“自动控制原理”课程思政教学探讨——以PID控制教学为例

随着信息技术的飞速发展及在各行各业的深入渗透,高校教学过程中越来越多的专业开设了控制类课程。“自动控制原理”是自动化类专业的核心基础课程,也是武汉大学全校公共专业基础平台课,受众面十分广泛。通过主要阐述经典控制理论PID控制器中体现的系统思想,通过剖析PID控制的物理内涵,润物无声地融入思政元素,将控制理论内在的技术哲学自然融入专业课程教学,在传授知识的同时进行价值引领,切实提升立德树人成效。

基于多时间尺度建模自动特征提取和通道注意力机制的锂离子电池健康状态估计

准确估计锂离子电池(lithium-ion battery,LIB)的健康状态(state of health,SOH)对于确保储能电站的安全稳定运行至关重要。然而,现有的数据驱动方法通常依赖手工特征提取,并且特征的时间尺度比较单一,很难进行高效且精确的电池健康状态评估。为了解决这些问题,提出了一种基于多时间尺度建模自动特征提取和通道注意力机制的健康状态估计模型。该模型首先将充电过程信息输入多个并行的膨胀卷积模块(dilation convolution module,DCM),从不同时间尺度进行自动特征提取,获得丰富且全面的特征表示。随后,不同尺度的特征通过融合后结合门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)提取时间序列的长期依赖关系。模型进一步融入通道注意力机制(efficient channel attention,ECA),对历史信息进行相关性动态权重分配,关注显著特征。最后,在两个公开数据集上验证了本方法的优越性,并与其他常用深度学习模型进行了比较。结果表明,本模型具有较高的SOH估计精度和良好的迁移性,两个数据集上的均方根误差分别仅为0.0110和0.0095,在跨数据集的迁移实验中均方误差仅为0.0092。

电气自动化控制中PLC技术的应用

基于PLC(可编程序控制器)技术的系统由电源、CPU、内存、I/O模块等功能模块和通信模块构成,经输入采样、程序控制、输出刷新等步骤,通过不同模拟量或数字量的输出或输入,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,实现对各种生产活动全过程的自动化控制^[1-2]。下面对PLC技术在城市照明、数控机床、矿山机电等方面的应用进行分析。

混频输入下基于MF-LSTM的电气设备故障诊断方法

针对多型传感器采样频率不统一,现有机器学习算法难以有效处理混频数据输入,无法充分挖掘混频信号中的设备故障特征的问题,首先提出一种混频数据输入下的长短时记忆网络(multi-frequency long and short term memory network,MF-LSTM)架构;然后,对不同采样频率的状态数据分别进行特征提取并进行特征融合,实现混频数据输入下的电气设备的故障诊断任务;最后,利用凯斯西储大学轴承数据集对所提模型进行了算例验证,结果表明:相比于单频信号输入,混频输入平均提高故障诊断精度1.72%。该实验结果证明了所提出的基于MF-LSTM的故障诊断框架的有效性和混频数据输入的必要性。

基于区间TOPSIS法的高层建筑电气火灾风险两级评估方法

高层建筑电气火灾风险居高不下,长期以来威胁着人们的生命财产安全,为此,准确地评估电气火风险、辨识出风险因子,可以有效地制定电气火灾防范措施,为此,文中提出了基于区间TOPSIS方法的高层建筑电气火灾风险两级评估方法。首先,查阅电气火灾数据和专家评价意见,采用改进的德尔菲法获取电气火灾风险评估的两级指标框架:主指标和子指标,然后采用区间层次分析法确定高层建筑电气火灾风险指标的权重系数,最后结合区间TOPSIS方法对风险指标因子进行风险排序。经验证发现高层建筑电气火灾风险因子排序依次为易燃易爆品的连锁反应(占到27.9%)、电气线路引发火灾(占到22.07%)和电气设备引发火灾(占到20.89%),其中过负荷风险因子在子指标中占比最大。

