基于遺傳算法的優(yōu)化磁保持繼電器控制系統(tǒng)樣機設(shè)計

摘 要：在電磁仿真和磁保持繼電器動態(tài)數(shù)學(xué)模型的理論研究基礎(chǔ)上，本文利用MATLAB對磁保持繼電器動態(tài)合閘系統(tǒng)進行仿真，增加遺傳算法優(yōu)化模糊控制對合閘過程進行比較。根據(jù)算法優(yōu)化的理論基礎(chǔ)設(shè)計磁保持繼電器控制系統(tǒng)樣機的硬件電路和軟件程序，制作磁保持繼電器控制系統(tǒng)實物樣機，為算法優(yōu)化動態(tài)特性、欠壓/失壓保護、抗晃電、自恢復(fù)以及故障診斷識別報警功能提供了實物樣機實驗平臺。

關(guān)鍵詞：磁保持繼電器；遺傳算法優(yōu)化；實物樣機實驗平臺

中圖分類號：TM 58 " " " " 文獻標志碼：A

隨著智能電器和電子器件行業(yè)的迅猛發(fā)展，為了滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，磁保持繼電器的智能化程度、工作可靠性更高，使用壽命更長。國內(nèi)外已經(jīng)有許多相關(guān)控制模型和算法的研究，但是缺乏相應(yīng)的實物樣機測試平臺和實際應(yīng)用案例[1-2]。因此，需要對磁保持繼電器進行相應(yīng)的軟硬件設(shè)計。在相關(guān)研究中，電磁仿真、磁保持繼電器動態(tài)數(shù)學(xué)模型以及算法優(yōu)化等研究為樣機制作提供了理論依據(jù)[3]，本文針對磁保持繼電器遺傳算法優(yōu)化模型進行分析，重點對控制系統(tǒng)樣機需求的動態(tài)特性算法優(yōu)化設(shè)計、欠壓/失壓保護、抗晃電以及自恢復(fù)等功能進行軟硬件模塊化設(shè)計。

1 遺傳算法優(yōu)化模型仿真

本文利用YK818B磁保持繼電器進行分析。觸頭最大切換功率為20 kVA，最大切換電壓為250 V，最大短路電流為

2 400 A。線圈額定直流電壓為12 "V，線圈匝數(shù)為2 500圈，銜鐵組件旋轉(zhuǎn)角度為[-7°，7°][4]。在工作過程中，線圈兩端接入電壓，產(chǎn)生電磁力矩推動機械機構(gòu)運動，完成觸點系統(tǒng)的閉合與關(guān)斷。

研究磁保持繼電器動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB對磁保持繼電器動態(tài)合閘系統(tǒng)進行仿真[5]。在遺傳算法中，遺傳策略設(shè)置為隨機均勻分布選擇法、算數(shù)交叉法以及自適應(yīng)變異法，設(shè)置遺傳算法種群規(guī)模為20個，交配概率為0.8，變異概率為0.2，當進化代數(shù)為100代時算法停止。在模糊控制規(guī)則方面，本文采用十進制編碼方式，使用1～5依次代表XS、S、M、L和XL 5個語言值數(shù)字化模糊控制規(guī)則，形成遺傳算法的個體?？刂颇繕藶楫斝D(zhuǎn)速度小于在模糊控制下的旋轉(zhuǎn)速度時，閉合時間最短。適應(yīng)度函數(shù)為min（c1·t+c2·ω）， {t，ω|θ=-7°}，c1為時間常系數(shù)，c2為角速度常系數(shù)，當進化代數(shù)為100代時達到最優(yōu)解。分別添加模糊控制模塊以及遺傳算法優(yōu)化模糊控制模塊對磁保持繼電器動態(tài)合閘進行優(yōu)化，優(yōu)化前后系統(tǒng)的輸出曲線仿真對比如圖1所示。

從仿真結(jié)果來看，采用遺傳算法優(yōu)化后，銜鐵組件角速度明顯變慢，與模糊控制時間相比，閉合時間明顯縮短。減少當動靜觸頭接觸時的碰撞力，降低觸頭間的彈跳次數(shù)，提高動態(tài)控制效果。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 樣機總體模塊設(shè)計

根據(jù)仿真模型優(yōu)化理論，本文設(shè)計相關(guān)樣機模塊主要包括供電電源模塊、電壓檢測模塊、位移信號調(diào)理電路、驅(qū)動模塊和故障診斷報警模塊等。樣機設(shè)計框如圖2所示。

在樣機設(shè)計過程中，微處理器采用新型51系列單STC12C5A60S2單片機，可以有效識別在合閘過程中傳感器的采樣數(shù)據(jù)，能夠動態(tài)地改變在合閘時間段內(nèi)線圈兩端電壓的占空比，同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)投入電網(wǎng)各應(yīng)用場景中的失壓/欠壓保護、故障診斷報警、抗晃電以及自恢復(fù)等功能。

2.2 失壓/欠壓檢測模塊設(shè)計

在電機控制、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)以及關(guān)鍵設(shè)備等領(lǐng)域，許多場合利用磁保持繼電器來實現(xiàn)開關(guān)功能，以轉(zhuǎn)換工作模式。半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品制造商對電壓波動十分敏感，如果電壓長時間處于不足狀態(tài)，產(chǎn)品不良率就會提高，甚至可能導(dǎo)致生產(chǎn)線暫停。失壓/欠壓還可能使企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備運行不穩(wěn)定，不僅嚴重影響生產(chǎn)效率，還存在嚴重的安全風(fēng)險。因此，失壓/欠壓檢測模塊對磁保持繼電器控制系統(tǒng)來說是必不可少的。本文設(shè)計的失壓/欠壓檢測電路如圖3所示。

利用T2變壓器將220 V電網(wǎng)電壓降至18 V，使用D2整流橋進行全波整流，以及C3、C4濾波輸出后，由電阻R5、R6分壓采樣，將穩(wěn)定電壓信號實時輸出至微處理器A/D采樣接口。根據(jù)判定規(guī)則，額定電壓的70%～35%為欠電壓，35%～10%為失壓，當檢測到輸入電壓小于額定電壓的70%，即判定系統(tǒng)此時電壓狀態(tài)為欠壓或失壓時，微處理器發(fā)出分閘指令，斷開系統(tǒng)主電路，對磁保持繼電器控制系統(tǒng)進行失壓、欠壓保護。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主程序開發(fā)采用KEIL μVision4作為遺傳算法優(yōu)化磁保持繼電器控制系統(tǒng)樣機的軟件開發(fā)平臺，利用C語言編寫程序語言。系統(tǒng)采用模塊化編程和循環(huán)掃描的工作模式，允許各個功能模塊獨立運行，實現(xiàn)電壓信號與位移信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、驅(qū)動控制以及故障診斷識別與報警等功能，主程序設(shè)計邏輯如圖4所示。

在主程序中，當微處理器識別上位機的合閘指令時，控制傳感器開始采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和處理后，輸出優(yōu)化后的PWM信號，驅(qū)動電路控制磁保持繼電器合閘；當微處理器識別上位機的分閘指令時，直接控制驅(qū)動電路使主電路斷開。

3.2 中斷程序流程

除主程序外，為了實現(xiàn)特定功能，使控制更加智能化，在控制系統(tǒng)中還設(shè)置相應(yīng)功能的中斷程序，中斷程序流程如圖5所示。

由圖5可知，當上位機向微處理器發(fā)送合閘指令時，電壓檢測模塊實時檢測輸入電網(wǎng)電壓。如果電壓處于失壓/欠壓狀態(tài)，根據(jù)主電路電氣設(shè)備需求設(shè)置定時器延遲時間，經(jīng)延遲后如果電壓未恢復(fù)正常，那么執(zhí)行中斷處理，驅(qū)動磁保持繼電器分閘，報警指示燈亮。當檢測系統(tǒng)電壓為70%～35%的額定電壓時，微處理器判斷此時為欠壓，蜂鳴器每隔3 s發(fā)出一次1 s的報警聲；當檢測系統(tǒng)電壓為35%～10%的額定電壓時，微處理器判斷此時為失壓，蜂鳴器每隔1 s發(fā)出一次1 s的報警聲。

