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动力系统分析样例十一篇

时间:2023-06-01 08:55:50

动力系统分析

动力系统分析例1

汽车转向系统是用来改变或保持汽车行驶方向的机构。其性能直接关系到汽车的操纵稳定性和舒适性。汽车转向系统的发展历经了无助力转向系统、液压助力转向系统(HPS)、电控液压助力转向系统(EHPS)、电动助力转向系统(EPS)、线控转向系统(SBW)。电动助力转向相比于液压助力转向,改善了汽车的转向助力特性,减少了能量消耗,结构紧凑,质量降低,维护方便,对环境的影响减少。近20几年来,随着电子技术的发展,传感器、电机及其控制理论的发展和完善,EPS技术日趋完善,EPS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展,并且其控制形式与功能也进一步加强。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力,而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。主要体现在模型创新与试验创新2个方面。

1 EPS系统的基本结构

根据助力电机布置位置的不同,电动助力转向分为转向齿条助力式、转向齿轮助力式、转向轴助力式,如图1所示。

参考文献:

[1] Yuji Kozaki,GoroHirose, Shozo Sekiya. Electric Power steering [J]. Motor & Control,1999:449-459

[2] 余志生.汽车理论(第三版) [M] .北京:机械工业出版社,2002.

[3] Liao Y G, Du H I. Modeling and analysis of electric power steering system and its effect on vehicle dynamic behavior [J]. International journal of vehicle autonomous systems (S1471-0226), 2003, 1(3):351-362.

[4] Ji-Hoon Kim, Jae-Bok Song. Control logic for an electric power steering system using assist motor [J]. Mechatronics (S0957-4158), 2002, 12(3): 447-459.

[5] 徐建平, 何仁, 苗立冬, 等. 电动助力转向系统的建模与仿真分析[C]//中国汽车工程学会2003年学术年会SAE-C2003E206: 654-661.

Dynamics Modeling and Analysis of Electric Power Steering

Ding Zhigang,Zhong Yong

动力系统分析例2

中图分类号:TH132 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)12-0207-01

随着计算机图形学技术的迅速发展,系统仿真方法论和计算机仿真软件设计技术在交互性、生动性、直观性等方面取得了较大进展,它是以计算机和仿真系统软件为工具,对现实系统或未来系统进行动态实验仿真研究的理论和方法。

运动学仿真就是对已经添加了拓扑关系的运动系统,定义其驱动方式和驱动参数的数值,分析其系统其他零部件在驱动条件下的运动参数,如速度,加速度,角速度,角加速度等。对仿真结果进行分析的基础上,验证所建立模型的正确性,并得出结论。

本文中所用的动力学仿真软件是ADAMS软件。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。虚拟样机就是在ADAMS软件中建的样机模型。

1、运动参数的设置

先在造型软件UG中将齿轮传动系统造型好,如下图所示。在已经设置好运动副的齿轮传动系统的第一级齿轮轴上绕地的旋转副上给传动系统添加一个角速度驱动。然后进行仿真。在进行仿真的过程中,单位时间内仿真步数越多,步长越短,越能真实反映系统的真实结果,但缺点是仿真时间也随之变长,占用的系统空间也就越大。所以应该在兼顾仿真真实性与所需物理资源和仿真时间的基础上,选择一个合适的仿真时间和仿真的步长。

在仿真之前先设置系统所用到的物理量的单位,在工程实际中,角速度一般使用的单位是r/min,所以在系统的基本单位中把时间的单位设为min,角度的单位设成rad,而在ADAMS中转速单位为rad/min。本过程仿真的运动过程为:系统从加速运动到额定转速,平稳运动一段时间后,再减速运动直到停止。运动过程用函数来模拟,输入的角速度驱动的函数表达式为:STEP( time ,0 ,0 ,2.5 ,9168.8)+ STEP(time ,7.5 ,0 ,10 ,-9168.8),此函数表达式的含义为:系统从开始加速运动一直到2.5s时达到了系统的额定转速9168.8rad/min(1460r/min),从2.5s到7.5s的时间段内,系统以额定转速运动,在7.5s到10s的时间段内,系统从额定转速减速行使,直到停止。打开ADAMS,选择Import a file,将测试数据输入到ADAMS/View中。

2、模型验证

为了保证仿真分析的顺利进行,在进行仿真分析之前,应该对样机模型进行最后的检验,排除建模过程中隐含的错误。一般样机模型容易出现的错误为:(1)检查不恰当的连接和约束、没有约束的构件、无质量构件、样机的自由度等。(2)进行检查所有的约束是否被破坏或者被错误定义,通过装配分析有助于纠正错误的约束。

对于这些潜在的错误,用户可以充分利用ADAMS/View提供的模型检查功能进行样机模型检测:(1)对于第一种可能的错误,用户可以利用模型自检工具。(2)对于第二种可能的错误,用户可以进行装配分析。

ADAMS/View提供了一个功能强大的样机模型自检工具,进入主菜,选择Model Verify命令,这时启动模型自检,完成自检后,程序显示自检对话框。

3、样机仿真

模型检验正确后,就可以进行仿真分析。仿真的分析过程如下:

在主工具箱选择仿真工具图标,显示交互仿真分析参数设置栏;选择仿真类型,ADAMS/View提供了4种仿真类型,即Default、Dynamic、Kinematic和Static。本文就用Default这种仿真类型;定义仿真分析时间,本次仿真时间为120秒;设置仿真过程中ADAMS/View输出仿真结果的频率,选取仿真步长数为1000步。

完成以上设置后,开始仿真分析。在仿真分析过程中,可实时显示样机的运动状况。

4、仿真结果及其分析

在仿真结束后,进入ADAMS/Postprocessor后处理模块,可以得到齿轮传动系统的动力学仿真结果曲线图,下图是齿轮1曲线图。

5、结语

以齿轮1和齿轮7为例(其它略),通过上表可以看到,各个啮合齿轮之间传递力的趋势与负载的趋势比较相似,都在14.1秒和73.95附近出现最大值,受力有很大的变化,最大力值为623050N,工作时所允许的范围之内。在表中,“-” 代表所受力的方向与系统默认的方向相反。仿真结果的平均值与通过计算所得的理论值之间的差别不大,说明仿真结果比较真实的反映了实际的工作状态。

参考文献

动力系统分析例3

区域创新体系是一个区域内有特色的、与地区资源相关联的、推进创新的制度组织网络。其目的是推动区域内新技术或新知识的产生、流动、更新和转化。在这里,创新是指将知识转化为新产品、新工艺和新服务的过程,科技是其中的一个重要环节,因此,创新在本文中指的就是技术创新。区域创新能力是指一个地区将知识转化为新产品、新工艺和新服务的能力即为区域技术创新能力。区域技术创新体系涉及政府、企业、科研、金融等多种因素,各影响因素之间、因素与整体之间、整体与环境之间相互作用,是一个典型的具有多变量、非线性的动态反馈的复杂系统。通过区域系统分析,可以实现区域创新系统的合理规划、布局,改善投资环境,实现资源的合理配置,促进创新主体与创新环境之间的良性发展,提高区域技术创新能力和绩效,进而提升国家竞争力。

系统动力学提供了一种自上而下的、从战略层面描述区域发展、估计区域技术创新能力随时间、环境变化的方法。这种方法把区域技术创新体系视为一个整体,而不是一系列影响因素的简单组合,并能有效地描述区域技术创新系统中各影响因素的非线性关系,有助于政策制定者理解区域创新过程对区域技术创新能力的影响,从宏观上对区域技术创新能力进行估计和把握。

一、区域技术创新能力的系统动力学模型构建

1、系统结构组成。研究区域技术创新能力的目的是提出既能提高区域技术创新能力又适合本地区全面发展的措施。区域创新能力的提高需在一定的支撑环境下实现,在外部环境下,受国家创新系统即国家宏观政策、技术服务机构、国家教育体系、金融政策、研究与发展政策等方面的影响,在内部条件下,受区位优势、区域产学研合作程度等因素的影响,涉及因素有20多种。区域创新能力主要由以下要素构成:知识创造能力,即不断提出新知识的能力;知识流动能力(产、学、研合作程度),即不断地利用全球一切可用知识的能力,以及知识在各创新单位之间流动的能力;企业的技术创新能力;创新的环境、创新绩效等因素。其中创新主体为企业,创新绩效由企业的新产品产值来表示。区域创新系统由三个子系统组成,分别为:知识创造能力系统、知识流动能力系统、区域创新环境系统。

(1)知识创造能力子系统。该系统描述知识创新能力主要受研发机构数量、科技投入、技术成果数影响。技术成果数是发明专利、实用新型专利、外观设计专利三项专利之和。模型中把科技投入考虑为可调控参数,与政府支出呈非线性关系,在模型中用表函数表示。

(2)知识流动能力子系统。该系统反映的是将科技转化为创新的能力,主要考虑了外国的直接投资、技术转移、科技合作。其中,外国直接投资带来的不仅是资金,更重要的是生产技术、管理技术和各种技术诀窍,是一种国际技术转移。技术转移由技术市场交易状况、技术引进和国内企业间购买国内技术三方面构成。科技合作反映的是企业、高校和科研机构的合作状况,是知识向市场化方向流动的表现。在模型中,科技合作由企业对高校和科研机构支出的科研经费表示。

