於偉

(先尼科化工(上海)有限公司,上海 201707)

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]。基于此,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。控制量計(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。

1.2.1 PID 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：

式中,F(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：

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。

圖1 模糊PID 控制器模型

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。

表1 預(yù)期控制方案

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。

表2 智能化技術(shù)的應(yīng)用效果

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。