機電設備高效節(jié)能控制模型的仿真分析

楊 威

（寧波韻升股份有限公司，浙江寧波 315800）

0 引言

大型機電設備被廣泛應用于發(fā)電、機械加工、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)代化進程中以及對于推動整個經(jīng)濟社會的發(fā)展都起到重要作用。但是在大型的生產(chǎn)制造過程中，機電產(chǎn)品的能耗量巨大，為了避免“大型機電設備就應該消耗大量的能源”成為事實，下面將研究機電設備的高效機能控制方法。

1 電力設備的供配電設計原則

為了對機電設備進行節(jié)能控制，需要遵循的基本原則就是電力設備正常運行下所需的供配電設計原則，而最基本的理念就是保障設備功能以及對于機電設備的安全操作。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電設備自身功能的穩(wěn)定性，防止配電系統(tǒng)故障給人員安全和財產(chǎn)造成損失。此外，為了延長節(jié)能控制設備的使用壽命，需要使線路間具有一定的距離。

2 機電設備能耗原理

機電設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電設備能耗不同的重要原因之一。機電產(chǎn)品性能的差異會導致機電設備在不做工狀態(tài)下或是在做功峰值時會產(chǎn)生不同的功率，即使是工作任務相同，不同功率下的能耗也會存在差別。

下面先來看一下機電產(chǎn)品能耗約束模型。

其中，E 為第i 時刻機電設備的能耗，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）可以求得機電設備能耗的控制與節(jié)能優(yōu)化時間。如果令［Emin，Emax］是能源分布區(qū)間，就可以通過運用梯形能量補給模式，求得能耗輻射強度R的經(jīng)驗公式：

對于機電設備控制節(jié)點處能耗的模型，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計出對于機電設備的能耗控制及優(yōu)化，得出機電設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)。

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

3 大型機電設備能量耗散原理

大型機電設備的能耗功能差異，通常是因為不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設備的功能是不同的，比如，有些大型機電設備具有自我監(jiān)測保護機制，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備的能耗，由于大型機電設備的體系結(jié)構(gòu)以及硬件配置不同，在執(zhí)行相同任務時其處于不做功或是功率峰值狀態(tài)下的耗電量的不同，而對于不同大型機電設備，即使在執(zhí)行相同的任務時效率是不同的，所以能耗也就不同。

4 機電設備節(jié)能控制模型設計與改進

4.1 設計模型

對機電設備進行能量控制，可有效延長設備的使用壽命，這需要使設備的所有節(jié)點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 是機電設備參數(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，機電設備數(shù)據(jù)的傳輸量也會隨之不斷增大，當達到最大值時機電設備發(fā)射功率也會達到最優(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)。

如果機電設備的優(yōu)化控制是在單一采樣周期范圍內(nèi)進行的，為實現(xiàn)節(jié)能高效運行，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 預測控制原理，但是難以徹底解決機電設備在節(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，可以考慮采用機電設備衰減調(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電設備二次衰減調(diào)制的分層電頻發(fā)射功率最值：

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

然后進行機電設備能量采集信號概率密度的遞推計算。結(jié)合機電設備過放控制模式，計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。

通過上述算式計算數(shù)據(jù)可知，對于機電設備高效節(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，而對機電設備機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

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

5 仿真試驗

為了測試該算法的適用性與準確性，可以通過仿真試驗來驗證。準備進行測試的設備有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。節(jié)能優(yōu)化后，機電設備的能量使用效率提升至高達96%，設備的轉(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

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