[发明专利]一种超声波风速风向仪腔体共振频率的实时追踪方法

说明书

本发明公开了一种超声波风速风向仪腔体共振频率的实时追踪方法，该追踪技术在快速定位阶段可以定位在共振峰左右5Hz的范围内，可以保证最慢在5次循环内，大概1秒内完成定位。本发明腔内超声共振的时域仿真模型包括了风速、风向、温度等对共振频率的影响，可以用来开发，验证各种实时追踪共振频率的算法；可以实现追踪共振峰，频率的误差保持在±10Hz的范围内，适用于腔体共振峰多种变化情况下的追踪。

技术领域

本发明属于风能发电中的风速风向测量技术领域，具体涉及一种超声波风速风向仪腔体共振频率的实时追踪方法。

背景技术

风力是绿色能源的重要来源，取之不尽用之不竭。据估计，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。用于风力发电的风力发电机组，主要包括风轮、尾舵、发电机和铁塔。风力发电机组的效率和安全取决于对当地风速风向的准确测量。因为过大风速负载会造成机组结构和发电线路的故障和耗损，而风轮和风向夹角与机电效率直接有关。因此准确测量在各种条件下的风速风向是保证风力发电机组安全、高效率运行的必要条件。风速的精确测量是风力发电机进行控制及优化的基础环节，风速的有效获取不但可以保证风能的利用率，而且不同的风速决定了风力发电机的不同运行状态，确保风力发电机的正常稳定运行。

目前，基于超声共振腔原理设计的风速风向仪在众多风速仪中脱颖而出，拥有体积小，效率高，无需温度补偿等优点，具有极大的实用价值。该风速仪的基本原理是超声波在腔体的上下平板之间不断发射，各个反射在一个窄的频带中合并，导致信号强度急剧增加，从而形成共振。共振频率处的信号幅值较大，信噪比强，有利于风速风向的精确测量。同时，相位差法是风速仪的测量方法。研究表明，在声共振频率下，两个传感器声压的相位差随风速的变化呈现线性关系，精度更高。然而，当外界环境变化，主要是风速和温度发生变化后，超声波在腔体内的共振频率会发生相应的改变。

因此，共振频率的实时追踪技术是实现风速仪的关键。目前国内对于超声波共振频率追踪技术的研究鲜少，早期的超声波风速仪对发射和接收信号频率没有特殊要求。

发明内容

基于上述，本发明提供了一种超声波风速风向仪腔体共振频率的实时追踪方法，并且给出了一个腔内与风速风向相关的超声波共振的时域模型用于验证追踪算法的精度和速度。

一种超声波风速风向仪腔体共振频率的实时追踪方法，包括如下步骤：

(1)建立超声波风速风向仪共振腔体的冲击响应模型如下：

对于任一正弦输入信号，利用上述模型可以得到其对应的时域输出信号，假设正弦输入信号如下：

则对应的时域输出信号为：

其中，对于超声波风速风向仪腔体内的任一对换能器，X(t)为其中一换能器在t时刻角频率ω下所发射超声波信号的电压幅值，h(t)为超声波风速风向仪共振腔体的冲击响应模型，Y(t)为另一换能器在t时刻角频率ω下接收到该超声波信号的电压幅值，X₀为发射超声波信号的电压峰值，t_max是采样时间，t为某一时刻，τ为时间变量，在冲击响应中，A_n、ω_n和ξ_n分别为第n个模态的幅值、固有角频率和阻尼比，n为自然数且1≤n≤K，K为模态数量；所述的共振频率即对应其中一个模态的固有角频率；

(2)基于上述冲击响应模型对系统的共振频率进行快速定位，以确定初始时刻的共振频率F₀和频率变化步长ΔF₀；

(3)基于初始时刻的共振频率F₀和频率变化步长ΔF₀，实时追踪每一时刻的共振频率。