數(shù)據(jù)集不均衡下的機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

梁中超

（國(guó)能榆林化工有限公司，榆林 719000）

機(jī)電設(shè)備使用過(guò)程中，受其運(yùn)行環(huán)境等因素影響，很難通過(guò)人工方式完成機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有效控制[1-3]。采取智能化手段對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)，降低機(jī)電設(shè)備故障發(fā)生概率已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[4-6]。

文獻(xiàn)[7]針對(duì)機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行誤差偏高的問(wèn)題，提出了基于PLC 的誤差控制系統(tǒng)，在構(gòu)建作動(dòng)系統(tǒng)Petri 網(wǎng)控制模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)將其轉(zhuǎn)換為PLC 可識(shí)別的程序，完成了機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)誤差控制，但該系統(tǒng)控制效率低下，且機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果未達(dá)到理想水平。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)采集的船舶機(jī)電設(shè)備開關(guān)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，得到設(shè)備工作狀態(tài)信息后，將其作為控制器的輸入，確定機(jī)電設(shè)備開關(guān)狀態(tài)的控制量，該系統(tǒng)未考慮機(jī)電設(shè)備狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)的不均衡分布特性，導(dǎo)致系統(tǒng)控制結(jié)果存在較小偏差。鑒于以上系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集不均衡下的機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)控制精度，確保機(jī)電設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要組成

機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、控制層和應(yīng)用層三部分構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要組成Fig.1 Main components of the automatic control system of mechanical and electrical equipment

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層分布有若干個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是通過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)信息的上傳處理?？刂茖泳哂袡C(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)處理與控制功能，由數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊構(gòu)成。應(yīng)用層由服務(wù)器、客戶機(jī)以及交換器構(gòu)成，其職責(zé)是對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式管理，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)控制結(jié)果顯示、查詢等功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層所用的數(shù)據(jù)采集器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，采集器由三部分構(gòu)成，其中電源板可對(duì)220 V交流電進(jìn)行降壓整流處理，獲得滿足數(shù)字板、模擬板正常工作的電壓；模擬板通過(guò)A/D 芯片完成機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)的采樣，再將結(jié)果傳輸給核心芯片；數(shù)字板上除配置S3C4510B 核心芯片外，還有鍵相位信號(hào)處理電路以及復(fù)位電路等六大電路，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)鍵相位脈沖信號(hào)的采集，還能促使核心芯片進(jìn)行機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)信號(hào)采集，并上傳采集結(jié)果至控制層。

圖2 數(shù)據(jù)采集器基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of data collector

1.3 CAN 控制器設(shè)計(jì)

控制層的控制模塊采用CAN 總線控制器對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行控制，圖3 為其基本結(jié)構(gòu)圖。該控制器包含2 個(gè)關(guān)鍵組件，其一為AT89c52 單片機(jī)，其二為SJA1000CAN 控制器。CAN 總線控制器通過(guò)ADG406 模擬開關(guān)完成每個(gè)模擬通道的信號(hào)的檢測(cè)，利用AD976 轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)采集器采集信號(hào)進(jìn)行處理，完成機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取。CAN控制器以逐幀方式處理機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，再由PAC82C251 收發(fā)器對(duì)其進(jìn)行處理，獲得差分信號(hào)后，將其傳輸給CAN 總線，另外，該收發(fā)器也能接收CAN 總線傳送信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為RX 信號(hào)后發(fā)送給CAN 控制器。

圖3 CAN 總線控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 CAN bus controller structure

1.4 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)集重構(gòu)

機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)具有明顯的分布不均衡性，正常狀態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)分布的不對(duì)稱[9-10]將對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果產(chǎn)生直接影響。因此，本文采用SMOTE 方法對(duì)采集的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除正常、異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本之間的數(shù)量差異，以降低數(shù)據(jù)分布不均衡對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果的影響。

SMOTE 方法基本原理是運(yùn)用k 近鄰方法對(duì)機(jī)電設(shè)備異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行處理，以獲得與各異常狀態(tài)樣本距離較小的k 個(gè)最近鄰樣本，再根據(jù)異常狀態(tài)樣本及其最近鄰樣本重構(gòu)k 個(gè)新樣本后[11-12]，將重構(gòu)后樣本作為機(jī)電設(shè)備異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本?；赟MOTE 的異常狀態(tài)樣本重構(gòu)過(guò)程如圖4 所示，圖中，第i 個(gè)機(jī)電設(shè)備異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本表示為xi，其最近鄰樣本通過(guò)xi1、xi2、xi3、xi4表示，重構(gòu)后的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本xi的重構(gòu)結(jié)果通過(guò)r1、r2、r3、r4表示。

圖4 基于SMOTE 的異常狀態(tài)樣本重構(gòu)過(guò)程Fig.4 Reconstruction of the abnormal state sample based on SMOTE

SMOTE 的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)流程如下：

（1）獲取機(jī)電設(shè)備異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本，通過(guò)計(jì)算xi與其鄰近樣本的歐式距離，完成具有最小距離的k 個(gè)最近鄰樣本的選擇。

（2）計(jì)算機(jī)電設(shè)備正常狀態(tài)數(shù)據(jù)與異常狀態(tài)數(shù)據(jù)的比值，將其作為采樣倍率N，在xi的最近鄰樣本中任意挑選N 個(gè)樣本，表示為xij。

（3）對(duì)xij和xi做隨機(jī)線性插值，以完成異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本的重構(gòu)，隨機(jī)線性插值表示為

式中：rand（0，1）表示值域?yàn)椋?，1）的一個(gè)任意數(shù)。

（4）將新獲得的新機(jī)電設(shè)備異常狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本加入到原始機(jī)電設(shè)備狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)集中，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本的重構(gòu)。

1.5 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制

在完成對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的重構(gòu)處理后，利用PID 控制器完成其狀態(tài)的控制。由于機(jī)電設(shè)備具有感抗特性，為使機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生震蕩問(wèn)題，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，以使機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制器控制效果最優(yōu)?；赑ID 的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 基于PID 的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)Fig.5 State control structure of electromechanical equipment based on PID

本文設(shè)計(jì)的控制器不直接作用于機(jī)電設(shè)備上，是通過(guò)對(duì)機(jī)電設(shè)備工作電流進(jìn)行控制，并修正控制器參數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的精準(zhǔn)控制?？刂破髦邪? 個(gè)分別用Au、Av、Aw描述的開關(guān)，基于控制器開關(guān)狀態(tài)，可完成8 種運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)電設(shè)備輸入電壓與直流電壓關(guān)系的刻畫，依據(jù)二者關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確控制。采集機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)，消除數(shù)據(jù)不均衡對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制的影響后，設(shè)計(jì)基于模糊PID 的控制器作用于機(jī)電設(shè)備工作電流上，并引入人工智能技術(shù)完成機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的有效控制。利用人工智能技術(shù)可確?？刂破鬏敵雠c輸入循環(huán)過(guò)程的不變，支持文字、語(yǔ)音等作為控制器的控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)化控制。機(jī)電設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)化控制流程如圖6所示。

圖6 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)化控制流程Fig.6 Automatic control flow chart of mechanical and electrical equipment status

2 仿真測(cè)試

以運(yùn)行于某生產(chǎn)公司的大型機(jī)電設(shè)備為研究對(duì)象，在如下實(shí)驗(yàn)環(huán)境下運(yùn)行本文系統(tǒng)：操作系統(tǒng)為Windows8.0，采用四核CPU 處理器，工作頻率為3.7 GHz，內(nèi)存16 GB。采用本文系統(tǒng)對(duì)該大型機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)總量為2000 條，通過(guò)對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的控制性能。

機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)具有典型不均衡性，為消除數(shù)據(jù)分布不對(duì)稱對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果的影響，采用本文系統(tǒng)對(duì)訓(xùn)練樣本作重構(gòu)處理，設(shè)定鄰近樣本數(shù)為6，采樣倍率為280%，原始樣本數(shù)據(jù)重構(gòu)結(jié)果如表1 所示。分析表1 可知，原始訓(xùn)練樣本中，正常樣本與異常樣本數(shù)量差異較大，數(shù)據(jù)分布呈現(xiàn)出較大的不均衡性，通過(guò)對(duì)原始機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，使得新樣本中的正常、異常樣本數(shù)量之差大幅降低，數(shù)據(jù)分布的不均衡性被打破，將有利于后續(xù)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果的提升。

表1 原始樣本數(shù)據(jù)重構(gòu)結(jié)果分析Tab.1 Analysis of reconstruction results of original sample data

應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)比分析控制實(shí)驗(yàn)下的機(jī)電設(shè)備工作電流、控制時(shí)間，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。分析表2 可知，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行控制，3 次控制后的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行電流變化幅度很小，最大波動(dòng)量為0.02 A，最小控制時(shí)間為17.6 s，最大時(shí)間為18.2 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)控制后的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行電流平穩(wěn)，且控制效率高。

表2 不同系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of state control results of electromechanical equipment in different systems

為分析本文系統(tǒng)的控制效果，將機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行下的電流曲線作為參照物，機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制前后電流曲線與正常電流運(yùn)行曲線的對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。分析圖7 可知，當(dāng)機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，其電流曲線相比正常狀態(tài)將發(fā)生較大的偏離，電流幅值增大的同時(shí)，還有明顯的滯后問(wèn)題，電流曲線平滑度不高、穩(wěn)定性較差；應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行控制后，此時(shí)的電流曲線與正常狀態(tài)下具有相同的走勢(shì)規(guī)律，且兩曲線基本重合，曲線平滑，無(wú)明顯抖動(dòng)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)控制，并取得較好的控制效果。

圖7 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果分析Fig.7 Analysis of state control effect of electromechanical equipment

誤差是反映機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果的重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制后的電流運(yùn)行誤差進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的應(yīng)用性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。分析圖8 可知，隨著控制時(shí)間的增長(zhǎng)，機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制誤差呈不斷降低趨勢(shì)發(fā)展，在前10 s 控制過(guò)程中，誤差曲線降低幅度較大，之后誤差曲線逐漸趨于平穩(wěn)，當(dāng)控制時(shí)間達(dá)到16 s左右，控制誤差曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，控制誤差介于0.01 與0.02 之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行控制，可有效降低控制誤差，機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制效果突出。

圖8 本文系統(tǒng)性能分析Fig.8 System performance analysis of this paper

3 結(jié)語(yǔ)

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某企業(yè)大型機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)控制中，在機(jī)電設(shè)備狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)集重構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)機(jī)電設(shè)備狀態(tài)控制結(jié)果、電流曲線以及控制誤差進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)控制，控制時(shí)間短，控制后的機(jī)電設(shè)備電流運(yùn)行穩(wěn)定，與正常狀態(tài)下的電流曲線基本重合，控制誤差介于0.01 與0.02 之間。