帶有不匹配干擾的永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制分析

屈文斌

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

永磁電機(jī)是實(shí)現(xiàn)交流發(fā)電的高負(fù)荷電機(jī)設(shè)備。在采用永磁電機(jī)進(jìn)行發(fā)電過程中，永磁電機(jī)輸出電磁信號(hào)受到擾動(dòng)因素的干擾，常常導(dǎo)致永磁電機(jī)的輸出波形出現(xiàn)失真的情況，需要進(jìn)行永磁電機(jī)的不匹配干擾抑制。研究永磁電機(jī)的電磁波信號(hào)控制方法，在永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能控制中具有重要意義，相關(guān)的永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制方法研究受到人們的極大關(guān)注[1]。傳統(tǒng)永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制方法主要有小波檢測(cè)法、FrFT(分?jǐn)?shù)階傅里葉變換)法，這些方法具有一定的電磁波形控制性能，但在不匹配干擾條件下易出現(xiàn)波形失真的情況。

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問題，本文提出帶有不匹配干擾的永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制方法，構(gòu)建永磁電機(jī)的電磁波信號(hào)輸出抗干擾抑制模型，結(jié)合自適應(yīng)的濾波算法，進(jìn)行永磁電機(jī)的輸出波形控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制的優(yōu)化，提高永磁電機(jī)的自適應(yīng)控制能力和抗干擾能力，最后進(jìn)行仿真測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 永磁電機(jī)電磁波的信號(hào)模型及抗干擾抑制

1.1 永磁電機(jī)電磁波的信號(hào)模型構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)帶有不匹配干擾的永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制，在匹配干擾環(huán)境下進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波的信號(hào)模型構(gòu)造[2]。永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的特征分布序列為s1(t)，s2(t),…,sL(t)，表示為一組零均值、非高斯的統(tǒng)計(jì)特征序列，在高斯噪聲干擾下，采用統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)分布信號(hào)檢測(cè)方法，進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的輸出轉(zhuǎn)換控制，采用時(shí)頻特征分析方法，進(jìn)行帶有不匹配干擾的永磁電機(jī)電磁波形輸出轉(zhuǎn)換，建立永磁電機(jī)電磁波形的特征提取模型[3]，對(duì)永磁電機(jī)電磁波形采樣節(jié)點(diǎn)分布聚類滿足：

r≤2D2/λ

(1)

D為永磁電機(jī)電磁波形的傳輸半徑；λ為永磁電機(jī)電磁波形的波長(zhǎng)。假定永磁電機(jī)電磁波形的采樣傳感器由N=2P個(gè)陣元組成，采用圓形陣列進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形近場(chǎng)源分布式結(jié)構(gòu)重組，永磁電機(jī)電磁波信號(hào)時(shí)間序列模型為

(2)

si(t)為永磁電機(jī)電磁波形的分布序列；φmi為永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的徑向相位；e為電磁波信號(hào)的單位流量；nm(t)為干擾色噪聲。在不匹配干擾下，結(jié)合分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，構(gòu)建永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的特征分布式解析模型為

(3)

z(t)為原始永磁電機(jī)電磁波形的實(shí)部；x(t)為永磁電機(jī)電磁波形的離散特征分布序列；y(t)為永磁電機(jī)電磁波信號(hào)解析模型的虛部。在阻尼電阻約束下，采用混合雙饋入直流輸電控制方法，得到包絡(luò)和相位分別為：

(4)

(5)

a(t)為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)；θ(t)為電機(jī)雙饋入直流輸入的相位漂移。其值都與永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的采集時(shí)間有關(guān)。根據(jù)上述分析，構(gòu)建永磁電機(jī)電磁波的信號(hào)模型為

h(t)=a(t)[1-θ(t)]

(6)

得到永磁電機(jī)電磁波的信號(hào)模型后，根據(jù)電磁波形的4階混合累積量切片得到信號(hào)抗不匹配干擾抑制輸出量，完成信號(hào)的抗干擾抑制[4]。