當檢測到輸入電壓處于正常范圍（額定電壓的70%～

115%）時，延遲20 s后電壓仍然為正常值，微處理器發(fā)出PWM信號控制合閘，系統(tǒng)自動恢復(fù)，蜂鳴聲消失。如果檢測到電壓仍然在失壓/欠壓范圍內(nèi)，那么一直處于分閘狀態(tài)。如果微處理器已經(jīng)發(fā)出合閘信號，主系統(tǒng)電氣設(shè)備仍然未進入正常工作狀態(tài)，那么蜂鳴器會持續(xù)發(fā)出不間斷報警聲。出現(xiàn)這個現(xiàn)象說明系統(tǒng)零部件或線路損壞無法自啟動，需要人工介入對故障進行排查。

3.3 算法優(yōu)化控制設(shè)計

磁保持繼電器的合閘速度較快，為了程序能夠?qū)崟r、精確控制并滿足軟件處理速度的要求，采用簡單的查表法將計算好的控制表存儲在微處理器的ROM中。優(yōu)化控制流程如圖6所示。

在實際控制過程中，在每個控制周期內(nèi)，將檢測的角度α和計算得到的角速度ω分別乘以量化因子K1和K2，以確定相應(yīng)的論域元素。查詢模糊控制表的對應(yīng)行和列可以獲取所需的占空比量化論域值，再乘以比例因子K3，最終得到實際輸出的PWM信號的占空比D。

4 控制系統(tǒng)實物樣機制作

根據(jù)硬件和軟件設(shè)計制作具有算法優(yōu)化控制、失壓/欠壓保護、抗晃電自恢復(fù)以及故障診斷識別報警功能的磁保持繼電器控制系統(tǒng)樣機（如圖7所示）。

樣機工作過程如下：當上位機向微處理器發(fā)送合閘指令時，激光位移傳感器監(jiān)測推動桿實時位移，將采集的位移電信號利用信號調(diào)理電路傳輸至微處理器的A/D接口進行處理，生成相應(yīng)的PWM控制信號。在PWM信號的指令下，驅(qū)動電路動態(tài)調(diào)整磁保持繼電器線圈兩端的電壓，對算法進行優(yōu)化，減少當合閘時觸點的彈跳現(xiàn)象。

當控制系統(tǒng)樣機合閘過程完成后，系統(tǒng)電壓檢測模正常工作，如果檢測到失壓或欠壓情況，延遲設(shè)定的固有時間后，電壓仍然沒有恢復(fù)正常，那么微處理器發(fā)出分閘指令，同時報警燈亮，蜂鳴器根據(jù)故障類型發(fā)出不同頻率的報警聲；如果電壓在延遲的時間內(nèi)恢復(fù)到正常范圍，那么微處理器不發(fā)出分閘指令，磁保持繼電器處于合閘狀態(tài)，抵抗電壓波動，實現(xiàn)抗晃電功能；當主電路斷開時，如果檢測到輸入電壓恢復(fù)到正常范圍，延遲20 s后，系統(tǒng)重新發(fā)出合閘指令，完成自恢復(fù)。分閘過程比較簡單，由上位機向微處理器發(fā)送分閘指令，迅速斷開主電路，無須使用PWM控制信號進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

利用采樣電路、微處理器開發(fā)板以及軟件程序設(shè)計實現(xiàn)失壓/欠壓保護、抗晃電、自恢復(fù)以及故障診斷識別報警功能。

5 結(jié)語

本文利用MATLAB研究磁保持繼電器合閘過程，采用遺傳算法對模糊控制規(guī)則進行優(yōu)化仿真。由仿真結(jié)果可知，采用遺傳算法后，控制系統(tǒng)動態(tài)特性更加優(yōu)化，磁保持繼電器的使用壽命增加，可靠性提升。根據(jù)優(yōu)化理論，本文對磁保持繼電器控制系統(tǒng)進行硬件電路和軟件程序設(shè)計，并制作具有優(yōu)化動態(tài)特性、失壓欠壓保護、抗晃電自恢復(fù)以及故障診斷識別報警功能的磁保持繼電器控制系統(tǒng)樣機，為動態(tài)特性優(yōu)化和多項功能測試提供了實物樣機實驗平臺。

參考文獻

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