工程技术大学学报

王旭，黄鹏，顾明

工程技术大学学报

基于台风“梅花”的近地层湍流积分尺度实测分析

王旭，黄鹏，顾明

目的：随着电子仪器以及计算机技术的迅速发展，风荷载现场实测技术得到了较大的提高。但由于目前实测数据的限制，针对台风天气条件下的湍流积分尺度的分析研究工作还较为匮乏。本文基于10 m、20 m和40 m高度处台风“梅花”影响下的上海浦东地区近地风现场实测数据，分析了湍流积分尺度随平均风速、观测高度及平均时距等因素的变化规律。方法：为了采集台风“梅花”天气条件下的用于分析湍流积分尺度的基础风速数据，在上海浦东近海岸边建造了一座40 m高的测风塔。测风塔位于北纬：31°11' 46.36''，东经：121°47' 8.29''，紧邻临海泵站入海口处。根据试验目的，将 RM Young81000型、RM Young85106型超声波和RM Young05305V型螺旋桨式风速仪分别安装于10 m、20 m、30 m及40 m高度处，用以采集来流风速数据。风速仪向正南安装，风向角定义北风为0°，按俯视顺时针增大。基于10 m、20 m和40 m高度处台风“梅花”影响下的上海浦东地区近地风现场实测数据，采用基于Taylor假设的自相关函数积分法进行对湍流积分尺度进行计算，分析了湍流积分尺度随平均风速、观测高度及平均时距等因素的变化规律。结果：基于近地层台风“梅花”实测数据对湍流积分尺度随平均风速、观测高度及平均时距等因素的变化规律进行了研究，得到以下结论：1）湍流积分尺度，和的均值均随着实测高度的增大而增大，并且相同高度处湍流积分尺度均值。湍流积分尺度在各实测高度变异系数的均值为1.07，而和分别只有0.65和0.55。10 m、20 m和40 m高度处，分别为1︰0.54︰0.07、1︰0.65︰0.11和1︰0.73︰0.1。2）各高度处实测结果与美国规范的经验结果相比明显偏小，与日本和欧洲规范相比偏大，而与印度规范最为接近。基于本文的实测数据对湍流积分尺度均值，和随高度的变化做了形如的拟合，并给出了相应的拟合参数。3）发现湍流积分尺度比值随平均时距的比值T/3600呈线性关系，通过线性拟合处理得到了湍流积分尺度均值和随平均时距变化的经验表达式。4）为得到特定时距（0～60 min）和高度处（0～40 m）湍流积分尺度，通过拟合得到了包括实测高度和平均时距的湍流积分尺度双参数经验表达式。5）湍流积分尺度在不同高度之间（10 m vs 20 m和10 m vs 40 m）的相关系数整体上小于和的结果。

