解析法-Nelder Mead单纯形算法确定太阳电池参数

光伏发电系统的设计计算、性能评估及优化控制要求快速、准确的确定太阳电池模型参数。针对太阳电池单、双二极管模型参数辨识问题,该文提出一种基于解析法和Nelder Mead单纯形法重启策略的A-bcNM混合算法。先用实测I-V曲线上的部分关键点计算合成参数,再以单二极管模型近似解析式快速定位搜索始点,最后在边界范围内利用Nelder Mead单纯形算法的重启策略最小化实测数据与模拟结果之间的均方根误差,以提高拟合精度及参数解的质量。MATLAB环境下,利用2种典型太阳电池的实测数据对A-bcNM算法的有效性进行了测试和验证。与已有的其他算法相比,A-bcNM算法收敛速度快,计算量小,辨识精度高,可快速、准确的确定单、双二极管模型参数,为识别太阳电池的工作特性提供了一种有效方法。     

考虑笼型转子趋肤效应的无轴承异步电机矢量控制优化

针对无轴承异步电机启动和运行时趋肤效应带来的转子参数变化问题,该文提出了一种基于有限元计算和最小二乘原理的转子参数辨识方法。在分析电机悬浮机理和构建其有限元模型的基础上,计算了不同转子电流频率下转子的电阻、漏感值,获取趋肤系数变化曲线。基于数学模型推导分析了趋肤效应对电机转子磁场定向和悬浮控制的影响。采用最小二乘法对转子参数进行曲线拟合,提出一种考虑趋肤效应的无轴承异步电机矢量控制优化,通过拟合辨识获得转子参数的实时值,提高控制系统转矩和悬浮性能,并搭建电机试验平台进行试验验证。试验结果表明,与未考虑趋肤效应的控制方法相比,采用转子参数辨识能够缩短电机转速响应时间0.05 s,响应速度提高了25%,并且电机转子的x、y方向位移幅值降低50%左右,具有良好的转矩特性和悬浮性能。该研究可为无轴承异步电机控制系统优化提供参考。     

基于二次滤波的HHT渡槽模态参数辨识方法

针对大型渡槽安全运行评估问题,提出一种环境激励下基于二次滤波的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform,HHT)模态参数辨识方法。采用小波阈值与经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)结合的二次滤波方法滤除运行环境中强噪声干扰,凸显结构动力特性,有效避免了模态混叠问题;根据奇异熵增量理论确定系统阶数,应用HHT方法辨识降噪后信号,提高辨识准确性和精度。将该方法应用于景泰川二期三泵站输水U型渡槽,辨识正常输水工况下结构前5阶模态参数,建立该渡槽第一跨三维有限元模型,并计算模型同工况下前5阶模态参数,对比模态参数辨识结果与有限元仿真结果。对比结果表明:2种方法计算结果非常接近,最大误差为4.4%。说明基于二次滤波的HHT模态辨识方法能准确高效辨识强噪声背景下结构模态参数,可将该方法推广到大型渡槽结构中,为渡槽安全运行评估和健康在线监测提供新思路,应用前景广阔。     

温室环境温度预测自适应机理模型参数在线识别方法

温室小气候模型具有非线性、强干扰、时变等特性,常用的线性化模型或离线辨识模型无法有效预测温室环境动态变化规律,模型精度不高直接影响温室环境控制性能。针对模型的这种复杂特性,该文以温度模型为例,提出利用连续-离散递推预测误差算法,对非线性模型参数和状态进行在线估计,以提高模型精度。首先,考虑加热和通风2种控制输入,建立了温室温度模型。然后,论述了该算法的原理和优势,算法通过引入并调整增益矩阵,对系统噪声进行在线更新,减少了系统噪声初始化偏差对参数估计收敛性的影响。最后,基于试验温室实测数据,对温室温度模型进行了在线辨识仿真,结果表明,利用连续-离散递推预测误差算法辨识模型拟合度为93.7%,扩展卡尔曼滤波器拟合度为89.5%,该文提出的算法在预测温室温度方面更为有效。     

基于改进HHT的泵站管道工作模态辨识

为提高管道工作模态辨识精度,在希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)辨识基础上,发展奇异值分解(singular value decomposition,SVD)和经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)联合滤波技术与HHT时频域辨识结合的模态辨识方法。SVD-EMD联合滤除结构振动信号中的强噪声,凸显结构振动特性,有效避免了后期HHT参数辨识过程中虚假模态干扰,提高辨识精度和准确性。将该方法应用于景泰二期工程3泵站2管道的模态参数辨识问题中,建立该管道有限元模型并计算其结构动力特性。对比该文方法辨识结果、随机子空间辨识结果与有限元计算结果,该文方法辨识结果稍小于随机子空间辨识结果,与有限元计算结果更接近,其最大辨识误差为3.6%。研究表明,该方法能准确辨识管道频率,且有效降低管道结构背景强噪声。该研究可为管道安全运行和在线健康监测提供参考。     

