为切换函数估计出网侧电源电压值,根据理想磁链与虚拟电动势的正交关系设计了自适应控制率来动态调整磁链补偿基准,使其能够快速准确地跟踪网侧电压波动带来的磁链变化,实现实时检验和修正虚拟磁链值的作用。新型的虚拟磁链观测器合理减少了传感器的数量,同时提高了虚拟磁链的观测精度,将其应用于整流器DPC系统中,仿真和实验结果表明,新型无电压传感控制策略有效抑制了直流母线电压动态响应波动,更有利于滤除网侧电流谐波,改善电能质量。

永磁同步电机高增益速度观测器设计与仿真研究

基于永磁转子同步旋转坐标系的全阶非线性模型是应用状态观测器方法获取位置及速度信息的重要方程,以往应用这一非线性模型缺乏必要的全局能观性分析,在此基于同胚映射理论分析了此类系统的全局不可观测性,而其降阶电流-速度子系统却是全局可观测的。对通过获取转子高精度速度信息基础上通过一步积分得到位置信息的虚拟传感器设计思路给出了严格理论上的解释。利用非线性系统高增益观测器技术构造了带有增益自适应调节率的降阶子系统的速度观测器,仿真结果表明该观测器具有优异的速度跟踪特性,暂态过程观测偏差可以控制在相对小的范围内。

基于扰动滑模观测器的永磁同步电机矢量控制

分析了一类非线性系统基于扰动的滑模状态观测器设计的基本思想,在此基础上将其应用到永磁同步电机无传感器矢量控制策略下永磁转子速度及位置信息的获取当中。为获取精度较高的状态估计,设计了具有变截止频率特性相位补偿的位置及具有自适应调节率的转速滑模观测器,理论分析表明这类观测器对参数变化具有极强的鲁棒性。仿真结果证明基于空间矢量脉宽调制供电技术的永磁同步电机双闭环无传感器矢量控制系统具有较好的动静态性能。

SOS支持下的年报文本事件获取、管理与可视化

为满足用户对年报文本事件的获取需求,结合传感器网络提出了一种传感器观测服务(sensor observation service,SOS)支持下的年报文本事件获取、管理与可视化方案。该方案基于SOS平台,设计和实现一种地图终端获取企业虚拟传感器文本信息的应用,主要包括:以DOM树获取文本事件、企业虚拟传感器、标准化管理文本事件、可视化文本事件。通过该应用,实现以年报文本事件类型查看用户感兴趣的年报信息,并以图形化方式显示,方便用户进行同行业对比。结果表明,此方案能够在地图终端获取年报的多种文本事件信息,具有可行性与实用性。

非线性不确定系统的鲁棒虚拟传感器重组的设计

主要将非线性滑模观测器和虚拟传感器重组方法相结合,设计了具有鲁棒性的滑模观测器。把线性系统虚拟传感器重组方法推广到非线性,并针对传感器故障设计合适的滑模观测器,使改变后的系统能够等价于原来的非线性不确定系统。数字仿真证明了该方法的有效性,重组后的系统输出可以很好地跟踪正常工作系统输出。

虚拟医疗设备的系统构建

为了解决传统医疗仪器在显示、数据处理、存储能力受限、无法有效利用网路进行数据共享以及维护繁琐等方面的问题,提出了基于Labview虚拟仪器技术,融合HL7(healthy level7)协议,利用PC强大的处理功能,实现医疗设备的虚拟化,建立虚拟医疗设备系统的方案。有效地解决了传感器、虚拟仪器及HL7协议的集成问题,并对系统实现的各个子模块进行了详细的描述。

Novel Control Strategy for Multi-Level Active Power Filter without Phase-Locked-Loop

Active power filter (APF) using novel virtual line-flux-linkage oriented control strategy can not only realizes no phase-locked-loop (PLL) control, but also achieves a good inhibitory effect to interfere. However, there are some problems in the conventional method, such as the error of amplitude, the shift of phase angle and the non-determinacy of initial oriented angle. In this paper, two one-order low-pass filters are adopted instead of the pure integrator in the virtual line-flux-linkage observer, which can steady the phase and amplitude. Furthermore, an original scheme of harmonics detection under the rotating coordinate is advanced based on the simplified space vector pulse width modulation (SVPWM) strategy. Meanwhile, by using the new SVPWM algorithm, the voltage space vector diagram of the three-level inverter can be simplified and applied into that of two-level inverter, and this makes the control for Neutral Point potential easier.

电流源型有源前端整流器的无传感器有源阻尼控制

基于电感电流反馈的有源阻尼控制方法,分析不同反馈类型对系统稳定性的影响。在引入虚拟磁链观测和分析电流源型AFE变频器(CSR)数学模型的基础上,提出无电流传感器的有源阻尼控制技术,通过状态重构的方法,设计电网电流观测器和电容电压观测器。采用低通滤波器替代纯积分器来设计观测器,使得系统具有较强的抗干扰性能。仿真结果表明,无电流传感器有源阻尼技术的正确性能够减少传感器数量,降低系统成本,具有一定的应用价值。

基于先验求权的虚拟观测值法及其在线阵影像定向中的应用

航天线阵列遥感影像定向参数之间存在强相关性，参数解算不稳定，难以得到准确结果。较为常见的解决方法是将定向参数处理成虚拟观测值或用岭估计代替最小二乘估计。本文首先分析了这两种方法的联系与区别，提出利用原始外方位元素精度等先验知识给定虚拟观测值权，进一步提高定向结果的可靠性。对SPOT-5与QuickBird两种高分辨率线阵影像的定向试验结果表明，在使用6个分布良好的地面控制点情况下，影像对地目标定位精度可达到2～4个像素的水平。