来源出版物：同济大学学报（自然科学版）, 2012, 40(10): 1491-1497

入选年份：2014

再生混凝土框架结构模型振动台试验

王长青，肖建庄

摘要：目的：以1︰4缩尺的2跨2开间的6层再生混凝土空间框架结构模型为研究对象，通过模拟地震振动台试验再现地震动过程，系统研究再生混凝土框架结构的抗震性能，填补这个方面的研究空缺。方法：采用结构模拟地震振动台试验方法，再生混凝土框架结构模型几何相似关系取为 1/4，模型设计成为欠质量人工质量模型。模型为2跨2开间6层的框架结构，模型平面布置尺寸为2175 mm×2550 mm，1～6层层高均为750 mm，柱截面尺寸 100 mm×100 mm，梁截面尺寸 62.5 mm× 125.0 mm和50.0 mm×112.5 mm，板厚30.0 mm。模型中受力钢筋采用8号（直径为4.01 mm）和10号（直径为3.53 mm）的镀锌铁丝模拟，箍筋采用14号（直径为2.21 mm）镀锌铁丝模拟。选取了2组天然波和1组人工波作为模拟地震振动台台面的输入波，分别为汶川地震波（WCW）（N-S），El Centro波（ELW）（N-S）和上海人工波（SHW）。结构模型上共布置30个加速度传感器、14个位移传感器和8个应变传感器，主要测试模型的位移、加速度、梁柱节点的应变以及每个构件的开展、塑性铰发育情况。试验开始前首先对模型结构进行加速度峰值取为0.05 g的白噪声测试，然后依次对模型结构进行9个地震水准的测试，分别为0.066 g（7度多遇）、0.130 g（8度多遇）、0.185 g（7度基本）、0.264 g（9度多遇）、0.370 g（8度基本）、0.415（7度罕遇）、0.550 g、0.750 g（8度罕遇）和1.170 g（9度罕遇），每次地震试验后，再进行一次白噪声激励，测试结构的动力特性变化。通过模拟地震振动台试验，观测地震动对结构产生的破坏现象；考察再生混凝土框架结构的动力特性；分析再生混凝土框架结构在不同强度地震动激励下的力学性能。通过试验现象和结构动力响应分析评估再生混凝土框架结构的抗地震能力。结果：0.066 g地震试验中，模型未发现可见裂缝，表明结构处在弹性工作阶段。0.130 g地震试验中，虽然没有发现可见裂缝，但根据结构动力特性分析，结构已进入非线性工作阶段。0.185～0.550 g地震试验中，在1～2层框架梁KL1，KL2，KL5，KL6端部首先出现自下向上和自上向下发展的细微弯曲裂缝。0.750 g地震试验中，在1～2层框架梁KL1，KL5右端和框架梁KL2，KL6左端出现垂直裂缝贯通现象，裂缝宽度约1.5 mm；2层框架柱KZ1上端，1～2层框架柱KZ6上、下端首先出现细微垂直裂缝。试验模型的x方向1阶平动自振频率为3.715 Hz，y方向1阶平动自振频率为3.450 Hz。说明模型结构在x和y方向布置是非对称的，x方向的抗侧移刚度大于 y方向的抗侧移刚度。随着混凝土裂缝的发展，模型结构抗侧移刚度随之下降，输入不同地震波时，结构抗侧移刚度的变化不一样，SHW地震波下结构抗侧移刚度退化最明显。模型结构在不同试验阶段的振型主要是平动，位移曲线和基本振型曲线形状比较接近，再生混凝土框架模型在不同试验阶段的地震反应都受控于第一阶振型。随着输入地面峰值加速度的提高，框架模型的损伤不断积累，结构阻尼比随之变大。在同一工况中，各个测点的加速度放大系数总体上沿楼层高度方向逐渐增大；随着地震加速度峰值的提高，结构刚度退化，加速度放大系数在总的趋势上是逐渐降低的。随着结构破坏的加剧，结构受高阶振型的影响也随之增大，加速度放大系数分布形式会发生变化。总体上再生混凝土框架结构其加速度分布特征与普通混凝土结构的类似。随着地震强度不断加大，模型各楼层相对位移随之增大；在地震试验中输入不同地震波时，结构的位移变形曲线的形状大致相同，位移变形值随地震动幅值的增加而变大；总体上，模型楼层位移曲线是很光滑的，位移曲线上没有明显的弯曲点，这表明结构的抗侧移刚度沿模型高度方向的分布是合理的；从楼层位移曲线形状可以看出，该框架模型结构变形曲线呈剪切型，这与第一阶振型曲线分布特征一致。随着地震强度的不断加大，楼层层间最大位移也随之增大。再生混凝土框架结构在 0.130 g（8度多遇）、0.370 g（8度基本）、0.750 g（8度罕遇）地震试验中2层最大层间位移分别为2.676 mm、9.995 mm和25.945 mm，相应的层间位移角分别为1/280、1/75、和1/29。除0.130 g地震模拟试验外，在其他各地震水准下2层层间位移最大，约占屋顶总位移的20%～40%，其次是1层层间位移。在同一工况中，随着地震强度的增加，各楼层层间位移的增长幅度也不相同，模型1层和2层的层间位移增长幅度较大。试验结果表明在地震中再生混凝土框架结构的1层和2层为薄弱层，遭受到严重的破坏。根据对振动台试验模型的破坏形态和层间变形可以看出，在0.066 g地震试验中模型的最大层间位移角为1/824，小于1/500，结构处于弹性工作状态，模型保持完好。在0.130 g的地震试验中模型的最大层间位移角为1/266，小于1/200，模型发生很轻微破坏，结构进入弹塑性阶段。在 0.370 g的地震试验中模型最大位层间位移角为 1/75，小于 3/200，模型发生中等破坏。在 0.750 g的地震试验中模型的最大层间位移角为1/29，小于1/20，模型发生很严重破坏。结论：1）结构在进入弹塑性状态后，梁是主要的耗能构件，而柱子基本保持完好，再生混凝土框架结构能够实现“强柱弱梁”这一抗震设计的基本原则；2）试验模型的自振频率随地面峰值加速度的增大而降低，阻尼比随着结构损伤程度的增大而增大，结构的位移曲线与模型的1阶振型接近，变形曲线呈剪切型；3）在同一工况中，各个测点的加速度放大系数总体上沿楼层高度方向逐渐增大；随着地震强度的增加，结构出现一定程度的破坏后，模型抗侧移刚度退化、结构的阻尼比增大，加速度放大系数呈逐渐降低的趋势；4）在0.130 g的地震试验中模型的最大层间位移角为1/266，小于1/200，模型发生很轻微破坏，结构进入弹塑性阶段。在0.370 g的地震试验中模型最大位层间位移角为 1/75，小于 3/200，模型发生中等破坏。在0.750 g的地震试验中模型的最大层间位移角为1/29，小于1/20，模型发生很严重破坏。经过多次的重复的地震试验后，尽管再生混凝土框架的破坏较为严重，但在1.170 g地震试验后仍没有倒塌，这说明再生混凝土框架结构有良好的变形能力和抗震能力。