直流电机驱动农用履带机器人轨迹跟踪自适应滑模控制

为了提高农用履带机器人轨迹跟踪控制的性能,将履带机器人模型视为由电机驱动方程和运动方程组成的级联系统,在考虑了履带机器人运动学模型和电机驱动模型动态特性的基础上,构建了一种变倾斜参数的自适应积分滑模切换函数,基于这个函数设计了由等效控制和切换控制组成的自适应滑模控制,将机器人的位姿误差以及在线辨识的驱动电机时变不确定参数反馈至控制器中,计算出左右轮驱动电机的期望角速度,控制履带机器人运行。田间试验结果表明,当机器人分别以1,3,4 m/s速度运行时,在运动方向距离误差、侧向距离误差和航向角的误差分别在-0.04~0.04 m,-0.09~0.07 m和-0.03~0.05 rad范围内。因此,基于电机驱动的机器人自适应滑模控制具有良好的控制精度,能够满足田间实际作业的要求。     

考虑趋肤效应和动态磁滞效应的电机旋转铁芯损耗模型

实际农业用电设备铁芯损耗的预测不准是趋肤效应造成农用电器效率低下、使用成本升高的重要原因之一。针对这一问题,该文综合考虑了交变激励下趋肤效应、局部磁滞作用和动态磁滞回环对经典铁芯损耗模型系数的影响,将系数修正后的交变模型引入旋转铁芯损耗模型中,提出一种基于正交分解和损耗分离的改进无取向硅钢叠片旋转铁芯损耗模型。利用磁特性测量装置进行不同频率下的铁芯损耗测量,对所建模型验证。结果表明:与经典铁芯损耗模型和只考虑单一因素的改进模型相比,该模型在高频和高磁密下的铁芯损耗计算精度分别提高了25.32%和9.16%。研究结果可为农用电气设备的电机设计与优化提供参考。     

GF-1遥感大数据自动化正射校正系统设计与实现

近年来随着遥感数据的爆炸性增长,快速、稳定的自动化影像正射校正成为遥感大数据处理的重要环节。该文在分析GF-1遥感大数据组织方式与元数据特征的基础上,将有理多项式模型正反变换与数字高程数据提取结合,设计实现自动化正射校正系统,并以提高正射校正计算效率与稳定性为目标,研究待校正影像对应数字高程数据快速提取方法,待校正影像分块读取策略等关键问题。在此基础上针对20景覆盖不同地形区域GF-1 8 m多光谱正射校正影像选择均匀分布的检查点,以Google Earth影像中同名点坐标为真值,分析校正误差及收敛情况,试验结果 X(纬线方向)方向和Y(经线方向)方向最大误差均小于16.863 m,距离误差小于23 m,并且92.25%的检查点误差小于16 m(2个像元)。该文提出的自动化正射校正方案在山地地形与平原地形均表现出良好的校正精度与稳定性。     

基于实测水位和流量数据的渠道控制模型参数辨识与验证

针对传统渠道控制模型推导求解复杂，难以在实际工程中应用的问题，该研究以渠道积分延迟模型（Integrator Delay model，ID）和积分延迟零模型（Integrator Delay Zero model，IDZ）为研究对象，利用递推最小二乘法对2种渠道控制模型进行了参数辨识和分析。结果表明：参数辨识方法可以简单、有效地获取渠道系统的控制模型；在模型试验中，辨识误差基本分布在（-1,1）cm之间，在南水北调原型工程中，辨识误差基本分布在（-2,2）cm之间；2种辨识模型的均方误差达到了10-5级别，且针对水流变化复杂的大型渠道工程，IDZ模型的辨识精度和稳定性整体高于ID模型。文章的主要结论对于渠道控制建模理论及控制器设计方法具有一定的参考价值，可应用于灌区或调水工程的输配水渠道系统建模。     