(3)区域创新环境子系统。从理论角度出发,在一个给定的科技投入、给定的制度体系下,环境是决定地区创新能力的关键。本模型中,主要从创新基础设施水平、地区市场需求水平、劳动者素质、金融环境等四方面反映地区创新环境。市场需求水平一般由居民消费水平和国内固定资产投资额来衡量,其中居民消费水平受政府财政收入影响。劳动者素质主要考虑了教育投资水平、就业中大专以上学历比重、大学毕业生增长率三方面因素。而创新基础设施水平与金融环境水平虽然涉及因素多,但与本模型要解决的问题相关性不大,仅以参数值表示,取值0―1之间。

2、区域创新能力体系系统结构流图。为了清晰地描述影响反馈系统的动态性能的积累效应,我们使用vensim软件建立结构图,系统动力学模型流图如图1所示。

二、青岛开发区技术创新能力的实证分析

1、青岛开发区基本情况分析。作为14家沿海部级经济技术开发区之一,自成立20多年来,青岛开发区区域技术创新体系建设大有成效。知识创造能力和流动能力增强:高校与科研资源丰富,区内有高等院校和中等职业院校14所,至2003年底,区内共有研究与开发机构167个,其中科研院所12个、重点实验室中试基地1所;创新环境较完善:政府公共服务实现电子化、高新园区基础设施实现“九通一平”;企业技术创新能力不断提高:2003年,位于区内的部级新技术产业开发试验区实现技工贸总收入280亿元,同比增长31.5%,其中,科技进步对经济增长的贡献率达69.2%。但青岛开发区也面临着一些新的发展制约因素:随着国内其他地区对外开放程度的不断提高,开发区与其他地区的环境优势和区位条件差异正在缩小。而随着青岛开发区规模的扩大,政府缺乏适当的职能定位、产业之间缺乏交流与合作等问题日益凸显,这些因素都将影响青岛开发区的发展。

2、模型主要参数估计。在系统动力学模型中,仿真结果依据的是系统结构流程图编写的DYNAMO方程。在本仿真模型DYNAMO方程中共包含近70个有效方程,其中参数值、初始值有40多个,限于篇幅不在这里一一列出。青岛开发区创新绩效用函数Lnnppv=a?鄢LnTA+b?鄢LnR&D+LnIE模拟,其中nppv为新产品产值,a为区域技术能力的权重指数,b为企业研发经费的权重指数,IE为区域创新环境。创新环境=金融环境?鄢a1+劳动素质?鄢a2+市场需求?鄢a3+基础设施?鄢a4,知识创造能力=发明无量纲?鄢b1+科技投入无量纲?鄢b2,知识流动能力=对外经费无量纲?鄢c1+外资投入无量纲?鄢c2+技术交易无量纲?鄢c3,区域技术能力=知识流动能力?鄢d1+知识创造能力?鄢d2。其中a1、a2 、a3、a4分别为创新环境的权重指数,b1、b2分别为知识创造能力的权重指数,c1、c1、c3分别为知识流动能力的权重指数,d1、d2分别为区域技术能力的权重指数。

三、模拟结果分析及对策建议

1、结果分析。笔者综合分析了青岛开发区1997―2007年近十年各类统计资料,确定了各类参数合理范围,因模型调试基期取1999年,所以初始值数据均采用1999年的统计调查数据,对模型进行模拟。通过软件vensim对模型进行编程调试,得仿真结果如图2、图3和图4所示。青岛开发区在未来十年间,由于受到人才集聚、产业发展、区域技术能力提高、区域产学研合作程度加强等因素影响,青岛开发区各主要经济指标上升的趋势将会一直持续下去。

由图2可知,青岛开发区政府财政收入在1999年的6亿元平缓增加到2007年的21.4亿元。主要原因如下:2000年青岛开发区三次产业比例为3.85:63.88:32.27,到2004年调整为1.49:66.09:32.42,三次产业结构呈逐步优化的趋势,这是政府财政收入逐渐增加的原因;2003年全世界经济和社会安定受到SARS的影响,青岛经济开发区的经济发展也受到了一定程度的打击,使得政府财政收入的增长趋势不大。在2008年后,其财政收入有一个快速增长时期,而在2011―2014年间处于平稳时期后,从2014―2020年,财政收入有一个缓慢的增长阶段。而造成这种发展趋势的原因为:首先,随着区域创新基础设施的逐渐完善和优惠政策的实施,越来越多的企业为了自身更好的发展纷纷入驻青岛开发区;其次,2008年,奥运会项目――帆船比赛在青岛举行,借助其世界影响,促进了青岛2008年后财政收入的上升;最后,随着国内其他地区开放程度的增加,青岛开发区的区位优势逐渐减少,青岛开发区会处于一个相对平缓发展阶段。

由图3可知,新产品产值从1999年的9.1亿元缓缓增加到2011年的20.5亿元,而在2011年后,它将快速增加。主要原因如下:“十一五”时期,家电电子、石化化工、机械制造、新材料和生物医药等主导产业框架形成,集群规模优势显著,集群产业产值比重达到78%。另外,截至2007年,区内共引进和培育出高新技术企业127家,实现高新技术产品产值616亿元,其中重工业105家,高新技术产业中的重工业逐渐取代轻工业成为领头羊。最后,由于区域创新效益滞后效应和集聚效应,当年的经济政策的实施和企业行为在几年后才会引起企业新产品产值的加速增长。

由图4可知,青岛开发区政府科技投入处于先急速增长再缓缓减少的趋势。在1999―2001年间,政府科技投入从1.15亿元增加到2.01亿元,每年平均增长30%以上。而随着政府职能的转换,新产品产值与财政收入相比,政府科技投入出现不同发展趋势。2001年后,政府科技投入逐渐减少,而新产品产值与政府收入却呈增长趋势。主要原因:首先,青岛开发区越来越注重在基础设施等硬环境建设方面投入;其次,到2004年,在青岛开发区有超过30家的金融服务机构,企业可以通过多种渠道获得支持资金。因此,随着政府科技投入的逐渐减少,青岛开发区的经济仍能呈现欣欣向荣的景象。

2、对策建议。首先,创新行政管理机制,转变政府职能。为长期提高区域技术创新的能力,政府应该从传统的经济干预职能向宏观导向职能转换:从偏向短期经济效益转向对中长期技术创新能力的培养;从支持官办机构项目转向支持企业与高校科研院所的联合实施项目;从单纯追求增加收入转向调整投入结构及加大投入并举;从重点干预项目实施转向重大项目的选择、组织协调和提供公共服务等。政府行为应主要从制定科技政策、完善科技立法、编制创新计划、为技术创新引导资金、建立风险投资基金、协调技术创新要素之间的关系等公共服务方面创建良好的区域创新环境,吸引更多的投资者。其次,建立以企业为主体,研究机构、大学相互结合的研究与开发组织体系。发挥开发区内国家重点实验室和中试基地等知名科研院的作用,使青岛开发区成为具有国际竞争力的高新技术的研发与产业化基地。按照“政府引导、企业主导”的原则,加快构建以企业为主体的区域创新体系。最后,大力发展增强区域创新的社会支撑体系。区域创新的社会支撑体系应当把重点放在沟通创新主体和应用主体间的联系与合作面,建立区域创新体系的高效运作环境。应发展以企业为主要服务对象,以技术评估、技术交易、风险资本市场、人才流动为主要内容,以技术监督、知识产权保护为保障的技术与产业、金融资本结合的市场体系,为创新主体及其成果产业化创造宽松和谐的政策环境和区域环境。

四、结论

运用动力学模型能有效地表现出区域创新体系中各指标间的非线性关系,弥补了层次分析法和模糊评价方法对各指标关系表现力的不足。

当然,区域技术创新能力系统动力学模型在推广应用中也存在模块结构与参数关系确定难等不足,这主要是由于区域技术能力、创新环境影响因素太复杂,作为一个系统定量研究存在很多理论认识的不足。

动力系统分析例4

中图分类号:F294

文献标志码:A文章编号:16716248(2017)03003107

Supplydemand analysis model of urban traffic system

based on system dynamics

MA Shuhong1, SUN Chaoxu2

(1. School of Highway, Changan University, Xian 710064, Shaanxi, China;

2. Zhejiang Jinquli Gas co., LTD, Hangzhou 310016, Zhejiang, China)

Abstract: Urban transportation system is a multivariable, multifeedback, and nonlinear complex system. There are mutual restrictions between its elements, and it is necessary to scientifically describe the dynamic mechanism of this system. This paper set the boundary of urban traffic system by use of the method of system dynamics, analyzed the causal feedback effect relations between various elements of the internal system, and presented a flow chart of urban transportation system. Based on that, a system dynamics model of urban traffic system was established, and the relationship between supply and demand of urban traffic system was studied to present the main equations of the model. Taking Xian as an example, this paper simulated the model and estimated the development trend of supply and demand. The analysis results show that there are serious imbalances in the proportion of longterm supply and demand. Some proper traffic demand management policies can be adopted to ease the contradiction between demand and supply, such as taking Transit Priority Policy, developing urban public traffic system.

