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水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法.pdf

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水轮机 调速器 仿真 测试仪 模拟 通道 校准 方法
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摘要
申请专利号:

CN201410445151.8

申请日:

2014.09.03

公开号:

CN104199309A

公开日:

2014.12.10

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05B 17/02申请日:20140903|||公开
IPC分类号: G05B17/02; G05B23/02 主分类号: G05B17/02
申请人: 长江三峡能事达电气股份有限公司
发明人: 孙谋; 杨峰; 刘荆飞
地址: 430070 湖北省武汉市洪山区书城路36号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 武汉楚天专利事务所 42113 代理人: 雷速
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410445151.8

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.08.31|||2015.01.07|||2014.12.10

法律状态类?#20572;?/td>

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

一种水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法,包括模拟信号的输出、输入校准,将目标值和实际值之间的关系抽象为线性关系,设x为目标值,y为实际值,用直线方程y=ax+b模拟目标值和实际值之间的关系,其中参数a为直线方程的斜率,参数b为直线方程的截距;采最小二乘法一般线性拟合公式计算出参数a、b,通过PC机控制水轮机调速器仿真测试仪间隔输出多点模拟信号目标值x,然后用万用表测量仿真测试仪输出的模拟信号实际值y,再把该实际值y传送到PC机,PC机计算出参数a、b后再将其传送到仿真测试仪。采用所述方法,经国?#19994;?#19977;方检测机构检测,模拟输入和输出通道的精确度完全可以达到行业标准;该方法全部过程自动完成,减少了人为测量引起的误差,提高了校准效?#30465;?/p>

权利要求书

权利要求书
1.  一种水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法,将PC机(1)通过第一通讯线(11)与水轮机调速器仿真测试仪(3)相连,通过第二通讯线(12)与万用表(2)相连,万用表(2)通过其测试表笔(13)采集水轮机调速器仿真测试仪(3)电流、电压输出端口输出的电流、电压,PC机(1)通过指令控制水轮机调速器仿真测试仪(3)的电压输出端口和电流输出端口输出相应的电压和电流,并通过第二通讯线(12)实时读取万用表(2)测量到的值,其特征是:
a.模拟信号的输出校准:通过PC机控制水轮机调速器仿真测试仪间隔输出多点模拟信号目标值x,然后用带通讯功能的高精度万用表测量水轮机调速器仿真测试仪输出的模拟信号实际值y,再把万用表测量到的模拟信号实际值y通过通讯端口传送到PC机,PC机接收模拟信号的目标值和实际值;
将目标值和实际值之间的关系抽象为线性关系,设x为目标值,y为实际值,用直线方程y=ax+b模拟目标值和实际值之间的关系,其中参数a为直线方程的斜率,参数b为直线方程的截距;
采用如下最小二乘法一般线性拟合公式(1-1)、(1-2)计算出参数a、b,
a=nΣk=0n-1xkyk-Σk=0n-1xkΣk=0n-1yknΣk=0n-1Xk2-Σk=0n-1xkΣk=0n-1xk---(1-1)]]>
b=Σk=0n-1yk-aΣk=0n-1xkn---(1-2)]]>
式中n为目标值和实际值的采样对数,xk、yk(k=0、1、2…n)分别为目标?#26723;?#21644;实际?#26723;悖?#35745;算后所得参数a、b即为校准参数;
然后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪;
b.模拟信号的输入校准:将水轮机调速器仿真测试仪输出的模拟信号直接输出到水轮机调速器仿真测试仪模拟采集输入端,通过PC机控制水轮机调速器仿真测试仪间隔输出多点模拟信号,水轮机调速器仿真测试仪把模拟通道采集到的模拟信号实际值y发送到PC机;将水轮机调速器仿真测试仪输出的模拟信号直接接到万用表上,PC机控制水轮机调速器仿真测试仪输出同样间隔的多点模拟信号,万用表再把测量到的信号目标值x传递到PC机,PC机按照拟合公式(1-1)、(1-2)算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪。

