Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей


Программная реализация «Анализатора АБ»



страница11/13
Дата17.10.2016
Размер2.77 Mb.
ТипДиссертация
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13

4.2 Программная реализация «Анализатора АБ»

Зная только значения параметров аккумуляторной батареи (активного сопротивления и резонансной частоты) без дополнительной их обработки крайне сложно оценить состояние исследуемой батареи. Приведенные в главах 2 и 3 результаты исследований позволяют прогнозировать некоторые эксплуатационные характеристики АБ и подразделять множество батарей одного типа на несколько классов, оперируя значениями параметров АБ. Таким образом, в состав комплексной системы диагностики АБ можно ввести программное обеспечение, способное проводить обработку параметров АБ, результатом которой станут значения эксплуатационных характеристик и номер класса анализируемой батареи.

Вычисление эксплуатационных характеристик и классификация выполняются параллельно, независимо друг от друга на основе одних и тех же значений параметров АБ. Поэтому для наглядности разделим эти задачи на два независимых алгоритма.

Для вычисления резервной CR и номинальной С20 емкостей необходимо массив параметров активного, реактивного сопротивлений и значения частот на которых они измерялись прочитать из файла. Этот файл с расширением .txt формируется и записывается программой «Измеритель параметров АБ». Данные в файле содержатся в виде таблицы. После чтения файла из общего массива данных необходимо выделить значения частот тестового сигнала f и соответствующие им значения реактивного сопротивления X. Эти значения образуют частотную зависимость реактивного сопротивления X(f), по которой методом наименьших квадратов подбираются коэффициенты уравнения (2.32) (см. раздел 2.2.4). Из полученных значений коэффициентов, используя уравнение (2.34) (см. раздел 2.2.4) вычисляется корень этого уравнения. Как было показано в разделе 2.2.4 именно корень № 1, который выражается уравнением



где a, b и c – коэффициенты, подобранные при аппроксимации реальной частотной характеристики реактивного сопротивления X уравнением (2.26), принимает значение резонансной частоты исследуемой батареи. В следующем шаге программа по значениям активного сопротивления и резонансной частоты должна вычислить значения эксплуатационных характеристик. Операция вычисления номинальной емкости C20 выполняется по уравнениям (2.16) и (2.18) (см. раздел 2.1.5), с последующим вычислением среднего значения. Вычисление резервной емкости CR выполняется по выражению (2.14) (см. раздел 2.1.6). После вычисления результаты выводятся на экран в чистовом виде. Алгоритм описанной выше программы приведен на рис. 4.13.



Рис. 4.13. Алгоритм программы для вычисления значений C20 и CR

Ввод параметров АБ в программу выполняется из файла штатным инструментом среды разработки LabVIEW «Read From Spreadsheet File VI». Данные содержащиеся в файле в виде таблицы преобразуются указанным инструментом в двумерный массив. Столбцы массива соответствуют столбцам таблицы в файле. Для выделения из массива данных нужных столбцов в программы введен блок «Экстрактор». Его программный код приведен на рис. 4.14.

На вход «Input_array» подается двумерный массив, полученный в результате чтения файла со значениями параметров АБ. Инструмент «Index Array1» выделяет из двумерного массива столбцы, порядковые номера которых указываются на входах «X_index», «F_index», «R_index», «U_index». На эти входы подаются номера столбцов со значениями реактивного сопротивления, частоты тестового сигнала, активного сопротивления и напряжения разомкнутой цепи батареи соответственно.



Рис. 4.14. Программный код блока «Экстрактор»

При записи файла некоторые ячейки таблицы могут быть записаны как пустые. То есть для ячейки зарезервирована память на диске, но в нее ничего не записано. Эти ячейки располагаются в столбцах со значениями параметров ниже значащих ячеек. Такие ячейки при чтении из файла инструментом «Read From Spreadsheet File VI» заполняются нулями. Перед обработкой данных эти нулевые ячейки необходимо удалить. Для этого в блоке «Экстрактор» цикл «While Loop» подсчитывает количество ненулевых элементов в столбце значений частоты тестового сигнала. Такое же количество ненулевых ячеек содержится во всех других столбцах массива. Поэтому инструменты «Delete From Array1», «Delete From Array2», «Delete From Array3» выделяют из столбцов, содержащих значения реактивного сопротивления, частоты тестового сигнала и активного сопротивления, то самое количество ненулевых ячеек полученных при подсчете циклом «While Loop», начиная с элемента с индексом «0». Выделенные значения реактивного сопротивления, частоты тестового сигнала и активного сопротивления подаются в виде одномерных массивов на выходы «X», «F» и «R» соответственно.