Key words: urban transportation system; system dynamics; relationship between supply and demand; simulation; traffic demand management[GK-2!-2]

城市化和C动化的快速发展给城市交通系统带来了巨大的压力,导致其供需矛盾日益突出,道路拥堵、交通事故、环境污染等问题日益严重。交通系统的供需关系不仅关系到城市的经济活动效率,也会影响到城市居民的日常生活,需要重点关注。目前,对城市交通系统供需关系的研究,主要集中于内涵、评价方法和专门技术等方面,并以平衡分析为主,主要有平衡理论和弹性理论两种方法[1]。平衡理论认为道路交通的供需平衡不仅体现在总量上的平衡,还体现在结构上的耦合;弹性理论针对有附加条件的交通成本与需求量、交通成本与供给量之间的关系进行分析。事实上,对交通系统供给和需求的分析,不仅要单独分析供给与需求两个方面,还要系统考虑两者之间的关系,可以用系统动力学来进行分析。已有成果主要应用系统动力学方法从可持续发展、宏观政策、城市发展、区域经济与交通相互关系、交通运输方式与结构等角度对相关问题进行研究[23],而在城市交通系统方面,则主要着眼于城市经济与交通的互动协调以及城市综合交通系统内部各种因果关系的研究[4]。基于此,本文拟采用系统动力学的原理与方法,对城市交通系统进行研究,在重点分析供给与需求相互作用关系的基础上,研究产生交通系统外部特性的内在作用机制,从宏观上给出交通问题的产生原因及应对策略,从而更好地实现城市及其交通系统的协调和可持续发展。

一、系统动力学概述

系统动力学(System Dynamics)是一门分析研究信息反馈系统的学科,其认为系统的行为模式与

特性主要取决于其内部的动态结构与反馈机制[5]。相比于传统的系统学科,系统动力学更注重系统的内部机制与结构,强调单元之间的关系与信息反馈,可处理高阶数、多回路和非线性的时变复杂系统与巨系统问题[6],其解决问题的过程与步骤如图1所示。

城市交通系统是一个复杂的,涉及诸多方面且随时间不断变化的大系统,系统内部各因素之间相互影响和制约,其行为表现出明显的非线性特征。从图1可以看出,基于系统分析―结构分析―建立模型―模拟评估―政策制定的系统动力学分析过程与一般情况下分析和解决交通问题的过程一致,故可以采用系统动力学模型按照图1的基本思路来确定交通系统内部各个要素间的因果反馈关系,从城市交通系统需求与供给两方面入手,分析与它们存在联系的各个要素,建立城市交通系统动力学模型,模拟交通系统供给与需求在系统中的转化过程及相互作用机理,在此基础上对交通系统的发展趋势进行预测和分析。

二、系统动力学模型与交通供需分析

以分析城市交通系统供需关系为建模目的,根据系统动力学解决问题的一般步骤,确定建立的模型包括人口、经济、交通需求和交通供给等要素,通过研究系统各个部分的反馈关系和设定各种变量(方程)来建立模型。

(一)系统的界限

系统的界限(或边界)规定哪些应该划入模型,哪些不应归入模型,它是一个想象的轮廓,把建模目的所考虑的内容圈入,并c其他部分(环境)隔开。对城市交通系统来说,供需矛盾是当前导致城市交通问题的主要原因,而交通需求和交通供应的影响因素众多,其中城市人口、经济发展水平、机动车数量、现状路网情况等对供应和需求的影响明显[7]。以此为基础进行分析后,应用系统动力学方法重点研究城市交通系统的供需关系,并确定模型包含的主要要素有:

(1)GDP。GDP是一个重要的经济指标,它与交通基础设施建设的投资以及机动车出行比例的增长都有直接的关系,而且交通系统的运行情况在某种程度上会影响GDP的增长。

(2)人口。人口的增长会直接导致出行量的增长,使机动车出行量不断增加。

(3)交通需求。造成一系列城市交通问题的主要原因是小汽车出行,因此可用小汽车的出行量来表示交通需求。在需求方面,存在着一定的延迟,即从出行者有意图选择小汽车这种出行方式到最终将其实现之间存在一个时间间隔。所以将需求分为潜在需求和需求两个部分,潜在需求表示出行者选择小汽车出行的意愿,它经过一定的时间就会转化为实际的交通需求。

(4)交通供给。采用道路网长度与平均单车道容量(VKT)的乘积来表示。同样存在着延迟的问题,这是因为道路在建设阶段是无法形成供给能力的,投资的道路建设项目往往需要经过一定时间的建设后才能形成实际的供给能力,因此供给也可分为计划供给和供给两个部分。同时,考虑到城市用地的限制,道路网不可能永无止境的扩张,存在着一个最大值,将其定义为最大供给能力,当供给能力达到这个水平后将不再进行道路的建设。

(二)因果反馈关系分析

从供给与需求两个方面来重点研究城市交通系统内部各个要素的主要反馈关系,分析得到系统内部包含的主要反馈回路如下,其中箭头表示因果关系,正负号表示正效应或负效应。

(1)从需求出发的负反馈回路。GDP+人均GDP+机动车出行比例+潜在需求+需求-供需比例-GDP影响因子-GDP。

这是一个负反馈回路,表示经济的增长会刺激小汽车出行需求的增长,但在需求增长的同时会造成供给方面的不足,使得交通运行的效率降低,反过来会影响经济的持续快速发展。使用“GDP影响因子”来表示交通系统供需求关系对社会经济的这种影响。

(2)从需求出发的正反馈回路。需求+投资比例+交通投资+计划供给+供给+供需比例+转化率+需求。

这是一个正反馈回路,表示交通需求的增长会刺激道路建设投资的增长,人们试图通过交通基础设施建设来满足不断增长的需求,但是随着供给能力的不断提升,反而会加快潜在需求的转化,产生更多的交通需求。使用“投资比例”来表示交通需求增长对投资增长的这种作用。

(3)从供给出发的正反馈回路。经济+交通投资+建设率+计划供给+供给+供需比例+经济。这是一个正反馈回路,表示随着经济的增长,交通基础设施投资也会相应增多,道路网建设速度加快,形成了更加充足的供给能力,最终保证了经济的持续快速发展[8]。

(4)从供给出发的负反馈回路。供给-差值+建设率+计划供给+建成率+供给。这是一个负反馈回路,表示交通的供给能力并不是随着需求的增长而不断增长的,在实际中道路网会受到土地利用等因素的限制,不可能无休止地进行建设。

四、模型应用

以西安市交通系统为例,采用系统动力学软件Vensim PLE来模拟运行建立的城市交通系统动力学模型,基础数据来自西安市统计年鉴和居民出行调查报告。

(一)模型的参数估计

根据西安市历史和现状的相关统计数据和调查数据,通过参数拟合和回归分析,获取和标定GDP增长率、出生率、人均出行次数、平均出行距离等各个参数。迁入率和人均机动车出行比例的函数通过回归分析计算确定,如式(18)(19)所示,其他模型参数见表1。

(二)模型的检验

为了验证模型是否较好地反映系统的特征,选取城市人口和GDP这两个指标,以2000年为起始年,2010年为终止年,运行模型输出预测结果与实际统计数据相比较,并计算两者的相对误差,结果如表2所示。

从表2中相对误差的计算结果可以看出,模型预测得到的人口和GDP数据与实际的统计数据之间的相对误差均在5%以内,认为建立的系统动力学模型是具有高可信度的,可用来模拟预测与相关政策分析。

(三)系统发展趋势预测

根据前文分析,这里重点对西安市城市交通系统的供需关系进行研究。模型设定运行以2000年为起始年,2020年为终止年,仿真步长为1年,模拟运行模型并输出每年的需求、供给与供需比例的仿真结果及其随时间变化趋势的曲线,如表3和图4所示(需求与供给量的单位均为pcu)。

从图4中可以看出,供给会随着需求的增长而增长,但是道路网建设受到各种用地因素限制,其增长率会逐渐减小,在2015年城市道路网建设接近饱和。交通需求量因为人口和经济的增长而继续增长,且它的增长率慢慢变小,这是因为当需求大于供给即供需比例小于1时,就会出现道路拥堵等交通问题,影响人们对小汽车出行方式的选择,导致潜在需求转化率的降低。在不采取任何外部政策干预的情况下,不断增长的需求致使供需比例持续降低,最终导致交通系统的瘫痪,其表现是实际需求无法继续增长,供需比例严重失调。从2009年开始,城市交通供需比例就会随着需求的增长而下降,由于供给能力在2014年接近极值,供需比例会持续下降,到2018年时供需比例已经严重失衡,需求量远远超出路网的供给能力,交通系统将无法正常运行。因此有必要采取一定的政策和措施来抑制需求的增长,以维持交通系统的正常运行。

五、政策分析

从供需关系的预测结果可以看出,西安市城市交通系统将会随着需求量的不断增长而最终瘫痪,因此有必要采取一些外部措施来改善系统的行为,抑制机动车出行需求的增长,使供需关系趋于合理化。根据国内外的经验,单纯地限制机动车出行和保有的办法无法从根本上解决交通问题,应该采取一系列相配套的政策措施,才能到达令人满意的效果[12]。发展公共交通被国内外一致认为是解决城市交通问题的出路,因此在限制机动车出行需求量增长的同时,要加快城市公共交通系统的建设。具体措施有:

(1)限制机动车出行需求的转化。采取如小汽车限购、提高小汽车出行费用、拥堵收费等政策,延长潜在需求的转化时间,降低其向实际需求的转化率,来降低交通需求量。设定限制机动车出行需求转化的政策干预有两种模式:一般限制(模式1)和严格限制(模式2),相应的潜在需求转化时间分别为1.5DT和2DT。

