機電設備高效節能控制模型的仿真分析

張天佑

（濟寧市兗州區節能監察大隊，山東 濟寧 272100）

傳統的控制機電設備能源消耗的方法原理主要有PID控制系統、模糊神經網絡決策控制系統、Smith預測控制模型、專家系統等具有自組織跟蹤學習特征且或多或少包含控制預測模型原理的復合式控制方法，此類方法的確在提高和控制機電設備能耗方面得到了廣泛的應用，但這些模型方法無法有效解決機電設備高效節能控制模型及仿真試驗過程中所可能遇到的時滯問題，缺乏實效性和預測結果的準確性。針對上述問題，在衰減調制機電設備節能優化控制的基礎上，提出了模型的改進與優化，有效實現機電設備系統的高效節能控制，并通過仿真試驗驗證了模型的有效與適用。

1 機電設備能耗原理

機電設備由于功能不同而存在較大的能耗差異，如擁有完善的檢測保護機制的機電設備能耗高，而擁有該機制的設備能耗低。性能差異也是引起機電設備能耗迥異的重要原因，性能差異將導致機電設備在空閑或做功峰值時產生不同的功率，即使工作任務相同，但在不同功率下能耗顯然存在差別。機電設備能耗約束模型如下：

式中，Ei為第i時刻機電設備能耗；i，j，k為常數。

機電設備能耗控制與節能優化時間通過式（1）～（3）便可求得，令[Emin，Emax]是能源分布區間，則通過運用梯形能量補給模式，求得能耗輻射強度（R）的經驗公式，

定義機電設備控制節點處能耗模型如下：

依據流量守恒法則和能量限制理論設計機電設備的能耗控制及優化，機電設備能量消耗特征參數滿足以下關系：

機電設備能耗原理與控制原理的理論分析有助于加強對機電設備的節能控制與高效管理。

2 機電設備節能控制模型設計與改進

2.1 模型設計

進行機電設備能量控制可以有效延長其使用壽命，令設備所有節點均具有同一物理特性與電氣特性，各信道參數指數平滑衰落，則任一時間間隔內機電設備機能控制模型為：

其中，β為機電設備參數指數平滑衰落系數。

隨著發射功率不斷趨近恒定值，則機電設備數據的傳輸量不斷增大，當達到最大值時機電設備發射功率也達到最優值，表示如下：

在單一采樣周期范圍內優化控制機電設備，實現節能高效運行，則：

上述設計方法主要采用Smith預測控制原理，難以徹底解決機電設備節能控制中出現的較大時滯，無法保證控制模型的時效性與適用性。為此可以考慮采用機電設備衰減調制高效節能優化控制方法，首先求得機電設備二次衰減調制的分層電頻發射功率最值：

式中，N為常數，t為機電設備二次衰減調制所用時間。

進行機電設備能量采集信號概率密度的遞推計算，并結合機電設備過放控制模式，計算器儲能控制衰減調制參數，公式如下：

式中，d為直徑，θ0為初始轉角，△θ為轉角變動額。由上述分析可知，機電設備高效節能控制對其使用壽命和工業生產效率有直接影響，研究機電設備機能控制模型設計可以大大延長其使用壽命。

2.2 模型改進

為改進機電設備節能控制系統所存在的較大時滯，必須改進其模型設計，現采用衰減調制基礎上的機電設備高效節能控制原理，構建起機電設備節能開銷狀態模型：

按照“先分割后排序”的順序確定節點能耗演變中的分割度，即進行整體系統等級分割，按等級進行個體排序，并按下式進行表達能耗遍歷進化過程的模擬：

將機電設備勵磁系數k1和極值下實際繞組跨距系數kβ考慮進去，則轉矩為：

為避免機電設備充電過程繼續，可以考慮將其高效節能優化控制模擬在單一采樣周期內進行，求得機電設備節能控制偏差及其積分的模糊控制變量集為{NB,NM,ZO,PM,PB}，論域為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，則機電設備高效節能控制模式下直流側電壓輸出的優化控制模型矩陣為：

機電設備節能控制模型中的α和u值的確定采用無損二次衰減調制原理進行，通過微分方程的求解便可得到GM(1,1)灰色預測模型，如下：

式（19）為改進后的機電設備高效節能控制模型，為提升系統響應速度，還應進行模型系統改進以消除偏差，由此引入基于無損二次衰減調制的機電設備高效節能優化控制的改進算法，既提高了系統響應靈敏度，又克服了機電設備發射功率匹配衰減的制約，控制效能大大提升。

3 仿真試驗

通過仿真試驗驗證上述測試算法的適用性與準確性，待測機電設備包括MCU、電源模塊、顯示電路、電壓電流采集電路等部分，仿真試驗環境為Pentium(R)4CPU，3GHz，512M內存PC機，進行節能優化后機電設備效率提升至96%，轉矩輸出增大為10Nm，體積為1.1×10-6m3，能量損耗降為55.6kW，其余參數優化結果詳見表1。

表1 變量優化范圍與結果

通過參數設定和仿真試驗進行機電設備節能控制情況的測算，將模型預測誤差與傳統方式所測誤差進行比較可以發現，通過高效節能控制模型進行機電設備機能控制的能耗非常接近目標值，控制效果良好，壽命周期有效延長，能量損耗大大降低。利用蒙特卡洛試驗進一步量化分析機電設備節能優化控制的各項參數指標，并將對比過程與結果通過能耗曲線圖直觀反應，可以看出優化設計的機電設備節能控制系統在各種工況下系統能耗均較低，平均節約能耗40%，節能效果顯著。

4 結語

機電設備在生產過程中普遍能耗較高，適用性較差且產能較低，而加強機電設備節能控制是提高設備適用性、增加產能的關鍵，機電設備高效節能控制具有非線性、擾動性大和時滯長等特殊性。文章通過構建機電設備控制系統模型，充分結合設備協調控制機制，對其進行無損二次衰減控制的節能控制總體模型，并在設定情境下進行仿真試驗，結果表明，本文所構建的高效節能控制模型能有效延長機電設備使用壽命周期，降低設備使用中的能量損耗。