На выход «R_max» подается значение активного сопротивления R измеренного на максимальной частоте тестового сигнала. Для этого из одномерного массива активного сопротивления инструментом «Index Array2» выделяется последний элемент. Порядковый номер этого элемента имеет значение на единицу меньше чем количество значащих ячеек в столбцах обрабатываемого массива. Согласно разделу 2.1.5 с повышением частоты тестового сигнала влияние реактивных параметров сводится к нулю, и установившееся значение сопротивления АБ будет максимально приближено к реальному значению.

Значение напряжения разомкнутой цепи в массиве представлено только одним значением, которое записывается в первой строке столбца с порядковым номером, заданным на входе «U_index». Значение напряжения разомкнутой цепи выделяется инструментом «Index Array» и подается на выход «U».

После выделения из общего массива и отделения нулевых (незначащих) элементов можно начать обработку параметров АБ. Согласно алгоритму на рис 4.13 первым шагом обработки должна стать подборка коэффициентов уравнения (2.32) X(f). Следующий шаг – на основе значений коэффициентов вычисление характеристической частоты диагностируемой АБ. Эти операции выполняются блоком вычисления частоты FREZ, программный код которого представлен на рис. 4.15.



Рис. 4.15. Программный код блока вычисления частоты FREZ

На входы «X» и «F» подаются одномерные массивы значений реактивного сопротивления и частоты тестового сигнала соответственно. Инструмент «Curve Fitting Express VI» производит подборку коэффициентов уравнения (2.32) и выводит их в виде массива. Инструмент «Index Array» разделяет этот массив на три отдельных значения a0, a1, и a2. Далее по формуле (2.34), используя значения этих коэффициентов, вычисляется резонансная частота FREZ. Результаты вычисления коэффициентов a0, a1, и a2 выводятся на выходы «a0», «a1», и «a2» соответственно. Результат вычисления частоты FREZ выводится на выход «Frez».

Вход «error in (no error)» и выход «error out» обеспечивают построение сквозной шины отслеживания ошибок. В эту шину последовательно включаются все сложные инструменты, в работе которых может возникнуть ошибка. В данном случае ошибкой может оказаться отсутствие или неприемлемая форма данных подаваемых на входы «X» и «F». При появлении такой ошибки работа программы останавливается.

Следующим этапом алгоритма после вычисления характеристической частоты должно стать вычисление эксплуатационных характеристик резервной CR и номинальной C20 емкостей. Для вычисления этих характеристик в программу анализатора введен блок вычисления характеристик CR и C20. Его программный код представлен на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Программный код блока вычисления характеристик CR и C20

На входы «Frez» и «R_max» подаются значения ранее вычисленной характеристической частоты FREZ и активного сопротивления R. Инструмент «Formula Node1» вычисляет значение номинальной емкости C20 по формуле (2.25) (см. раздел 2.2.2) опираясь на значение характеристической частоты. Инструменты «Formula Node2» и «Formula Node3» вычисляют значения номинальной C20 и резервной CR емкостей соответственно. Вычисления выполняются по формулам (2.23) и (2.24) опираясь на значения активного сопротивления R. Результаты вычисления инструментов «Formula Node1», «Formula Node2» и «Formula Node3» выводятся на выходы «C20(Frez)», «C20(R)» и «Cr(R)» (рис. 4.16). После чего из значений номинальной емкости С20 вне этого блока вычисляется среднее арифметическое и выводится на экран.