(2)发展城市公共交通系统,吸引出行者使用公共交通方式出行,如采取提高公共交通服务水平、开辟公交专用车道、建设公交枢纽、城市轨道交通系统等措施,同时限制机动车出行,使城市交通系统出行方式的结构合理化,把机动车出行比例控制在一定的范围内。根据西安市居民出行调查结果,考虑到未来一个时期机动车出行需求的增长,设定政策干预模式为控制机动车出行比例的增长上限为30%(模式3)。

在以上两类政策的影响下,通过软件的模拟运行,得到不同政策模式作用后的交通需求预测结果,如图5、图6所示。

从图5可以看出,在外部政策的作用下,交通需求的增长出现了减慢的态势,特别是在不同政策的共同作用下,需求的增长明显放缓,很好地抑制了过快的增长势头,绝大部分的交通需求得到了满足,供需关系基本上保持平衡。但是值得注意的是机动车的出行需求量仍然略大于道路网的供给能力,其主要原因是交通流在时空分布上是不均匀的,高峰时段的需求量所占的比重较大,所以在早晚高峰时段机动车的出行效率会相对低一些。因此,建议进一步发展和完善具有大容量的城市轨道交通系统,以满足高峰时段的出行需求。

六、结语

鉴于城市交通系统的动态性和非线性特征,采用系统动力学的原理与方法,在对城市交通系统供需关系及其影响因素进行研究的基础上,建立了城市交通系统动力学模型;以西安市为实例验证了模型的应用,并探讨了在相关政策作用下交通系统行为的变化趋势。通过建立城市交通系统动力学模型,模拟交通需求与供给如何产生并相互作用,反映交通系统的运行情况,有助于加深对交通系统供需关系的理解。应用模型对城市交通系统进行预测并分析不同政策Τ鞘薪煌ㄏ低彻┬韫叵档挠跋欤可在了解交通系统供需发展情况的基础上,考量各种政策作用及其对系统的影响程度,为决策和

采取相应的管理措施提供参考。

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[9]王其藩.管理与决策科学新前沿――系统动力学理论与应用[M].上海:复旦大学出版社,1994.

动力系统分析例5

引言

随着热泵技术的发展提高以及逐渐增加的环境压力,利用热泵实现对江、河、湖水以及再生水等低品质的能源进行回收利用的区域供热(供冷)有了较大规模的发展。低位热能的提取方式主要有两种,一种是闭式间接利用系统,在源水处设板式换热机组,就近将低位热能提取;另一种是开式直接利用式,将源水输送到热用户处水源热泵机组中进行换热。相比传统的集中供热系统,再生水等低位热源的可利用温差较小,常规的水源热泵机组的蒸发器进出水温差为8℃[1],为了实现区域供热,源水的流量通常比较大。取水点至热用户的高差一般只有几米,由高差引起的两种系统形式的能耗差别不大,而闭式系统既增加了初投资又增加了换热的热损失,因此对于水质相对清洁的水体宜采用开式系统。供热系统主要由热源、输配管网、末端热用户三大部分组成,其中管网输配系统是决定系统节能与否的关键,是整个系统的重要组成部分,因此,管网输配系统的设计和运行将决定着整个供热系统的能耗水平,对于区域规模的水源热泵系统来说源水输配系统的优化设计具有重要意义。

1 开式分布式水系统

源水输送采用分布式动力系统,即在水源点设源水提升泵站,克服源水去程到最不利点的阻力损失,在各用户处的热泵站内设一次侧加压泵,克服水泵站内及回程的阻力。首站源水提升泵和各用户侧加压泵均宜采用变频控制,前者是为了适应每年系统总用水量的变化,后者是为了适应每个采暖期内末端负荷的变化而引起的再生水量的小幅变化。

开式分布式动力系统,与闭式循环的分布式变频系统不同,前者必须保证再生水能被输送到最远端,保证管道内充满水,因此开式系统的“零压差点”必须取在系统的最不利点。在末端负荷较低的前几年,首站的再生水提升泵可以满足最不利用户的资用压头,各个用户侧变频加压泵不需要开启,属于集中式动力系统。随着用水量的增加,个别较远端的热用户需要开启一次侧提升泵,来满足热泵机组的需求。图1是几种不同形式的动力配置示意图。

比较常用的是图d所示的结构形式,王红霞[2]等人将主循环泵、沿途加压泵、用户侧变频加压泵三种功能的动力系统灵活组合,给出六种不同的方案,六种方案相对于传统方案的节电率均为33.75%,六种方案的设计均是按照热源、热网、用户的阻力和资用压头的情况提供动力,没有剩余压头,因而能达到相同的节能效果。然而理想的模型系统付诸实践必须满足工程应用的可及性、可靠性、经济性等方面的要求。分布式动力系统由多泵组合实现,需要精确的计算流量、扬程以及控制。

2 开式系统水泵扬程的确定

动力分散系统中通常不设调节阀,节省了由于节流阀造成的能量损失,文献[3,4]通过实例计算说明了分散式动力系统的节能性,且系统越大节能性越明显。然而在应用推广方面并不乐观,主要的一个原因是对系统设计方面的技术问题,动力分散系统中的水泵,包括主循环泵、支线泵等都是相互协同并且水力关联的,要使得管路中的流量分布达到设计工况,必须正确确定系统中各个泵的扬程。

开式动力分散供热输配系统的设计思路与闭式系统的设计类似,一般来说有以下几点[5]:(1)对源水系统进行水力计算,得出管网的特性曲线;(2)确定最不利用户,将最远端选为零压差点,主循环泵和分布式泵的配置就唯一确定了,零压差点的位置决定了系统的造价和运行费,当系统中所有的热用户均没有剩余压头时,系统没有节流损失,也就是最优的配置;(3)确定主循环泵,主循环泵的选取要能够满足全部的流量需求,负责克服水源点到零压差点的阻力,还需结合管网的特性,尽量选择Q-H曲线比较平坦的水泵,在流量变化范围内还能够保证稳定的扬程;(4)各个分布式泵的选择主要考虑满足所对应的用户流量和该用户机房内的损失和源水回程的扬程要求。

开式系统主循环水泵的扬程H包括源水去程的流动阻力和进出口高差形成的静水压力,如公式(1)式所示:

而各个热泵站内的分布式水泵克服站内的阻力损失和源水回程的阻力损失。

3 工程案例分析

某再生水源热泵工程的管网输配系统如下图所示,共5个热用户,设计流量为5219t/h,通过水力计算可知各个管段的阻力损失,标于各个节点之间,流量标于字母下方,系统简图如图2所示。

主循环泵的扬程为H0,各支路水泵扬程为H1,H2,H3,H4,H5,分布式变频动力系统是否设计合理,是否能达到比传统集中式输配系统节能的目的,主要由两个方面的参数来决定,一是压差控制点的选取,二是系统的背压的作用,即循环泵的压头中用来提升流体势能的那部分,用于提升流体势能的这部分越大水泵的效率越低[6]。由于系统的首站主循环泵的吸入口和各个热用户机房内机组进水口的高差最大为2.1m,本系统不考虑背压对动力系统的影响。

设循环泵效率均为70%,其轴功率的计算公式为:

其中:E-系统总的输送功率,kW;Q-循环泵的流量,t/h;H-水泵扬程,m;η-循环泵效率,定为70%。

系统的动力设计方案有2种,方案1为传统的动力集中式系统,首站的主循环泵克服最不利用户的阻力损失,各个热用户站内不设分布式泵;方案2以5-5'为压差控制点,主循环泵克服源水到最不利用户⑤的阻力损失共26m,热用户机房内的分布式泵克服站内源水的回程阻力损失,得到相应的动力配置。分别将各个方案的数据代入公式(2)可得两个方案的能耗及配置情况:

从表1可以看出,当各个热用户均没有剩余压头时,一次系统不存在节流损失,源水输送的总功率等于系统的需用功率,开式分布式系统与动力集中式系统相比,节省了8.7%的水泵装机功率。开式系统采用分布式的动力系统,一个采暖季连续运行120天,节约的电能是290880kWh,由此带来的经济效益较为可观,在分布式动力系统中可以不设电动调节阀,取而代之的是分布式变频泵,系统的初投资及后期的运行检修费用都会降低。

对于区域规模的供热系统,末端的热用户通常是10万以上的一个小区,对于水源地附近的热用户通常建设进度不一,各个热用户的同时使用系数较小,与传统动力集中的系统形式相比较,采用动力分布式系统更灵活,首站泵站的规模可以根据末端的需求逐渐投入建设,住循环泵和分布式泵均采用变频控制,在投入使用的前几年负荷较低时采用变频可以降低启动及运行电流,降低运行费用,随着负荷的增加最终首站达到满负荷。

4 结束语

为了适应区域规模的再生能源热泵供热系统,源水的输配采用开式分布式动力系统不仅降低了主管网内的压力,而且减少不必要的能源浪费,与传统的系统相比输配能耗减少了8.7%,而且满足了末端负荷不同时存在的特点,降低了首站的初投资。根据末端热用户的工程进度情况,再生能源系统采用开式分布式动力系统较为合理。

参考文献

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[2]王红霞,石兆玉,李德英.分布式变频供热输配系统的应用研究[J].区域供热,2005(1):31-38.

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[4]符永正,吴克启,蔡亚桥.常规水系统的阀门能耗及动力分散系统的结构和应用[J].暖通空调,2005(9):6-10.

动力系统分析例6

一、前言

随着信息化时代的飞速发展,计算机技术以及通信技术预计自动化控制更是得到了前所未有的发展。电力体系呈现自动化调度也得到了社会各界的关注并提出了更高的要求,电力调度自动化管理相关的问题更是不断的深化。深层掌握及认识电力体系的运作方法及其影响安全运作的重要因素,这不仅对电力体系的长时间发展极为有利,也在很大的程度上深化了对确保电力体系的安全运作的重要意义。

二、电力体系自动化调度发展现状

(1)电力体系调度中,早期是使用电子载波明线进行传送。随着近年来科技的持续发展与进步,人们也早就淘汰了这样传统的传送方法,并逐步的运用微波等通信方式,对其进行一定程度的传送。现阶段,人们已经使用光纤环网承载微波通讯,这就在很大的程度上提升了电力体系调度自动化的科学有效性,并确保了电力体系传送的质量,为我国整体电力体系进步打下坚实的基础。

(2)目前,我国的某些电力自动化调度体系,为了让电力传送在出现事故时还能正常的运作,使用了双网以及双机配置模式,借此来确保电力体系运作的安全可靠性。不过,该双网双机配置模式只是简单的处理相关内部的事故,若是出现了自然性质的灾害致使体系全部停工,这样的电力体系自动化调度根本不能对其实行一定的监控。

现阶段,计算机网络飞速的发展,电力体系自动化调度能直接的链接到相关的网上,对电力体系的内部各类设施设备运作状态进行综合的管理,实现了电力体系调度自动化,这使经济以及社会成效都能最大化的呈现。

三、电力体系自动化调度的必然性

(1)电力体系自动化调度中,数据的收集及监控与计算机体系是自动化调度的关键。自动化调度体系对电力体系讯息的有效收集并处理,同时还兼顾了电力体系相应的监控以及安全性分析等任务与职责,以便于呈现电力体系运作水平不断提升的目的。并且,进行电力体系自动化调度,可对电力体系实行经济性调度,利用计算机有效的辅助计算,以减小电力体系运作的成本。

(2)监控电力体系运作状态的电力体系自动化调度,对国家以及社会各界都有着不可小觑的意义。我国的西电东送以及全国性的电力体系联网构建,促使电力体系的运作更为复杂,更是经常出现问题。在很多人力达不到的状况下,进行自动化的调度也是电力体系构建的必然趋向。随着人们对于电力的需求量越来越高,相应的电力市场将持续的进步,自动化调度在相应的电力市场中经济成效也在持续的提升,以适应于电力市场的飞速进展。自动化调度最关键的是呈现电力体系无人化的自动化调度,以确保电力体系运作的安全可靠性。在这样的大环境下,自动化调度对保障国家的电力体系安全可靠运行有着很大的意义。

四、电力体系的运行

1、电力体系的运行方式

电力体系的运行方式分类是在保障体系的安全稳定性以及相应的检修要求与经济性基础之上进行的,依照短路阻抗值大小可分为最小以及最大的运行方式。实际的电力体系运行过程中该两种运行方式能互相转化以满足相应的工作需求。体系处在最小阻抗值的时候则是最大的运行方式,所以在此刻出现的短路体系中电路电流最大,该方法主要是用于校验相关开关电器的稳定性,那么反之在体系处于最大的电路阻抗值时则就称之为最小的运行方法。该运行方法主要就是校验相应的机电保护设备的灵敏度。

2、电力体系运行中的影响因素

影响电力体系的安全运行因素有很多,依照所导致的因素不同可简单的区分为人为操作以及设备事故、自然的环境因素,其最常见的以及最关键的影响因子就是自然因素。人为操作因素也就是在正常的维护或是检修过程中相关的开关被无意识的拉断以及带回电路误和临时的接地体链接,设备事故是非直接性的因子的设备或是线路的老化以及过载或是设计不适当。还有就是在进行正常的或是例行相关的检修时因为相应设备并未正常的推出体系从而致使暂时过压故障,该故障很可能会导致固体绝缘击穿或是相关的绝缘子串出现闪络等,因此有着很大的危险性在实际的操作过程中要最大化的避免。虽说在实行电力体系的设计时已经充分的考虑自然性可能会造成某些影响,不过因为输电线路以及设备的分布十分广泛致使自然因素还是会威胁到电力体系的安全运行,其包括了雷电对于架空线路的相关影响或是风暴及恶劣的天气对输电线路造成的影响以及外来的物体可能造成的一些影响,在雷击中架空线相应的接地线时雷电则会通过接地线而直接性的流进大地上基本不会对相应的电力体系运作形成影响,不过若是雷击中输电线路时就很有可能出现线路断电等故障。并且,在遭受风暴以及冰雹、冻雨等十分恶劣的天气时输电线路也会出现事故,交通故障造成相应的电线杆倒塌以及施工所导致的线路断裂,以及动物引起的线路短路等影响都是导致电力体系短路或是停电的关键性原因。

五、自动化调度体系

计算机网络已经非常的普及,电力体系更是会成为最终联网的发达体系,以往传统的分布式自动化调度已不在适应当下海量的信息数据采集以及处理,必定要构建一整套自动化调度体系。

1、电力自动化调度体系发展历程

自动化调度体系对总体的电力体系安全稳定运作有着极大的作用,其自身不断的更新换代不止是显示着信息技术的快速进步,更是电力体系发展的关键性保障。自动化调度体系自20世纪70年代所出现的专用机以及专用操作体系至今以公共对象需求系统结构进行开放性的分布以满足相关的安全分区以及保护的新体系共经历了4个重要的发展阶段,其第2阶段以及第3阶段分别是80年代的双机热备用体系以及90年代以RICS图形工作站为基础统一性支撑平台功能的分布式体系。现代化的自动调度体系除了遵照ICE61970式的公共信息模式以及可缩放矢量的图像标准并进行了诸多的应用软件功能拓展,比如相应的远程维护以及网上浏览等操作。大概而论也就是自动化调度体系的进步经历了专用到通用以及集中到分布和数据收集到实时监控等发展,现阶段我国的图模库一体化构建技术已达到了国际先进的水平更是率先开发的。

2、电力体系自动化调度原则

自动化调度处理电力体系事故过程中,务必要注意:第一,构建规则。自动化的调度一定要对可以呈现的实用性应用提出一定的目标。第二,数据完整。由于电力体系中的全部信息,均是依照范围进行的自动化调度,因此电力体系的处理上一定要保障数据完整性,使用事故录波器对相应遗漏的讯息进行补充。第三,体系安全。应保障事故录波器数据的安全可靠,以避免自动调度过程中出现错误。第四,信息流程规范。应严格的把关变电站信息的流动,并对相应的信息流动实行调度,与规范化的方向看齐。图1所示,电力调度自动化体系稳定运行影响因素。

图1 电力调度自动化体系稳定运行影响因素

3、电力体系安全稳定运行对自动化调度体系基本要求

随着电力体系持续进步并拓展对自动化调度体系更是有着更高的要求,随着电网的规模以及互联网性能的不断强化,要求自动化调度体系可以收集并处理海量的信息,传统的自动化调度体系仅仅需要进行一次的系统信息处理以及电网稳固水平上的监控分析,在未来的电力体系发展要求自动化调度体系要呈现动态以及静态、暂态三位一体化的信息处理并分析,还要呈现一次系统以及二次系统的有效同步构建和采集、分析。未来的自动化调度体系还要把实际性的用电量以及市场与总体电网信息进行一定程度的处理与分析,保障物理稳定性并综合性的考虑经济的稳定性。随着电力体系动态行为复杂化以及规模不断扩大化,在发展低频率振荡等周期性的动态进程时以往传统的EMS已不能满足于当下及时反映与协调功能,因此在未来的自动化电力调度体系要从单一监控与分析进步为集广域的保护以及安全协调一体化的综合性和平台化体系。

六、自动化调度体系未来的发展趋向

(1)新型的自动化调度体系发展不止是呈现超/特高压的电网要求,更是全国的互联网大电网发展需求,在未来的自动化调度体系必定是集成了数字化以及智能化、标准化与市场化为一体的现代化新型综合体系。

(2)第一,数字化也就是通讯以及信息和决策、管理等这四个方面,其信息数字化是数据集成以及信息共享两方面,数据集成是把测量以及控制、市场与管理等信息呈现由模拟性的信号到数字信号的有效转化,这不仅仅可以直接并具体的反应实际的运行状况,并在很大的程度上确保了决策以及管理的精确性,信息数字化还要呈现二维以及三维时变信息收集以及监控。通信数字化是集中控制中心或是自动化调度主站以及各个变电站间的通信要实现合理有效以及实时准确的无阻碍传送,决策以及管理数字化是说电网的稳定控制以及经济调度与设备生产运作以及电网规划和管理维护等各个程序与阶段、环节都实现数字化。

(3)第二,智能化是对电力体系相关元件保护紧急以及解列并恢复控制呈现控制一体化,标准化就是呈现相应使用软件能即插即用,以当下的使用状况这两方面的进步与研究分析仍需进一步的提升。比如调度技术的优化以及故障处理与恢复和智能化的预警及预防技术与调度的决策可视化均属于智能化的调度体系研究趋向,这些策略最本质的目的就是呈现大面积的联锁事故预防以及灾变的防治,以避免产生反应以及处理不及时所导致的严重停电故障。对标准化发展虽说是一项国际化的方向与趋势,但其自身还是需要更多的时间以及实际性研究。

