畢業(yè)論文風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)

1、 目 錄摘要2關(guān)鍵詞20.前言21.風(fēng)力發(fā)電31.1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r31.2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組31.2.1葉輪31.2.2齒輪箱41.2.3發(fā)電機(jī)41.2.4電控系統(tǒng)41.2.5偏航系統(tǒng)41.2.6塔架42.風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀52.1振動(dòng)保護(hù)儀的硬件結(jié)構(gòu)52.2振動(dòng)保護(hù)儀的軟件結(jié)構(gòu)53.振動(dòng)保護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)63.1 數(shù)字濾波器的類型選擇63.1.1 iir濾波器:63.1.2 fir濾波器:73.2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟84.結(jié)束語(yǔ)105致謝：116.參考文獻(xiàn)：11風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)機(jī)電一體化專業(yè)學(xué)生 金鵬 指導(dǎo)老師 喬印虎 摘要風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀是集振動(dòng)和轉(zhuǎn)速保護(hù)于一體的模塊,采用

2、加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等硬件,提取有用頻段內(nèi)的信號(hào),通過(guò)程序判斷,當(dāng)信號(hào)值大于設(shè)定的正常值時(shí),發(fā)出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)執(zhí)行停機(jī)操作,完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)保護(hù)。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行過(guò)速保護(hù)。 本文是用butterworth法，采用c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)，介紹了iir濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種集振動(dòng)和轉(zhuǎn)速保護(hù)于一體的葉片振動(dòng)保護(hù)儀,保證葉片的可靠運(yùn)行。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電； 振動(dòng)保護(hù)儀； iir濾波abstract designed one kind of vibration guard module of wind turbine .it is a

3、 combined vibration and rmp guard module.it measures vibration by analyzing the signal from an accele rometer and rmp by measuring pulse time from a tacho. with draws the signal of the useful frequency band and through procedure judgement，when the signal value is bigger than the normal value，sends o

4、ut one switch signal to stop. when the rotational speed is excessively high，through the signal of tacho carries on the rotational speed protection. this paper uses the c language realization numeral band pass filter with the butterworth law, and introduces the iir filter design process as well as th

5、e result confirmation .on the basis, designed one kind of vibration guard module of wind turbine. it is a combined vibration and rmp guard module. make sure the blade works well.key words: wind power generation , vibration protection meter, iir filter 0.前言風(fēng)能是一種清潔的可再生能源。據(jù)世界氣象組織分（wmo）分析，全球總風(fēng)能為kw，其中可利用

6、的風(fēng)能為kw。因此，開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能資源，不僅可以為 21 世紀(jì)尋找新的替代能源，而且有利于環(huán)境保護(hù)。風(fēng)力發(fā)電已進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展的前期階段，與之相配套的葉輪技術(shù)的發(fā)展也十分迅速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪是接受風(fēng)能的最主要部件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，能源、環(huán)境成為當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)題，風(fēng)能作為一種清潔、無(wú)污染的可再生能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注，從某種意義上來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電將成為2l世紀(jì)最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)前景的新能源之一。目前我國(guó)的風(fēng)能利用無(wú)論在發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上，都有很大提高。但監(jiān)測(cè)保護(hù)系

7、統(tǒng)的發(fā)展明顯滯后于風(fēng)機(jī)的發(fā)展，造成多數(shù)風(fēng)機(jī)故障率較高，嚴(yán)重影響了風(fēng)電場(chǎng)的產(chǎn)能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪是吸收風(fēng)能的最主要部件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，占整個(gè)風(fēng)機(jī)成本的15%-20%。同時(shí)也是極易受損的部分，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其受損的主要原因是振動(dòng)和過(guò)速。本文就是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪受損特點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)和過(guò)速保護(hù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī)）是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電設(shè)備，風(fēng)能先后通過(guò)葉輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)后轉(zhuǎn)換成電能。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個(gè)部件中，風(fēng)機(jī)葉片是彈性體,在風(fēng)載荷的作用下,作用在風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)上的空氣動(dòng)力、彈性力、慣性力等具有交變性和隨機(jī)性的力的耦合將會(huì)引起與某些振型共振的自激共振，即顫振，

