机电设备高效节能控制模型的仿真分析

杨 威

（宁波韵升股份有限公司，浙江宁波 315800）

0 引言

大型机电设备被广泛应用于发电、机械加工、流水线制造等此类大型的、大规模的产业中，在整个工业现代化进程中以及对于推动整个经济社会的发展都起到重要作用。但是在大型的生产制造过程中，机电产品的能耗量巨大，为了避免“大型机电设备就应该消耗大量的能源”成为事实，下面将研究机电设备的高效机能控制方法。

1 电力设备的供配电设计原则

为了对机电设备进行节能控制，需要遵循的基本原则就是电力设备正常运行下所需的供配电设计原则，而最基本的理念就是保障设备功能以及对于机电设备的安全操作。这样，不仅可以保障对人和环境的安全，也可以在一定程度上保障机电设备自身功能的稳定性，防止配电系统故障给人员安全和财产造成损失。此外，为了延长节能控制设备的使用寿命，需要使线路间具有一定的距离。

2 机电设备能耗原理

机电设备的能耗并不是一成不变的，由于功能不同、环境不同以及种类不同，存在着许多的差异。而性能差异也是引起机电设备能耗不同的重要原因之一。机电产品性能的差异会导致机电设备在不做工状态下或是在做功峰值时会产生不同的功率，即使是工作任务相同，不同功率下的能耗也会存在差别。

下面先来看一下机电产品能耗约束模型。

其中，E 为第i 时刻机电设备的能耗，s（t）为单位时间，i、j和k 为常数，其他字母均为常数。由式（1）～（3）可以求得机电设备能耗的控制与节能优化时间。如果令［Emin，Emax］是能源分布区间，就可以通过运用梯形能量补给模式，求得能耗辐射强度R的经验公式：

对于机电设备控制节点处能耗的模型，其定义见式（4）。

其中，V 代表动能，a 表示常数，m 表示常数（做功次数）。

根据流量守恒定律以及能量限制理论可以设计出对于机电设备的能耗控制及优化，得出机电设备能量的消耗特征的参数：。其中，k 表示功率，n 表示做功次数，r、z 和Φ 表示常数。

对于机电设备能耗的原理与控制的原理的理论进行分析，对于日后机电设备的节能控制与高效管理会有很大帮助。

3 大型机电设备能量耗散原理

大型机电设备的能耗功能差异，通常是因为不同生产厂家生产的设备的功能是不同的，比如，有些大型机电设备具有自我监测保护机制，而有些却不具备此功能，因而其能耗就会减少。而性能差异也会影响设备的能耗，由于大型机电设备的体系结构以及硬件配置不同，在执行相同任务时其处于不做功或是功率峰值状态下的耗电量的不同，而对于不同大型机电设备，即使在执行相同的任务时效率是不同的，所以能耗也就不同。

4 机电设备节能控制模型设计与改进

4.1 设计模型

对机电设备进行能量控制，可有效延长设备的使用寿命，这需要使设备的所有节点均具有同一物理特性与电气特性，并且各信道的参数指数平滑衰落，由此可以建立机电产品在任一时间间隔内的能量控制模型：k=k0n（r）其中，k 表示功率，β 是机电设备参数指数平滑衰落系数，其他字母表示常数。

发射功率会不断趋近恒定值，机电设备数据的传输量也会随之不断增大，当达到最大值时机电设备发射功率也会达到最优值，即。其中，F 表示扭矩，PN表示总动能，其他字母为常数。

如果机电设备的优化控制是在单一采样周期范围内进行的，为实现节能高效运行，就要满足其中，B 表示节能量，其他字母表示常数。

上述方法主要采用了Smith 预测控制原理，但是难以彻底解决机电设备在节能控制中出现的时滞性，控制模型的时效性与适用性无法得到保证。面对这种情况，可以考虑采用机电设备衰减调制的高效节能优化控制方法，使用该方法的前提是首先求出机电设备二次衰减调制的分层电频发射功率最值：

其中，N 表示常数，t 表示机电设备二次衰减调制所用时间。

然后进行机电设备能量采集信号概率密度的递推计算。结合机电设备过放控制模式，计算器储能控制衰减调制参数如下：

其中，d 为直径，θ0为初始转角，Δθ 为转角变动额。

通过上述算式计算数据可知，对于机电设备高效节能控制操作会对其使用寿命和工业生产效率产生直接影响，而对机电设备机能耗控制模型的研究可以大大延长其使用寿命。

4.2 模型改进

由于机电设备节能控制系统存在的较大时滞性，所以对能量控制设计模型进行改进。采用衰减调制，结合机电设备高效节能控制原理，构建机电设备节能状态模型。

5 仿真试验

为了测试该算法的适用性与准确性，可以通过仿真试验来验证。准备进行测试的设备有MCU、电源模块、显示电路、电压电流采集电路等，测试环境为Pentium（R）4CPU，3 GHz，512 M内存PC 机。节能优化后，机电设备的能量使用效率提升至高达96%，设备的转矩输出增大到10 N·m，体积为1.1×10-6m3，能量损耗降到55.6 kW，其他参数优化结果见表1。

6 结论

表1 变量优化范围与结果

为了延长机电设备的使用寿命、提升其使用效率，需要组建大型机电设备的高效节能控制模型，但传统的节能控制模型存在设备控制时滞大等问题。为此，通过构建机电设备控制系统模型，结合设备协调控制机制，对其进行无损二次衰减控制的节能控制总体模型，并在设定情境下进行仿真试验：首先构建控制系统总体模型，考虑大型机电设备的协调控制策略，进行无损二次衰减调制，然后利用设备的能耗辐照强度来确定定节能控制参数，再通过计算指数平坦衰落各信道得到控制阈值，提高控制效益。实验结果表明，本文所构建的高效节能控制模型能有效延长机电设备使用寿命周期，降低设备能量损耗。