2.  根据权利要求1所述的水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法,其特征是,所述步骤a模拟信号的输出校准包括以下步骤:
a1.模拟电压输出校准:PC机(1)通过第一通讯线(11)发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪(3)的电压输出端电压从0V开始,以步长0.2V,时间间隔3S,连续增加,直到输出10V停止,这些指令即为输出电压的目标值x,在水轮机调速器仿真 测试仪(3)的电压输出端电压连续增加的过程当?#26657;?#21516;时把万用表(2)的测试表笔(13)并联到电压输出端口,以测出电压输出端口每个指令所对应的实际测量值y,并且PC机(1)通过第二通讯线(12)及时把每个实际测量值读取过来,PC机把得到电压信号的目标值和实际测量值,通过公式1-1、1-2算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪(3);
a2.模拟电流输出校准:PC机(1)通过第一通讯线(11)发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪(3)的电流输出端电流从0ma开始,以步长0.4ma,时间间隔3S,连续增加,直到输出20ma停止。这些指令即为输出电流的目标值x。在水轮机调速器仿真测试仪(3)的电流输出端电流连续增加的过程当?#26657;?#21516;时把万用表(2)的测试表笔(13)串联到电流输出端口,以测出电流输出端口每个指令所对应的实际测量值y,并且PC机(1)通过第二通讯线12及时把每个实际测量值读取过来。这样PC机把得到电流信号的目标值和实际测量值,通过公式1-1、1-2算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪(3)。

3.  根据权利要求1所述的水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法,其特征是,所述步骤b模拟信号的输入校准包括以下步骤:
b1.模拟电压输入校准:首先把水轮机调速器仿真测试仪(3)上的电压输入端口和电压输出端口用短接线按正负并联起来,同 时把万用表(2)的测试表笔(13)也并联上,PC机(1)通过第一通讯线(11)发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪(3)的电压输出端电压从0V开始,以步长0.2V,时间间隔3S,连续增加,直到输出10V停止。在水轮机调速器仿真测试仪(3)的电压输出端电压连续增加的过程当?#26657;?#19975;用表(2)可测出每个指令所对应的电压输出端口实际电压,电压输出端口的实际电压值即为电压输入端口的目标值x,通过PC机(1)通过第二通讯线(12)及时把每个实际电压测量值读取过来,同时水轮机调速器仿真测试仪(3)的电压输入端测到每个指令所对应的实际测量值即实际值y,并通过第一通讯线(11)传递给PC机(1);PC机把得到电压信号的目标值x和实际测量值y,通过公式1-1、1-2算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪3;
b2.模拟电流输入校准:首先把水轮机调速器仿真测试仪(3)上的电流输入端口和电流输出端口用短接线按正负串联起来,PC机(1)通过第一通讯线(11)发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪(3)的电流输出端电流从0ma开始,以步长0.4ma,时间间隔3S,连续增加,直到输出20ma停止,在水轮机调速器仿真测试仪(3)的电流输出端电流连续增加的过程当?#26657;?#27700;轮机调速器仿真测试仪(3)的电流输入端可以测到每个指令所对应的实际测量值即实际值y,并通过第一通讯线(11)传递给PC机(1),PC机得到测量的实际值y以后,拔掉水轮机调速器仿 真测试仪(3)上的电流输入端口和电流输出端口按正负串联起来的短接线。把万用表(2)的测试表笔(13)串联到水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端口上,这时PC机(1)重新通过第一通讯线(11)发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪(3)的电流输出端电流从0ma开始,以步长0.4ma,时间间隔3S,连续增加,直到输出20ma停止,万用表(2)测出电流输出端口每个指令所对应的实际测量值,PC机(1)通过第二通讯线(12)实时读取该实际测量值。

