智能化技术在电气工程自动化控制中的应用策略研究

於伟

(先尼科化工(上海)有限公司,上海 201707)

电气工程作为现代科技领域的典型代表,极大促进了机械化、自动化生产,因此对电气工程的研究一直是我国研究的重点项目[1]。然而,随着人们生产要求的提高,控制逐渐无法满足需求。面对这种情况,将智能化技术应用其中。智能化技术能够为电气工程的工作过程提供便利,应用范围较为广泛,具体用作控制系统、故障诊断、优化设计等方面。关于这一方面的相关研究有很多,但是当前的研究多是从智能化技术应用大范围来进行,缺乏具体的、详细的应用分析。为此,本文针对智能化技术应用的一个方面,即核心控制程序,进行深入研究,探讨应用步骤以及应用效果。结果表明智能化技术的应用,使得电气设备的控制结果非常接近预期结果,精度极高,达到了本文研究的目的。

1 控制策略研究与分析

1.1 电气设备状态参数采集

电气工程自动化控制原理是根据计算预期电气设备运行参数和实际运行参数之间的偏差量,然后通过智能算法得出控制量,从而控制电气设备运行的一种方法[2]。基于此,首要环节就是采集电气设备当前的运行参数。电气设备当前的运行参数的采集一般通过各种传感器来完成。

传感器是一种利用前端敏感元件获取状态量信息,然后按一定规律变换成为电信号,并进行预处理,提高信号质量,最后进行模数转换,输出检测值,完成状态参数采集。

1.2 控制量计算方法

基于上述环节采集到的电气设备状态参数,本章节进行关键的控制量计算。控制量计算方法目前主要有两种：一种是PID技术,另一种是模糊技术[3]。下面对这两种常用的技术进行具体分析。

1.2.1 PID 技术

PID,由“比例、积分、微分”三个英文单词的首字母而来,因此顾名思义,控制量通过这三部分运算而得到,具体过程如下：

步骤1：输入给定值；

步骤2：计算给定值和实际值之间的误差。误差差值的数学表达式如下：

式中,F(t)为给定值和实际值之间的误差；p(t)为给定的预期电气设备状态参数值；q(t)为利用传感器检测出来的电气设备状态参数实际值。

步骤3：将误差划分为比例、积分、微分三部分。其中,“比例”的作用给误差分配一定的比例关系。一旦控制系统出现偏差,这一部分就会马上发挥作用,调节比例偏差。积分在其中发挥的作用是去除二者之间稳定误差,简单说,通过不断累积误差来抵消电气设备实际运行中出现稳定误差[4]。微分的作用则是反映电气工程设备运行过程中偏差出现的规律性。根据规律性,可以对未来出现的偏差进行预测,以便提前进行调节,加快系统反应时间。

步骤4：根据“比例、积分、微分”的运算,得出控制量。运算公式如下：

式中,y(t)为得出的控制量；kp为比例系数；Ti为积分时间常数；TD为微分时间常数。

步骤5：根据得出的控制量控制电气设备运行。

1.2.2 模糊技术

模糊技术是一种利用数学模糊理论来处理误差量,以此得出控制量的一种方法。下面对模糊技术的具体过程进行分析。

步骤1：模糊化。模糊技术,从名称上就可以看出所有过程都是以一种模糊的形式进行,因此首先需要将给定值和实际值之间的误差精确值转化为模糊矢量。

步骤2：知识库。知识库的作用是为后期模糊推理提供依据。在这里,主要包括数据库和规则库。前者起到存储作用,后者编写推理时用到的规则。

步骤3：模糊推理。根据建立模糊规则,推理得到电气设备的控制变量。

步骤4：利用模糊规则推理得到数据自然也是模糊形式的,而在实际控制中,则要求精确控制数据值,因此在推理出模糊控制变量后,还需要将其转换回精确值。以上这一过程被称为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隶属度法、加权平均法(重心法)、中位数法等三种。

上述两种方法都可以求出电气设备的控制量,可以单独使用,也可以二者结合在一起使用。结合在一起的使用方法能弥补二者各自存在的缺点,是当前很多电气设备运行中常见的核心控制算法。

2 智能化技术的应用效果测试与分析

基于上述正文当中基于智能化技术的电气工程自动化控制策略的理论研究成果,本章节进行应用效果测试与分析。

2.1 电气设备

电气工程自动化当前主要用于工业控制设备当中。而工业控制系统当中常见的设备,也是最需要自动控制的设备是伺服电机,很多大型机械设备运行都需要伺服电机的带动才能进行作业和生产,因此本文就选择伺服电机作为控制对象。所选择的伺服电机主要特点如下：

(1)采用伺服控制机构的引擎,实现2.5kHz 的速度响应；

(2)电机配置22 位位置编码器；

(3)支持SSCNETⅢ/H 网络的伺服放大器,支持多轴一体,多三轴一体,减少安装空间；

(4)电压等级,三相或单相200V,三相400V 等；

(5)转速：1000 转/分,1500 转/分,2000 转/分,3000 转/分等；

(6)通用接口的放大器能够接收高4Mpps 的指令脉冲频率；

(7)一键式高端伺服调整功能；

(8)400 万脉冲/转的编码器。

2.2 传感器选型

伺服电机的主要控制量为机器转速,因此在这里选择一种旋转式速度传感器。该传感器能耗低、工作时间长,是常见的速度采集设备。

2.3 控制器选择

本实验选择模糊PID 控制器对伺服电机进行控制,并利用MATLAB 软件中的Simulink 建立其模型,如图1 所示。

图1 模糊PID 控制器模型

模糊与PID 结合的控制原理是以模糊控制结果与PID 控制的输入,通过双重处理来保证控制量结果的准确性。

2.4 控制方案设置

所要设置的预期控制方案如表1 所示。

表1 预期控制方案

2.5 智能化技术的应用效果

按照预期控制方案,利用模糊PID 智能化控制器对伺服电机这种电气设备进行自动化控制,然后统计实际输出结果与预期结果之间的误差,误差小于5 转/分,认为控制效果达到优秀水平。结果如表2 所示。

表2 智能化技术的应用效果

从表2 中可以看出,利用模糊PID 智能化控制器对伺服电机这种电气设备进行自动化控制,伺服电机实际转速与预期转速相差不大,误差均在5 转/分之内,说明应用效果较好,达到了本文研究的目的。

综上所述,为提高机械化设备生产质量和效率,其控制程序升级是十分必要的。而要达到上述目的,智能化技术的应用必不可少。在此背景下,为了给应用过程提供参考,本文进行智能技术的应用分析。分析内容包括两部分,应用过程分析和应用效果分析,结果表明伺服电机实际转速与预期转速相差不大,误差均在5 转/分之内,达到本文研究的目的。通过本研究以期为电气工程自动化控制效率的提高提供参考和借鉴。