8、這種振動(dòng)是發(fā)散的，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞，稱為風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的氣動(dòng)彈性現(xiàn)象；葉片出現(xiàn)故障的直接原因常常是葉片振動(dòng)太大或葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)高，因此葉片成為我們的振動(dòng)保護(hù)儀的主要保護(hù)對(duì)象。1.風(fēng)力發(fā)電 1.1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r 20世紀(jì)初,有些國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始研究風(fēng)力發(fā)電,為風(fēng)能的利用開(kāi)辟了更為廣闊的前景。1941年,美國(guó)在巴蒙特州研制并建立了一臺(tái)當(dāng)時(shí)世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī),風(fēng)輪的直徑為53 m,塔高34 m,發(fā)電能力為1 500 kw。到50-60年代,西歐各國(guó)開(kāi)始制造大型風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī),從70年代初,世界上許多地區(qū)研究和安裝了超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展在世界工業(yè)史上歷程很短暫,但它迅猛發(fā)展的速度

9、,技術(shù)上的巨大進(jìn)步不能不讓人驚嘆。有人算過(guò),只需地面風(fēng)力的1%,就能滿足全球發(fā)電能量需要。由此可見(jiàn),風(fēng)是一個(gè)相當(dāng)巨大的電力能源寶庫(kù)。盡管達(dá)到地球的太陽(yáng)能僅有2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能,但其總量十分可觀。全球可實(shí)際利用風(fēng)能為2mw,比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。截至2002年底,全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量達(dá)3 200kw,比2001年增加了28%,新增裝機(jī)686.8kw,是1999年的4倍,年均以32%的速度遞增。新增風(fēng)電裝機(jī)中90%在歐洲和美國(guó),主要是在歐洲,約占75%。經(jīng)過(guò)科學(xué)測(cè)算,今后風(fēng)力發(fā)電年增長(zhǎng)均在30%以上,預(yù)測(cè)到2020年,全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)1 260 mw,年發(fā)電量將達(dá)到世界電能總

10、需求量的12%。放眼全球,風(fēng)力發(fā)電正成為各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的新興能源。歐洲的風(fēng)電裝機(jī)容量已相當(dāng)于25座核電站的發(fā)電量1。1.2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要零部件包括葉片、主齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)、偏航裝置和塔架。風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程就是風(fēng)能經(jīng)過(guò)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)氣流流過(guò)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪時(shí)，風(fēng)輪便旋轉(zhuǎn)作功，風(fēng)力機(jī)的功率輸出是風(fēng)通過(guò)風(fēng)輪后，使風(fēng)速降低實(shí)現(xiàn)的。1.2.1葉輪葉輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)最重要、最昂貴的部件，單個(gè)部件約占整個(gè)風(fēng)力機(jī)成本的20%。因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的葉輪是至關(guān)重要的。風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中葉片翼型的研制情況構(gòu)成風(fēng)力機(jī)葉輪翼型的性能如何，直接影響著風(fēng)

11、能轉(zhuǎn)換的效率。翼型因風(fēng)力機(jī)的種類而異，第一批風(fēng)車(chē)的葉片是由覆蓋亞麻布的木架構(gòu)成的，葉片由支撐桿兩邊的木梁支承。后來(lái)木梁移至葉片的后緣以改善空氣動(dòng)力效率。低速風(fēng)輪采用薄而略凹的翼型；現(xiàn)代高速風(fēng)輪都采用流線型葉片。其翼型通常從naca 和 gottigen系列中選取。這些翼型的特點(diǎn)是阻力小.空氣動(dòng)力效率高，而且雷諾數(shù)也足夠大。早期的水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片普遍采用航空翼型，例如naca44xx和 naca230xx，因?yàn)樗鼈冏畲笊ο禂?shù)高，槳距動(dòng)量低和最小阻力系數(shù)低。實(shí)踐表明，標(biāo)準(zhǔn)航空類翼型并不適用于風(fēng)力機(jī)應(yīng)用。1983年后風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)者開(kāi)始采用為風(fēng)輪所特殊設(shè)計(jì)的新型翼型.美國(guó)、瑞典和丹麥等風(fēng)能技術(shù)發(fā)達(dá)

