智能化技術在電氣工程自動化控制中的應用策略研究

於偉

(先尼科化工(上海)有限公司,上海 201707)

電氣工程作為現代科技領域的典型代表,極大促進了機械化、自動化生產,因此對電氣工程的研究一直是我國研究的重點項目[1]。然而,隨著人們生產要求的提高,控制逐漸無法滿足需求。面對這種情況,將智能化技術應用其中。智能化技術能夠為電氣工程的工作過程提供便利,應用范圍較為廣泛,具體用作控制系統、故障診斷、優化設計等方面。關于這一方面的相關研究有很多,但是當前的研究多是從智能化技術應用大范圍來進行,缺乏具體的、詳細的應用分析。為此,本文針對智能化技術應用的一個方面,即核心控制程序,進行深入研究,探討應用步驟以及應用效果。結果表明智能化技術的應用,使得電氣設備的控制結果非常接近預期結果,精度極高,達到了本文研究的目的。

1 控制策略研究與分析

1.1 電氣設備狀態參數采集

電氣工程自動化控制原理是根據計算預期電氣設備運行參數和實際運行參數之間的偏差量,然后通過智能算法得出控制量,從而控制電氣設備運行的一種方法[2]。基于此,首要環節就是采集電氣設備當前的運行參數。電氣設備當前的運行參數的采集一般通過各種傳感器來完成。

傳感器是一種利用前端敏感元件獲取狀態量信息,然后按一定規律變換成為電信號,并進行預處理,提高信號質量,最后進行模數轉換,輸出檢測值,完成狀態參數采集。

1.2 控制量計算方法

基于上述環節采集到的電氣設備狀態參數,本章節進行關鍵的控制量計算。控制量計算方法目前主要有兩種：一種是PID技術,另一種是模糊技術[3]。下面對這兩種常用的技術進行具體分析。

1.2.1 PID 技術

PID,由“比例、積分、微分”三個英文單詞的首字母而來,因此顧名思義,控制量通過這三部分運算而得到,具體過程如下：

步驟1：輸入給定值；

步驟2：計算給定值和實際值之間的誤差。誤差差值的數學表達式如下：

式中,F(t)為給定值和實際值之間的誤差；p(t)為給定的預期電氣設備狀態參數值；q(t)為利用傳感器檢測出來的電氣設備狀態參數實際值。

步驟3：將誤差劃分為比例、積分、微分三部分。其中,“比例”的作用給誤差分配一定的比例關系。一旦控制系統出現偏差,這一部分就會馬上發揮作用,調節比例偏差。積分在其中發揮的作用是去除二者之間穩定誤差,簡單說,通過不斷累積誤差來抵消電氣設備實際運行中出現穩定誤差[4]。微分的作用則是反映電氣工程設備運行過程中偏差出現的規律性。根據規律性,可以對未來出現的偏差進行預測,以便提前進行調節,加快系統反應時間。

步驟4：根據“比例、積分、微分”的運算,得出控制量。運算公式如下：

式中,y(t)為得出的控制量；kp為比例系數；Ti為積分時間常數；TD為微分時間常數。

步驟5：根據得出的控制量控制電氣設備運行。

1.2.2 模糊技術

模糊技術是一種利用數學模糊理論來處理誤差量,以此得出控制量的一種方法。下面對模糊技術的具體過程進行分析。

步驟1：模糊化。模糊技術,從名稱上就可以看出所有過程都是以一種模糊的形式進行,因此首先需要將給定值和實際值之間的誤差精確值轉化為模糊矢量。

步驟2：知識庫。知識庫的作用是為后期模糊推理提供依據。在這里,主要包括數據庫和規則庫。前者起到存儲作用,后者編寫推理時用到的規則。

步驟3：模糊推理。根據建立模糊規則,推理得到電氣設備的控制變量。

步驟4：利用模糊規則推理得到數據自然也是模糊形式的,而在實際控制中,則要求精確控制數據值,因此在推理出模糊控制變量后,還需要將其轉換回精確值。以上這一過程被稱為去模糊化或者解模糊。去模糊化或者解模糊目前主要包括最大隸屬度法、加權平均法(重心法)、中位數法等三種。

上述兩種方法都可以求出電氣設備的控制量,可以單獨使用,也可以二者結合在一起使用。結合在一起的使用方法能彌補二者各自存在的缺點,是當前很多電氣設備運行中常見的核心控制算法。

2 智能化技術的應用效果測試與分析

基于上述正文當中基于智能化技術的電氣工程自動化控制策略的理論研究成果,本章節進行應用效果測試與分析。

2.1 電氣設備

電氣工程自動化當前主要用于工業控制設備當中。而工業控制系統當中常見的設備,也是最需要自動控制的設備是伺服電機,很多大型機械設備運行都需要伺服電機的帶動才能進行作業和生產,因此本文就選擇伺服電機作為控制對象。所選擇的伺服電機主要特點如下：

(1)采用伺服控制機構的引擎,實現2.5kHz 的速度響應；

(2)電機配置22 位位置編碼器；

(3)支持SSCNETⅢ/H 網絡的伺服放大器,支持多軸一體,多三軸一體,減少安裝空間；

(4)電壓等級,三相或單相200V,三相400V 等；

(5)轉速：1000 轉/分,1500 轉/分,2000 轉/分,3000 轉/分等；

(6)通用接口的放大器能夠接收高4Mpps 的指令脈沖頻率；

(7)一鍵式高端伺服調整功能；

(8)400 萬脈沖/轉的編碼器。

2.2 傳感器選型

伺服電機的主要控制量為機器轉速,因此在這里選擇一種旋轉式速度傳感器。該傳感器能耗低、工作時間長,是常見的速度采集設備。

2.3 控制器選擇

本實驗選擇模糊PID 控制器對伺服電機進行控制,并利用MATLAB 軟件中的Simulink 建立其模型,如圖1 所示。

圖1 模糊PID 控制器模型

模糊與PID 結合的控制原理是以模糊控制結果與PID 控制的輸入,通過雙重處理來保證控制量結果的準確性。

2.4 控制方案設置

所要設置的預期控制方案如表1 所示。

表1 預期控制方案

2.5 智能化技術的應用效果

按照預期控制方案,利用模糊PID 智能化控制器對伺服電機這種電氣設備進行自動化控制,然后統計實際輸出結果與預期結果之間的誤差,誤差小于5 轉/分,認為控制效果達到優秀水平。結果如表2 所示。

表2 智能化技術的應用效果

從表2 中可以看出,利用模糊PID 智能化控制器對伺服電機這種電氣設備進行自動化控制,伺服電機實際轉速與預期轉速相差不大,誤差均在5 轉/分之內,說明應用效果較好,達到了本文研究的目的。

綜上所述,為提高機械化設備生產質量和效率,其控制程序升級是十分必要的。而要達到上述目的,智能化技術的應用必不可少。在此背景下,為了給應用過程提供參考,本文進行智能技術的應用分析。分析內容包括兩部分,應用過程分析和應用效果分析,結果表明伺服電機實際轉速與預期轉速相差不大,誤差均在5 轉/分之內,達到本文研究的目的。通過本研究以期為電氣工程自動化控制效率的提高提供參考和借鑒。