基于自加速遗传粒子群算法的半封闭式温室能耗预测

针对半封闭式温室环境参数众多且难以测量的问题,提出了一种机理建模与系统辨识建模相结合的温室能耗建模方法。采用自加速遗传粒子群算法(self-accelerating hybrid algorithm of particle swarm optimization and genetic algorithm,SPSO-GA)对温室物理模型中难以确定的参数进行辨识,建立半封闭式温室能耗预测模型。根据上海半封闭式玻璃试验温室的气象数据和测量的能耗值,分别采用遗传算法(genetic algorithm,GA)、粒子群算法(PSO,particle swarm optimization)和SPSO-GA进行参数辨识与能耗预测比较分析。采用SPSO-GA获得的温室能耗预测结果与实测数据的相对误差为1.4%,分别比GA和PSO减少了2.9%和13.7%。根据日太阳光照辐射总量、室外日均温度2个参数及相应的变化曲线,预测的温室能耗值精确度大于86%。试验与模拟结果验证了基于SPSO-GA的温室能耗预测模型有效,可为半封闭式温室能量负载设计、管理和控制提供理论依据。     

装载机工作过程联合仿真与试验

为了分析装载机工作过程中的能量消耗情况,首先使用Pro/E软件建立了装载机工作装置的三维模型,将其导入Simulation X仿真软件中建立了装载机的动力学模型,同时使用该仿真软件建立了装载机工作装置液压系统模型,进一步建立了装载机联合仿真模型。然后针对正载和偏载2种典型工况中各个工作部件能量消耗情况进行了仿真和试验研究,通过比较仿真与试验结果,验证了所建立装载机工作装置机液联合仿真模型的准确性,获得了驱动工作装置液压系统在典型工况中的能量损失。结果表明:在正载工况下,多路阀的能量损失占49%;偏载工况下,多路阀的能量损失占52%。多路阀在一个工作循环中消耗能量最大,主要是中位卸荷损失。该研究为装载机液压控制系统节能设计提供了参考。     

基于6S模型的GF-1卫星影像大气校正及效果

高分一号(GF-1)卫星是中国高分系列卫星的首发星,自2013年4月成功发射以来,在中国农业遥感业务工作中得到了广泛应用,已成为中国大宗农作物种植面积遥感监测的主要数据源。该文基于6S(second simulation of a satellite signal in the solar spectrum)辐射传输模型原理,设计并实现了适合于GF-1卫星数据大气校正算法与程序。算法以GF-1卫星1级数据、元数据及传感器公开参数为输入数据,不需要其他外源辅助数据,经过辐射定标,计算各波段平均太阳辐射值、表观反射率,通过选择大气模式,驱动6S模型获取表观反射率转换为地表反射率的参数,逐像元计算影像地表反射率。在算法研制的基础上,应用Fortran和IDL语言编写了大气校正批处理程序,实现了大气校正过程的批处理。该文采用2014年4月3日、6月28日、11月2日,以及2015年1月19日4个时相北京地区GF1卫星WFV(wide field view)数据,分别代表春夏秋冬4个季节,通过与ENVI软件的FLAASH(fast line-of-sight atmospheric analysis of spectral hypercubes)大气校正结果对比进行评估。2种方法 4个时相各波段全年相对偏差为3.26%,蓝光波段偏差最大为11.21%,其次是红、近红和绿光波段,分别为1.19%、0.73%和0.24%。作物覆盖区平均相对误差为12.99%,冬季最高为17.40%,秋季和春季分别为15.02%和14.15%,夏季相对差异最小为8.31%。各波段地表反射率的整体校正情况并未有太大差异,但6S校正后各波段反射率普遍比FLAASH校正结果略微偏高。2种校正结果计算的NDVI也基本一致,相对偏差0.64%;除水体外,绝对值差值的平均值均在0.0548以内。从计算效率来分析,6S模块实现了商用软件FLAASH模块中未提供的批量计算,在相同硬件环境下计算效率提高了75.0%以上。研究结果表明了该文开发的大气校正程序能够稳定批量处理GF-1卫星数据,可以作为农业遥感监测业务流程的组成部分。     

生产建设项目水土流失防治目标达到值研究

[目的]合理测算生产建设项目方案编制阶段水土流失防治目标达到情况,指导防治措施布设。[方法]在解读扰动土地整治率、水土流失治理度、土壤流失控制比、拦渣率、林草植被恢复率、林草覆盖率及其达到值内涵基础上,对目标达到值计算过程中所存在的问题进行分析,并提出意见与建议。[结果](1)测算6项防治目标达到值,应首先分区给出建设区扰动面积、建筑物及硬化面积、水域及采坑面积、工程与植物措施面积、可绿化面积,以及弃渣总量与实际拦渣量等参数;(2)确定各参数与措施工程量或相关数据的一致性;(3)若测算值不能达到目标值,则应检查目标值设置或措施布设是否有不当之处,并依据相关规定进行必要调整与修正。[结论]在按《规范》要求测算6项防治目标达到值时,应分区给出效益计算参数,并确定其与分区措施工程量或相关数据的一致性。     

