机电设备高效节能控制模型的仿真分析

张天佑

（济宁市兖州区节能监察大队，山东 济宁 272100）

传统的控制机电设备能源消耗的方法原理主要有PID控制系统、模糊神经网络决策控制系统、Smith预测控制模型、专家系统等具有自组织跟踪学习特征且或多或少包含控制预测模型原理的复合式控制方法，此类方法的确在提高和控制机电设备能耗方面得到了广泛的应用，但这些模型方法无法有效解决机电设备高效节能控制模型及仿真试验过程中所可能遇到的时滞问题，缺乏实效性和预测结果的准确性。针对上述问题，在衰减调制机电设备节能优化控制的基础上，提出了模型的改进与优化，有效实现机电设备系统的高效节能控制，并通过仿真试验验证了模型的有效与适用。

1 机电设备能耗原理

机电设备由于功能不同而存在较大的能耗差异，如拥有完善的检测保护机制的机电设备能耗高，而拥有该机制的设备能耗低。性能差异也是引起机电设备能耗迥异的重要原因，性能差异将导致机电设备在空闲或做功峰值时产生不同的功率，即使工作任务相同，但在不同功率下能耗显然存在差别。机电设备能耗约束模型如下：

式中，Ei为第i时刻机电设备能耗；i，j，k为常数。

机电设备能耗控制与节能优化时间通过式（1）～（3）便可求得，令[Emin，Emax]是能源分布区间，则通过运用梯形能量补给模式，求得能耗辐射强度（R）的经验公式，

定义机电设备控制节点处能耗模型如下：

依据流量守恒法则和能量限制理论设计机电设备的能耗控制及优化，机电设备能量消耗特征参数满足以下关系：

机电设备能耗原理与控制原理的理论分析有助于加强对机电设备的节能控制与高效管理。

2 机电设备节能控制模型设计与改进

2.1 模型设计

进行机电设备能量控制可以有效延长其使用寿命，令设备所有节点均具有同一物理特性与电气特性，各信道参数指数平滑衰落，则任一时间间隔内机电设备机能控制模型为：

其中，β为机电设备参数指数平滑衰落系数。

随着发射功率不断趋近恒定值，则机电设备数据的传输量不断增大，当达到最大值时机电设备发射功率也达到最优值，表示如下：

在单一采样周期范围内优化控制机电设备，实现节能高效运行，则：

上述设计方法主要采用Smith预测控制原理，难以彻底解决机电设备节能控制中出现的较大时滞，无法保证控制模型的时效性与适用性。为此可以考虑采用机电设备衰减调制高效节能优化控制方法，首先求得机电设备二次衰减调制的分层电频发射功率最值：

式中，N为常数，t为机电设备二次衰减调制所用时间。

进行机电设备能量采集信号概率密度的递推计算，并结合机电设备过放控制模式，计算器储能控制衰减调制参数，公式如下：

式中，d为直径，θ0为初始转角，△θ为转角变动额。由上述分析可知，机电设备高效节能控制对其使用寿命和工业生产效率有直接影响，研究机电设备机能控制模型设计可以大大延长其使用寿命。

2.2 模型改进

为改进机电设备节能控制系统所存在的较大时滞，必须改进其模型设计，现采用衰减调制基础上的机电设备高效节能控制原理，构建起机电设备节能开销状态模型：

按照“先分割后排序”的顺序确定节点能耗演变中的分割度，即进行整体系统等级分割，按等级进行个体排序，并按下式进行表达能耗遍历进化过程的模拟：

将机电设备励磁系数k1和极值下实际绕组跨距系数kβ考虑进去，则转矩为：

为避免机电设备充电过程继续，可以考虑将其高效节能优化控制模拟在单一采样周期内进行，求得机电设备节能控制偏差及其积分的模糊控制变量集为{NB,NM,ZO,PM,PB}，论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，则机电设备高效节能控制模式下直流侧电压输出的优化控制模型矩阵为：

机电设备节能控制模型中的α和u值的确定采用无损二次衰减调制原理进行，通过微分方程的求解便可得到GM(1,1)灰色预测模型，如下：

式（19）为改进后的机电设备高效节能控制模型，为提升系统响应速度，还应进行模型系统改进以消除偏差，由此引入基于无损二次衰减调制的机电设备高效节能优化控制的改进算法，既提高了系统响应灵敏度，又克服了机电设备发射功率匹配衰减的制约，控制效能大大提升。

3 仿真试验

通过仿真试验验证上述测试算法的适用性与准确性，待测机电设备包括MCU、电源模块、显示电路、电压电流采集电路等部分，仿真试验环境为Pentium(R)4CPU，3GHz，512M内存PC机，进行节能优化后机电设备效率提升至96%，转矩输出增大为10Nm，体积为1.1×10-6m³，能量损耗降为55.6kW，其余参数优化结果详见表1。

表1 变量优化范围与结果

通过参数设定和仿真试验进行机电设备节能控制情况的测算，将模型预测误差与传统方式所测误差进行比较可以发现，通过高效节能控制模型进行机电设备机能控制的能耗非常接近目标值，控制效果良好，寿命周期有效延长，能量损耗大大降低。利用蒙特卡洛试验进一步量化分析机电设备节能优化控制的各项参数指标，并将对比过程与结果通过能耗曲线图直观反应，可以看出优化设计的机电设备节能控制系统在各种工况下系统能耗均较低，平均节约能耗40%，节能效果显著。

4 结语

机电设备在生产过程中普遍能耗较高，适用性较差且产能较低，而加强机电设备节能控制是提高设备适用性、增加产能的关键，机电设备高效节能控制具有非线性、扰动性大和时滞长等特殊性。文章通过构建机电设备控制系统模型，充分结合设备协调控制机制，对其进行无损二次衰减控制的节能控制总体模型，并在设定情境下进行仿真试验，结果表明，本文所构建的高效节能控制模型能有效延长机电设备使用寿命周期，降低设备使用中的能量损耗。