来源出版物：同济大学学报（自然科学版）, 2012, 40(12):1766-1772

入选年份：2014

MBR-CANON工艺处理生活污水的快速启动及群落变化

张肖静，李冬，梁瑜海，等

摘要：目的：全程自养脱氮工艺（CANON）是近年来发展起来的基于厌氧氨氧化反应的一种新型脱氮工艺，该工艺相比传统脱氮工艺可以节省63%的曝气量，被认为是最经济、高效的脱氮路径之一。该工艺已经在实验室中成功应用于高温高氨氮工业废水的处理，关于常温生活污水的研究未见报道。为了考察该工艺处理生活污水的可行性、对生活污水中各污染物的去除能力以及不同阶段微生物的种群变化特征，在膜生物反应器（MBR）内进行了CANON工艺的研究。方法：采用内置中空纤维膜组件的MBR反应器，其中膜孔径0.1 μm，有效面积0.2 m2。在试验过程中，通过水浴控制反应器内部温度为常温25℃。接种取自城市污水厂的普通活性污泥，首先通过人工配水快速启动亚硝化工艺：保持进水氨氮为80 mg/L左右，DO为0.2 mg/L，采用逐渐缩短水力停留时间（HRT）进而提高进水氨氮负荷（ALR）的策略在限氧条件下快速富集氨氧化菌（AOB）；之后减小曝气量控制DO为0.1 mg/L，并进一步缩短HRT富集厌氧氨氧化菌（Anammox），从而启动CANON工艺。启动成功并稳定运行之后，将反应器用于处理取自某小区的生活废水，考察对废水中COD，氨氮和SS的同时去除效果。在反应器运行的各阶段取泥样，通过梯度凝胶电泳技术（DGGE）分析微生物种群的变化，考察进水基质及反应条件的变化对微生物种群的影响。结果：MBR反应器中的膜组件有利于厌氧微环境的存在，同时保证了长SRT，因而有利于CANON工艺中功能微生物AOB和Anammox的富集。在DO为0.2 mg/L，进水氨氮为 80 mg/L左右的条件下，当 HRT从8 h逐渐降低到3.5 h，ALR增加到0.7 kg·m-3·d-1以上时，AOB得到成功富集，实现了亚氮积累，成功启动了亚硝化，启动时间为32 d；亚硝化启动成功后，进一步减小曝气量为0.2 L/min，同时进一步降低HRT为1.9 h，成功启动了CANON工艺，启动时间为78 d；CANON启动成功之后，通过适当增加曝气量及无机碳浓度可以分别提高AOB和Anammox的活性，最终均有效提高了总氮去除负荷（NRR）。在配水阶段，总氮去除率最终达80%，NRR达0.95 kg·m-3·d-1。从第179天起，将稳定运行的CANON工艺应用于某小区生活污水的处理，实现了COD、氨氮和SS的同时高效去除；NRR达0.97 kg·m-3·d-1以上，COD去除率达80%以上，出水浊度小于1 NTU，出水可用于校园草坪及花圃的浇灌等。DGGE结果表明，微生物种群在反应器运行的不同阶段发生了较大的变化，稳定运行的MBR-CANON反应器中检测到的氨氧化细菌为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），厌氧氨氧化菌与Candidatus Kuenenia stuttgariensis的相似度高达99%，这两种微生物共同完成了高效的CANON脱氮。结论：MBR是适合运行CANON工艺的反应器，MBR-CANON工艺可以有效应用于常温生活污水的处理，实现 COD、氨氮及SS多种污染物的同时高效去除。

来源出版物：哈尔滨工业大学学报, 2014, 46(4): 25-30

入选年份：2014

提高钢筋混凝土剪力墙抗震性能的思想与方法

蒋欢军，王斌，吕西林

摘要：目的：钢筋混凝土剪力墙是高层结构的主要抗侧力构件之一。位于高层结构底部的剪力墙往往承受较大的轴力、弯矩和剪力，在强震作用下容易发生受压剪切或者压溃破坏，震后难以修复。如何改善底部剪力墙的抗震性能，是高层结构抗震设计的关键问题之一。本文通过分析以往地震中剪力墙结构震害的原因和对剪力墙构件的数值模拟及参数化分析，提出了提高钢筋混凝土剪力墙抗震性能的思想和方法。方法：从 2010年智利地震和2011年新西兰地震中剪力墙的震害现象出发，分析可能造成钢筋混凝土剪力墙破坏的主要原因。在对剪力墙轴向受压能力和剪力墙抗剪机制两方面分析基础上，提出了改善剪力墙抗震性能的思想与设计方法。基于 OpenSees程序，采用循环软化膜理论对内置钢板组合剪力墙进行了数值模拟和参数化分析。结果：轴压比过大和缺少边缘构造措施，导致剪力墙易发生混凝土压溃和钢筋屈曲破坏，是智利地震和新西兰地震中剪力墙破坏的主要原因。对于厚度为1000 mm的普通墙体来说，采用3.5%配钢率的内置钢板组合剪力墙，可以使轴压比降低27%。对于剪力墙的抗剪承载力来说，增加竖向钢筋或水平钢筋对其效果不是很明显，但是通过改变墙体的配筋形式，如采用斜向配筋形式，墙体的抗剪力能提高41%。轴压比是影响组合剪力墙抗震性能的一个重要参数。对于轴压力较大的构件，在加载后期随着混凝土的压碎剥落，钢板分配的剪力逐渐增大。整个构件的后期承载力主要由钢板承担。由于组合剪力墙中钢板的贡献，使构件保持较高的承载力，能明显改善超高层结构底部剪力墙的抗震性能。和普通钢筋混凝土剪力墙相比，内置钢板组合剪力墙可以非常有效地提高构件的承载力、延性和滞回耗能能力。配钢率越大，构件承载力和滞回耗能能力则越大。结论：通过提高墙体的轴向受压能力和抗剪承载力可以有效地改善钢筋混凝土剪力墙的抗震性能。在墙体内部配置钢板可以有效地改善剪力墙构件的受压行为，可以明显提高构件的承载力、延性和耗能能力，能有效地改善钢筋混凝土剪力墙的抗震性能。

