機電設(shè)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(shè)備被廣泛應(yīng)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(shè)備就應(yīng)該消耗大量的能源”成為事實，下面將研究機電設(shè)備的高效機能控制方法。

1 電力設(shè)備的供配電設(shè)計原則

為了對機電設(shè)備進行節(jié)能控制，需要遵循的基本原則就是電力設(shè)備正常運行下所需的供配電設(shè)計原則，而最基本的理念就是保障設(shè)備功能以及對于機電設(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 機電設(shè)備能耗原理

機電設(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電設(shè)備能耗不同的重要原因之一。機電產(chǎn)品性能的差異會導(dǎo)致機電設(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。

下面先來看一下機電產(chǎn)品能耗約束模型。

其中，E 為第i 時刻機電設(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(shè)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(shè)計出對于機電設(shè)備的能耗控制及優(yōu)化，得出機電設(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)。

對于機電設(shè)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(shè)備的節(jié)能控制與高效管理會有很大幫助。

3 大型機電設(shè)備能量耗散原理

大型機電設(shè)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(shè)備的功能是不同的，比如，有些大型機電設(shè)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(shè)備的能耗，由于大型機電設(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 機電設(shè)備節(jié)能控制模型設(shè)計與改進

4.1 設(shè)計模型

對機電設(shè)備進行能量控制，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(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，機電設(shè)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(shè)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(shè)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(yù)測控制原理，但是難以徹底解決機電設(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 表示機電設(shè)備二次衰減調(diào)制所用時間。

然后進行機電設(shè)備能量采集信號概率密度的遞推計算。結(jié)合機電設(shè)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(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，而對機電設(shè)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(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)計模型進行改進。采用衰減調(diào)制，結(jié)合機電設(shè)備高效節(jié)能控制原理，構(gòu)建機電設(shè)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(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。節(jié)能優(yōu)化后，機電設(shè)備的能量使用效率提升至高達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

為了延長機電設(shè)備的使用壽命、提升其使用效率，需要組建大型機電設(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)建機電設(shè)備控制系統(tǒng)模型，結(jié)合設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備使用壽命周期，降低設(shè)備能量損耗。