基于响应曲面法的非道路用高压共轨柴油机设计点优化标定

针对柴油机采用高压共轨系统带来标定与优化工作量显著增加的问题,基于Box-Behnken设计与响应面法对处于标定阶段的一款非道路用高压共轨柴油机进行了研究。以该柴油机设计点为例,在最大转矩转速1 600 r/min与额定功率转速2 600 r/min的全负荷工况下,选取主喷油量、预喷油量、主喷正时以及喷油压力4个标定变量为因子,在满足设计指标与相关约束的条件下进行了优化标定。试验结果表明:基于响应曲面法建立的柴油机各二阶响应面回归模型具有良好的准确性和预测能力,决定系数R2、调整决定系数R2 adj以及预测决定系数R2 pred均在0.92以上,试验值与预测值的最大偏差不超过3.07%;优化之后得出的标定变量组合使得该非道路用高压共轨柴油机的最大转矩达到200.7 N?m,额定功率达到40.1 k W,满足其设计指标,同时有效燃油消耗率、空燃比、最高气缸压力以及最高排气歧管气体温度均在许可的约束范围之内,表明将响应曲面法用于非道路用高压共轨柴油机设计点的优化标定是可行的。     

电液流量匹配装载机转向系统特性分析

为降低小型装载机负荷传感液压转向系统在流量方面的能量损失,提出用伺服电机独立驱动定量泵的电液流量匹配转向控制方法。该文首先在Simulation X中建立了装载机整机联合仿真模型,对采用负荷传感转向系统的装载机在原地转向工况下进行仿真。构建了装载机试验测试系统,通过对比仿真与试验结果,验证了仿真模型的准确性。进一步将电液流量匹配转向方法应运于此仿真模型。维持与负荷传感系统相同转向特性的条件下,该系统在低速空载工况下使液压泵能量消耗相对负荷传感系统降低36%,高速空载为37%,中速正载为39%,中速偏载为28%,电液流量系统平均降低了转向过程中泵输出能耗约30%。该文提出的研究方法对装载机转向节能研究提供了参考。     

抽水蓄能机组甩负荷试验时尾水锥管压力

抽水蓄能机组水力调节过渡过程计算控制核心要求之一是尾水锥管压力不超过设计值。设计值是根据水力过渡过程理论的一维数值模拟"计算值"加上一定"压力脉动修正"量和 "计算误差"后计算获得。长期以来，尾水锥管压力计算值与尾水锥管压力测量值之间仍存在一定偏差，导致采用实测数据对计算结果进行评判时不能得到合理的解释与评价。为解决调节保证计算与试验验证之间的分歧，该研究对调节保证计算时尾水锥管压力最小值含义进行了阐释，梳理了调节保证计算与试验中涉及尾水锥管压力的相关国内标准。在此基础上，以洪屏抽水蓄能电站调试阶段四台机组甩额定负荷时的实测尾水锥管压力为研究对象，首先分析了压力测点的测量条件，采用短时傅里叶变换进行频率特性分析，验证了测试数据的有效性；其次采用Savitzky-Golay滤波器分离出了表征一维数值模拟断面平均压力计算值的压力趋势与表征流动复杂性的压力脉动，针对压力脉动项研究了峰峰值与时长的关系并获得了压力脉动项最大峰峰值，验证了趋势项与一维数值模拟之间的一致性；随后采用压力脉动项最大峰峰值对数值模拟和实测压力趋势项极值进行修正；最后总结形成了尾水锥管压力调节保证设计值的修正流程。案例研究表明：采用截止频率为0.1～0.2倍转频的低通滤波器可以有效分离出与一维数值模拟一致的尾水锥管压力趋势项；采用3～4个旋转周期数对应的压力脉动数据进行分析可以获得压力脉动项的最大峰峰值；利用压力脉动最大峰峰值对一维数值模拟极值进行修正能够实现调节保证的有效设计与验证。该研究为抽水蓄能机组调节保证设计与验证提供了有效支撑。     