来源出版物：同济大学学报（自然科学版）, 2014, 42(2): 167-174

入选年份：2014

基于自适应陷波滤波器的在线机械谐振抑制

杨明，郝亮，徐殿国

摘要：目的：针对不断拓展的伺服系统带宽将会超过系统固有机械谐振频率而引发机械谐振，为了提高伺服系统性能，克服原本被忽略的弹性部件的影响，本文通过FFT法在线实时分析电磁转矩电流，快速辨识机械谐振特征；并以此辨识结果在线整定陷波滤波器参数，实现在线自动抑制机械谐振。方法：本文采用自适应陷波滤波器进行在线机械谐振抑制。首先，对双惯量弹性负载模型进行理论分析，解释及验证机械谐振机理及现象。其次，在线机械谐振特征辨识算法只需通过FFT蝶形算法原理对交轴电流进行采样分析，电机电磁转矩的频率特征即为系统机械谐振频率特征。最后，采用自适应改进型双 T 网络陷波滤波器的方式，根据在线获取的谐振特征自动整定滤波器陷波带宽及陷波深度参数，消除系统传函中的谐振极点。将自适应陷波滤波器串入速度环控制环路中，对转速调节器输出的转矩指令进行滤波，对电机输出电磁转矩产生抑制，最终达到抑制机械谐振的目的。结果：从电机转速与电机电磁转矩之间的传递函数可以得出，机械谐振点在传递函数上引入了一对共轭的零极点，共轭零点为抗谐振频率点ARF，共轭极点为自然振动频率点NTF。电机与负载间的转速差振荡仿真结果表明，振荡频率明显分为两段：当速度调节器饱和，系统处于速度控制开环阶段，此时电机和负载侧都以NTF频率振荡；当电机速度达到给定速度，速度调节器退饱和，进入速度控制闭环阶段，电机和负载速度振荡频率为ARF频率。离散后系统稳定裕度减小，离散系统和机械谐振的共同影响会使系统在原本稳定范围的 Kp下就会发生振荡现象，无论暂态还是稳态都系统将以NTF持续振荡；而在线自适应滤波器无需对控制器参数进行改变，即可满足系统高刚度控制的同时抑制谐振。此外，由不同离散化频率时的对转速差的FFT分解结果可以看出：不同采样频率下都会有NTF的谐振频率存在，而且附加的频率为二分之一的采样频率。由于数据保持原理，实际系统在采样后会有一个低通滤波器进行滤波，采样频率成分较容易被滤除，所以在实际系统中只体现NTF谐振频率。对交轴电流选择1024点的采样点数，从而进行 FFT分析得到系统自然谐振频率值，FFT分析出的161 Hz的谐振频率与系统速度、交轴电流响应的时域结果吻合。陷波滤波器的设计应尽可能减小滤波宽度和深度，从而降低相位滞后的影响。无论速度给定的阶跃值大小如何（200 rpm或2000 rpm），只要控制器刚度覆盖自然谐振频率，系统就会产生持续振荡。通过采样和FFT分析，自动辨识的数据输入给陷波滤波器，系统开启抑制功能，在线计算的总时长为1087 ms，与实验波形完全吻合。开启在线自整定滤波器后的抑制效果明显，系统保持了高刚度控制的同时，能够有效地抑制机械谐振。结论：本文重点分析了离散系统的谐振状况，并提出了一种基于自适应陷波滤波器的在线机械谐振抑制方法。在建立带弹性传动装置的双惯量系统模型后，分析系统机械谐振机理：暂态系统谐振频率为 NTF，连续系统速度控制闭环状态下的谐振频率为ARF；离散系统中，如果控制系统的刚度大，由于谐振特性和速度控制器饱和的影响，系统会以NTF频率在稳态持续振荡。采用FFT技术在线分析出谐振特征可以不用考虑是何种类型的谐振频率。根据谐振特征的辨识结果在线自动整定陷波滤波器参数。仿真及实验结果证实了该在线自适应滤波器可保证高刚度控制的同时自动抑制机械谐振。