说明书

说明书水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法
?#38469;?#39046;域
本发明涉及水轮机调速器仿真测试领域,特别是一种用于水轮机调速器仿真测试仪模拟通道的校准方法。
背景?#38469;?
水轮机调速器仿真测试仪是一种用于水轮机调速系统动态仿真、性能测试和?#25910;?#35786;断的综合平台。该仿真测试仪采集外部几组0~20ma和0~10v模拟信号,通过非线性建模与动态仿真算法,输出相应的几组数控可调的0~20ma和0~10v模拟信号,实现水轮机调速系统的动态仿真、性能测试和?#25910;?#35786;断。所以0~20ma和0~10v模拟信号的采集和输出精度将严重影响水轮机调速器仿真测试仪的精度。水轮机调速器仿真测试仪应用于大功率设备上,所有通道必须加电气隔离,电气隔离器件的非线性以及其它电子器件的非线性导致水轮机调速器仿真测试仪输出和采集的模拟信号?#38469;?#38750;线性?#27169;?#36825;都严重影响水轮机调速器仿真测试仪的性能。
发明内容
本发明针对水轮机调速器仿真测试仪输出和采集的模拟信号的非线性,提供一种简单、可靠、高效、准确的校正方法,目的在于提高水轮机调速器仿真测试仪的仿真性能及精度。
本发明具体的?#38469;?#26041;案如下。
1、模拟信号的输出校准
通过PC机控制水轮机调速器仿真测试仪间隔输出多点模拟信号目标值x,然后用带通讯功能的高精度万用表测量水轮机调速器仿真测试仪输出的模拟信号实际值y,再把万用表测量到的模拟信号实际值y通过通讯端口传送到PC机,PC机接收到模拟信号的目标值和实际值;
将目标值和实际值之间的关系抽象为线性关系,设x为目标值,y为实际值,用直线方程y=ax+b模拟目标值和实际值之间的关系,其中参数a为直线方程的斜率,参数b为直线方程的截距。
采用如下最小二乘法一般线性拟合公式(1-1)、(1-2)计算出参数a、b,
a=nΣk=0n-1xkyk-Σk=0n-1xkΣk=0n-1yknΣk=0n-1Xk2-Σk=0n-1xkΣk=0n-1xk---(1-1)]]>
b=Σk=0n-1yk-aΣk=0n-1xkn---(1-2)]]>
式中n为目标值和实际值的采样对数,xk、yk(k=0、1、2…n)分别为目标?#26723;?#21644;实际?#26723;悖?#35745;算后所得参数a、b即为校准参数;
然后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪。
2、模拟信号的输入校准
将水轮机调速器仿真测试仪输出的模拟信号直接输出到水 轮机调速器仿真测试仪模拟采集输入端,通过PC机控制水轮机调速器仿真测试仪间隔输出多点模拟信号,水轮机调速器仿真测试仪把模拟通道采集到的模拟信号实际值y发送到PC机;将水轮机调速器仿真测试仪输出的模拟信号直接接到万用表上,PC机控制水轮机调速器仿真测试仪输出同样间隔的多点模拟信号,万用表再把测量到的信号目标值x传递到PC机,PC机按照拟合公式(1-1)、(1-2)算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪。
通过本发明所述方法校准的水轮机调速器仿真测试仪,经国?#19994;?#19977;方检测机构检测,模拟输入和输出通道的精确度完全可以达到行业标准;同时,该方法全部过程自动完成,减少了人为测量引起的误差,提高了校准的效?#30465;?
附图说明
图1是本发明原理框图。
图?#26657;?——PC机,2——万用表,3——水轮机调速器仿真测试仪,11——第一通讯线,即PC机与水轮机调速器仿真测试仪之间的通讯线,12——第二通讯线,即PC机与万用表之间的通讯线,13——万用表测试表?#30465;?
具体实施方式
为使本发明的目的、?#38469;?#26041;案和优点更加清楚,下面将结合本发明的附图对本发明的?#38469;?#26041;?#38468;?#34892;清楚、完整的描述。如图1所?#33606;?#25152;述水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法,该方 法主要用到了PC机1、万用表2、水轮机调速器仿真测试仪3,万用表2和水轮机调速器仿真测试仪3分别用通讯线12和11与PC机1相连。
一、具体模拟通道校准方法包括以下步骤;
1、模拟电压输出校准
PC机1通过第一通讯线11发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪3的电压输出端电压从0V开始,以步长0.2V,时间间隔3S,连续增加,直到输出10V停止。这些指令即为输出电压的目标值x。在水轮机调速器仿真测试仪3的电压输出端电压连续增加的过程当?#26657;?#21516;时把万用表2的测试表笔13并联到电压输出端口,以测出电压输出端口每个指令所对应的实际测量值y,并且PC机1通过第二通讯线12及时把每个实际测量值读取过来。
PC机把得到电压信号的目标值和实际测量值,通过公式1-1、1-2算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪3。
2、模拟电流输出校准
PC机1通过第一通讯线11发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端电流从0ma开始,以步长0.4ma,时间间隔3S,连续增加,直到输出20ma停止。这些指令即为输出电流的目标值x。在水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端电流连续增加的过程当?#26657;?#21516;时把万用表2的测试表笔13串联到电流 输出端口,以测出电流输出端口每个指令所对应的实际测量值y,并且PC机1通过第二通讯线12及时把每个实际测量值读取过来。
这样PC机把得到电流信号的目标值和实际测量值,通过公式1-1、1-2算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪3。
3、模拟电压输入校准
首先把水轮机调速器仿真测试仪3上的电压输入端口和电压输出端口用短接线按正负并联起来,同时把万用表2的测试表笔13也并联上,PC机1通过第一通讯线11发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪3的电压输出端电压从0V开始,以步长0.2V,时间间隔3S,连续增加,直到输出10V停止。在水轮机调速器仿真测试仪3的电压输出端电压连续增加的过程当?#26657;?#19975;用表2可测出每个指令所对应的电压输出端口实际电压,电压输出端口的实际电压值即为电压输入端口的目标值x,通过PC机1通过第二通讯线12及时把每个实际电压测量值读取过来。由于此处是借用电压输出端口来校正输入端口,所?#28304;?#26102;的电压输出端口的实际值即为电压输入端口的目标值x。同时水轮机调速器仿真测试仪3的电压输入端可以测到每个指令所对应的实际测量值即实际值y,并通过第一通讯线11传递给PC机1。
这样PC机把得到电压信号的目标值x和实际测量值y,通过公式1-1、1-2算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调 速器仿真测试仪3。
4、模拟电流输入校准
首先把水轮机调速器仿真测试仪3上的电流输入端口和电流输出端口用短接线按正负串联起来,PC机1通过第一通讯线11发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端电流从0ma开始,以步长0.4ma,时间间隔3S,连续增加,直到输出20ma停止。在水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端电流连续增加的过程当?#26657;?#27700;轮机调速器仿真测试仪3的电流输入端可以测到每个指令所对应的实际测量值即实际值y,并通过第一通讯线11传递给PC机1。
PC机1得到测量的实际值y以后,拔掉水轮机调速器仿真测试仪3上的电流输入端口和电流输出端口按正负串联起来的短接线。把万用表2的测试表笔13串联到水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端口上,这时PC机1重新通过第一通讯线11发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端电流从0ma开始,以步长0.4ma,时间间隔3S,连续增加,直到输出20ma停止。万用表2测出电流输出端口每个指令所对应的实际测量值,并且PC机1通过第二通讯线12及时把每个实际测量值读取过来。这些值即为模拟电流输入校准的目标电流值x。此处需要解释的是:?#28909;籔C机1能够按以步长0.4ma,时间间隔3S,连续增加水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出,那么只要记录下该给定值不就是目标电流值吗,何需用万用表2测呢?原 因在于,1、万用表的测量精度比水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出精度高;2、水轮机调速器仿真测试仪3的电流输出端口如果没经校正,跟实际的PC机发出的指令之间有误差,例如PC机输出指令是输出3ma,结果实际测量值却是3.2ma,所以以万用表测量的值作为目标值参与运算,得到的校正结果才会比较好。
这样PC机把得到电流信号的目标值x和实际测量值y,通过公式1-1、1-2算出校准参数,最后把校准参数发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪3。
5、重复上面4个步骤校准水轮机调速器仿真测试仪其它通道。
6、至此水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准完毕。
以下将一个实际校正水轮机调速器仿真测试仪3模拟电压输出、输入的实施例,对本发明的实施方式做进一步的详细说明。
1、模拟电压输出校准
根据具体模拟通道校准方法中所述,PC机1通过第一通讯线11发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪3的电压输出端输出相应电压。指令即为输出电压的目标值x,整理出目标值x如表一所示。
表一、模拟电压输出目标值x


