機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制模型的仿真分析

張?zhí)煊?/p>

（濟(jì)寧市兗州區(qū)節(jié)能監(jiān)察大隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272100）

傳統(tǒng)的控制機(jī)電設(shè)備能源消耗的方法原理主要有PID控制系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策控制系統(tǒng)、Smith預(yù)測控制模型、專家系統(tǒng)等具有自組織跟蹤學(xué)習(xí)特征且或多或少包含控制預(yù)測模型原理的復(fù)合式控制方法，此類方法的確在提高和控制機(jī)電設(shè)備能耗方面得到了廣泛的應(yīng)用，但這些模型方法無法有效解決機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制模型及仿真試驗(yàn)過程中所可能遇到的時(shí)滯問題，缺乏實(shí)效性和預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對上述問題，在衰減調(diào)制機(jī)電設(shè)備節(jié)能優(yōu)化控制的基礎(chǔ)上，提出了模型的改進(jìn)與優(yōu)化，有效實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的高效節(jié)能控制，并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效與適用。

1 機(jī)電設(shè)備能耗原理

機(jī)電設(shè)備由于功能不同而存在較大的能耗差異，如擁有完善的檢測保護(hù)機(jī)制的機(jī)電設(shè)備能耗高，而擁有該機(jī)制的設(shè)備能耗低。性能差異也是引起機(jī)電設(shè)備能耗迥異的重要原因，性能差異將導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備在空閑或做功峰值時(shí)產(chǎn)生不同的功率，即使工作任務(wù)相同，但在不同功率下能耗顯然存在差別。機(jī)電設(shè)備能耗約束模型如下：

式中，Ei為第i時(shí)刻機(jī)電設(shè)備能耗；i，j，k為常數(shù)。

機(jī)電設(shè)備能耗控制與節(jié)能優(yōu)化時(shí)間通過式（1）～（3）便可求得，令[Emin，Emax]是能源分布區(qū)間，則通過運(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，

定義機(jī)電設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)處能耗模型如下：

依據(jù)流量守恒法則和能量限制理論設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備的能耗控制及優(yōu)化，機(jī)電設(shè)備能量消耗特征參數(shù)滿足以下關(guān)系：

機(jī)電設(shè)備能耗原理與控制原理的理論分析有助于加強(qiáng)對機(jī)電設(shè)備的節(jié)能控制與高效管理。

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

2.1 模型設(shè)計(jì)

進(jìn)行機(jī)電設(shè)備能量控制可以有效延長其使用壽命，令設(shè)備所有節(jié)點(diǎn)均具有同一物理特性與電氣特性，各信道參數(shù)指數(shù)平滑衰落，則任一時(shí)間間隔內(nèi)機(jī)電設(shè)備機(jī)能控制模型為：

其中，β為機(jī)電設(shè)備參數(shù)指數(shù)平滑衰落系數(shù)。

隨著發(fā)射功率不斷趨近恒定值，則機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸量不斷增大，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)機(jī)電設(shè)備發(fā)射功率也達(dá)到最優(yōu)值，表示如下：

在單一采樣周期范圍內(nèi)優(yōu)化控制機(jī)電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效運(yùn)行，則：

上述設(shè)計(jì)方法主要采用Smith預(yù)測控制原理，難以徹底解決機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制中出現(xiàn)的較大時(shí)滯，無法保證控制模型的時(shí)效性與適用性。為此可以考慮采用機(jī)電設(shè)備衰減調(diào)制高效節(jié)能優(yōu)化控制方法，首先求得機(jī)電設(shè)備二次衰減調(diào)制的分層電頻發(fā)射功率最值：

式中，N為常數(shù)，t為機(jī)電設(shè)備二次衰減調(diào)制所用時(shí)間。

進(jìn)行機(jī)電設(shè)備能量采集信號(hào)概率密度的遞推計(jì)算，并結(jié)合機(jī)電設(shè)備過放控制模式，計(jì)算器儲(chǔ)能控制衰減調(diào)制參數(shù)，公式如下：

