現代控制技術在電氣工程中的應用

蔡僑僑

摘 要：隨著電氣工程系統的發展和應用，傳統的控制理論已經無法很好地適應電氣工程的需求。現代控制理論的深入研究，為電氣工程自動化的進一步發展提供了技術上的可能。通過對現代控制理論中智能控制、模糊控制、非線性控制技術的應用特點分析，提出了傳統電氣控制的不足，以及現代控制技術應用的現狀。

關鍵詞：現代控制；模糊控制；智能控制；非線性控制

隨著全球范圍內的經濟與科技進步的步伐在不斷加快，各種先進的控制理論被相繼提出并逐漸應用到工業生產和人們的日常生活中。作為現代工業生產和城市建設中重要的基礎部分，電氣工程的控制能力已成為限制和提升經濟和社會進步的重要因素。隨著電氣工程中先進技術的應用集成，系統往往越來越復雜，其非線性、時變性和小確定性參數越來越明顯。同時，對于電氣工程中的控制也變得越來越復雜，現代控制理論和技術逐漸地被提出和廣泛地應用開來，并發揮了巨大的優勢。

1 電氣系統的智能控制

電氣工程自動化正在成為電氣系統未來發展的方向，智能控制是其中電氣自動化的關鍵節點。當前電氣系統中智能控制的應用十分廣泛，例如對電氣系統開關量、系統模擬量等方面的數據進行實時采集和處理；對電氣系統和設備運行狀態的實時監測和控制；對電氣系統故障進行記錄、在線診斷及緊急處理等。

1.1 控制系統的優化設計

電氣設備的控制系統的優化設計是智能控制應用中的重要內容之一，是對現代控制理論與控制經驗統一結合的先進控制技術，也是基于遺傳算法的一種優化搜索。在對電氣產品的優化設計中主要體現的是對遺傳算法與專家系統的應用，遺傳算法作為衍生于自然界進化規律的高級算法，有著極高的計算精度和自適應能力。在傳統的電氣設備和產品設計中，設計者主要是通過對以往產品設計的經驗和不足進行總結，再通過大量的試驗手段對設計思路與構想進行驗證。這種設計方式不僅工作量大，效率低下，最重要的是沒有相應的理論支持，得到的優化設計方案并不十分科學。計算機網絡技術及其輔助設計的在電氣產品中的大規模開展為現代控制技術與理論的深入應用提供了技術保障，工程師可以通過計算機輔助系統實現從產品構思、設計、制作的全過程優化，使產品的控制性能實現了質的飛越，同時也大大降低了產品的生產周期。

1.2 控制系統的故障診斷

電氣產品通常在工業領域中占據著重要的崗位，因此電氣產品的可靠性是一個十分關鍵的性能指標。作為產品核心功能的控制系統，其故障檢測和診斷的能力與精確度直接關系著電氣產品的穩定運行。電氣產品和設備的故障表現為非線性，并具有隨機性和復雜性等特點，傳統的故障檢測手段難以真正實現實時、準確地辨別和判斷故障發生點。在故障診斷技術中引入智能控制，能夠使故障診斷的精度大為提高，同時也能夠縮短故障處理的時間，進一步提高產品的可靠性。例如，在大型電機的控制系統中，應用神經網絡、模糊邏輯以及專家系統，不僅可以對智能技術在故障檢測和診斷過程中的模糊性特點有效保留，也將神經網路對故障檢測的高靈敏度特點得到充分的發揮，使控制系統對故障精確診斷方面有了很大提高。

2 電氣系統的模糊控制技術

目前絕大多數的電機調速控制采用的是PID控制技術，PID控制技術結構簡單，具有較強的穩定性，生產實踐中應用極為廣泛。但隨著PID控制技術的大規模應用，其系統自身也暴露出了一些問題，該技術應用的關鍵是對系統做出準確的測量和判斷后，對系統進行自動的修正。然而，現實中多數工業工程都是非線性變化，PID雖可以將過程簡化并變成基本線性模型進行控制，始終無法有效克服負載以及模型參數的大范圍變化，也就是說不能更為精確地控制系統。模糊控制技術應用于電氣工程中，能夠反映系統的非線性時變，且不需要對被控制系統進行數學模型簡化和轉換，在電氣產品設計中更加靈活。