Алгоритм программы классификации батарей по своей структуре несколько проще. Он состоит из трех последовательных процедур классификации. Каждая последующая процедура зависит от результатов предыдущей. Алгоритм программы приведен на рис. 4.17.



Рис. 4.17. Алгоритм программы классификации АБ

Так в первой процедуре определяется, какой из трех степеней заряженности обладает диагностируемая батарея. В зависимости от степени заряженности батареи подбирается шкала реперных точек и относительно ее выполняется классификация батареи по типу. И в завершении, в зависимости от типа батареи, выбирается необходимая шкала реперных точек для классификации батареи внутри типа. Результаты трех процедур классификации выводятся на экран.

Процедура классификации выполняется путем определения степени отклонения активного сопротивления от крайних значений шкалы реперных точек. Согласно разделу 3.1 был разработан алгоритм вычисления относительного отклонения MK. Формирование списка реперных точек измеренного значения выполняется блоком ранжирования. Программный код этого блока представлен на рис. 4.18.



Рис. 4.18. Программный код блока ранжирования

На вход «MeasValue» подается измеренное значение, для которого необходимо сформировать список реперных точек. На вход «ScaleArray» подается множество значений шкалы реперных точек, относительно которой будет вычисляться относительное отклонение. В цикле «For Loop1» последовательно вычисляется разница между измеренным значением, заданным на входе «MeasValue» и каждым из значений шкалы реперных точек заданных на входе «ScaleArray». Далее каждое из значений разности, взятое по модулю, индексируется в массив. Полученный массив сортируется по возрастанию инструментом «Sort 1D Array».

Сортированный и несортированный массивы поступают в цикл «For Loop2». Там в цикле «While Loop» определяются индексы значений разности в неотсортированном массиве. С каждым повтором цикла «For Loop2» в него заносится очередной элемент сортированного массива разностей. Цикл «While Loop» производит перебор значений несортированного массива разностей и сравнивает каждое из них с текущим значением разности из сортированного массива. При равенстве этих двух значений цикл «While Loop» останавливается. Число повторов этого цикла, увеличенное на единицу, индексируется в массив на границе цикла «For Loop2». Инструмент «Replace Array Subset» производит замену элемента с порядковым номером, равным количеству повторов цикла «While Loop», на число на единицу больше чем максимальное значение в массиве, которое определяется инструментом «Array Max & Min». Так получается список индексов реперных точек, степень неупорядоченности которых соответствует степени отклонения измеренного числа «MeasValue» относительно крайних точек шкалы «ScaleArray». Этот список выводится в виде массива на выход «RangeArray».

Процедуру вычисления значения относительного отклонения выполняет блок вычисления MK. Его программный код приведен на рис. 4.19.

Рис. 4.19. Программный код блока вычисления MK

На вход «RangeInArray» поступает неупорядоченный список индексов реперных точек, полученный блоком ранжирования. Инструментом «Sort 1D Array» этот список упорядочивается по возрастанию, тем самым восстанавливая «прямой» список индексов шкалы реперных точек. Инструментом «Revers 1D Array» формируется «обратный» список индексов реперных точек. Далее поэлементно вычисляются разности «прямого» и «обратного» списков индексов. Значения разностей берутся по модулю и суммируются инструментом «Add Array Elements1», что соответствует вычислениям по формуле (3.8) (см. раздел 3.1). Так же вычисляются разности между входным списком «RangeInArray» и «прямым» и «обратным» списками индексов реперных точек. Значения разностей берутся по модулю и инструментами «Add Array Elements2» и «Add Array Elements3» вычисляются их суммы. Эти действия эквивалентны вычислениям по формулам (3.5). Согласно формуле (3.6), вычисляется разность сумм между значениями, полученными на инструментах «Add Array Elements2» и «Add Array Elements3». Результат этой разности, согласно формуле (3.9), делится на значение, полученное на инструменте «Add Array Elements1». Результат деления – есть относительное отклонение MK, которое выводится на одноименный выход «Mk».