小波包能量谱和神经网络的开关柜局部放电自动检测方法

为可靠掌握开关柜的运行状态,精准检测其局部放电现象,提出小波包能量谱和神经网络的开关柜局部放电自动检测方法。该方法采用数字处理技术和模糊参数识别方法,去除信号中的混频信号,获取新的开关柜运行信号;利用小波包分解方法分解该信号,处理信号中噪声信号的同时,提取局部放电的能量谱特征,将该特征输入径向基神经网络中,完成开关柜局部放电的分类检测。测试结果表明,该方法可有效去除混频信号,并且降低信号噪声;处理后信号的失真率和畸变率极低,应用性能较好;可完成开关柜不同类别的局部放电信号检测。

基于价格弹性的蔬菜类商品自动定价与补货决策

对于生鲜商超,在尽量满足市场需求的前提下,实现商超收益最大的补货量和定价策略尤为重要.本文探究了蔬菜销量与成本加成定价的关系,选取需求价格弹性的经济学指标,构建双对数需求模型对价格弹性进行估计,基于此建立价格弹性修正函数,对LSTM模型预测出的销量与定价进行修正.为确定各蔬菜品类未来一周的日补货总量与定价策略,建立了收益最大化模型,并通过GBest-PSO算法求解.为确定满足特定需求下各蔬菜单品单日的补货总量与定价策略,根据过去一周的可售品种,采用VIKOR评价方法量化蔬菜单品的需求,建立需求与收益最大化的双目标优化决策模型,通过NSGA-Ⅱ非支配排序遗传算法求解,并在Pareto前沿解中确定了最优方案.

基于模糊和灰色关联的配电自动化开关柜故障诊断方法

针对配电自动化开关柜故障诊断对配电网安全性和可靠性的影响,提出一种基于模糊C均值聚类和灰色关联的配电自动化开关柜故障诊断方法。首先,该方法通过各类遥测信息分层影响因子,计算隶属度函数并采用AHP-熵权法确定权重完成配电自动化开关柜状态评价的分层模糊运算。然后,针对配电自动化开关柜典型故障信息,应用FCM法聚类后灰色关联分析,完成六类配电自动化开关柜典型故障的诊断,在保证诊断准确度的同时极大地减少了计算量。最后,对北京市某地区配电自动化开关柜故障信息的状态评价及故障诊断结果并与传统灰色关联分析对比表明,所提出方法的故障诊断准确度可达90%,为快速、准确、客观地实现对配电自动化开关柜状态的实时监测及智能电网自动化的进一步发展提供参考。

基于ARM Cortex-M7内核的配电自动化终端设计

针对当前配电自动化终端设备成本高、自动化水平低、可管理性差等问题,设计一种基于ARM Cortex-M7内核的配电自动化终端设备。该终端设计包括硬件设计与软件设计,其中硬件设计以STM32F767芯片为主控芯片,主要对采集电路与通信电路进行设计;软件设计采用FreeRTOS操作系统多任务实时调度功能,实现信息传输与远程监控。实验结果表明,该设备成本低、自动化水平高,可管理性强、通信速度快,在配电自动化研究中具有较好的应用前景。

“碳达峰、碳中和”目标下高压电气设备中强温室绝缘气体SF_(6)控制策略分析

广泛应用在高压电气设备中的绝缘气体六氟化硫(SF_(6))具有极强的温室效应。近些年随着中国输、变、配电网络的高速发展,SF_(6)的使用量和排放量持续增加。通过提取卫星测试数据发现,中国区域内SF_(6)大气含量呈逐年提高的趋势。为实现“碳达峰、碳中和”目标,控制电力行业SF_(6)的使用和排放具有重要意义。该文综合分析SF_(6)的净化回收、降解处理、环保替代3种减排手段的研究现状,并对各类技术的优劣势、互补性和发展前景进行讨论;同时,指出现有SF_(6)减排技术仍处在较为初级的阶段,治理方案亟待提升,建立SF_(6)全寿命周期管理体系是现阶段最为有效的手段。因此,该文对电力行业减排措施研究和策略制定具有理论实施和实际参考价值。