2.1 基于簡單模糊控制器的速度控制

在電氣系統調速系統的控制中，要想實現模糊控制需要設計模糊控制器，通過一定算法實現語言控制。首先，根據系統接收到的信息量進行模糊化，并將信息量進行語言轉化輸入到模糊量的模糊子集中；其次，擬定相應的模糊控制規則，利用適應條件內的模糊關系來確定需測試的模糊量身份；最后，由輸出系統將最終的計算判決，轉換為精確的信息值報告給上一級處理系統。簡單模糊控制器應用于電氣工程中，主要是取代傳統的PI調速器，從而保證系統的動態性能。應用這一控制器，在電氣系統的控制中只需要調節一個參數（模糊控制器的控制面為非線性形狀），縮短了響應時間。

2.2 模糊PID控制器在調速中的應用

模糊PID控制是通過模糊控制法在線調節PID控制器的參數，繼而使電氣系統處于最優的狀態。PID參數的模糊增益調節能夠面對不同的對象操作。例如，在由DSP、模糊單片機組成的PI控制器、模糊控制器，利用模糊控制器反映系統的參數波動而輸出變量，并不需要通過測量電機及逆變部分的精確參數。模糊PID控制器的這一特點，為電機傳動系統提供了無可比擬的優勢，電機傳動可以更加簡便，同時，由雙環組成的控制器還具有超調小、響應迅速的特點，受電機調節參數的影響微乎其微，運行穩定性大大提高。

2.3 基于自適應和自學習、自組織模糊控制器的速度控制

一般意義上的模糊控制系統中對于模糊控制的規則是需要依靠開發者對被控過程的認識及操作經驗的總結來實現具體控制的。被控對象的非線性、高階性、時變性、隨機性等特點都使得模糊控制系統的控制規則顯得較為粗糙，模糊系統的穩定性也受到一定程度上的質疑。基于自適應、自組織、自學習的模糊控制可以根據現場的實際變化，及時作出自動調整、修改和完善模糊控制的參數與規則，能夠使模糊控制系統的控制功能持續改進，不斷地升級，從而達到最終對系統的穩定控制。

3 非線性控制

線性控制理論在電氣工程自動化中已經應用十分廣泛，并取得了一定成果。但實際上，線性控制技術是通過對電氣產品工作中局部線性的穩定來進行模型簡化設計的，對電氣產品和設備本身固有的非線性特征未予考慮，始終存在著較大的控制漏洞。比如，線性控制要依靠產品運行中反饋的狀態變量來實現控制，而在系統運行中有很多變量的測量并不是件容易的事，還有像機端電壓并不屬于系統狀態變量，通過加權系數綜合考慮多因素雖能在一定程度改善動態品質，但電壓反饋增益不足，并不能完全滿足電壓調節要求。電氣系統控制領域依然存在許多的重大技術難題。但我相信隨著科學技術的不斷發展，這些難題總將被克服。電氣工程在各領域發展的同時，也對其控制技術提出了更高的要求，實踐中需要出現基于非線性控制理論，可以彌補線性控制技術的不足。

4 結束語

近些年來，現代控制理論和技術對電氣工程自動化的發展提供了技術支持。隨著現代控制理論的完善和電氣產品在工農業生產中的應用基礎越來越廣泛，電氣系統也變的越來越復雜，同時也向著自動化、智能化的方向邁進。相信隨著先進控制理論的不斷豐富，未來在電氣工程自動化控制中占據的比重會越來越大，功能性和穩定性越來越強。

參考文獻

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