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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-06-22 11:34
采用擬合函數(shù)對(duì)零時(shí)刻電阻值進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,是精確測(cè)量繞組溫升的重要方法,而不同的擬合函數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響是造成該項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差的重要因素。然而,目前并沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此予以約束,也缺乏具有針對(duì)性的方法解釋,試驗(yàn)人員可以自由選擇諸如對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、線性或非線性多項(xiàng)式函數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,因此造成計(jì)算結(jié)果缺乏說服力,試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以獲得公認(rèn)。
本文提出了對(duì)擬合函數(shù)選擇的基本要求,從數(shù)值數(shù)學(xué)和物理傳熱學(xué)理論兩方面闡述了常用擬合函數(shù)的特點(diǎn)并就其適用場(chǎng)合進(jìn)行了說明。
繞組由于發(fā)熱和散熱條件復(fù)雜,其內(nèi)部存在一個(gè)復(fù)雜的溫度場(chǎng),故而就繞組溫升試驗(yàn)而言,曲線擬合的基函數(shù)可選擇的類型很多,包括冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)以及其他復(fù)合函數(shù)等。
從數(shù)學(xué)角度看,繞組溫升試驗(yàn)中的曲線擬合,不同于完全抽象的范疇,是一種基于理論模型的曲線擬合。即,所獲得的曲線函數(shù)f(x)應(yīng)該建立在非穩(wěn)態(tài)散熱條件下的繞組電阻變化的數(shù)學(xué)模型之上,其基本特征應(yīng)盡可能滿足兩個(gè)特殊要求。
1)因?yàn)槔@組溫度及其下降速率會(huì)隨時(shí)間推移逐漸降低,相應(yīng)的電阻值及其下降速率也會(huì)隨之減小,所以函數(shù)f(x)及其導(dǎo)函數(shù)f’(x)在x→0+附近應(yīng)該是連續(xù)的單調(diào)遞減函數(shù)。
2)因?yàn)榻饘匐娮枧c溫度的關(guān)系方程(R=R0(1+αT))中包含一個(gè)常數(shù)項(xiàng),所以函數(shù)值f(0)應(yīng)存在,其對(duì)應(yīng)了繞組的終態(tài)電阻值。還因?yàn)榻饘匐娮枧c溫度的線性關(guān)系,所以導(dǎo)函數(shù)f’(x)在數(shù)學(xué)形式上宜與原函數(shù)f(x)保持一致。
除此以外,因?yàn)樵谠囼?yàn)中越先測(cè)得的數(shù)據(jù),越能體現(xiàn)繞組在斷開電源瞬間的實(shí)際情況,所以函數(shù)f(x)在計(jì)算時(shí)可以按數(shù)據(jù)獲得的時(shí)間順序進(jìn)行加權(quán)處理。還因?yàn)闇y(cè)量值與真實(shí)值之間存在誤差,所以函數(shù)f(x)的圖像可以不經(jīng)過任意的數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)然,擬合曲線在形態(tài)上必須與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布情況相符合,這也是對(duì)所有函數(shù)逼近和曲線擬合方法的基本要求。
所以選擇擬合函數(shù)時(shí),首先應(yīng)觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布形態(tài),其次還應(yīng)兼顧所得函數(shù)的合理性與可解釋性。
01 對(duì)數(shù)函數(shù)
當(dāng)選擇選擇對(duì)數(shù)函數(shù)作為擬合的基函數(shù)時(shí),在數(shù)學(xué)上只需使用式(1)的形式即可,但是該函數(shù)在f(0)處沒有定義,無法直接求出所需要的繞組電阻值,所以需要將其改寫成如式(2)的形式后,才能用于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算,其導(dǎo)函數(shù)如式(3)所示。