12、國(guó)家都發(fā)展各自的翼型系列。其中以瑞典的 ffa-w系列翼型最具代表性。ffa-w系列翼型的優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)工況下具有較高的升力系數(shù)和升阻比，并且在非設(shè)計(jì)工況下具有良好的失速性能。隨著風(fēng)力機(jī)的發(fā)展，葉輪葉片在滿足空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上已設(shè)計(jì)出klark-y型、naca 型、fx型、雙羽型、c 型梁、d 型梁葉片、變槳距葉片2。1.2.2齒輪箱 低速直接驅(qū)動(dòng)采用無(wú)增速齒輪箱;混合驅(qū)動(dòng)采用一級(jí)齒輪箱;高速驅(qū)動(dòng)有多級(jí)齒輪箱。多級(jí)齒輪箱的第一級(jí)是結(jié)構(gòu)緊湊且堅(jiān)固的高轉(zhuǎn)矩行星齒輪，第二和第三級(jí)為旋轉(zhuǎn)級(jí)。齒輪箱用強(qiáng)力橡皮墊固定，起到降噪和阻尼峰值負(fù)荷沖擊的作用，在極端負(fù)荷情況下可使齒輪箱和軸承免遭損壞。齒輪箱內(nèi)的冷卻

13、油與發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱交換器相連。系統(tǒng)監(jiān)控油溫以確保冷卻油保持恒定或最佳溫度值。1.2.3發(fā)電機(jī) 早期大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)用雙繞組4/6極異步發(fā)電機(jī)，根據(jù)風(fēng)速變極、定槳距和失速功率控制。后來(lái)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，可變速和變槳距功率控制。目前，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍然以雙饋異步發(fā)電機(jī)為主，電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)也在不斷發(fā)展占領(lǐng)風(fēng)電市場(chǎng)。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)性能應(yīng)滿足高效率最佳運(yùn)行，適合寬范圍轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，采用f級(jí)絕緣，可工作在b級(jí)絕緣，這樣可延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)壽命。發(fā)電機(jī)安裝在機(jī)艙內(nèi)比安裝在塔底地面有利于空氣流通散熱。而且發(fā)電機(jī)負(fù)荷與空氣流速成比例增大，風(fēng)速較低時(shí)，繞組散熱慢，但發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量也少。相反，風(fēng)速較高時(shí)，

14、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量多，空氣流動(dòng)散熱的速度也越快。1.2.4電控系統(tǒng)風(fēng)輪功率控制采用大功率整流逆變控制器，以及有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償。信號(hào)處理通常有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)或高速數(shù)字信號(hào)處理芯片。主機(jī)在地面控制室的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，從機(jī)設(shè)在機(jī)艙內(nèi)。所有來(lái)自傳感器和變送器的輸入信號(hào)都由從機(jī)匯集和處理，再傳送給主機(jī)。主機(jī)監(jiān)控風(fēng)輪所有的運(yùn)行狀態(tài)。主機(jī)和從機(jī)間通過(guò)光纖達(dá)到可靠快速地交換信息。風(fēng)力發(fā)電機(jī)完全實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可讀取所有風(fēng)輪數(shù)據(jù)。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，風(fēng)輪控制器會(huì)自動(dòng)報(bào)告事件，控制器中的數(shù)據(jù)也進(jìn)行備份保存，以便查看發(fā)生了什么樣的錯(cuò)誤。1.2.5偏航系統(tǒng) 偏航系統(tǒng)采用四點(diǎn)球軸承回轉(zhuǎn)環(huán)，確保風(fēng)輪處于正確的風(fēng)向位置。偏

15、航操作由三個(gè)行星齒輪完成，每一個(gè)由電力電子控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣偏航齒輪的負(fù)荷大小均勻。偏航制動(dòng)由六個(gè)液壓制動(dòng)器控制的大盤(pán)制動(dòng)，且每一個(gè)偏航齒輪獨(dú)立制動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)保證偏航控制平滑。當(dāng)偏航結(jié)束，機(jī)艙就固定不動(dòng)，而且偏航齒輪也不承受負(fù)荷。偏航系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立的風(fēng)向標(biāo)檢測(cè)風(fēng)速并送主計(jì)算機(jī)，保證風(fēng)能最佳利用且驅(qū)動(dòng)鏈應(yīng)力最小。1.2.6塔架風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架一般有圓錐形鋼結(jié)構(gòu)和梯形柵格鋼結(jié)構(gòu)兩種。圓錐形鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝樓梯、安全線路、工作平臺(tái)和照明系統(tǒng)。塔架基礎(chǔ)采用地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。隨著塔身高度增加，風(fēng)輪葉片遭受雷擊的概率也增加，必須設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)。如果風(fēng)輪或機(jī)艙遭受雷擊，雷電保護(hù)系統(tǒng)會(huì)將雷電電流引入接地系統(tǒng)3