来源出版物：哈尔滨工业大学学报, 2014, 46(4): 63-69

入选年份：2014

我国大规模地区开发的演化机制模型及其推演

汪劲柏

摘要：目的：政府推进大规模地区开发，一直是我国地区发展的重要方式，但当前面临冷热共现的“困局”，既有的研究成果尚不足以解释这类开发模式演变的内在逻辑，本文致力于通过对建国以来从大项目主导到政策区主导地区开发的演进机制的解析，对我国大规模地区开发的演化逻辑做出解释，并对其前景做出预期。方法：研究提出一个研究假设：建国以来从大项目主导到政策区主导地区开发的演进，实际上是一种类似的发展思路和发展逻辑在不同的环境和阶段下的体现，其演化逻辑可以用“集中资源调配”与“分散资源利用”的消长关系来概括。可通过两个线性函数和一个负相关曲线函数的联立建构其逻辑关系模型，包括反映“集中资源调配”的子要素 R（wide resource，广域资源）和子要素G（government control，集中控制）的线性函数；反映“分散资源利用”的子要素S（self-interest small group，自利小群体）和子要素C（competitive utilization，竞争性利用）的线性函数；反映G和C之间负向关系的曲线函数，即集中控制越强，竞争性利用的程度呈现非等速的降低，反之亦然。三个方程联立形成大规模地区开发的核心机制解释模型P＝f［J（G,R），F（S,C）］。对这个模型进行图示化呈现，并演绎出从高度集中控制到高度分散利用之间过渡的 4种情境模型，包括：“集中式资源调配”占绝对主导地位时的情境1；“集中的资源调配”有所收缩但仍居主导地位、“分散化的资源利用”有所扩大但仍居次要地位的情境 2；集中式资源调配进一步缩小到居次要份额、而分散的资源利用进一步扩大到居主要份额的情境3；集中的资源调配几乎不发挥作用，基本由自利小群体在本地资源基础上的竞争性利用来完成地区开发的情境4。将4种情境模型的演进关系与中国大规模地区开发的历史进行比对拟合，从模型推演的角度对实践的演化做出理论解释和前瞻预期。结果：建国 60余年以来大规模地区开发的演进，实际上就是从模型情境 1往情境2、3演化的过程，其中集中控制和调动广域资源的程度逐次降低，而自利小群体与资源的竞争性利用程度逐级提高。或者说，是地区开发从中央政府为代表的大一统群体主导，向地方政府和企业为代表的小群体竞争性利用过渡。这种过渡有其客观必然性。结论：我国大规模地区开发的核心机制是“集中资源调配”与“分散市场化开发”的结合作用，其演化是从集中大一统体制向分散化小群体竞争体制的必然过渡，其前景不宜走向绝对的分散化体制，而应是集中与分散体制在特定环境下的某种组合。基于此类开发模式对中国城乡发展的重要意义，推进了关于城乡发展模式与城镇化机制转型的讨论，对未来的区域开发实践也有指导意义。

来源出版物：同济大学学报（自然科学版）, 2014, 42(1): 1-8

入选年份：2014

考虑需求侧管理的微网经济优化运行

吴雄，王秀丽，崔强

摘要：目的：随着整个电力系统向智能电网的演变，微网作为一种新型的供电模式得到了广泛的关注。微网的负荷水平在几十千瓦到几兆瓦，具有很好的参与需求侧管理的潜力，但当前研究却鲜有关注。本文建立了微网需求侧可控负荷的管理模型，提出了考虑需求侧管理的微网经济优化运行模型，研究了微网负荷侧的管理和分布式电源的协调运行。方法：考虑需求侧管理的微网经济优化运行的目标是：在满足各分布式电源正常运行以及负荷侧的消纳约束条件下，通过合理安排各可控单元的发电计划以及负荷调整，使微网的总运行费用最少。对于可再生能源机组，由于其利用光照、风能等自然资源发电，发电成本很小，可以忽略不计。微型燃气轮机与燃料电池的发电成本包括燃料成本、启动成本和维护成本。微网作为一个整体与外部电网并网，当内部电源不足或自行满足内部负荷已不经济时，可以从外部电网购电，因此微网运行的总费用中还包括购电费用，此外需求侧的负荷转移需要一定的补偿费用。以上费用总和的最小化构成模型的目标函数。模型的约束条件包括系统约束、分布式发电机组约束、储能设备约束、负荷侧约束等。负荷侧分为固定负荷、可转移负荷、随机负荷，其中可转移负荷具有可调控特性，本文用约束条件刻画了其可调控特性。建立的优化问题为混合整数非线性问题。对模型中的非线性因素进行线性化处理，将问题转化为混合整数线性规划问题，然后采用成熟的混合整数规划软件IBM ILOG CPLEX求解。结果：采用CPLEX软件进行编程计算，计算结果绘制在图中。从结果可以看出，微型燃气轮机在电价峰时段时，其按额定功率运行的发电成本比电价低，微型燃气轮机启动发电满足部分负荷需求，而在其他时段其发电成本较高，则停机。蓄电池在整个运行周期中在电阶峰时段放电，在谷时段充电，充分利用峰谷电价差减少系统运行的费用，在其他时段则不出力，以减少充放电的损耗。从微网负荷的变化情况可以看出，大部分可控负荷从峰时段转入到谷时段，且总转移量不超过设定的值，为微网的能量管理系统提供了具体的转移指令。从计算得出的负荷优化结果可以看出，可转移负荷从电价高的时段转入电价较低的时段，实现了微网侧负荷管理的经济性，同时高峰时段的负荷也得到了很好的削减。为了说明微网分布式电源和需求侧负荷联合优化带来的经济效益，本文计算了3种情况下的总运行费用。情况1为负荷侧不可调节，总费用为879.20元。情况2为微网分布式电源和负荷侧分别独立管理，总费用为860.38元，其负荷侧的优化管理减少了总的电费，相比情况1的总费用减少了2.14%。情况3为微网分布式电源和负荷联合管理，其运行费用最少为845.50元，相对于负荷侧不可调节的情况的总费用减少了 3.83%。结果：表明，当负荷侧经过优化管理后，其系统费用有所降低，当微网分布式电源与负荷侧管理协调运行时，其经济效益更显著。结论：建立了考虑需求侧管理的微网经济优化模型。将微网的电力负荷分为3个部分：固定负荷、可转移负荷、随机负荷，其中可转移负荷的管理是需求侧管理的主要内容，也是微网经济优化运行的重要目标。在分时电价的环境下，建立了微网中分布式电源与需求侧负荷优化管理的协调运行模型。通过函数线性化将该优化问题转化为一个混合整数规划问题，采用专业混合整数规划软件求解。仿真结果表明，考虑需求侧管理的微网经济运行相比不考虑时的总费用减少了3.83%，具有较好的经济效益。