在水轮机调速器仿真测试仪3的电压输出端电压按照PC机1指令输出时,把万用表2的测试表笔13并联到电压输出端口,以测出电压输出端口每个指令所对应的实际测量值y,如表二所示。
表二、模拟电压输出实际值y
kykykykyky00.023102.020204.025306.025408.03010.217112.220214.226316.225418.23020.416122.422224.426326.426428.43130.616132.623234.626336.626438.63240.815142.823244.827346.826448.83351.017153.024255.022357.027459.03361.219163.224265.223367.228469.23471.420173.424275.423377.428479.43581.620183.624285.624387.629489.63691.821193.825295.824397.829499.832
由表一和表二可知一共有50对目标值和实际值的采样对数,即n=50。把表一、表二的数据代入公式1-1、1-2,可算出直线的斜率a=0.9984,截距b=-0.0171,然后把校准参数a,b发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪3,水轮机调速器仿真测试仪3会自动根据新的直线斜率a和截距b来线性输出电压。
水轮机调速器仿真测试仪3采用新的直线斜率a和截距b后,按照上面的方法重新测量模拟电压输出实际值y,可得到表三,如下表三所示。
表三、校正后模拟电压输出实际值y
kykykykyky00.003102.002204.002305.998407.99710.205112.199214.205316.197418.19620.401122.400224.405326.399428.39830.607132.598234.603336.600438.59940.804142.797244.798346.802448.79851.006152.999254.999357.001459.00161.203163.201265.198367.202469.20271.400173.402275.396377.402479.40581.601183.601285.598387.604489.60291.802193.804295.795397.801499.807
分析表二和表三,表二?#26800;?#27169;拟电压输出实际值y与表一?#26800;?#27169;拟电压输出目标值x之间的最大误差有0.036V,而经过校准后表三?#26800;?#27169;拟电压输出实际值y与表一?#26800;?#27169;拟电压输出目标值x之间的最大误差只有0.005V,这完全满足水轮机调速器仿真测试仪3误差低于±0.01V的精度要求。
2、模拟电压输入校准
根据具体模拟通道校准方法中所述,把水轮机调速器仿真测试仪3上的电压输入端口和电压输出端口用短接线按正负并联起来,PC机1通过通讯线11发出指令,使水轮机调速器仿真测试仪3的电压输出端输出相应电压。万用表2可测出电压输入端口的目标值x,如表四所示。
表四、模拟采样电压输入目标值x


