車載絕緣安全工器具箱溫控模塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)

麥德毅

（佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引 言

車載絕緣安全工器具箱是存儲(chǔ)工器具的箱子，其具備較好的便捷性。車載絕緣安全工器具箱內(nèi)安裝除濕、加熱以及排風(fēng)等裝置，工器具箱內(nèi)保持恒溫恒濕狀態(tài)，以保障存貯在工具箱內(nèi)工具的良好絕緣性，保障工人在使用工具時(shí)的安全[1,2]。電網(wǎng)在日常運(yùn)維作業(yè)中，工作人員需要攜帶的工具多達(dá)幾十種，車載絕緣安全工器具箱的應(yīng)用為電網(wǎng)運(yùn)維作業(yè)帶來了極大的方便，規(guī)避了工作人員漏拿、錯(cuò)拿工具等情況[3]。且車載絕緣安全工器具箱內(nèi)，其封閉和恒溫恒濕的環(huán)境使金屬類的工具減緩受潮老化情況。但當(dāng)車載絕緣安全工器具箱內(nèi)恒溫恒濕環(huán)境出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象時(shí)，其對(duì)工器具的保護(hù)效果就降低，工器具絕緣效果降低會(huì)嚴(yán)重威脅工作人員在施工過程中的安全。

很多學(xué)者研究車載絕緣安全工器具箱溫控模塊調(diào)節(jié)方法，如張寶峰等人提出基于模糊PID的溫度控制方法，通過采集車載絕緣工器具箱內(nèi)的溫濕度，通過構(gòu)建模糊PID控制器，使用模糊算法對(duì)該P(yáng)ID控制器參數(shù)進(jìn)行整定后，利用該控制器實(shí)現(xiàn)車載絕緣工器具箱溫濕度控制[4]。但該方法在應(yīng)用過程中，其在整定PID控制器參數(shù)需經(jīng)過多次迭代運(yùn)算，控制車載絕緣工器具箱內(nèi)溫濕度時(shí)存在延遲性。劉塵塵提出自適應(yīng)溫度控制方法，以嵌入式硬件為基礎(chǔ)，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)車載絕緣工器具箱的溫濕度控制[5]。但該方法在應(yīng)用過程中受人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超調(diào)影響會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)退出情況，影響其控制車載絕緣工器具箱溫濕度控制效果。

針對(duì)上述問題，本文研究車載絕緣安全工器具箱溫控模塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，以提升車載絕緣安全工器具箱恒溫恒濕效果。

1 溫控模塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)

1.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集

調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱的基礎(chǔ)是獲取其當(dāng)前箱內(nèi)溫濕度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于此構(gòu)建車載絕緣安全工器具箱溫度與濕度動(dòng)態(tài)模型，利用該模型獲取車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)。

車載絕緣安全工器具箱內(nèi)溫度變化率可用箱內(nèi)的能量平衡來描述。車載絕緣安全工器具箱的熱環(huán)境與外界環(huán)境能量交換可通過光照輻射、長(zhǎng)波輻射以及通風(fēng)熱交換等實(shí)現(xiàn)[6,7]。令V、d分別表示車載絕緣安全工器具箱的體積及其內(nèi)部空氣密度，hheater、hv、hc分別表示加熱能量、通風(fēng)能量以及外界熱傳導(dǎo)能量，依據(jù)車載絕緣安全工器具箱能量平衡，構(gòu)建其溫度動(dòng)態(tài)模型，其表達(dá)公式為

車載絕緣安全工器具箱內(nèi)水蒸氣平衡可描述其箱內(nèi)部絕對(duì)濕度變化情況[8]。

按照車載絕緣安全工器具箱內(nèi)水蒸氣生成和損失，構(gòu)建其濕度平衡模型，其表達(dá)公式為

至此車載絕緣安全工器具箱溫度、濕度動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建完畢，利用這2個(gè)模型能夠?qū)崟r(shí)獲取當(dāng)前車載絕緣安全工器具箱的溫濕度數(shù)據(jù)。

1.2 基于自適應(yīng)加權(quán)的溫濕度數(shù)據(jù)融合處理

以上述獲得的車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)不同時(shí)刻獲得的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