来源出版物：西安交通大学学报, 2013, 47(6): 90-97

入选年份：2014

利用蚁群优化的非均匀分簇无线传感器网络路由算法

张荣博，曹建福

摘要：目的：由于传感器网络硬件节点的能量和运算能力的限制、以及野外部署和长时间工作的使用场景需求，无线传感器网络路由算法要求同时具备可自组网、稳定可靠和较高能量效率的特点，以达到无线组网可以在较长的时间内保持工作，并且保证通讯质量。能量有效非均匀分簇算法（EEUC）是一种能量有效非均匀分簇无线传感器网络路由算法，其采用非均匀分簇的方式考虑了簇内和簇首间的能量均衡问题，具有较好的生命周期和自组网特性，但EEUC需要周期性随机竞选，且没有考虑链路可靠性和实时性问题，本文采用基于定向扩散的蚁群优化算法（ARAWSN）中的蚁群算法对EEUC进行优化，并且修改了EEUC的簇首选举策略和路由选择算法，以进一步延长非均匀分簇算法的生命周期的同时，提高通信的可靠性和实时性，进而提出一种新的非均匀分簇无线传感器网络路由算法ACOUC（ant colony optimizationfor energy efficient uneven clustering）。方法：ACOUC继承了EEUC的非均匀分簇结构，但是通过蚁群优化改变了非均匀分簇算法的周期性簇首选举方式、路径搜索方式、数据传输、簇内调整和路由更新方法。ACOUC只在第一轮执行簇首选举和路径搜索，其他轮次采用簇内调整和路由更新方法。簇首选举采用竞选法，所有节点参与竞选，并且将节点剩余能量和节点到汇聚点的距离共同作为评价标准，以保证簇内能量效率最高的节点成为簇首，负责簇内通信和簇间消息转发；路径搜索采用蚁群算法进行，由汇聚节点以其为中心向四周分别释放前往各个簇首的路径搜索蚂蚁，蚂蚁通过相邻簇首节点转发，蚂蚁记录所经路径上的簇首节点能耗、通信质量等信息，直到到达目的簇首，建立从汇聚节点到各个簇首的初始路径；数据传输过程中通过记录在数据传输的过程中的通信延时和通信质量来更新路由的蚁群信息挥发因子，重新计算下一跳路由概率；簇内调整和路由更新在每一轮结束时执行，簇首重新评估簇内最优簇首节点，选择最优节点进行簇内调整、并且通知邻居簇首，更新路由，如果最优节点没有变化，则本簇不做相应更新。结果：仿真分析表明，ACOUC的网络存活时间比LEACH和EEUC都有显著提高；误码率和丢包率虽然比LEACH差，但是比EEUC具有更好的可靠性。算法消息复杂度方面，AOUC的消息复杂度较高，但是当网络规模较小时，ACOUC每轮的消息数目和EEUC差不多，网络负担相当。结论：可见ACOUC算法改变了传统EEUC方法的簇首选择方法，有效减少了簇首选举和路由维护的开销，通过簇内调整和路由更新能实时寻找性能更好的路由，在能耗和链路可靠性方面比EEUC算法的性能更好，即在较长的时间内具有更多的存活节点，网络丢包率更小，有更好的通信质量。