(4)第三,对电力体系的市场化革新虽说是获得了很大的成果,不过因为大区域的电网运作信息以及数据仍缺乏且相对保密,相关厂网的调度权限受到很大的制约,电网的传送容量也是接近于最大的极限以及网络潮流和符合不可预知等因素导致电力体系市场化以及体系安全性出现相应的矛盾,未来自动化的调度要强化对市场环境下的电网安全性理论进行分析的功能,从而呈现在线可使用输电能力以及安全稳定性的计算分析。

七、结语

社会在不断的进步,科技也在持续的创新,电力体系自动化调度将会面对深层的革新。特别是多媒体技术以及智能化控制等快速的融入电力体系自动化的领域,不仅会促使电力体系的检测大力推进,更是促使整体电力体系自动化调度水平更高、更规范、更有效。经过本文对电力体系的运行方式以及其影响因素做了详细的分析,让我们在很大的程度上了解并掌握了自动化调度体系对保障电力体系安全稳定运作的重大作用,并进一步了解了自动化调度体系的发展历程以及未来的进步趋势。自动化调度体系的发展离不开人工智能化的技术以及信息技术等领域发展和进步,虽说要呈现规模大以及体系更为复杂的电力网络仍需相应的时间努力与更多需要改善并创新的地方,我们是有理由相信随着电力体系革新的不断深化和相应技术的持续成熟与标准化,必定会促使未来的电力体系获得更好更快的进步。

参考文献

[1]祝文澜.有关电力系统自动化调度AVQC策略[J].科技传播,2013(20).

动力系统分析例7

电力拖动系统中包括电源、电动机、控制设备等部分。其中,作为控制设备与电动机的能源,电源主要分为直流电源和交流电源;电动机作为生产机械的原动机,它将电能转化为机械能;控制设备控制着电动机的运转,而传动机构则传递着电动机与生产机械之间的力量。本文针对电力拖动系统运行过程展开讨论。

1.电力拖动系统的基本知识

要对电力拖动系统的运行过程进行分析,首先必须掌握该运行过程所需要的知识,采取正确方法,对相应的电力拖动系统运行过程进行分析,从而获取出想要的数据以及客观的结论,使得准确分析出该系统的运行状态,保证系统的稳定性以及安全性。

1.1 旋转运动方程式Tem -TL=GD375・dndt

Tem、TL和n的方向在电力拖动系统运作过程中都是不确定的,所以需要对运动方程式规定正方向。通常把电动机工作状态中的旋转方向定为正方向,而电磁转矩和转速方向与电动机旋转方向相同时规定为正方向,反之为负方向。当负载转矩与规定正方向相反则为正,相同则为负。规定方向后即可判断电力拖动系统是处于加速、减速或者恒速运行状态中哪一种状态。

1.2 电动机的特性及其方程式

因电动机分为直流电动机和交流电动机两种,所以应当根据电力拖动系统运行中所用电动机的类型对其自身特性、人为特性等机械特性进行准确判断。同时,应当理解与其相关的方程式,譬如:感应电势方程式、电压平衡方程式、磁势平衡方程式等。

1.3 负载的特性

在运行电力拖动系统前应当对负载的机械特性进行详细了解。通常,机械的实际负载特性是由几种类型特性叠加而成。所以,应当先了解最基本负载的机械特性,如恒功率负载等,再通过将其进行再组合,写出最终负载特性方程式,并根据特性方程式绘出负载特性曲线。最后,根据所学动力学知识对其特性方程式以及曲线图进行分析,从而判断出是否会发生变化,若发生变化,应当对新的机械特性进行重新分析。

1.4 过渡过程

电动机在电力拖动系统中是非常重要的组成部分。当电力拖动系统正确运行时,根据运动方程式,电磁转矩的大小是由其负载转矩决定的。所以,拖动系统在负载转矩出现变化等被外部干扰或人为改变电动机参数时,都会使电力拖动系统的正常稳定运行造成极大的影响。

1.5 静态稳定性

当只考虑系统机械惯性时,电力拖动系统能够在某点保持稳定运行,需满足以下条件:首先必须在电动机的机械特性与其负载特性之间具有交点,其次需要有稳定运行数据条件。

1.6 运行状态

电力运行是电动机产生的电磁转矩和系统旋转方向相同时,T与n同号即同处于正数或负数。制动运行是电动机产生的电磁转矩和系统的旋转方向相反时,T与n异号。制动运行又分为回馈制动和能耗制动两种制动方式。

2.分析方法

利用上述知识,可以采用图解法或者代数法对电力拖动系统进行分析。因图解法的直观、便于理解等特点,下面主要对图解法进行过程分析。

(1)在同一个坐标系内将电动机的机械性能与负载性能同时画出来,坐标系设置为T―n。

(2)根据电力拖动系统的数据,通过计算,分析系统的初始运行状态是否满足稳定运行的条件,并判断其是否有稳定运行点。如果能在某点稳定运行,则对其运行状态进行分析。

(3)若没有受到外界或人为因素的干扰而造成系统中负载特性与机械特性在运转时出现变化,则应将其变化呈现于坐标系中。

(4)由于过渡过程是沿着电机机械特性运行的,当运行至稳定时电磁转矩是由负载转矩的大小决定的,从而根据运动方程式以及电动机工作原理的基本方程式推出。

(5)根据电力拖动系统运行状态以及过渡状态中每段曲线以及特殊点进行运动状态分析。

3.安全保护

对电力拖动系统的保护方式由两方面组成:一方面是对电器的保护,另一方面是对计算机系统的安全保护。

3.1 电器保护

这是一种最基本的保护形式。一般包括短路保护、过流保护等。

3.2 计算机系统的安全保护

计算机的保护属于上端保护。

首先是短路保护,短路电流通常会导致电器的绝缘设备被破坏,原因是电流过强引起的电动应力加强,是的电动机的绕组失去承受能力,最终导致损坏。其次是过流保护。电动机启动异常或者超过其负载都可能会引起过流电流,而这种电流的流通通常相当大,会引起一些传动器件甚至电动机本身的损伤。接着,是过热保护。当电动机长时间运行时,产生的热量会使电动机的绕组温度超过其承受能力,从而导致电动机无法正常运作。

再者是欠电压保护。欠压是由电源电压过分降低导致的,这可能会导致电动机转速降低更可能导致是停止运转。与此同时,欠压形成的释放气体也会阻碍电路正常运行。

还有安全链的保护。它涉及过流保护、水压保护、欠压保护等多方面保护,必须对其涉及的所有方面进行保护。

最后是整体系统故障保护。通常计算机在其自身能够正常运行时能够保证稳定的自动控制,可以对意外的古装做出处理。

4.电力拖动系统安全稳定运行的涵义

假设一个电力拖动系统原先是在一定的转速中稳定运行的,忽然收到一定外力或人为作用,譬如负载转矩有所变化或者人为对电动机的参数进行改变,使得系统不能够在原先的转速之下运行。然而,如果系统能够在一个新条件下达到新平衡的话,则能够在一个新的稳定点上正常运行,或是在外界影响失灵时系统又能够恢复到原先运行状态,则称之为系统稳定,相反,若失去影响后系统恢复不到之前状态,则该系统是不稳定的。

5.总结

电力拖动系统在实现电能向机械能转变中尤其重要。然而,电力拖动系统的运行过程是比较复杂的。首先要确定其转向,再要熟悉其机械特性和负载特性,并掌握相关方程式,明确其正常运行时需要的条件,从而对其运行状态进行判断。所以,只有深刻理解这些知识点并采用正确的方法,譬如图解法,才能够准确分析拖动系统的运行状态和运行过程。

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动力系统分析例8

0 引言

电力调度自动化系统,又称EMS系统。它在电力部门中的成功运用,确保了各地区电力供应的畅通,提高了电力供应的质量,并在能源节省等方向上有突出贡献。使我国的电力调度进入一个崭新的时期,推进了我国电力调控系统的发展和现代化进程。而对电力调度自动化系统的运行分析,则是为了进一步提高我国电力调度的水准,使电力调度的高科技水平得到更有效的发挥,使电力调度的运行能力更上新台阶。

1 电力调度中的自动化系统

1.1 电力调度运行分析

在电力调度中,首先要认识到电力能源的获得、运输及配送是一个紧密相连的整体。对局部的有效分析并不能改变整个电力系统的运营效率。其次,对电力调度的分析也不能只重于表象,对细节的、深层次的问题含糊带过或是不管不问。再次,由局部运行分析出发,兼顾全局进行分析。这就是我们现代的电力调度运行分析的基本要求。全面的、系统的将整个电力调度的整体运行进行分析,从而有方向、有目标的去解决、去完善电力调度运行过程中的问题。这样才能更好的提升电力调度运行的效益,保障电力系统的稳定运行。

1.2 实现电力调度自动化的必要性

随着科技的发展,越来越多的高科技产品投入到各行各业的生产、运营之中。增强了企业实力、增加了企业效益,提高了企业的生产力。高科技的运用同样也给电力部门创造了更高的价值,自动化系统在电力调度中的作用就很重要。首先,电力调动的自动化解放了一批劳动力,提高了劳动者的工作绩效,降低了劳动损耗。其次,电力调度的自动化运行符合电力调度运营信息形象化的要求。在电力调度中电力系统提供的海量数据经过自动化系统形象化的处理有助于调动员提高信息处理效率、做出准确的分析和判断。再次,自动化的应用加速了对电力系统数据的检索,提高了调度人员提炼、分析这些数据的能力,有助于调度人员及时发现隐藏的或隐含的一些关系和规则。第四,自动化的管理系统比人力操控更能保障电力系统运行的稳定性与良好性。

