现代控制技术在电气工程中的应用

蔡侨侨

摘 要：随着电气工程系统的发展和应用，传统的控制理论已经无法很好地适应电气工程的需求。现代控制理论的深入研究，为电气工程自动化的进一步发展提供了技术上的可能。通过对现代控制理论中智能控制、模糊控制、非线性控制技术的应用特点分析，提出了传统电气控制的不足，以及现代控制技术应用的现状。

关键词：现代控制；模糊控制；智能控制；非线性控制

随着全球范围内的经济与科技进步的步伐在不断加快，各种先进的控制理论被相继提出并逐渐应用到工业生产和人们的日常生活中。作为现代工业生产和城市建设中重要的基础部分，电气工程的控制能力已成为限制和提升经济和社会进步的重要因素。随着电气工程中先进技术的应用集成，系统往往越来越复杂，其非线性、时变性和小确定性参数越来越明显。同时，对于电气工程中的控制也变得越来越复杂，现代控制理论和技术逐渐地被提出和广泛地应用开来，并发挥了巨大的优势。

1 电气系统的智能控制

电气工程自动化正在成为电气系统未来发展的方向，智能控制是其中电气自动化的关键节点。当前电气系统中智能控制的应用十分广泛，例如对电气系统开关量、系统模拟量等方面的数据进行实时采集和处理；对电气系统和设备运行状态的实时监测和控制；对电气系统故障进行记录、在线诊断及紧急处理等。

1.1 控制系统的优化设计

电气设备的控制系统的优化设计是智能控制应用中的重要内容之一，是对现代控制理论与控制经验统一结合的先进控制技术，也是基于遗传算法的一种优化搜索。在对电气产品的优化设计中主要体现的是对遗传算法与专家系统的应用，遗传算法作为衍生于自然界进化规律的高级算法，有着极高的计算精度和自适应能力。在传统的电气设备和产品设计中，设计者主要是通过对以往产品设计的经验和不足进行总结，再通过大量的试验手段对设计思路与构想进行验证。这种设计方式不仅工作量大，效率低下，最重要的是没有相应的理论支持，得到的优化设计方案并不十分科学。计算机网络技术及其辅助设计的在电气产品中的大规模开展为现代控制技术与理论的深入应用提供了技术保障，工程师可以通过计算机辅助系统实现从产品构思、设计、制作的全过程优化，使产品的控制性能实现了质的飞越，同时也大大降低了产品的生产周期。

1.2 控制系统的故障诊断

电气产品通常在工业领域中占据着重要的岗位，因此电气产品的可靠性是一个十分关键的性能指标。作为产品核心功能的控制系统，其故障检测和诊断的能力与精确度直接关系着电气产品的稳定运行。电气产品和设备的故障表现为非线性，并具有随机性和复杂性等特点，传统的故障检测手段难以真正实现实时、准确地辨别和判断故障发生点。在故障诊断技术中引入智能控制，能够使故障诊断的精度大为提高，同时也能够缩短故障处理的时间，进一步提高产品的可靠性。例如，在大型电机的控制系统中，应用神经网络、模糊逻辑以及专家系统，不仅可以对智能技术在故障检测和诊断过程中的模糊性特点有效保留，也将神经网路对故障检测的高灵敏度特点得到充分的发挥，使控制系统对故障精确诊断方面有了很大提高。

2 电气系统的模糊控制技术

目前绝大多数的电机调速控制采用的是PID控制技术，PID控制技术结构简单，具有较强的稳定性，生产实践中应用极为广泛。但随着PID控制技术的大規模应用，其系统自身也暴露出了一些问题，该技术应用的关键是对系统做出准确的测量和判断后，对系统进行自动的修正。然而，现实中多数工业工程都是非线性变化，PID虽可以将过程简化并变成基本线性模型进行控制，始终无法有效克服负载以及模型参数的大范围变化，也就是说不能更为精确地控制系统。模糊控制技术应用于电气工程中，能够反映系统的非线性时变，且不需要对被控制系统进行数学模型简化和转换，在电气产品设计中更加灵活。

2.1 基于简单模糊控制器的速度控制

在电气系统调速系统的控制中，要想实现模糊控制需要设计模糊控制器，通过一定算法实现语言控制。首先，根据系统接收到的信息量进行模糊化，并将信息量进行语言转化输入到模糊量的模糊子集中；其次，拟定相应的模糊控制规则，利用适应条件内的模糊关系来确定需测试的模糊量身份；最后，由输出系统将最终的计算判决，转换为精确的信息值报告给上一级处理系统。简单模糊控制器应用于电气工程中，主要是取代传统的PI调速器，从而保证系统的动态性能。应用这一控制器，在电气系统的控制中只需要调节一个参数（模糊控制器的控制面为非线性形状），缩短了响应时间。

2.2 模糊PID控制器在调速中的应用

模糊PID控制是通过模糊控制法在线调节PID控制器的参数，继而使电气系统处于最优的状态。PID参数的模糊增益调节能够面对不同的对象操作。例如，在由DSP、模糊单片机组成的PI控制器、模糊控制器，利用模糊控制器反映系统的参数波动而输出变量，并不需要通过测量电机及逆变部分的精确参数。模糊PID控制器的这一特点，为电机传动系统提供了无可比拟的优势，电机传动可以更加简便，同时，由双环组成的控制器还具有超调小、响应迅速的特点，受电机调节参数的影响微乎其微，运行稳定性大大提高。

2.3 基于自适应和自学习、自组织模糊控制器的速度控制

一般意义上的模糊控制系统中对于模糊控制的规则是需要依靠开发者对被控过程的认识及操作经验的总结来实现具体控制的。被控对象的非线性、高阶性、时变性、随机性等特点都使得模糊控制系统的控制规则显得较为粗糙，模糊系统的稳定性也受到一定程度上的质疑。基于自适应、自组织、自学习的模糊控制可以根据现场的实际变化，及时作出自动调整、修改和完善模糊控制的参数与规则，能够使模糊控制系统的控制功能持续改进，不断地升级，从而达到最终对系统的稳定控制。

3 非线性控制

线性控制理论在电气工程自动化中已经应用十分广泛，并取得了一定成果。但实际上，线性控制技术是通过对电气产品工作中局部线性的稳定来进行模型简化设计的，对电气产品和设备本身固有的非线性特征未予考虑，始终存在着较大的控制漏洞。比如，线性控制要依靠产品运行中反馈的状态变量来实现控制，而在系统运行中有很多变量的测量并不是件容易的事，还有像机端电压并不属于系统状态变量，通过加权系数综合考虑多因素虽能在一定程度改善动态品质，但电压反馈增益不足，并不能完全满足电压调节要求。电气系统控制领域依然存在许多的重大技术难题。但我相信随着科学技术的不断发展，这些难题总将被克服。电气工程在各领域发展的同时，也对其控制技术提出了更高的要求，实践中需要出现基于非线性控制理论，可以弥补线性控制技术的不足。

4 结束语

近些年来，现代控制理论和技术对电气工程自动化的发展提供了技术支持。随着现代控制理论的完善和电气产品在工农业生产中的应用基础越来越广泛，电气系统也变的越来越复杂，同时也向着自动化、智能化的方向迈进。相信随着先进控制理论的不断丰富，未来在电气工程自动化控制中占据的比重会越来越大，功能性和稳定性越来越强。

参考文献

[1]卢强，梅生伟，孙元章.电力系统非线性控制[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]王浩.浅谈现代控制技术在电气工程系统中的应用[J].河北企业，2011（7）.

[3]张惠平，戴波，杨薇.现代控制理论在过程工业中的应用和发展[J].2006（9）.