智能化技術(shù)在電氣控制中應(yīng)用策略探究

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摘要：電氣工程自動(dòng)化控制關(guān)系到機(jī)械化設(shè)備的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，因此如何提高自動(dòng)化控制效果成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。為此，將智能化技術(shù)應(yīng)用其中，探究其應(yīng)用策略。該研究分為兩部分，前一部分對(duì)應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行分析，包括電氣設(shè)備狀態(tài)參數(shù)采集、控制量計(jì)算以及控制器構(gòu)建；后一部分進(jìn)行應(yīng)用效果仿真實(shí)驗(yàn)分析，證明了智能化技術(shù)的效用，有利于提高機(jī)械化設(shè)備的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：PID；模糊控制；電氣工程；應(yīng)用效果分析

電氣工程作為現(xiàn)代科技領(lǐng)域的典型代表，極大促進(jìn)了機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)，因此對(duì)電氣工程的研究一直是我國(guó)研究的重點(diǎn)項(xiàng)目[1]。然而，隨著人們生產(chǎn)要求的提高，控制逐漸無(wú)法滿足需求。面對(duì)這種情況，將智能化技術(shù)應(yīng)用其中。智能化技術(shù)能夠?yàn)殡姎夤こ痰墓ぷ鬟^(guò)程提供便利，應(yīng)用范圍較為廣泛，具體用作控制系統(tǒng)、故障診斷、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。關(guān)于這一方面的相關(guān)研究有很多，但是當(dāng)前的研究多是從智能化技術(shù)應(yīng)用大范圍來(lái)進(jìn)行，缺乏具體的、詳細(xì)的應(yīng)用分析。為此，本文針對(duì)智能化技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方面，即核心控制程序，進(jìn)行深入研究，探討應(yīng)用步驟以及應(yīng)用效果。結(jié)果表明智能化技術(shù)的應(yīng)用，使得電氣設(shè)備的控制結(jié)果非常接近預(yù)期結(jié)果，精度極高，達(dá)到了本文研究的目的。

1控制策略研究與分析

1.1電氣設(shè)備狀態(tài)參數(shù)采集

電氣工程自動(dòng)化控制原理是根據(jù)計(jì)算預(yù)期電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)之間的偏差量，然后通過(guò)智能算法得出控制量，從而控制電氣設(shè)備運(yùn)行的一種方法[2]?；诖?，首要環(huán)節(jié)就是采集電氣設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。電氣設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)的采集一般通過(guò)各種傳感器來(lái)完成。傳感器是一種利用前端敏感元件獲取狀態(tài)量信息，然后按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，提高信號(hào)質(zhì)量，最后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出檢測(cè)值，完成狀態(tài)參數(shù)采集。

1.2控制量計(jì)算方法

基于上述環(huán)節(jié)采集到的電氣設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，本章節(jié)進(jìn)行關(guān)鍵的控制量計(jì)算?？刂屏坑?jì)算方法目前主要有兩種：一種是PID技術(shù)，另一種是模糊技術(shù)[3]。下面對(duì)這兩種常用的技術(shù)進(jìn)行具體分析。1.2.1PID技術(shù)PID，由“比例、積分、微分”三個(gè)英文單詞的首字母而來(lái)，因此顧名思義，控制量通過(guò)這三部分運(yùn)算而得到，具體過(guò)程如下：步驟1：輸入給定值；步驟2：計(jì)算給定值和實(shí)際值之間的誤差。誤差差值的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：（1）式中，F(xiàn)（t）為給定值和實(shí)際值之間的誤差；p（t）為給定的預(yù)期電氣設(shè)備狀態(tài)參數(shù)值；q（t）為利用傳感器檢測(cè)出來(lái)的電氣設(shè)備狀態(tài)參數(shù)實(shí)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(guān)系。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，這一部分就會(huì)馬上發(fā)揮作用，調(diào)節(jié)比例偏差。積分在其中發(fā)揮的作用是去除二者之間穩(wěn)定誤差，簡(jiǎn)單說(shuō)，通過(guò)不斷累積誤差來(lái)抵消電氣設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)穩(wěn)定誤差[4]。微分的作用則是反映電氣工程設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中偏差出現(xiàn)的規(guī)律性。根據(jù)規(guī)律性，可以對(duì)未來(lái)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便提前進(jìn)行調(diào)節(jié)，加快系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。步驟4：根據(jù)“比例、積分、微分”的運(yùn)算，得出控制量。運(yùn)算公式如下：（2）式中，y（t）為得出的控制量；kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。步驟5：根據(jù)得出的控制量控制電氣設(shè)備運(yùn)行。1.2.2模糊技術(shù)模糊技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)模糊理論來(lái)處理誤差量，以此得出控制量的一種方法。下面對(duì)模糊技術(shù)的具體過(guò)程進(jìn)行分析。步驟1：模糊化。模糊技術(shù)，從名稱上就可以看出所有過(guò)程都是以一種模糊的形式進(jìn)行，因此首先需要將給定值和實(shí)際值之間的誤差精確值轉(zhuǎn)化為模糊矢量。步驟2：知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)的作用是為后期模糊推理提供依據(jù)。在這里，主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。前者起到存儲(chǔ)作用，后者編寫推理時(shí)用到的規(guī)則。步驟3：模糊推理。根據(jù)建立模糊規(guī)則，推理得到電氣設(shè)備的控制變量。步驟4：利用模糊規(guī)則推理得到數(shù)據(jù)自然也是模糊形式的，而在實(shí)際控制中，則要求精確控制數(shù)據(jù)值，因此在推理出模糊控制變量后，還需要將其轉(zhuǎn)換回精確值。以上這一過(guò)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(quán)平均法（重心法）、中位數(shù)法等三種。上述兩種方法都可以求出電氣設(shè)備的控制量，可以單獨(dú)使用，也可以二者結(jié)合在一起使用。結(jié)合在一起的使用方法能彌補(bǔ)二者各自存在的缺點(diǎn)，是當(dāng)前很多電氣設(shè)備運(yùn)行中常見(jiàn)的核心控制算法。

