現(xiàn)代控制技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用

蔡僑僑

摘 要：隨著電氣工程系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的控制理論已經(jīng)無法很好地適應(yīng)電氣工程的需求。現(xiàn)代控制理論的深入研究，為電氣工程自動化的進一步發(fā)展提供了技術(shù)上的可能。通過對現(xiàn)代控制理論中智能控制、模糊控制、非線性控制技術(shù)的應(yīng)用特點分析，提出了傳統(tǒng)電氣控制的不足，以及現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代控制；模糊控制；智能控制；非線性控制

隨著全球范圍內(nèi)的經(jīng)濟與科技進步的步伐在不斷加快，各種先進的控制理論被相繼提出并逐漸應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)中重要的基礎(chǔ)部分，電氣工程的控制能力已成為限制和提升經(jīng)濟和社會進步的重要因素。隨著電氣工程中先進技術(shù)的應(yīng)用集成，系統(tǒng)往往越來越復(fù)雜，其非線性、時變性和小確定性參數(shù)越來越明顯。同時，對于電氣工程中的控制也變得越來越復(fù)雜，現(xiàn)代控制理論和技術(shù)逐漸地被提出和廣泛地應(yīng)用開來，并發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢。

1 電氣系統(tǒng)的智能控制

電氣工程自動化正在成為電氣系統(tǒng)未來發(fā)展的方向，智能控制是其中電氣自動化的關(guān)鍵節(jié)點。當(dāng)前電氣系統(tǒng)中智能控制的應(yīng)用十分廣泛，例如對電氣系統(tǒng)開關(guān)量、系統(tǒng)模擬量等方面的數(shù)據(jù)進行實時采集和處理；對電氣系統(tǒng)和設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制；對電氣系統(tǒng)故障進行記錄、在線診斷及緊急處理等。

1.1 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

電氣設(shè)備的控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是智能控制應(yīng)用中的重要內(nèi)容之一，是對現(xiàn)代控制理論與控制經(jīng)驗統(tǒng)一結(jié)合的先進控制技術(shù)，也是基于遺傳算法的一種優(yōu)化搜索。在對電氣產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計中主要體現(xiàn)的是對遺傳算法與專家系統(tǒng)的應(yīng)用，遺傳算法作為衍生于自然界進化規(guī)律的高級算法，有著極高的計算精度和自適應(yīng)能力。在傳統(tǒng)的電氣設(shè)備和產(chǎn)品設(shè)計中，設(shè)計者主要是通過對以往產(chǎn)品設(shè)計的經(jīng)驗和不足進行總結(jié)，再通過大量的試驗手段對設(shè)計思路與構(gòu)想進行驗證。這種設(shè)計方式不僅工作量大，效率低下，最重要的是沒有相應(yīng)的理論支持，得到的優(yōu)化設(shè)計方案并不十分科學(xué)。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其輔助設(shè)計的在電氣產(chǎn)品中的大規(guī)模開展為現(xiàn)代控制技術(shù)與理論的深入應(yīng)用提供了技術(shù)保障，工程師可以通過計算機輔助系統(tǒng)實現(xiàn)從產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、制作的全過程優(yōu)化，使產(chǎn)品的控制性能實現(xiàn)了質(zhì)的飛越，同時也大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

1.2 控制系統(tǒng)的故障診斷

電氣產(chǎn)品通常在工業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)著重要的崗位，因此電氣產(chǎn)品的可靠性是一個十分關(guān)鍵的性能指標(biāo)。作為產(chǎn)品核心功能的控制系統(tǒng)，其故障檢測和診斷的能力與精確度直接關(guān)系著電氣產(chǎn)品的穩(wěn)定運行。電氣產(chǎn)品和設(shè)備的故障表現(xiàn)為非線性，并具有隨機性和復(fù)雜性等特點，傳統(tǒng)的故障檢測手段難以真正實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確地辨別和判斷故障發(fā)生點。在故障診斷技術(shù)中引入智能控制，能夠使故障診斷的精度大為提高，同時也能夠縮短故障處理的時間，進一步提高產(chǎn)品的可靠性。例如，在大型電機的控制系統(tǒng)中，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯以及專家系統(tǒng)，不僅可以對智能技術(shù)在故障檢測和診斷過程中的模糊性特點有效保留，也將神經(jīng)網(wǎng)路對故障檢測的高靈敏度特點得到充分的發(fā)揮，使控制系統(tǒng)對故障精確診斷方面有了很大提高。

2 電氣系統(tǒng)的模糊控制技術(shù)