16、。2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個(gè)部件中,風(fēng)力機(jī)葉片是彈性體,在風(fēng)載荷的作用下,作用在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)上的空氣動(dòng)力、彈性力、慣性力等具有交變性和隨機(jī)性力的耦合將會(huì)引起與某些振型共振的自激共振,即顫振。該振動(dòng)是發(fā)散的,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)破壞,是風(fēng)力機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的氣動(dòng)彈性現(xiàn)象所致,葉片出現(xiàn)故障的直接原因也是葉片振動(dòng)太大或葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)高,因此葉片成為振動(dòng)保護(hù)儀的主要保護(hù)對(duì)象。風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀，它是集振動(dòng)和轉(zhuǎn)速保護(hù)于一體的模塊,采用加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等硬件,提取有用頻段內(nèi)的信號(hào),通過(guò)程序判斷,當(dāng)信號(hào)值大于設(shè)定的正常值時(shí),發(fā)出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)執(zhí)行停機(jī)操作,完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)保護(hù)。

17、當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行過(guò)速保護(hù)4。2.1振動(dòng)保護(hù)儀的硬件結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)的保護(hù)需要監(jiān)測(cè)2個(gè)信號(hào):振動(dòng)位置的加速度信號(hào),用來(lái)表征振動(dòng)的劇烈程度;葉片的轉(zhuǎn)速信號(hào),用以控制葉輪轉(zhuǎn)速。因此信號(hào)采集部分包括一個(gè)加速度傳感器和一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器。研究表明:直徑45m左右的葉輪,其自激振動(dòng)頻率在1-3hz內(nèi)。因此,信號(hào)處理的任務(wù)就是在檢測(cè)信號(hào)中將該目標(biāo)頻段的信號(hào)提取出來(lái)供后續(xù)分析?？紤]到傳感器的靈敏度及與后續(xù)部分的接口問(wèn)題,用一個(gè)放大器和一組濾波器構(gòu)成信號(hào)處理單元?？紤]到不同規(guī)格葉輪的自激振動(dòng)頻率不同,采用可編程濾波器作為信號(hào)處理單元的核心濾波器,以提供盡可能多的保護(hù)頻段。整個(gè)設(shè)備的核心控制單元

18、采用單片機(jī)結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)處理的檢測(cè)信號(hào)通過(guò)2個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器輸入單片機(jī),故障判斷等算法均在其中用軟件實(shí)現(xiàn);單片機(jī)擴(kuò)展電路分別驅(qū)動(dòng)繼電器和顯示器構(gòu)成報(bào)警電路和顯示模塊。同時(shí)還設(shè)計(jì)用于參數(shù)輸入的鍵盤(pán)部分。2.2振動(dòng)保護(hù)儀的軟件結(jié)構(gòu)軟件部分主要包括:故障判斷算法、整機(jī)自檢程序、報(bào)警、外圍電路的控制代碼等,可分為以下幾個(gè)模塊:1.傳感器狀態(tài)自檢模塊,包括上電自檢和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)兩部分。2.參數(shù)輸入模塊,輸入?yún)?shù)以改變保護(hù)儀的工作參數(shù)。3.故障診斷模塊,判斷當(dāng)前工作狀態(tài)是否在安全范圍內(nèi)。4.報(bào)警處理模塊,根據(jù)故障診斷的結(jié)果,按照?qǐng)?bào)警算法選擇合適的報(bào)警操作。報(bào)警繼電器通常在模塊與電源相連后,且系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)帶

19、電。繼電器斷開(kāi),說(shuō)明振動(dòng)等級(jí)已超出參數(shù)限定范圍,或轉(zhuǎn)速超出參數(shù)限定范圍。故障后,繼電器再次帶電前,應(yīng)有10s無(wú)故障時(shí)間。如10s延時(shí)內(nèi),再次出現(xiàn)故障,則需再等候10s。5.顯示控制模塊,實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前保護(hù)儀的工作狀態(tài)及風(fēng)力機(jī)的狀態(tài)。基于c51編程開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)了所有的軟件代碼,并在單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。軟件結(jié)構(gòu)框圖2.2如所示。 圖2.2控制程序框圖3.振動(dòng)保護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)本文是用butterworth法，采用c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)的，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)保護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)主要是數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。3.1 數(shù)字濾波器的類型選擇數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量

20、輕、靈活、不要求阻抗匹配以及實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能等特點(diǎn)。數(shù)字濾波器根據(jù)結(jié)構(gòu)分為無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器(iir)和有限脈沖響應(yīng)濾波器(fir)，iir型濾波器是一種反饋型濾波器，而fir型濾波器是一種非反饋型的濾波器，它們的特點(diǎn)各有不同。3.1.1 iir濾波器: 如前所述，iir濾波器是一種反饋型濾波器。從其傳遞函數(shù)看，它既具有零點(diǎn)，又具有極點(diǎn)。由于需要的是一個(gè)低通濾波器(僅需濾出直流量)，故可設(shè)濾波器的截止頻率f2為1hz，截止頻率處幅值衰減3db，對(duì)于iir濾波器。由于階數(shù)越高，延時(shí)越大，所以使用二階濾波器。圖3.1是四種iir濾波器的階躍響應(yīng)及其頻域幅值響應(yīng)。1.butter

21、worth濾波器特性 2.chebyshev i型濾波器特性3.chebyshev ii型濾波器特性 4.橢圓型濾波器特性圖3.1.幾種iir濾波器濾波效果的比較從圖3.1可以看出，butterworth濾波器的階躍響應(yīng)速度最快且超調(diào)小，頻域幅值響應(yīng)具有最平特性，但頻域幅值響應(yīng)的過(guò)渡帶較寬;而chebyhev i型濾波器的階躍響應(yīng)速度最慢，其頻域響應(yīng)的過(guò)渡帶很窄，但二階chebyhev i型濾波器對(duì)直流有明顯的衰減;chebyhev ii型濾波器的階躍響應(yīng)速度較butterworth濾波器慢，但其頻域幅值響應(yīng)的過(guò)渡帶窄，缺點(diǎn)是阻帶內(nèi)的衰減不夠;而二階橢圓濾波器的階躍響應(yīng)速度較butterrwo

22、rth濾波器慢，其過(guò)渡帶也較窄，缺點(diǎn)同樣是對(duì)直流存在著衰減。3.1.2 fir濾波器:fir濾波器從傳遞函數(shù)上看，是僅具有零點(diǎn)而沒(méi)有極點(diǎn)的濾波器。最為常用的便是窗函數(shù)設(shè)計(jì)法。下面就各種加窗fir的濾波特性和butterworth濾波器的特性作一比較。如圖3.2所示為使用mat-lab繪制的濾波器幅頻響應(yīng)特性。l二階butterworth數(shù)字濾波器 2.200點(diǎn) fir(矩形窗)數(shù)字濾波器3.200點(diǎn)fir(漢明窗)數(shù)字濾波器 4.200點(diǎn)fir(black man窗)數(shù)字濾波器 5.200點(diǎn)fir(矩形窗)數(shù)字濾波器圖3.2 各種濾波器的頻域幅值響應(yīng)從圖3.2可以看出二階butterworth