储能接入电气化铁路的拓扑及控制策略研究综述

随着“双碳”目标的提出和我国铁路里程的高速增长,节能增效已成为铁路未来的发展趋势。作为提升系统韧性与降低系统能耗的关键手段,储能大规模接入电气化铁路势在必行。为此,针对电气化铁路储能系统开展了系统性的研究工作,旨在为电气化铁路储能系统大规模工程应用提供一定的参考。首先,分析了电气化铁路储能系统选型原则,在实际应用过程中需结合牵引负荷功率特性、安装位置等多方面因素进行综合选型。其次,对不同供电方式下电气化铁路储能系统接入方案进行对比分析,为满足铁路系统大功率需求,储能系统的接入方案设计应满足更加高效、可靠、模块化、智能化的特点。然后,对基于储能的电气化铁路供电系统电能质量问题治理方案及控制策略进行了分析,储能系统的接入可有效改善电气化铁路供电系统电能质量。最后,总结了轨道交通储能技术示范项目的建设成果并对电气化铁路储能系统未来研究的关键问题进行展望。

基于FACTORY I/O的自动控制系统实验平台设计

信息化、智能化潮流对自动控制实验教学提出了新的要求。采用FACTORY I/O的3D FPS游戏模式来构建自动控制实验平台,以缓解当前实验缺乏被控对象的问题。针对“计算机控制技术”和“PLC原理与应用”课程,基于FACTORY I/O设计了被控对象,提供了5种实验模式;以水位闭环控制为例阐述了对象模型构建、通信连接、控制算法编制等核心环节;并给出了双容水箱水位控制实验结果,验证了平台设计的可行性。

基于数字孪生的配电自动化终端设备状态评价与故障预判

数字孪生旨在构建物理实体从现实空间到虚拟模型的映射,通过双向交互数据的实时闭环驱动,模拟出物理实体的实时状态和动态特征。配电自动化设备作为电力系统中的重要元件,一旦发生故障将会给电力系统造成重大经济损失。该文以数字孪生技术作为配电自动化终端设备与配电主站间信息交互、预判故障、辅助配网运维的基础,通过统计分析某地区配电自动化终端采集的历史数据与处缺信息,在数字孪生体系中构建并实时更新、修正状态评价评语集、评价权重及故障集,同时搭建智能状态评价与故障预判模拟模型,为实现对配电自动化终端设备状态的实时监测、进行配网运维检修指导提供了参考。

自动化专业远程实验室在线算法设计系统的实现

该文基于已有的远程实验室提出了一种在线算法设计系统的实现方案,系统包含前端浏览器界面、后端服务器程序以及MATLAB程序。首先用户在浏览器中搭建类似Simulink的控制框图,并发送至后端服务器程序。后端程序处理该请求,动态生成Simulink文件,然后使用Simulink Coder工具箱,自动编译生成可执行的控制算法,并将该算法推送至数据库。为了提高并发场景下的响应速度,针对MATLAB不支持多线程编程的不足,提出了多进程和池化技术的弥补方案,实现了多用户的并发访问。该系统在武汉大学控制类课程的实验教学中广泛使用,调查报告显示,该系统满足了学生实验的需要。

基于改进超图的变电站自动化系统关键要素识别

泛在电力物联网是我国电网发展的最新方向,从特征来看,其作为信息流与电力流高度耦合的复杂系统——信息物理系统,从关键节点识别的角度开展安全防范研究至关重要。以变电站自动化系统为研究对象,提出了一种基于改进超图的变电站自动化系统关键要素识别方法。讨论变电站自动化系统逻辑拓扑图中各类中心性指标,从中选择适用于逻辑结构分析的两类指标,将其进一步定义到超图中并进行各节点的排序差异对比研究。从逻辑节点失效和电力系统负荷损失两个角度定义了变电站自动化系统工作有效性指标和电力信息物理系统效能损失指标,从而评价某一逻辑节点工作异常的影响。并应用IEEE 14节点系统进行了算例分析。该方法可获得变电站自动化系统中物理域与逻辑域交集内的逻辑节点关键度排序,进而识别出严重影响电力信息物理系统静态网络安全的重要逻辑节点。