改进双流体模型计算有液柱分离的管路水锤压力

为计算管路系统中的气液两相瞬变流动,该文基于改进的双流体气液两相计算模型,对管道中由于水锤造成液柱分离现象的进行了分析,计算中考虑了管壁面随压力变化对波速的影响,并在数值求解中对方程中的不守恒项及不守恒方程进行了单独处理,以确保模型计算的稳定性。通过对2种弛豫计算方法对计算影响的研究,并与试验比对可以看出:对于采用有限弛豫参数计算时,需要考虑由于空化引起的相变,同时需要选择合理的泡粒数量以保证计算精确度;对于采用无限弛豫参数计算时,可忽略空化模型,直接对水锤造成的液柱分离现象进行分析模拟;通过采用改进的双流体气液两相流计算模型,并构建合理的数值计算方法,可以对带有明显液柱分离现象的管路气液两相瞬变现象进行预测。该种方法计算精度高,对于工业管道中的水锤防护计算具有较好的应用价值。     

基于四属性的现代农产品加工模式构建及评价

中国农产品加工业整体经营过程控制粗放,主要靠生产要素的投入,还停留在以能源、原料的高消耗为代价取得的粗放式、速度型增长,所造成的直接和间接污染严重,通过构建科学、系统的现代农产品加工模式来指导行业发展意义重大。基于可持续发展、循环经济、产业生态学(工业生态学)、清洁生产等理论,提出农产品加工四属性,即原料价值属性、低碳加工属性、产业生态属性、产品市场属性。在此基础上,利用系统学的理论、工具和方法,获得在构建原料价值系统、低碳加工系统、产业生态系统、产品市场系统4个系统基础上耦合形成现代农产品加工模式的构建打下方法论的基础。按照科学性、简明性等原则,采用专家咨询法构建4个层次、21个指标的现代农产品加工模式实现度评价指标体系,运用层次分析法确定指标权重,利用模糊综合评价法对花生加工企业进行实证,结果为3.9871,与生产实际一致。该研究不仅对传统农产业加工行业转型升级具有较高借鉴价值,也为现代农业产业模式研究提供理论支撑。     

基于热量平衡方程的温室冬季温度控制策略

为解决配备空气源热泵的温室在冬季加热时温度调控不稳定等问题，该研究在对温室热传递原理进行分析的基础上，通过实测数据分别计算了温室卷被闭合与揭开两种状态下的综合传热系数、空气源热泵系统工作性能参数和雾化喷淋工作性能参数。根据温室热量平衡方程，建立了调控设备控制时间与温室环境参数间的数学关系，并以此提出了温度控制策略，系统运行时利用传感器实时采集环境数据作为输入，输出设备所需工作时间，并据此控制设备启停。经试验验证，基于热量平衡方程的控制方法能有效控制温度在目标值附近，且温度变化稳定、波动幅度小。在外部天气状况相近条件下，该控制方法的单日耗电量比基于上下限阈值控制的方法节约9.06 kW·h，占其当日耗电量的10.95%。在控制策略研究的基础上，利用典型物联网结构设计并实现远程自动控制，研究结果可直接应用于实践。     

基于混合狼群算法参数优选的泵站群运行优化

对于求解复杂的并联泵站群优化运行模型,狼群算法(wolf pack algorithm,WPA)存在收敛性和鲁棒性差等问题。为改善这些问题,该文以某典型并联泵站群为例,以泵站系统主机组运行能耗最低为优化目标,考虑流量、叶片角度、开机台数等约束条件,建立了并联泵站群优化运行模型。将模拟退火算法引入WPA算法中,提出混合狼群算法(hybrid wolf pack algorithm,HWPA)用于求解建立的优化模型。选择最小值、平均值和标准差作为算法性能的评价指标。相较于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和WPA算法,HWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值平均降低了15.60、10.23 kW,平均值平均降低了36.94、14.30 kW,标准差平均降低了84.82%、72.90%。在HWPA算法的基础上,对算法中的游走步长、奔袭步长、围攻步长的最小值和最大值4个参数进行单因素分析和拉丁超立方抽样设计计算,确定出4个参数的最优组合为0.33、1.53、0.672和4.8×10^5,进而提出改进混合狼群算法(improved hybrid wolf pack algorithm,IHWPA)。相较于HWPA算法,IHWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值和平均值平均降低了4.66和13.26 kW,标准差平均降低了94.02%。应用IHWPA算法确定典型并联泵站群6个不同运行工况优化方案,结果表明,采用引入模拟退火算法、优选WPA算法参数的方法提高了算法的全局收敛性与计算鲁棒性,泵站运行最优决策方案较实际方案的运行能耗平均降低9.80%,可为泵站工程提供合理有效的运行方案,降低运行能耗。