来源出版物：西安交通大学学报, 2010, 44(6): 33-38

入选年份：2015

两挡电动汽车动力传动系统的参数设计

秦大同，周保华，胡明辉，等

摘要：目的：目前小型电动汽车多采用固定速比的一挡减速器，对牵引电机提出了高转速和高转矩的要求。同时，采用固定速比的一挡减速器存在电机利用效率较低的问题，进而浪费了部分电池能量从而使续驶里程减小。本文基于国内某公司提出的电动车设计要求，通过增加变速箱档位，优化速比和换挡控制策略，对采用两档变速箱的电动汽车进行了降低牵引电机设计要求，提高电池能量利用效率从而增加电动汽车的续航里程的研究。方法：按照汽车基础理论，借鉴传统汽车发动机参数的确定方式，对电机的额定功率、峰值功率和最大转矩参数通过计算和试选的方法进行设定。确定电机的基本参数之后，对两档自动变速器的速比进行优化设计。电动汽车传动系的速比优化是一个多目标、多变量的优化问题，其中优化目标包括动力性和经济性。鉴于本文的研究目的，将两挡自动变速器传动比的优化处理为一个多不等式约束的非线性单目标优化问题，在满足整车动力性要求的前提下，优选电动汽车传动系速比，使整车的能耗经济性达到最优，并采用基于ECE循环工况的Simulink模型进行优化，以完成整个ECE循环工况所消耗的电池能量最少为优化目标值。此外，为使采用两档变速箱的电动汽车充分发挥其能耗经济性高的优势，对电动汽两挡变速器的换挡控制策略进行了研究，以提高能耗经济性为目标，制定了整车经济性换挡控制策略。结果：采用两挡自动变速器后，新匹配的驱动电机峰值功率降低了 8.57%，最大转矩降低了 8.50%。在原车型改进后整车的动力性满足的原车型设计要求，且0～50 km·h-1起步加速时间减少了0.26 s，最高车速提高了22.84 km·h-1。而在经济性上，采用两挡自动变速器使整车的能耗降低了6.6%，续驶里程延长了7.1%。采用两挡自动变速器，可以使电机更多地工作在高效区域内，其原因是采用两挡变速器时，电机的工作转矩比采用固定挡减速器小得多，这样就减小了电机的工作电流，降低了电机的绕组损耗，提高了电机的工作效率。结论：1）采用两挡自动变速器的电动汽车传动系统，可以降低对驱动电机的性能要求，使电机的峰值功率和最大转矩均有明显降低。2）从提高电机工作效率的角度，通过对两挡自动变速器速比进行优化，以整车ECE循环工况所消耗的能量为指标，在满足整车动力性的前提下优选出了可使整车能耗经济性最优的两挡变速器速比。与采用固定挡减速器的电动车相比，电动汽车能耗经济性及续驶里程均有明显提高。针对两档自动变速箱，本文以车速和油门开度作为换挡参数，为了降低整车能耗，以电机效率作为换挡依据，制定出了最优经济性换挡规律，保证汽车总是以使电机工作在最高效率的挡位行驶，从而降低蓄电池能耗，使整车有更大的续驶里程。