23、型數(shù)字濾波器的幅值響應(yīng)最好，在通帶內(nèi)衰減最快，而且阻帶內(nèi)呈最平特性。而fir數(shù)字濾波器的通帶帶寬大，阻帶內(nèi)又存在旁瓣波動(dòng)，因此就濾波效果來(lái)看以iir濾波器為優(yōu)。從圖中還可以看出，雖然fir濾波器可以通過(guò)加大階數(shù)來(lái)減小通帶帶寬，但階數(shù)過(guò)大，就會(huì)引起數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的不足，給實(shí)現(xiàn)造成一定的不便。 從結(jié)構(gòu)上看，iir濾波器涉及的參數(shù)少，實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，而fir濾波器參數(shù)相對(duì)較多，所占存儲(chǔ)空間大;iir濾波器的缺點(diǎn)是由于其結(jié)構(gòu)是反饋型的，即其傳遞函數(shù)存在極點(diǎn)，所以它要求濾波器參數(shù)精度較高，否則很有可能引起振蕩、發(fā)散情況，而fir濾波器傳遞函數(shù)由于沒(méi)有極點(diǎn)，不存在振蕩和發(fā)散的情況，故在穩(wěn)定性方面具有很好的特性

24、。由于在相同設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況下，fir濾波器要比iir濾波器階數(shù)高幾倍，而且信號(hào)延遲較大，iir濾波器所要求的階數(shù)不僅比f(wàn)ir濾波器低，而且可以利用模擬濾波器的設(shè)計(jì)成果。另外，本次設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)相位要求不高。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)iir濾波器具有多種優(yōu)越性。葉片作為振動(dòng)保護(hù)儀的主要保護(hù)對(duì)象，由于輪轂材料并非完全剛性，葉片之間振動(dòng)會(huì)相互耦合影響，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生剛化效應(yīng)，剛化效應(yīng)使得葉片的固有頻率發(fā)生變化，即葉片的振動(dòng)固有頻率隨葉片轉(zhuǎn)速增加而增大。這樣要保護(hù)葉片，就要在一個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，所以本設(shè)計(jì)為數(shù)字帶通濾波器，以lm公司600kw風(fēng)機(jī)葉片為例，其固有頻率在擺振方向?yàn)?.75hz； 在揮舞方向?yàn)?.

25、05hz。但在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)變化。綜合考慮，采用iir型二階butterworth低通數(shù)字濾波器。有源濾波器中數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)5。 3.2數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟 1.確定所需類型數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)2.將所需類型的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成所需類型模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式為： 3.將所需類型模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成模擬地同濾波器技術(shù)指標(biāo)1)確定模擬帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，即：帶通上限頻率，帶通下限頻率；下阻帶上限頻率，上阻帶下限頻率；通帶中心頻率，通帶寬度；與以上邊界頻率對(duì)應(yīng)的歸一化邊界頻率如下： ，還需確定的技術(shù)指標(biāo)有：通帶最大衰減，阻帶最小衰減。2)確定歸一化低通

26、技術(shù)要求： ， ， 與的絕對(duì)值可能不相等，一般取絕對(duì)值小的，這樣保證在較大的處更能滿足要求。通帶最大衰減仍為，阻帶最小衰減亦為。4.設(shè)計(jì)模擬低通濾波器5.將模擬低通濾波器通過(guò)頻率變換，轉(zhuǎn)換成所需類型的模擬濾波器。6.采用雙線性變換法，將所需類型的模擬濾波器轉(zhuǎn)換成所需類型的數(shù)字濾波器。等效的s平面下設(shè)計(jì)的模擬濾波器轉(zhuǎn)換成z平面下數(shù)字濾波器，s平面與z的變換為： ，又代入可得數(shù)字頻率與模擬頻率之間的轉(zhuǎn)換。雙線性變換法的原理6，為了克服s平面到z平面多值映射的缺點(diǎn)，先將整個(gè)s平面壓縮到一中介的平面的一條橫帶里，寬度為，即從到。其次再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)變換將此橫帶變換到整個(gè)z平面上去，這就使z平面和s平面存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。消除了頻率混疊現(xiàn)象。將s平面的整個(gè)軸壓縮到平面的軸上的到一段，可以采用以下變換關(guān)系：。這樣變到，變到，有；又代入得：，（雙線性變換）。從平面映射到平面，再?gòu)钠矫嬗成涞狡矫?。具有不產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的帶通濾波器幅頻特性曲線，如圖3.3所示。 圖3.3帶通濾波器幅頻特性曲線.下面是設(shè)計(jì)的濾波器傳遞函數(shù)差分方程表達(dá)式7： w-1=0;w-2=0;w-3=0;w-4=0;inx-1=0;inx-2=0;inx-