Все три этапа классификации выполняются набором описанных выше блоков ранжирования и вычисления MK. Различия в этапах составляют лишь шкалы реперных точек и параметр, относительно которого проводится классификация. По полученным значениям относительного отклонения MK согласно результатам исследований (см. разделы 3.1 (табл. 3.3, 3.4, 3.5) и 3.3 (табл. 3.5)) определяется степень заряженности, тип и класс батареи внутри типа.

Программная реализация «Анализатора АБ» подразумевает совместную работу алгоритма вычисления емкостей CR и C20 и алгоритма определения принадлежности диагностируемой батареи к тому или иному классу. Интерфейс разработанной программы «Анализатор АБ» содержит блок отображения результатов измерения, блок оценки ошибок подбора частотной зависимости X(f) и блок отображения результатов диагностики (рис. 4.20). Первый, из перечисленных, располагается в левом верхнем углу интерфейса. Он содержит виртуальный экран для отображения реальной частотной зависимости сопротивления X и аппроксимирующей ее кривой, построенной по функции (2.26) (см. раздел 2.2.4). Здесь можно увидеть, насколько близко к реальной зависимости была подобрана аппроксимирующая кривая. Так же в поле этого блока расположены индикаторы для отображения диагностических параметров АБ «Напряжение U, В», «Активное сопротивление R, мОм» и «Резонансная частота FREZ, Гц».

Рис. 4.20. Интерфейс программы «Анализатор АБ»

Блок оценки ошибок подбора частотной зависимости X(f) находится в правом верхнем углу интерфейса. Он содержит виртуальный экран, на котором отображаются величины отклонения реальной частотной зависимости X(f) от аппроксимирующей кривой. Этот экран позволяет оценить степень отклонения реальной зависимости от подобранной.

Блок отображения результатов диагностики расположен в правом нижнем углу интерфейса (рис. 4.20). В нем расположены индикаторы «Емкость C20, Ач» и «Резервная емкость Cr, мин.», отображающие значения вычисленных эксплуатационных характеристик. На индикаторах «Тип АБ» и «Степень заряженности АБ» выводятся наименования классов, к которым была отнесена диагностируемая батарея. Так же в этот блок входит виртуальный стрелочный индикатор «Качество АБ». Он имеет четыре отсчета на шкале «Не удовлетворительное», «Удовлетворительное», «Хорошее» и «Отличное», каждый из которых соответствует одному из четырех классов, выделенных при классификации АБ внутри типа. Каждый из отчетов характеризует качество диагностируемой батареи, оцененное относительно батарей конкретного типа.

В левом нижнем углу интерфейса расположена строка «Прочитать данные из:» для указания адреса и имени файла, в который были записаны значения параметров АБ. Файл должен иметь расширение .txt. Данные в файле разделяются символом табуляции. Ниже этой строки расположено поле «Порядковый № АБ в файле» для выбора батареи, параметры которой необходимо обработать. В файл можно записать данные нескольких батарей и впоследствии, изменяя значение этого поля, выбирать нужный набор параметров АБ.

Для правильного прочтения файла программой важно соблюдать последовательность столбцов с различными типами данных. Таблица в файле должна формироваться согласно примеру табл. 4.1.



Таблица 4.1

U, В

f, Гц

Z, мОм

R, мОм

X, мОм

A, град.

U, В

f, Гц

Z, мОм




12,76

20

52,68

48,15

-21,36

-23,91

12,75

20

47,71



-/-

100

38,26

34,06

-9,541

-14,43

-/-

100

33,35



-/-

500

30,27

30,21

-1,891

-3,581

-/-

500

26,68



-/-

1000

28,51

28,33

3,158

6,359

-/-

1000

25,48


Таблица для записи в файл в первой строке первого столбца содержит значение НРЦ в вольтах. Остальные ячейки первого столбца пустые. Номер проставляется в том же столбце, что и значения частоты тестового сигнала. Во втором столбце расположены значения частоты тестового сигнала f, Гц. В третьем - значения полного сопротивления Z, мОм; в четвертом - значения активного сопротивления R, мОм; в пятом - значения реактивного сопротивления X, мОм; в - шестом значения угла сдвига фаз A, град. В седьмом столбце снова указывается только одно значение НРЦ, и в следующих столбцах все повторяется.