来源出版物：重庆大学学报, 2011, 34(1): 42741

入选年份：2015

风电机组传动系统网络化状态监测与故障诊断系统设计

马婧华，汤宝平，韩延

摘要：目的：风电机组通常安装在野外几十米的高空中，在变风载、大温差等恶劣工况下，风电机组的主轴、齿轮箱等传动部件很容易出现故障。较之其它故障，风电机组传动系统故障导致机组停机时间最长，且安装维护困难，维护费用高，严重损害风力发电的经济效益。本文针对现有风电机组监测系统无法对传动系统早期故障进行有效诊断的问题，结合流形学习、信息融合、模式识别等方法，研发了一套基于B/S和C/S混合架构的风电机组传动系统网络化状态监测与故障诊断系统。方法：首先本文根据用户类型、使用需求以及风电机组的结构特点，设计了基于B/S和C/S混合架构的系统整体框架。当需要远程访问数据时，系统采用具有良好系统开放性和通用性的B/S架构；当需要现场处理大量数据时，系统则采用安全性高、交互性强的C/S架构。再结合数据采集设备，研发了一套基于。net和 SQL Server平台的风电机组传动系统状态监测和故障诊断系统，包含网络化数据采集、信号分析、远程状态监测、故障诊断和数据库服务器等模块。其中网络化数据采集模块通过有线以太网、3G无线网或GPRS网络，将采集到的数据传输至数据库服务器或监测分析诊断模块。信号分析模块包括信号预处理、图谱分析、时频分析等子模块，能够有效剔除原始信号中的干扰，直观形象地描述信号中蕴含的风电机组状态信息，为后续状态监测、故障诊断提供有效输入。远程状态监测模块主要通过对风机状态特征量设置预警阈值和告警阈值实现阈值分析，并通过判别测量点幅值曲线的斜率实现趋势分析。故障诊断是本系统的核心功能，系统通过特征提取、流形学习降维，以及K最近邻分类器和支持向量机等多种模式识别方法，对所提取的特征进行识别以实现早期故障诊断。数据库服务器模块存储并管理所有有关风电机组及其零部件的信息、传感器及其测点信息、各种参数、原始信号、分析结果、报警数据以及故障样本数据等等。结果：1）选取2013年4月23日所测风电机组齿轮箱低速轴X方向（径向水平）的振动信号进行分析，自谱分析得到的有效值幅值谱图和功率谱图所示。可以看出，功率谱比有效值幅值谱更能突出主要频率成分。在分析了多组风电机组的振动数据之后，发现各测点的频谱中，普遍存在高速轴轴承故障频率的倍频成分和高速轴转频的倍频成分，且幅值较大。说明此高速轴在风电机组中振动最激烈，其振动幅值此时高于其他零部件的振动幅值，并且可以通过传动系统激起整个风电机组传动系统的振动，它们引起的振动幅值大，频率广，对整个风电机组各个零部件的振动贡献也最大。倒谱分析图中可以看到以为时间间隔的谐波成分，而在有效值幅值谱图中，该边频成分18.964 Hz被其他频率成分掩盖，难以辨识，经过倒谱分析可以降低传递路径对信号的影响，有效提取边频成分。2）对某测点的 4个寿命阶段的数据分别进行特征提取和状态识别，其中齿轮箱高速轴轴承径向T3阶段测试样本识别率达为92.5%，其他不同寿命阶段的平均识别率在80%以上，对于不易区分的风电机组早期寿命阶段，该结果令人满意。结论：本文所提出的基于B/S和C/S混合架构的风电机组传动系统网络化状态监测与故障诊断系统，成功地应用于某风场风电机组传动系统状态监测和故障诊断。可对风电机组传动系统进行监测、阈值报警、趋势预测和早期故障诊断。目前研发的系统是基于振动的监测与诊断，下一阶段将考虑融合多源信息，如机组运行参数（温度，风速等）和机端电气参数（电流、电压、功率等），进行风电机组传动系统的智能维护系统的研究。

来源出版物：重庆大学学报（自然科学版）, 2015, 38(1): 37-44

入选年份：2015

强混合动力汽车驱动模式切换扭矩协调控制策略

杨阳，杨文辉，秦大同，等

摘要：随着我国汽车工业迅猛发展和汽车保有量的快速增加，我国的能源和环境面临严峻挑战。由于混合动力汽车能满足整车低排放和低油耗的综合要求，因此开发以重度混合动力汽车为代表的新能源汽车已成为汽车工业技术创新和节能减排的主要方向。混合动力系统有多种工作模式，可以实现怠速起停、纯电动驱动、发动机单独驱动、功率辅助、再生制动等车辆运行工况，工作模式切换过程十分复杂。在车辆行驶过程中，需根据整车行驶状况进行工作模式切换，而切换过程中涉及到混合动力汽车的动态过程控制，如果控制不好可能造成传动系统的动力中断或者转矩波动，影响整车的动力性和平顺性。论文以强混合动力系统为研究对象，以行驶平顺性为目标，通过分析模式切换过程参数变化规律，确定系统在驱动模式切换过程中的控制策略和扭矩协调控制算法，通过建模和仿真分析，验证控制策略的有效性，可为混合汽车整车控制优化优化提供依据。论文分析不同工作模式及其系统各个关键部件的运行状态及其参数变化，利用虚拟杠杆原理，建立了混合动力汽车不同模式下的行星齿轮动力耦合机构的转速关系，为模式切换过程的系统状态分析奠定了基础。论文根据驱动模式切换过程扭矩波动的严重程度及扭矩协调控制方法的相似性，将模式切换过程分为3类典型的模式切换过程，即：纯电动→发动机参与工作的运行模式（发动机单独驱动、行车充电、混合驱动）；有离合器分离过程模式切换过程：发动机驱动→纯电动和联合驱动（离合器接合）→联合驱动（离合器分离）；有发动机参与的工作模式之间的切换（发动机单独驱动、联合驱动、行车充电），为驱动工作模式切换扭矩协调控制策略提供了依据。论文确定了整车控制系统的结构和驱动工作模式切换扭矩协调控制策略，给出了模式切换过程品质的评价函数，制定了混合动力系统扭矩管理策略，设计了动力源协调控制方法，设计了湿式多片离合器接合过程模糊控制器，制定了典型驱动模式切换过程的扭矩协调控制策略建立基于 Matlab/Simulink传动系统仿真模型、整车系统仿真模型，控制策略仿真模型，对强混合动力汽车模式切换过程进行了仿真研究，通过无协调控制和有协调控制的仿真结果对比，分析典型模式切换过程的切换品质。仿真结果表明，利用合理的控制手段，可及时平稳地实现电机起动发动机，能够有效的降低驱动模式切换过程的扭矩波动，降低系统冲击度，提高模式切换的品质。

来源出版物：重庆大学学报, 2011, 34(2): 74-81

入选年份：2015

编辑：张宁宁