1.2 信號(hào)抗不匹配干擾抑制

分析永磁電機(jī)的間諧波產(chǎn)生，結(jié)合永磁電機(jī)電磁波信號(hào)檢測(cè)模型進(jìn)行信號(hào)的抗干擾設(shè)計(jì)，再采用分?jǐn)?shù)階Fourier變換對(duì)永磁電機(jī)電磁波信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，采用最大功率點(diǎn)跟蹤方法構(gòu)建永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的特征分解模型[5]，表示為

(7)

3[x(n)x(n+τ)][x2(n+τ)]

(8)

在最大功率點(diǎn)處進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的噪聲抑制，對(duì)永磁電機(jī)電磁波信號(hào)中的高斯白噪聲和高斯色噪聲的干擾項(xiàng)進(jìn)行有效抑制[7]，得到永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的能量輸出為

(9)

建立永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的特征參數(shù)提取模型，得到電磁波形的4階混合累積量切片為

(10)

γ為永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的能量峰度；h(j)為電磁波形輸出量；h3(j+τ)為電磁波形特征量。分析電磁信號(hào)的三點(diǎn)振蕩特性，采用開路電壓的穩(wěn)態(tài)特征分析方法，進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波的信號(hào)時(shí)頻轉(zhuǎn)換，輸出Xp(u)，則信號(hào)抗不匹配干擾抑制輸出為

Yp(u)=Xp(u)+c4w(τ)γ

(11)

根據(jù)信號(hào)抗不匹配干擾抑制輸出，進(jìn)行信號(hào)抗不匹配干擾抑制[8]。

2 永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制優(yōu)化

2.1 永磁電機(jī)電磁波形聚焦處理

在上述采用匹配濾波檢測(cè)器進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形輸出抗干擾抑制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制設(shè)計(jì)。提取永磁電機(jī)電磁波形信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征量，結(jié)合關(guān)聯(lián)特征譜分析方法進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的耦合處理[9]，在t域內(nèi)得到永磁電機(jī)電磁波信號(hào)x(t)的p階分?jǐn)?shù)階Fourier變換值Xp(u)，即永磁電機(jī)電磁波形的輸出統(tǒng)計(jì)特征量為

(12)

p為分?jǐn)?shù)階Fourier變換的階數(shù)；Kp(t,u)為永磁電機(jī)電磁波的模糊變換核。

建立永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的模糊特征匹配模型，采用自適應(yīng)的波束形成方法進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形聚焦處理，得到聚焦角α=pπ/2，構(gòu)建雙饋入直流輸電控制模型，結(jié)合共軛特征提取方法，得到Kp(t,u)的計(jì)算式為

(13)

n為整數(shù)，即n∈Z。對(duì)于混合多饋入直流輸電模式下的非零永磁電機(jī)電磁波信號(hào)，采用譜分離方法[10-13]，進(jìn)行匹配干擾抑制，得到前饋解耦控制輸出的頻域變換Xp(u)表示為

(14)

綜上分析，根據(jù)前饋解耦控制輸出的頻域變換，完成永磁電機(jī)的電磁波形聚焦處理。在此基礎(chǔ)上根據(jù)永磁電機(jī)電磁波信號(hào)進(jìn)行的分?jǐn)?shù)階Fourier變換進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制[14]。

2.2 電機(jī)輸出控制

根據(jù)特征聚集結(jié)果進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形的輸出轉(zhuǎn)換控制和匹配干擾抑制，提高永磁電機(jī)電磁波形的輸出穩(wěn)定性，對(duì)永磁電機(jī)電磁波信號(hào)進(jìn)行特征分離和匹配濾波檢測(cè)[15]，在確定性的擾動(dòng)步長(zhǎng)下，對(duì)接收的永磁電機(jī)電磁波信號(hào)進(jìn)行的分?jǐn)?shù)階Fourier變換為

Fp(u)=Fa[s(t)]+Fa[n(t)]

(15)

Fa[s(t)]為輸入信號(hào)的Fourier變換值；Fa[n(t)]為擾動(dòng)信號(hào)的Fourier變換值。將分?jǐn)?shù)階Fourier變換后的永磁電機(jī)電磁波信號(hào)進(jìn)行譜聚焦處理，分析輸出振蕩模式下的電磁波形，得到優(yōu)化控制參量解算結(jié)果為

c(n,τ)=Fp(u)Xp(u)

(16)

通過上述算法設(shè)計(jì)，進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形的輸出轉(zhuǎn)換控制和匹配干擾抑制，提高永磁電機(jī)電磁波形的輸出穩(wěn)定性，控制模型的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 控制模型實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)式(16)得到的優(yōu)化控制參量結(jié)果及圖1所示的控制模型流程，完成對(duì)永磁電機(jī)電磁波形的優(yōu)化控制。

3 仿真測(cè)試分析

為驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)電磁波形的抗干擾抑制和優(yōu)化控制中的應(yīng)用性能，采用MATLAB.7編程軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，建立永磁電機(jī)電磁波信號(hào)檢測(cè)模型。結(jié)合匹配濾波干擾方法，對(duì)永磁電機(jī)電磁波信號(hào)進(jìn)行干擾抑制，首先對(duì)電磁波的原始信號(hào)采樣，其中，永磁電機(jī)電磁波形采樣頻率為120 kHz，窗口寬度T=2 ms，電磁波形的采樣點(diǎn)數(shù)N=1 000，匹配干擾的信噪比為-10 dB，得到永磁電機(jī)電磁波信號(hào)在不匹配干擾下的時(shí)域波形如圖2所示。

圖2 永磁電機(jī)電磁波信號(hào)時(shí)域波形

由圖2可知，原始的永磁電機(jī)電磁波信號(hào)受到較大的不匹配干擾，難以實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)。采用本文方法進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波檢測(cè)和控制，采用自適應(yīng)的波束形成方法進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形聚焦處理，并與小波檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，得到永磁電機(jī)電磁波信號(hào)檢測(cè)輸出譜峰如圖3所示。

由圖3可以看出，采用小波檢測(cè)方法無(wú)法得出清晰的電磁信號(hào)譜峰，而采用本文方法，能夠準(zhǔn)確聚焦永磁電機(jī)波形，得到清晰的電磁信號(hào)輸出譜峰。由此可見，本文方法的抗干擾能力較強(qiáng)。

圖3 永磁電機(jī)電磁波信號(hào)譜峰檢測(cè)結(jié)果

采用1 000次Monte Carlo試驗(yàn)方法對(duì)永磁電機(jī)電磁波檢測(cè)和控制，并采用小波檢測(cè)方法和FrFT檢測(cè)方法為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，得出電磁波形檢測(cè)概率為

(17)

ga為檢測(cè)得到的波形信號(hào)；gb為波形原始信號(hào)。通過式(17)得到電磁波形檢測(cè)概率如表1所示。

表1 電磁波形檢測(cè)概率

分析表1得知，信噪比越小，電磁波形檢測(cè)概率越小，當(dāng)信噪比為-25 dB時(shí)，小波檢測(cè)法和FrFT檢測(cè)方法得到的電磁波形檢測(cè)概率均為0，而本文方法的電磁波形檢測(cè)概率為0.076，隨著信噪比逐漸增加，本文方法的電磁波形檢測(cè)概率均高于對(duì)比方法。表1結(jié)果表明，本文方法對(duì)永磁電機(jī)電磁波形的輸出轉(zhuǎn)換控制能力較好，應(yīng)用該方法能夠有效提高永磁電機(jī)電磁波信號(hào)的檢測(cè)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

在不匹配干擾抑制下構(gòu)建永磁電機(jī)的電磁波信號(hào)輸出抗干擾抑制模型，結(jié)合自適應(yīng)的濾波算法，進(jìn)行永磁電機(jī)的輸出波形控制，提高永磁電機(jī)的自適應(yīng)控制能力和抗干擾能力，本文提出基于帶有不匹配干擾的永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制方法。對(duì)于混合多饋入直流輸電模式下的非零永磁電機(jī)電磁波信號(hào)，采用譜分離方法，進(jìn)行匹配干擾抑制，采用自適應(yīng)的波束形成方法進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形聚焦處理，結(jié)合模糊信息聚類，進(jìn)行永磁電機(jī)電磁波形優(yōu)化控制。仿真測(cè)試結(jié)果表明，本文方法能有效提高永磁電機(jī)電磁波形的輸出穩(wěn)定性，抗干擾性較好，對(duì)永磁電機(jī)電磁波形的檢測(cè)性能較強(qiáng)。