式中，d為直徑，θ0為初始轉(zhuǎn)角，△θ為轉(zhuǎn)角變動(dòng)額。由上述分析可知，機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制對其使用壽命和工業(yè)生產(chǎn)效率有直接影響，研究機(jī)電設(shè)備機(jī)能控制模型設(shè)計(jì)可以大大延長其使用壽命。

2.2 模型改進(jìn)

為改進(jìn)機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)所存在的較大時(shí)滯，必須改進(jìn)其模型設(shè)計(jì)，現(xiàn)采用衰減調(diào)制基礎(chǔ)上的機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制原理，構(gòu)建起機(jī)電設(shè)備節(jié)能開銷狀態(tài)模型：

按照“先分割后排序”的順序確定節(jié)點(diǎn)能耗演變中的分割度，即進(jìn)行整體系統(tǒng)等級(jí)分割，按等級(jí)進(jìn)行個(gè)體排序，并按下式進(jìn)行表達(dá)能耗遍歷進(jìn)化過程的模擬：

將機(jī)電設(shè)備勵(lì)磁系數(shù)k1和極值下實(shí)際繞組跨距系數(shù)kβ考慮進(jìn)去，則轉(zhuǎn)矩為：

為避免機(jī)電設(shè)備充電過程繼續(xù)，可以考慮將其高效節(jié)能優(yōu)化控制模擬在單一采樣周期內(nèi)進(jìn)行，求得機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制偏差及其積分的模糊控制變量集為{NB,NM,ZO,PM,PB}，論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，則機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制模式下直流側(cè)電壓輸出的優(yōu)化控制模型矩陣為：

機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制模型中的α和u值的確定采用無損二次衰減調(diào)制原理進(jìn)行，通過微分方程的求解便可得到GM(1,1)灰色預(yù)測模型，如下：

式（19）為改進(jìn)后的機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制模型，為提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，還應(yīng)進(jìn)行模型系統(tǒng)改進(jìn)以消除偏差，由此引入基于無損二次衰減調(diào)制的機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能優(yōu)化控制的改進(jìn)算法，既提高了系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度，又克服了機(jī)電設(shè)備發(fā)射功率匹配衰減的制約，控制效能大大提升。

3 仿真試驗(yàn)

通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證上述測試算法的適用性與準(zhǔn)確性，待測機(jī)電設(shè)備包括MCU、電源模塊、顯示電路、電壓電流采集電路等部分，仿真試驗(yàn)環(huán)境為Pentium(R)4CPU，3GHz，512M內(nèi)存PC機(jī)，進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化后機(jī)電設(shè)備效率提升至96%，轉(zhuǎn)矩輸出增大為10Nm，體積為1.1×10-6m3，能量損耗降為55.6kW，其余參數(shù)優(yōu)化結(jié)果詳見表1。

表1 變量優(yōu)化范圍與結(jié)果

通過參數(shù)設(shè)定和仿真試驗(yàn)進(jìn)行機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制情況的測算，將模型預(yù)測誤差與傳統(tǒng)方式所測誤差進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，通過高效節(jié)能控制模型進(jìn)行機(jī)電設(shè)備機(jī)能控制的能耗非常接近目標(biāo)值，控制效果良好，壽命周期有效延長，能量損耗大大降低。利用蒙特卡洛試驗(yàn)進(jìn)一步量化分析機(jī)電設(shè)備節(jié)能優(yōu)化控制的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，并將對比過程與結(jié)果通過能耗曲線圖直觀反應(yīng)，可以看出優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)在各種工況下系統(tǒng)能耗均較低，平均節(jié)約能耗40%，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)語

機(jī)電設(shè)備在生產(chǎn)過程中普遍能耗較高，適用性較差且產(chǎn)能較低，而加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備節(jié)能控制是提高設(shè)備適用性、增加產(chǎn)能的關(guān)鍵，機(jī)電設(shè)備高效節(jié)能控制具有非線性、擾動(dòng)性大和時(shí)滯長等特殊性。文章通過構(gòu)建機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)模型，充分結(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)，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)備使用中的能量損耗。