Выводы по главе

  1. Разработано программное обеспечение «Измерителя параметров АБ» с возможностью измерения напряжения разомкнутой цепи АБ и измерения параметров на нескольких частотах тестового сигнала. Результаты по завершению измерений записываются в файл с расширением .txt.

  2. Разработано программное обеспечение «Анализатор АБ», которое позволяет прогнозировать эксплуатационные характеристики АБ (резервную и номинальную емкости) по двум параметрам (активному сопротивлению и характеристической частоте). Кроме того программа «Анализатор АБ» производит определение степени заряженности АБ, типа батареи и проводит классификацию АБ внутри типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ



В диссертации изложены имеющиеся на сегодняшний день теоретические и практические разработки в области оценки состояния аккумуляторных батарей косвенным образом по значениям оперативно-измеримых параметров АБ. В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

  1. Обосновано использование модели аккумуляторной батареи в виде последовательной RLC-цепи.

  2. Показана зависимость основных характеристик от активного сопротивления АБ. Разработан метод вычисления резервной и номинальной емкостей, который позволяет вычислять значение резервной емкости батареи с точностью до ~7 минут, значение номинальной емкости с точностью до ~4,5 Ач для батарей емкостью менее ~80 Ач. Для батарей обладающих емкостью больше ~80 Ач эти показатели возрастают до ~15 мин. и 9 Ач соответственно.

  3. Показана зависимость основных характеристик от характеристической частоты АБ. Разработан метод, позволяющий вычислять значение резервной емкости с точностью ~12 мин., значение номинальной емкости с точностью ~7 Ач для батарей емкостью до 80 Ач. Для батарей обладающих емкостью больше ~80 Ач эти показатели возрастают до ~160 мин. и ~9 Ач соответственно.

  4. Разработан алгоритм вычисления эксплуатационных характеристик по двум независимым параметрам, позволяющий повысить достоверность вычисления характеристик АБ путем уменьшения стандартной ошибки в раз.

  5. Разработан алгоритм вычисления характеристической частоты, основанный на автоматической интерполяции частотной зависимости реактивного сопротивления и последующим вычислением характеристической частоты как одного из корней функции интерполяции. Разработанный алгоритм позволяет вычислять характеристическую частоту всего по 4 точкам частотной зависимости реактивного сопротивления. При этом ошибка вычисления параметра резонансной частоты не превышает ~2 Гц.

  6. Разработан алгоритм автоматической классификации и адаптирован для автоматического определения степени заряженности, типоразмера (номинальной емкости) и классификации аккумуляторных батарей одного типоразмера (номинальной емкости) по их текущему состоянию.

  7. Разработано программное обеспечение для измерения напряжения разомкнутой цепи и параметров полного, активного и реактивного сопротивлений, а также угла разности фаз тока и напряжения переменного тестового сигнала, протекающего по АБ на переменном токе разных частот.

  8. Разработано программное обеспечение для определения эксплуатационных характеристик аккумуляторной батареи по двум параметрам и автоматического определения степени заряженности, типоразмера (номинальной емкости) и классификации аккумуляторных батарей одного типоразмера (номинальной емкости) по их текущему состоянию.


Каталог: scientific activities
scientific activities -> Результаты участия в Межрегиональном (с международным участием) конкурсе научно-исследовательских работ студентов – будущих учителей начальных классов и воспитателей доу
scientific activities -> Учебно-методическое пособие по подготовке к сдаче кандидатского минимума
scientific activities -> Структурно-семантические особенности формирования бронетанковой терминологии в английском языке
scientific activities -> Д т. н., доц. А. В. Косых 15 декабря 2012 г
scientific activities -> Учебно-методическое пособие по подготовке к сдаче кандидатского минимума
scientific activities -> Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности
scientific activities -> Научная школа-направление
scientific activities -> Отчет по результатам работ по Государственному контракту №112 от 20. 08. 2009 г. «Развитие человеческого капитала для региона инноваций»
scientific activities -> Постчеловеческое время
scientific activities -> Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал