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        機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制模型的仿真分析

        2020-08-12 02:21:28
        設(shè)備管理與維修 2020年14期
        關(guān)鍵詞:機(jī)電產(chǎn)品使用壽命常數(shù)

        楊 威

        (寧波韻升股份有限公司,浙江寧波 315800)

        0 引言

        大型機(jī)電設(shè)備被廣泛應(yīng)用于發(fā)電、機(jī)械加工、流水線制造等此類大型的、大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)中,在整個工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中以及對于推動整個經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展都起到重要作用。但是在大型的生產(chǎn)制造過程中,機(jī)電產(chǎn)品的能耗量巨大,為了避免“大型機(jī)電設(shè)備就應(yīng)該消耗大量的能源”成為事實(shí),下面將研究機(jī)電設(shè)備的高效機(jī)能控制方法。

        1 電力設(shè)備的供配電設(shè)計(jì)原則

        為了對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制,需要遵循的基本原則就是電力設(shè)備正常運(yùn)行下所需的供配電設(shè)計(jì)原則,而最基本的理念就是保障設(shè)備功能以及對于機(jī)電設(shè)備的安全操作。這樣,不僅可以保障對人和環(huán)境的安全,也可以在一定程度上保障機(jī)電設(shè)備自身功能的穩(wěn)定性,防止配電系統(tǒng)故障給人員安全和財(cái)產(chǎn)造成損失。此外,為了延長節(jié)能控制設(shè)備的使用壽命,需要使線路間具有一定的距離。

        2 機(jī)電設(shè)備能耗原理

        機(jī)電設(shè)備的能耗并不是一成不變的,由于功能不同、環(huán)境不同以及種類不同,存在著許多的差異。而性能差異也是引起機(jī)電設(shè)備能耗不同的重要原因之一。機(jī)電產(chǎn)品性能的差異會導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備在不做工狀態(tài)下或是在做功峰值時會產(chǎn)生不同的功率,即使是工作任務(wù)相同,不同功率下的能耗也會存在差別。

        下面先來看一下機(jī)電產(chǎn)品能耗約束模型。

        其中,E 為第i 時刻機(jī)電設(shè)備的能耗,s(t)為單位時間,i、j和k 為常數(shù),其他字母均為常數(shù)。由式(1)~(3)可以求得機(jī)電設(shè)備能耗的控制與節(jié)能優(yōu)化時間。如果令[Emin,Emax]是能源分布區(qū)間,就可以通過運(yùn)用梯形能量補(bǔ)給模式,求得能耗輻射強(qiáng)度R的經(jīng)驗(yàn)公式:

        對于機(jī)電設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)處能耗的模型,其定義見式(4)。

        其中,V 代表動能,a 表示常數(shù),m 表示常數(shù)(做功次數(shù))。

        根據(jù)流量守恒定律以及能量限制理論可以設(shè)計(jì)出對于機(jī)電設(shè)備的能耗控制及優(yōu)化,得出機(jī)電設(shè)備能量的消耗特征的參數(shù):。其中,k 表示功率,n 表示做功次數(shù),r、z 和Φ 表示常數(shù)。

        對于機(jī)電設(shè)備能耗的原理與控制的原理的理論進(jìn)行分析,對于日后機(jī)電設(shè)備的節(jié)能控制與高效管理會有很大幫助。

        3 大型機(jī)電設(shè)備能量耗散原理

        大型機(jī)電設(shè)備的能耗功能差異,通常是因?yàn)椴煌a(chǎn)廠家生產(chǎn)的設(shè)備的功能是不同的,比如,有些大型機(jī)電設(shè)備具有自我監(jiān)測保護(hù)機(jī)制,而有些卻不具備此功能,因而其能耗就會減少。而性能差異也會影響設(shè)備的能耗,由于大型機(jī)電設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)以及硬件配置不同,在執(zhí)行相同任務(wù)時其處于不做功或是功率峰值狀態(tài)下的耗電量的不同,而對于不同大型機(jī)電設(shè)備,即使在執(zhí)行相同的任務(wù)時效率是不同的,所以能耗也就不同。

        4 機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制模型設(shè)計(jì)與改進(jìn)

        4.1 設(shè)計(jì)模型

        對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行能量控制,可有效延長設(shè)備的使用壽命,這需要使設(shè)備的所有節(jié)點(diǎn)均具有同一物理特性與電氣特性,并且各信道的參數(shù)指數(shù)平滑衰落,由此可以建立機(jī)電產(chǎn)品在任一時間間隔內(nèi)的能量控制模型:k=k0n(r)其中,k 表示功率,β 是機(jī)電設(shè)備參數(shù)指數(shù)平滑衰落系數(shù),其他字母表示常數(shù)。

        發(fā)射功率會不斷趨近恒定值,機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸量也會隨之不斷增大,當(dāng)達(dá)到最大值時機(jī)電設(shè)備發(fā)射功率也會達(dá)到最優(yōu)值,即。其中,F(xiàn) 表示扭矩,PN表示總動能,其他字母為常數(shù)。

        如果機(jī)電設(shè)備的優(yōu)化控制是在單一采樣周期范圍內(nèi)進(jìn)行的,為實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效運(yùn)行,就要滿足其中,B 表示節(jié)能量,其他字母表示常數(shù)。

        上述方法主要采用了Smith 預(yù)測控制原理,但是難以徹底解決機(jī)電設(shè)備在節(jié)能控制中出現(xiàn)的時滯性,控制模型的時效性與適用性無法得到保證。面對這種情況,可以考慮采用機(jī)電設(shè)備衰減調(diào)制的高效節(jié)能優(yōu)化控制方法,使用該方法的前提是首先求出機(jī)電設(shè)備二次衰減調(diào)制的分層電頻發(fā)射功率最值:

        其中,N 表示常數(shù),t 表示機(jī)電設(shè)備二次衰減調(diào)制所用時間。

        然后進(jìn)行機(jī)電設(shè)備能量采集信號概率密度的遞推計(jì)算。結(jié)合機(jī)電設(shè)備過放控制模式,計(jì)算器儲能控制衰減調(diào)制參數(shù)如下:

        其中,d 為直徑,θ0為初始轉(zhuǎn)角,Δθ 為轉(zhuǎn)角變動額。

        通過上述算式計(jì)算數(shù)據(jù)可知,對于機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制操作會對其使用壽命和工業(yè)生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響,而對機(jī)電設(shè)備機(jī)能耗控制模型的研究可以大大延長其使用壽命。

        4.2 模型改進(jìn)

        由于機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)存在的較大時滯性,所以對能量控制設(shè)計(jì)模型進(jìn)行改進(jìn)。采用衰減調(diào)制,結(jié)合機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制原理,構(gòu)建機(jī)電設(shè)備節(jié)能狀態(tài)模型。

        5 仿真試驗(yàn)

        為了測試該算法的適用性與準(zhǔn)確性,可以通過仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證。準(zhǔn)備進(jìn)行測試的設(shè)備有MCU、電源模塊、顯示電路、電壓電流采集電路等,測試環(huán)境為Pentium(R)4CPU,3 GHz,512 M內(nèi)存PC 機(jī)。節(jié)能優(yōu)化后,機(jī)電設(shè)備的能量使用效率提升至高達(dá)96%,設(shè)備的轉(zhuǎn)矩輸出增大到10 N·m,體積為1.1×10-6m3,能量損耗降到55.6 kW,其他參數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表1。

        6 結(jié)論

        表1 變量優(yōu)化范圍與結(jié)果

        為了延長機(jī)電設(shè)備的使用壽命、提升其使用效率,需要組建大型機(jī)電設(shè)備的高效節(jié)能控制模型,但傳統(tǒng)的節(jié)能控制模型存在設(shè)備控制時滯大等問題。為此,通過構(gòu)建機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)模型,結(jié)合設(shè)備協(xié)調(diào)控制機(jī)制,對其進(jìn)行無損二次衰減控制的節(jié)能控制總體模型,并在設(shè)定情境下進(jìn)行仿真試驗(yàn):首先構(gòu)建控制系統(tǒng)總體模型,考慮大型機(jī)電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制策略,進(jìn)行無損二次衰減調(diào)制,然后利用設(shè)備的能耗輻照強(qiáng)度來確定定節(jié)能控制參數(shù),再通過計(jì)算指數(shù)平坦衰落各信道得到控制閾值,提高控制效益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所構(gòu)建的高效節(jié)能控制模型能有效延長機(jī)電設(shè)備使用壽命周期,降低設(shè)備能量損耗。

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