使用分布圖方式對(duì)存在誤差的車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。將溫濕度數(shù)據(jù)Ti按照遞增形式進(jìn)行排序處理后，得到遞增的溫濕度數(shù)據(jù)序列[10,11]，該序列由T1,T2,…,TN表示，在該序列內(nèi)存在N個(gè)溫濕度數(shù)據(jù)，其中T1、TN分別表示溫濕度數(shù)據(jù)序列的上限與下限數(shù)值。設(shè)置獲取的車載絕緣安全工器具箱溫濕度有效數(shù)據(jù)判斷區(qū)間為，當(dāng)溫度和濕度動(dòng)態(tài)模型獲取的車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)位于該區(qū)間內(nèi)時(shí)，則說明當(dāng)前獲取的車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。

判斷車載絕緣安全工器具箱的溫濕度數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)后[12,13]，使用分布圖法對(duì)獲取同一時(shí)刻的車載絕緣安全工器具箱的溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，其詳細(xì)過程如下文所述

令 g11,g12,…,g1m、g21,g22,…,g2c分別表示獲取的 2組車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)序列，計(jì)算該2個(gè)溫濕度數(shù)據(jù)序列的平均值，其表達(dá)公式為

式中：g(1)、g(2)分別表示溫濕度數(shù)據(jù)序列g(shù)11,g12,…,g1m和g21,g22,…,g2c的平均值；m、c分別表示序列內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；g1i、g2i表示獲取溫濕度數(shù)據(jù)簇內(nèi)的一致性數(shù)據(jù)。

計(jì)算同一個(gè)數(shù)據(jù)簇內(nèi)的2組溫濕度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值，其表達(dá)公式為

式中：η1、η2分別表示溫濕度數(shù)據(jù)序列內(nèi)同一數(shù)據(jù)簇的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值。

基于式（5）、式（6）結(jié)果，同時(shí)依據(jù)分批估計(jì)原理，計(jì)算溫濕度數(shù)據(jù)序列g(shù)11,g12,…,g1m和g21,g22,…,g2c的融合方差數(shù)值，其表達(dá)公式為

式中：η表示溫濕度數(shù)據(jù)序列融合的方差數(shù)值。

利用式（5）、式（6）計(jì)算車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)的估計(jì)數(shù)值，其表達(dá)公式為

利用式（8）計(jì)算所有車載絕緣安全工器具箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的估計(jì)值后，得到n個(gè)溫濕度數(shù)據(jù)方差序列。使用自適應(yīng)加權(quán)算法對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)方差序列進(jìn)行融合處理，其表達(dá)公式為

1.3 基于利群概率的溫濕度異常監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建

將融合后的車載絕緣安全工器具箱的溫濕度數(shù)據(jù)作為輸入，以利群概率算法作為基礎(chǔ)，建立溫濕度異常監(jiān)測(cè)模型，利用該模型監(jiān)測(cè)車載絕緣安全工器具箱恒溫恒濕異常變化數(shù)據(jù)，為后續(xù)控制車載絕緣安全工器具箱恒溫恒濕提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

令Xb∈Rnb*m表示融合后的車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)集，對(duì)該數(shù)據(jù)集實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到標(biāo)準(zhǔn)的溫濕度數(shù)據(jù)集ob[14,15]。令 meanb、stdb分別表示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集ob的溫濕度數(shù)據(jù)均值與標(biāo)準(zhǔn)差，建立二者的支持向量數(shù)據(jù)描述模型，其表達(dá)公式為

式中：nb表示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)總數(shù)。

設(shè)置車載絕緣安全工器具箱恒溫恒濕控制限值，其表達(dá)公式為

式中：ot表示任意車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)。

使用利群概率方式計(jì)算任意車載絕緣安全工器具溫濕度數(shù)據(jù)，得到所有采集到的溫濕度數(shù)據(jù)的利群概率后，以式（10）結(jié)果作為基礎(chǔ)，以式（11）作為約束條件，建立車載絕緣安全工器具箱恒溫恒濕異常監(jiān)測(cè)模型[3]。其表達(dá)公式為