目前絕大多數(shù)的電機調(diào)速控制采用的是PID控制技術(shù)，PID控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，具有較強的穩(wěn)定性，生產(chǎn)實踐中應(yīng)用極為廣泛。但隨著PID控制技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，其系統(tǒng)自身也暴露出了一些問題，該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是對系統(tǒng)做出準(zhǔn)確的測量和判斷后，對系統(tǒng)進行自動的修正。然而，現(xiàn)實中多數(shù)工業(yè)工程都是非線性變化，PID雖可以將過程簡化并變成基本線性模型進行控制，始終無法有效克服負(fù)載以及模型參數(shù)的大范圍變化，也就是說不能更為精確地控制系統(tǒng)。模糊控制技術(shù)應(yīng)用于電氣工程中，能夠反映系統(tǒng)的非線性時變，且不需要對被控制系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)模型簡化和轉(zhuǎn)換，在電氣產(chǎn)品設(shè)計中更加靈活。

2.1 基于簡單模糊控制器的速度控制

在電氣系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的控制中，要想實現(xiàn)模糊控制需要設(shè)計模糊控制器，通過一定算法實現(xiàn)語言控制。首先，根據(jù)系統(tǒng)接收到的信息量進行模糊化，并將信息量進行語言轉(zhuǎn)化輸入到模糊量的模糊子集中；其次，擬定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，利用適應(yīng)條件內(nèi)的模糊關(guān)系來確定需測試的模糊量身份；最后，由輸出系統(tǒng)將最終的計算判決，轉(zhuǎn)換為精確的信息值報告給上一級處理系統(tǒng)。簡單模糊控制器應(yīng)用于電氣工程中，主要是取代傳統(tǒng)的PI調(diào)速器，從而保證系統(tǒng)的動態(tài)性能。應(yīng)用這一控制器，在電氣系統(tǒng)的控制中只需要調(diào)節(jié)一個參數(shù)（模糊控制器的控制面為非線性形狀），縮短了響應(yīng)時間。

2.2 模糊PID控制器在調(diào)速中的應(yīng)用

模糊PID控制是通過模糊控制法在線調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，繼而使電氣系統(tǒng)處于最優(yōu)的狀態(tài)。PID參數(shù)的模糊增益調(diào)節(jié)能夠面對不同的對象操作。例如，在由DSP、模糊單片機組成的PI控制器、模糊控制器，利用模糊控制器反映系統(tǒng)的參數(shù)波動而輸出變量，并不需要通過測量電機及逆變部分的精確參數(shù)。模糊PID控制器的這一特點，為電機傳動系統(tǒng)提供了無可比擬的優(yōu)勢，電機傳動可以更加簡便，同時，由雙環(huán)組成的控制器還具有超調(diào)小、響應(yīng)迅速的特點，受電機調(diào)節(jié)參數(shù)的影響微乎其微，運行穩(wěn)定性大大提高。

2.3 基于自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)、自組織模糊控制器的速度控制

一般意義上的模糊控制系統(tǒng)中對于模糊控制的規(guī)則是需要依靠開發(fā)者對被控過程的認(rèn)識及操作經(jīng)驗的總結(jié)來實現(xiàn)具體控制的。被控對象的非線性、高階性、時變性、隨機性等特點都使得模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則顯得較為粗糙，模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性也受到一定程度上的質(zhì)疑?；谧赃m應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)的模糊控制可以根據(jù)現(xiàn)場的實際變化，及時作出自動調(diào)整、修改和完善模糊控制的參數(shù)與規(guī)則，能夠使模糊控制系統(tǒng)的控制功能持續(xù)改進，不斷地升級，從而達(dá)到最終對系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

3 非線性控制

線性控制理論在電氣工程自動化中已經(jīng)應(yīng)用十分廣泛，并取得了一定成果。但實際上，線性控制技術(shù)是通過對電氣產(chǎn)品工作中局部線性的穩(wěn)定來進行模型簡化設(shè)計的，對電氣產(chǎn)品和設(shè)備本身固有的非線性特征未予考慮，始終存在著較大的控制漏洞。比如，線性控制要依靠產(chǎn)品運行中反饋的狀態(tài)變量來實現(xiàn)控制，而在系統(tǒng)運行中有很多變量的測量并不是件容易的事，還有像機端電壓并不屬于系統(tǒng)狀態(tài)變量，通過加權(quán)系數(shù)綜合考慮多因素雖能在一定程度改善動態(tài)品質(zhì)，但電壓反饋增益不足，并不能完全滿足電壓調(diào)節(jié)要求。電氣系統(tǒng)控制領(lǐng)域依然存在許多的重大技術(shù)難題。但我相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些難題總將被克服。電氣工程在各領(lǐng)域發(fā)展的同時，也對其控制技術(shù)提出了更高的要求，實踐中需要出現(xiàn)基于非線性控制理論，可以彌補線性控制技術(shù)的不足。

4 結(jié)束語

近些年來，現(xiàn)代控制理論和技術(shù)對電氣工程自動化的發(fā)展提供了技術(shù)支持。隨著現(xiàn)代控制理論的完善和電氣產(chǎn)品在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用基礎(chǔ)越來越廣泛，電氣系統(tǒng)也變的越來越復(fù)雜，同時也向著自動化、智能化的方向邁進。相信隨著先進控制理論的不斷豐富，未來在電氣工程自動化控制中占據(jù)的比重會越來越大，功能性和穩(wěn)定性越來越強。

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