在万用表2测量电压输入端口的目标值时,水轮机调速器仿真测试仪3的电压输入端同时可以测到每个目标值所对应的实际测量值即实际值y,如表5所示。
表五、模拟采样电压实际测量值y
kykykykyky00.039102.038204.038306.033408.03310.235112.238214.238316.232418.23220.434122.438224.437326.433428.43530.636132.638234.637336.631438.63640.837142.839244.837346.832448.83451.037153.038255.032357.034459.03661.236163.237265.232367.232469.23771.437173.437275.433377.432479.43781.638183.638285.632387.633489.63491.838193.837295.832397.833499.831
由表四和表五可知一共有50对目标值和实际值的采样对数,即n=50。把表四、表五的数据代入公式1-1、1-2,可算出直线的斜率a=1.0003,截距b=-0.0356,然后把校准参数a,b发?#36879;?#27700;轮机调速器仿真测试仪3,水轮机调速器仿真测试仪3会自动根据新的直线斜率a和截距b来线性计算输入电压。
水轮机调速器仿真测试仪3采用新的直线斜率a和截距b后,按照上面的方法重新测量模拟电压输入实际值,可得到表六,如?#28388;?#31034;。
表六、校准后模拟采样电压实际测量值y


分析表五和表六,表五中模拟采样电压实际测量值y与表四中模拟采样电压输入目标值x之间的最大误差有0.016V,而经过校准后表六中模拟采样电压实际测量值y与表四中模拟采样电压输入目标值x之间的最大误差只有0.004V,这完全满足水轮机调速器仿真测试仪3误差低于±0.01V的精度要求。
PC机1与水轮机调速器仿真测试仪3之间的通讯采用以太网通讯协议。万用表2带有串口通讯功能,其电压在0~10V、电流在0~20ma区间,测量精度电压误差低于±0.01V、电流误差低于±0.02ma,且测量稳定时间小于3S。PC机既带有网口通讯功能又带有串口通讯功能。

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本?#35851;?#39064;:水轮机调速器仿真测试仪模拟通道校准方法.pdf
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