式中：K(obi,obj)表示車載絕緣安全工器具溫濕度數(shù)據(jù)obi對(duì)obj的支持程度；ζi表示指定溫濕度數(shù)值。

利用式（12）即可監(jiān)測(cè)到當(dāng)前車載絕緣安全工器具箱內(nèi)溫度和濕度是否高于或者低于其恒定數(shù)值。

1.4 基于增量式PID控制器的溫控模塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)

以溫濕度異常監(jiān)測(cè)模型監(jiān)測(cè)到的異常車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)值和恒溫恒濕數(shù)值作為輸入，使用增量式PID控制器對(duì)車載絕緣安全工器具箱的溫濕度模塊進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，保障車載絕緣安全工器具箱內(nèi)為恒溫恒濕狀態(tài)。其詳細(xì)過程如下文所述

令u(t)表示增量式PID控制器的輸出數(shù)值，其表達(dá)公式為

式中：?(t)表示PID調(diào)節(jié)器偏差數(shù)值；KP、TI、TD分別表示比例、積分和微分系數(shù)；t表示時(shí)間。

對(duì)式（13）進(jìn)行離散化處理，則式（13）變更為

式中：j表示采集車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)次數(shù)；k表示采集車載絕緣安全工器具箱溫濕度數(shù)據(jù)次數(shù)集合。

對(duì)式（14）進(jìn)行增量處理，則增量式PID控制器表達(dá)公式為

利用式（15）即可實(shí)現(xiàn)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊的恒溫恒濕自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且無須進(jìn)行累計(jì)偏差求和，其過程較為簡(jiǎn)潔。利用增量式PID控制算法自適應(yīng)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊過程如圖1所示。

圖1 基于增量式PID控制器的工器具箱溫控模塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程

將融合后的車載絕緣安全工器具數(shù)據(jù)輸入溫濕度異常監(jiān)測(cè)模型內(nèi)，得到車載絕緣安全工器具溫度和濕度異常變化數(shù)據(jù)后，將該異常數(shù)據(jù)和恒溫恒濕數(shù)值同時(shí)輸入增量式PID控制器內(nèi)，利用該控制器輸出車載絕緣安全工器具恒溫恒濕自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)值，并通過固態(tài)繼電器將該自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)值輸入到車載絕緣安全工器具箱的溫控模塊內(nèi)，溫控模塊依據(jù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)值調(diào)節(jié)當(dāng)前車載絕緣安全工器具箱的溫度和濕度，保障箱內(nèi)恒溫恒濕。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某型號(hào)車載絕緣安全工器具箱為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用ansys workbench14.0軟件搭建該車載絕緣安全工器具箱在高溫、寒冷情境下其內(nèi)部的恒溫恒濕變化環(huán)境。使用本文技術(shù)對(duì)該車載絕緣安全工器具箱的溫控模塊進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，驗(yàn)證本文技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。該車載絕緣工器具箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載絕緣工器具箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集測(cè)試

以車載絕緣安全工器具箱內(nèi)的相對(duì)濕度作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，測(cè)試在不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)本文技術(shù)采集該車載絕緣工器具箱內(nèi)的相對(duì)濕度數(shù)值和其實(shí)際相對(duì)濕度數(shù)值，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，本文技術(shù)在采集車載絕緣安全工器具箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)的曲線與其實(shí)際數(shù)值曲線吻合度極高，僅在時(shí)間為25 h和45 h左右與實(shí)際數(shù)值存在偏差，但偏差數(shù)值最大僅為1%左右，該偏差數(shù)值對(duì)車載絕緣安全工器具箱恒溫恒濕調(diào)節(jié)影響極小。綜上結(jié)果，本文技術(shù)采集車載絕緣安全工器具當(dāng)前溫濕度能力較強(qiáng)。

圖3 溫濕度數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

2.2 溫濕度數(shù)據(jù)融合測(cè)試

以溫濕度數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度作為衡量指標(biāo)，測(cè)試本文技術(shù)融合不同數(shù)量溫濕度數(shù)據(jù)后，溫濕度數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度情況，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，使用本文技術(shù)融合車載絕緣安全工器具箱的溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，融合后的溫濕度數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度數(shù)值始終保持在0.95左右，且不受融合溫濕度數(shù)據(jù)量增加影響。該結(jié)果說明本文技術(shù)具備較強(qiáng)的溫濕度數(shù)據(jù)融合能力，也從側(cè)面說明本文技術(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱恒溫恒濕較為準(zhǔn)確。