因?yàn)閷?duì)數(shù)函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)不再具有對(duì)數(shù)形式,在理論上就違背了金屬電阻值與溫度變化的線性關(guān)系,所以,在做小型繞組的溫升試驗(yàn)時(shí),不宜采用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。只有當(dāng)測(cè)量大型繞組時(shí),出現(xiàn)了溫度場(chǎng)分布不均勻?qū)е码娮柚蹬c溫度不在滿足線性關(guān)系時(shí),才可以采用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合計(jì)算。
02、指數(shù)函數(shù)
當(dāng)選擇指數(shù)函數(shù)作為擬合的基函數(shù)時(shí),可以自行確定指數(shù)的底,相應(yīng)的原函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)為:
但習(xí)慣上往往使用自然指數(shù)e,相應(yīng)的原函數(shù)及其導(dǎo)函數(shù)為:
指數(shù)函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)仍為指數(shù)函數(shù),符合電阻與溫度變化的實(shí)際情況,所以這種方法可以適用于各種大小的繞組。然而指數(shù)函數(shù)的理論缺陷也很明顯,以自然指數(shù)函數(shù)為例,對(duì)式(6)兩邊取自然對(duì)數(shù)可得:
可見,指數(shù)擬合的前提是x與lny要滿足線性關(guān)系,而實(shí)際上,時(shí)間x與繞組的電阻值y之間顯然缺乏這樣的關(guān)系。因此,采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合缺乏必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
03、冪函數(shù)
當(dāng)選擇冪函數(shù)作為擬合的基函數(shù)時(shí),會(huì)遇到與對(duì)數(shù)函數(shù)同樣的問題,即f(0)沒有定義,必須使用式(9)的形式進(jìn)行計(jì)算。其導(dǎo)函數(shù)仍為冪函數(shù),所以這種方法適用于各種大小的繞組。
04、三角函數(shù)
通常會(huì)選擇形如式(12)的三角函數(shù)作為擬合的基函數(shù),其導(dǎo)函數(shù)形如式(12)所示。
因?yàn)槿呛瘮?shù)是連續(xù)的周期性函數(shù),試驗(yàn)人員必須判斷函數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)采樣時(shí)間內(nèi)是否出現(xiàn)拐點(diǎn),否則該函數(shù)的意義將表示繞組電阻值的下降速率隨時(shí)間推移而加快,從而違背了非穩(wěn)態(tài)散熱的基本規(guī)律。
05、多項(xiàng)式函數(shù)
當(dāng)選擇多項(xiàng)式函數(shù)作為擬合的基函數(shù)時(shí),對(duì)于給定區(qū)間內(nèi)的n+1個(gè)互異的節(jié)點(diǎn),其n次插值多項(xiàng)式存在且唯一,因此,無論用哪種方法求取f(x),其結(jié)果總是相同的。其函數(shù)和導(dǎo)函數(shù)的形式為:
由于多項(xiàng)式函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)仍然是多項(xiàng)式函數(shù),能夠在形式上體現(xiàn)繞組溫變速率與溫度變化的相關(guān)性,因此這種方法同冪函數(shù)一樣具有普適性。然而其缺點(diǎn)也很明顯,一是由于其導(dǎo)函數(shù)與原函數(shù)的次數(shù)不同,也就意味著在給定區(qū)間以外的一側(cè),溫變速率與溫度變化是負(fù)相關(guān)的,這也違背了基本的物理常識(shí)。二是多項(xiàng)式插值在接近區(qū)間兩端點(diǎn)附近的偏離很大,函數(shù)可能出現(xiàn)龍格現(xiàn)象而不收斂,然對(duì)于繞組溫升測(cè)量而言,卻正是需要在端點(diǎn)附近有較高的插值精度以確保零點(diǎn)電阻值數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
06、其他函數(shù)
除了上述簡(jiǎn)單函數(shù)以外,還有很多函數(shù)可以作為擬合的基函數(shù),例如將指數(shù)函數(shù)與冪函數(shù)相結(jié)合,可以得到:
由于這些函數(shù)形式上相對(duì)復(fù)雜,計(jì)算量大,物理上的涵義也不明確,因此在實(shí)踐中較少應(yīng)用。只有當(dāng)被測(cè)繞組出現(xiàn)極為復(fù)雜的溫度場(chǎng),溫變速率與溫度變化存在極為明顯的不相關(guān)性時(shí),才可能考慮使用這些函數(shù)。
文章:多種擬合函數(shù)在繞組溫升試驗(yàn)中的適用性分析
作者:周全1,謝肖1,王婷婷1,張曉楠2









來源:環(huán)境技術(shù)