一种应用于柔性直流配电系统的具有自动与可控关断功能的直流断路器

半导体器件是直流断路器的核心部分。相对于传统的全控型器件(IGBT与MOSFET等),晶闸管由于其低成本、大容量逐渐成为了一种具有前景的直流断路器半导体器件。然而,故障保护的快速性与可靠性对直流断路器的拓扑提出了很高的要求。因此,该文提出一种具有自动关断(快速)与可控关断(可靠)两种功能的直流断路器。自动关断功能不需要故障检测,通过电路对故障的响应,晶闸管可以被立即关断。可控关断功能可以在断路器内部形成反向电流进而可靠地将晶闸管关断,并且不受到外部电路参数影响。自动关断功能与可控关断功能使用了两个独立的电容,所以这两个功能不会相互影响。最后,通过仿真与2kW的实验验证了所提断路器的功能。

连续冲击电流脉冲下避雷器阀片电气性能研究

自然界中大部分闪电都包含多次回击过程,连续雷击容易造成避雷器劣化及损坏。该文使用不同电流幅值、脉冲间隔、冲击次数的连续雷击对五种不同尺寸的避雷器阀片进行试验,研究了避雷器阀片在连续雷击下的电气性能。结果表明:不同的冲击时间间隔(10、50、100 ms)下避雷器阀片的电气性能变化差别不大,在ms量级的冲击间隔时间下阀片散热可忽略不计,可视作为绝热过程;雷电流的幅值和冲击次数对避雷器阀片的电气性能有较大影响,冲击电流幅值越高,冲击次数越多,避雷器阀片的伏安曲线下移越明显,直流参考电压减小越显著,残压略微增加;温度是影响阀片性能的重要因素,温度越高,阀片性能劣化越严重,再次受到冲击后的劣化速度也会加快;避雷器阀片的温升与吸收能量和质量的比值呈现显著线性关系。

变压器油浸纸电气参数分区反演优化算法

在运变压器内油浸纸的老化和受潮状态具有空间上的分布特性,但目前的评估方法仅限于评估绝缘的整体状况,无法检测变压器内油浸纸局部区域的绝缘状况。文中为考虑局部绝缘问题,借鉴反演思想,以油浸纸材料电气参数(电阻率和低频相对介电常数)为直接特征量,提出基于有限元电场仿真技术的变压器油浸纸电气参数分区反演计算方法,获取局部区域电气参数。针对反演算法,提出NDM-Broyden法以改进原算法NRM的计算效率。最后通过XY模型对反演结果进行验证,试验结果表明,采用该方法可有效反演出XY模型不同区域油浸纸板的电阻率和低频相对介电常数,进而为判断变压器局部油浸纸的老化和受潮状态提供参考和新思路。

电气设备局部放电的超声波信号分析研究

在电力系统中,包含高压开关柜在内的众多电力设备都面临着绝缘故障的威胁,采用局部放电监测可以很好掌握设备的绝缘状态,从而有序进行相应检修。超声波技术是局部放电的一种精确度较高的监测技术,具有较大的应用领域,但基于超声波的局部放电监测存在着难以获取局部放电强度的问题,无法对局部放电信号全面分析,开展了局部放电的超声波监测试验,分析研究开关柜局部放电间隙上施加的电压、超声波传感器与局部放电源之间的距离等因素对超声波信号振幅和频率的影响。

热带海岛电气设备金属腐蚀因素与规律特点研究

电气设备在热带海岛的“高温、高湿、高盐”环境条件下的金属腐蚀问题异常突出,通过对海南省西沙区某典型热带海岛电气设备服役现状开展调研和环境条件等级监测,对热带海岛户内外设备腐蚀特点和环境条件等级进行评价,分析多因素交互影响下的腐蚀影响因素及其规律特点,并针对性提出热带海岛环境电气设备金属腐蚀防护技术要求与建议。