圖4 溫濕度數(shù)據(jù)融合測(cè)試結(jié)果

2.3 恒溫恒濕異常監(jiān)測(cè)測(cè)試

以車載絕緣安全工器具箱的溫度作為衡量指標(biāo)，在ansys workbench14.0軟件模擬環(huán)境寒冷情景，在該情景下，使用本文技術(shù)監(jiān)測(cè)車載絕緣安全工器具箱內(nèi)恒溫?cái)?shù)值變化情況，結(jié)果如5所示。

由圖5可知，當(dāng)室外環(huán)境寒冷時(shí)，車載絕緣安全工器具箱的溫度呈現(xiàn)分層分布情況，箱體中下部區(qū)域的溫度稍高，越靠近箱體上層，其溫度越低。該情況說明當(dāng)車載絕緣安全工器具箱放置在車上時(shí)，箱體的上部受寒冷環(huán)境影響其溫度會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。上述結(jié)果說明：本文技術(shù)可有效模擬車載絕緣安全工器具箱內(nèi)變化情況，監(jiān)測(cè)車載絕緣安全工器具箱溫度異常情況能力較好。

圖5 恒溫恒濕異常監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.4 恒溫恒濕自適應(yīng)調(diào)節(jié)測(cè)試

測(cè)試在寒冷環(huán)境下，本文技術(shù)對(duì)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊的溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，同時(shí)設(shè)置恒溫恒濕自適應(yīng)調(diào)節(jié)誤差閾值為0.5 ℃。結(jié)果如表1所示。

表1 車載絕緣安全工器具箱溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)測(cè)試結(jié)果

由表1可知，使用本文技術(shù)在自適應(yīng)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊時(shí)，其調(diào)節(jié)溫度最大差值為0.23，該數(shù)值較所設(shè)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)誤差閾值相差較大，且本文技術(shù)自適應(yīng)調(diào)整車載絕緣安全工器具箱溫控模塊時(shí)受當(dāng)前箱內(nèi)溫度與設(shè)定的恒溫?cái)?shù)值影響較小。綜上說明：本文技術(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊溫度的精度較高。

進(jìn)一步驗(yàn)證本文技術(shù)應(yīng)用效果，以調(diào)節(jié)恒濕能力作為指標(biāo)，測(cè)試本文技術(shù)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱內(nèi)恒濕能力，結(jié)果如圖6所示。

圖6 車載絕緣安全工器具箱恒濕調(diào)節(jié)結(jié)果

由圖6可知，使用本文技術(shù)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊時(shí)，可迅速使箱內(nèi)濕度達(dá)到其恒定數(shù)值，且消耗時(shí)間僅為6 s左右。該結(jié)果說明，本文技術(shù)可快速調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱內(nèi)的濕度，其調(diào)節(jié)溫控模塊能力較為優(yōu)秀，具備良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié) 論

本文研究車載絕緣安全工器具箱溫控模塊自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，并以情景模擬方式對(duì)本文技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果得知：獲得的箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)曲線與其實(shí)際數(shù)值曲線偏差數(shù)值最大僅1%左右；融合溫濕度數(shù)據(jù)后的關(guān)聯(lián)度始終保持在0.95左右，且不受融合溫濕度數(shù)據(jù)量增加影響；模擬得到的箱內(nèi)溫度變化情況符合實(shí)際；在自適應(yīng)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊時(shí)，其調(diào)節(jié)溫度最大差值為0.23 ℃，低于所設(shè)置閾值0.5 ℃。

本文技術(shù)采集車載絕緣安全工器具箱溫濕度較精準(zhǔn)，同時(shí)具備較強(qiáng)的溫濕度數(shù)據(jù)融合能力，且可有效自適應(yīng)調(diào)節(jié)車載絕緣安全工器具箱溫控模塊，使車載絕緣安全工器具箱保持恒溫恒濕狀態(tài)。