1.3 自动化系统组成

电力调度的自动化主要是利用计算机、远程通讯等技术来实现电力调度系统的自动化运行。主要可分为三大部分:小型机系统、PAS软件(电力系统高级软件应用系统)、集群软件。其中小型机系统也被称为硬件平台,包括核心服务器和应用服务器两大部分。为保证系统良好的运行一般会采取双机系统,主机和备用机之间相互监控,一旦出现系统故障等情况可自动切换执行机。在这一自动化系统的装机过程中应注意:1)系统的运行性能要高,稳定性好,易于操作。2)每一主机要配备一个备用机,用来保证系统工作时的连续、稳定。3)设备要有很强的扩展性和可用性,以保证自动化系统的软件升级和局部改进。PAS软件主要是指调度管理软件,概括为电力系统的应用软件。它和数字采集和监视系统(SCADA)构成了实现整个电力调度自动化的关键。其次还包括数据库、操作平台和支持平台等。

2 电力调度自动化运行

2.1 采集和执行

信息的采集和执行系统主要用于电力调度系统的数据收集,并对采集到的数据进行处理、解释、存储、显示等。同时还负责信息处理的控制、报警并对其作出合适的处理,对发生事件进行顺序记录、追忆等。它接受远动操控,与主站配合实现“四遥”功能,即“遥测、遥信、遥控、遥调”其中“遥测”是指是指对电力系统运行时数据的实时测量,通过这些实时参数对电力系统的运行状态进行分析和实时状态监测,为实时性决策提供科学依据,实现电力系统运行的最佳状态。“遥信”的主要功能有二,第一是采集和传送断路器的状态信息等电网信息。第二是对发生事件形成顺序记录。“遥控”显而易见就是远距离操控其主要作用是执行遥控命令,完成对电路器的合闸或分闸操作。“遥调”主要用于调整发电机的有功功率或无功功率等。在电力调度的自动化运行不断发展和完善的前提下,人们又把“遥视”纳入了“四遥”之列从而“四遥”变成了“五遥”。这第五遥主要指的是电力调度自动化的高级模式即无人能值守模式。是科技发展的必然结果,也顺应了电力调度自动化的发展趋势。

2.2 采集系统(SCADA)

动力系统分析例9

1、电力配电自动化技术的基本概念及工作原理

所谓的电力配电自动化就是应用自动化技术将电力系统的效益、功能、信息都联系到一起。配电智能化是非常重要的,实现用户和供电公司的直接联通。不管是用户还是供电方对供电信息的处理都更加的方便快捷。用户自动化和配电管理自动化是两个主要的方面。用户自动化,顾名思义就是对用户的信息管理自动化。配电管理自动化就是应用计算机技术对配电系统进行自动化管理。负责信息的搜集和处理。

2、电力配电系统自动化

2.1进线监控自动化

远程实时监控各开关的状态以及电流和电压情况,并通过这些参数变化对相关装置进行控制,以保证这个配电网络处于最优工况,从而实现现有设备容量的最佳使用,及时获取故障信息以判断、隔离和恢复配电输送,降低停电面积和减小停电时间。

2.2配电变电站自动化

这种自动化主要是针对各配电变电站进行远程监控和有压控制调节,以保证这个配电网的供电稳定性和供电质量。

2.3变压器巡检

这是对配电网的各变压器参数的实时监控以及补偿电容器的投切操作,以保证供电质量的稳定提高。

2.4需双方管理

这种管理主要基于电力的供需双方对用电市场实施的有效管理,可保障供电稳定性、降低能源损耗和经济花费。该管理主要包括负荷控制以及远程自动抄计。

2.5配电网负荷监控

该监控主要是对用户的实际用电需求、分时电价等进行合理分析,制定出最佳的负荷控制计划,对用户的用电负荷进行监控,合理调整电价结构,有效发挥现有设备的容量。

2.6运行情况管理系统

这种系统主要对配电网的各设备进行有效检测,根据相应的数据分析设备当前状态和使用磨损程度,并依据此数据对设备进行检修。

3、配电自动化的配套系统和设备

3.1馈线自动化系统

这种系统是根据配电网的变结构耗散网络模型,根据负荷要求将复杂的配电网简单化,减少不必要因素的干扰,对配电网的主要技术参数进行分析处理。这种系统可以有效进行故障隔离、区域恢复等情况的优化。同时采用分层集合和混合通信技术可减少系统成本,不良数据辨识和网络结线分析的有机结合,可以保证馈线自动化系统的稳定性和精确度。系统的监控技术非常突出,可以针对各开关、通信和故障隔离等情况进行有效监控。

3.2智能配电系统

该系统是根据配电网简化建模、网络拓扑和耗散元件等理念,主要对于配电网量测参数较少的问题,采用等负荷和等负荷密度的方法简化配电网分析,可根据已有的量测参数精确分析出配电网的各单元情况。该系统相配套的技术是潮流计算和模拟仿真。这种系统采用基于随机初值的启发式算法和环路分析快速遗传算法,可在多种操作平台上进行操作,能有效优化负荷和优化应用。

3.3馈线开关监控终端

馈线开关监控终端是已多次技术升级后的设备,其主要是远程监控、远程保护和远程测量有机结合的高技术产品,其常与主站联用以达到馈线故障的精准定位和故障隔离的目的。馈线开关监控终端的系统运行处理效率高、稳定性好。馈线开关监控终端采用零相差高精度高速同步采样、停电跳闸控制回路、电磁兼容技术和数字滤波算法,可保证馈线开关监控终端的测量和调节控制精度,环境适应性以及供电稳定性。

3.4配变监控终端

配变监控终端也是一种多功能的高新技术产品,其广泛应用在10kV配电变压器和小区变电设备的远程数据采集上传和实时监控。配变监控终端将采集数据上传至电力主站系统,电力主站系统对数据进行计算分析,对变电设备情况进行有效判断,并对下级配变监控终端发出相关控制命令,而配变监控终端根据命令进行实际调节控制,保证配电网的供电质量。配变监控终端主要基于嵌入式实时多任务操作系统,针对变压装置的电压、电流、用电量等技术参数进行有效采集,并采用电源控制管理系统可保证整个装置的安全稳定使用。

4、电力配电系统自动化的发展前景

4.1自动化水平更加的综合性发展

电力配电系统自动化在未来的发展中将会朝着综合型智能化的方向发展,所谓综合型的智能化就是在实现基本的电力配电自动化功能之外,更加重要的就是实现电力系统的智能化。对电力信息的掌握更加的及时,能够及时的发现许多的故障并且采取相对的措施,最大限度的降低损失。并且能够采集数据信息结合信号处理技术,使配电系统更加的简单。同时智能化也会降低人工的劳动量,解放了人类的双手,可以让供电部门减少对维修工人的聘用,节省开支。

4.2电力技术更加的贴近用户

随着电力技术的发展,配自动化系统也更加的完善。为了满足用户的需求就要提高电力系统自动化的服务功能。用户电力技术就是采用一系列高科技技术,对于各种供电需求都要最大限度的满足。而且在供电的过程中要保持电压的稳定,减少因电压不稳造成的巨大损失,实现柔性配电。保证了供电的质量,对用户的用电质量负责。

4.3电力系统更加的集成化和综合化

在提升经济效益的同时还降低成本,信息集成和系统功能的综合化是必不可少的,因此要将系统中的数据和功能能进行综合,使各项功能的实现统一化。

结语

通过本文对电力配电自动化系统组成的阐述,同时对依据配电自动化要求研发出的配套系统进行合理化分析,可以看出,电力配电自动化系统的大规模应用是电力系统更新升级的发展趋势,其可以有效降低配电网的复杂操作以及人工成本,提升配电网的供电稳定性和供电质量,保证供电企业和电力用户利益的最大化。

动力系统分析例10

关键词 电力系统;机电扰动;传播特性

中图分类号TM7 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2012)61-0016-02

低频振荡同时也是功率振荡,其根本在于电力系统的机电扰动引发的电机功角之间的相对振荡,同时也将使发电机的输出电功率发生周期性的振荡。从更大范围上而言,电力系统不是静态的,而是动态的,在电机的扰动状态下将产生功率振荡,只要在电机扰动作用下都能形成功率振荡,而是在弱阻尼的状态下,相应的系统并不能迅速完成系统的振荡过程,而在负阻尼的作用下,都将产生增幅振荡的情况。而当系统产生低频振荡时,电力系统的发电机发生低频振荡时,系统的每台发电机都将相对于其他发电机产生一定的振荡,同时低频振荡也将将分为本地模式以及区间模式,本地模式也将体现出在一定区间机组范围内的相对振荡,而系统区间模式是电力系统之间产生的相互作用的后果。

相应的电力系统的机电扰动的低频振荡研究,并从电力系统的机电扰动的传播特性角度分析,但电力系统的众多问题都与都与运动过程中的能量相关,通过对电力系统的机电扰动传播特性进行分析,明确了区域内部机组之间由于机电扰动而形成的本地模式将相互削弱。但同一区域内的区间模式将相互叠加以及增强,从而导致了联络线振幅较大。通过相应的仿真分析了解到,在互联系统中,电力系统间的机电扰动还可通过联络线渗透传播,渗透传播的速度受到发电机转动惯量的影响。