2智能化技術(shù)的應(yīng)用效果測(cè)試與分析

基于上述正文當(dāng)中基于智能化技術(shù)的電氣工程自動(dòng)化控制策略的理論研究成果，本章節(jié)進(jìn)行應(yīng)用效果測(cè)試與分析。

2.1電氣設(shè)備

電氣工程自動(dòng)化當(dāng)前主要用于工業(yè)控制設(shè)備當(dāng)中。而工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中常見(jiàn)的設(shè)備，也是最需要自動(dòng)控制的設(shè)備是伺服電機(jī)，很多大型機(jī)械設(shè)備運(yùn)行都需要伺服電機(jī)的帶動(dòng)才能進(jìn)行作業(yè)和生產(chǎn)，因此本文就選擇伺服電機(jī)作為控制對(duì)象。所選擇的伺服電機(jī)主要特點(diǎn)如下：（1）采用伺服控制機(jī)構(gòu)的引擎，實(shí)現(xiàn)2.5kHz的速度響應(yīng)；（2）電機(jī)配置22位位置編碼器；（3）支持SSCNETⅢ/H網(wǎng)絡(luò)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(jí)，三相或單相200V，三相400V等；（5）轉(zhuǎn)速：1000轉(zhuǎn)/分，1500轉(zhuǎn)/分，2000轉(zhuǎn)/分，3000轉(zhuǎn)/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(diào)整功能；（8）400萬(wàn)脈沖/轉(zhuǎn)的編碼器。

2.2傳感器選型

伺服電機(jī)的主要控制量為機(jī)器轉(zhuǎn)速，因此在這里選擇一種旋轉(zhuǎn)式速度傳感器。該傳感器能耗低、工作時(shí)間長(zhǎng)，是常見(jiàn)的速度采集設(shè)備。

2.3控制器選擇

本實(shí)驗(yàn)選擇模糊PID控制器對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，并利用MATLAB軟件中的Simulink建立其模型，如圖1所示。模糊與PID結(jié)合的控制原理是以模糊控制結(jié)果與PID控制的輸入，通過(guò)雙重處理來(lái)保證控制量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4控制方案設(shè)置

所要設(shè)置的預(yù)期控制方案如表1所示。

2.5智能化技術(shù)的應(yīng)用效果

按照預(yù)期控制方案，利用模糊PID智能化控制器對(duì)伺服電機(jī)這種電氣設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，然后統(tǒng)計(jì)實(shí)際輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果之間的誤差，誤差小于5轉(zhuǎn)/分，認(rèn)為控制效果達(dá)到優(yōu)秀水平。結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，利用模糊PID智能化控制器對(duì)伺服電機(jī)這種電氣設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，伺服電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)期轉(zhuǎn)速相差不大，誤差均在5轉(zhuǎn)/分之內(nèi)，說(shuō)明應(yīng)用效果較好，達(dá)到了本文研究的目的。綜上所述，為提高機(jī)械化設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量和效率，其控制程序升級(jí)是十分必要的。而要達(dá)到上述目的，智能化技術(shù)的應(yīng)用必不可少。在此背景下，為了給應(yīng)用過(guò)程提供參考，本文進(jìn)行智能技術(shù)的應(yīng)用分析。分析內(nèi)容包括兩部分，應(yīng)用過(guò)程分析和應(yīng)用效果分析，結(jié)果表明伺服電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)期轉(zhuǎn)速相差不大，誤差均在5轉(zhuǎn)/分之內(nèi)，達(dá)到本文研究的目的。通過(guò)本研究以期為電氣工程自動(dòng)化控制效率的提高提供參考和借鑒。

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作者:於偉 單位:先尼科化工（上海）有限公司