1 电力系统的低频振荡分析

1)电力系统的供电区域内,机电扰动将引发当前所在区域内的本地振荡模式以及区间振荡模式。电力机组输出电力功率的增量由本地振荡分量以及区间振荡分量两个部分构成;

2)在同一供电区域内部,不同的机组输出的电功率的区间模式的分量符号应保持一致,而本地模式的振荡分量符号则应保持相反;

3)相同的供电区域内部,若干机组并联在同一条母线上,那么在母线的连接处,区域之间的模式幅值将增强,而本地模式的幅值将遭到削弱,由此联络线一般振幅较大。

2 电力系统机电扰动的传播速度

长久的研究以来,人们普遍以为有功功率一光速速率在电网中传播,在相关的研究人员通过同步测量电力系统的机电动态响应后了解到,机电扰动的速度比光速要晓得多。要实现从理论上研究机电扰动的传播速度,还应建立电力系统的连续系统模型,从波动理论这一视角研究电力系统的机电暂态,建立了由多台发电机构成的链式电力系统的机电系统模型。假设电力系统中连接起来的模型参数处于均匀分布状况,当发电机相互靠近,两台发电机之间的间隔距离接近于零时,可以得出离散模型到连续体模型的电力系统机电波方程。

根据所推出公式得知,电力系统连续体中以密度为基本分类形式的发电机组的转子角动量、阻尼和机械功率以及线路电纳以及电导等。若是电力系统机组的连续体具有均匀的参数且长度为无限,那么在实际的理论研究中,假设不考虑初始速度的影响,而后可推出对电力系统机电波方程的通解。

由机电波的传播速度公式可了解到,机电扰动的传播速度与线路的电纳以及发电机的转子角惯量相关,但发电机的转子角惯量与转子角速度有关,当系统中的线路参数以及角的频率保持在一定的数值时,电力系统机电扰动传播速度只受到电力系统发电机转动惯量的变化影响。那么,电力系统中无连接的发电机组长距离的输电线路,由于转动惯量趋向于零,那么其具有较大的传播速率,其传播速率与光速接近。

3 电力系统机电扰动传播的仿真分析

3.1 机电振荡模式

为了明确电力系统中机电扰动低频振荡的传播过程,在该模式基础之上,以IEEE 4机11节点系统为实例进行仿真研究和说明。响应的系统结构图如图1所示。在未安装PSS的状况下,通过测试电力系统的三种机电的振荡模式,在模式一的振荡试验中,振荡频率为0.64,振荡模式2中的振荡频率为1.12,最后振荡模式3中的振荡频率为1.16,呈现递增的发展趋势。

在图1系统中的G1处施加机电扰动为具体研究实例,实现机电扰动传播特性的研究,在0.5s后在机电连接组的G1开端施加扰动,0.5s后消除扰动,为观察机电波的变化状况,揭示其实质,在研究过程中采用了Prony方法对相关支路的波形进行分解,分解后的波形图呈现持续变化的模式,也就是本地模式在受到小干扰后呈现波动到平稳的发展曲线,而区间模式则呈现出由平稳到波动的发展曲线。将电力系统受到小干扰后的机电波形通过Prony 分解完成后了解到,其结构为区间模式分量以及本地模式分量两个部分构成,而机电振荡模式1下,相应的特征值为0.1080±j4.0258,频率为0.6407,阻尼比为-0.0268。模式2的特征值为-0.6788±j7.0460,频率为1.1214,阻尼比为0.0958。

4 结论

通过发电机输出功率的增量方程了解到,机电扰动将引发电力系统供应区域的多个区间以及本地模式之间的振荡,使用小扰动的仿真分析方式,将连接在同一母线上的不同支路振荡输出响应可了解到,在同一个供电区域内部,不同自己之间的本地振荡模式符号相反,然而区间模式的符合则保持一致。由此可了解到,在母线的连接处,本地模式将遭到削弱,而区间模式则得以加强。并且,以联络线两端有功功率的相角对比,明确了电力系统中机电扰动的平均传播速度与发电机惯量密切相关,机电扰动在机电组中的平均传播速度远小于光速。

参考文献

[1]王德林,王晓茹.电力系统连续体模型中机电波传播特性研究[J].中国电机工程学报,2007(16).

动力系统分析例11

随着中国乘用车市场日臻成熟,轿车越来越广泛地进入普通老百姓的家庭。随着对汽车认识的深入,消费者对汽车的关注不再仅仅局限于靓丽的外形、宽阔的空间,而且越来越关注整车的驾驶性能、经济性、安全性等等。整车NVH调校是提高驾驶舒适性、安全性非常关键的一步措施。

1.系统介绍

用于系统调校的车辆是一款开发中的A级MPV型前置前驱轿车,通过NVH调校,对比不同参数的关键件(悬置、进/排气系统等)对整体性能的影响,选择最优化的性能参数;同时对整车NVH性能进行综合评估,提出修改方案,以达到符合法规、提高驾驶性能等要求。

进行NVH调校必须具备精确的数据采集分析设备和软件。噪声数据采集设备主要是麦克风。车内噪声测量时将敏感麦克风分别安装于以下四个测量点:

左前座外侧耳部;

右前座外侧耳部;

左后座外侧耳部;

右后座外侧耳部。

2.试验方法和试验数据分析

2.1 进/排气系统NVH分析

2.1.1 进/排气系统

进/排气系统与车身固定结构所产生的振动噪声可以按照3.1论述的试验方法进行优化,本处不再赘述。但作为发动机工质更换的核心,新鲜空气的吸入和燃烧废气的排出流动型式非常复杂,不仅受到进/排气系统本身结构形式的影响,还与发动机工况、系统温度场分布、外部环境等等复杂因素相关。因此,对进/排气系统NVH进行系统仿真时边界条件很难确定,仿真精度极低。因此由气体流动产生的振动噪声分析通常采用试验的方法优化。

2.1.2 试验方法

进/排气系统气体流动NVH分析通常把进气系统(包括引气管、空气滤清器、进气软管)、排气系统(排气管、三元催化器、消声器等)视为两个独立的黑箱,通过试验对比黑箱产生的噪声与理论无流动背景噪声的差距,从而评价系统对噪声的贡献水平。如果差距过大,原系统消声效果则有很大改进潜力,或者系统消声效果不能满足要求,可以有针对性地对系统进行改进。

为了得出无流动背景噪声作为参考基线,试验中引入“无限消声器” 概念设备。所谓“无限消声器”即一大体积消声箱体,其消声迷宫能大幅衰减泛频噪声。“无限消声器”安装于进气系统前端、排气系统后端,进入系统的气体在进入进气系统前获得稳压,进气反射波和排气脉冲进入外界环境前先通过“无限消声器”,使声波能量极大衰减达到消声目的。

进/排气系统NVH分析的主要指标是车内噪声和车外噪声。车内噪声传感器的布置和数据测量方法与发动机悬置NVH分析相同,即在四个乘员耳部外侧位置布置麦克风,车辆在不同负荷下,使用三档平稳加速使发动机转速从1000r/min上升至6000r/min。所不同的是进/排气系统试验均在试验场道路上进行,而不是台架上。

车外噪声测量数据采集麦克风安放以及试验方法按照ECE R51标准进行。

2.1.3 结果分析

车内噪声

图7是三档满负荷车内噪声试验数据。根据试验数据可得到以下结论:

1.安装无限消声器能有效抑制1000-2000r/min的进气车内噪声;

2.排气系统无限消声器对车内噪声几乎无影响;

3.原车引气管长度正好处于1000-3000r/min的二阶共振点;

4.原引气管安装于水箱横梁下端,被发动机舱盖遮挡,容易引入热空气;

5.原车空滤壳体在全范围频率均出现“喘振”现象;

针对以上分析采用以下措施,获得了较好的进气系统NVH性能:

1.引气管加长70mm以上,并增加其刚度,避开1000r/min-6000r/min频率内一阶、二阶反射共振;

2.将引气管安装于水箱横梁上端以获得环境温度的进气,防止进气加热;

3.增加空气滤清器壳体刚度,抑制喘振噪声。

车外噪声

车外噪声按照ECE R51标准测量,车辆使用2档和3档进行试验,2档时所测最高噪声和3档最高噪声值相加除2,得到平均值即为最终结果。最终结果可以减去1dB测量系统允许误差。下表是车外噪声试验数据,其中为抑制噪声采取了各种对比方案,在此不详述。

注:上表中数据未减去1dB系统允许误差

原车初始值为77.7dB,法规限值为74dB。进/排气辐射噪声和发动机噪声过大,使整车仍不能通过限值。进排气系统都加装上无限消声器后能达到76.1dB,外部噪声消弱1.6dB。降低辐射噪声的措施就是加装发动机舱底罩,从底部隔绝发动机噪声外传。将前述所有措施改进,即引气管加长70mm、空滤壳体刚度加强,并增加发动机舱底罩,车外噪声能达到75.3dB,考虑到测量仪器的误差接受范围约1dB,可以通过法规限值。另外,底部罩壳设计必须充分考虑隔音效果和发动机舱内热流场分布。

3.结论

在本次样车的NVH调校过程中,对动力系统进行了全面的试验分析,采集了大量的试验数据。在分析这些试验数据的基础上提出的针对性地改进措施。对提高整车操控性能、舒适性能以及噪声法规通过性等,起到了至关重要的作用。

参考文献:

[1]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社.