电气工程中的自动化设备与控制系统研究

引言

通过深入探究自动化设备与控制系统在电气工程中的应用机制，能够完善电气工程学科体系，为后续相关研究提供坚实的理论支撑，填补部分技术融合应用研究的空白。实践方面，本研究成果可帮助企业优化电气设备选型与系统搭建，降低运维成本，提高生产效率与产品质量，增强市场竞争力，同时为电气工程行业的可持续发展提供实践指导。

一、电气工程自动化的理论基础

1.1 智能控制理论

智能控制理论融合了人工智能、模糊数学、神经网络等技术，使控制系统具备自学习、自适应、自组织能力。在电气工程中，模糊逻辑控制可用于电气设备的温度控制，根据温度变化的模糊信息调整散热装置功率；神经网络控制则可应用于电力系统的故障诊断，通过对大量故障样本数据的学习，准确识别故障类型与位置。智能控制理论为解决传统控制理论难以应对的复杂、不确定电气系统控制问题提供了新思路。

1.2 电力电子技术

电力电子技术主要研究电力电子器件的特性与应用，以及电能变换的电路拓扑与控制方法。在电气工程自动化中，电力电子器件如晶闸管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等广泛应用于变流器、逆变器、斩波器等设备。这些设备将一种形式的电能转换为另一种形式，以满足不同电气设备的用电需求。在智能电网中，电力电子技术实现了分布式能源的高效接入与电能质量调节。

二、电气工程中的自动化设备

2.1 常见自动化设备类型

在电气工程领域，可编程逻辑控制器（PLC）是应用最广泛的自动化设备之一。它以可编程存储器为核心，能执行逻辑运算、顺序控制等多种指令，通过输入输出接口实现对机械或生产过程的控制。无论是工业生产线的流程控制，还是电力系统的开关操作，PLC 都能凭借灵活的编程特性适应不同场景需求。分布式控制系统（DCS）则适用于大型复杂电气系统。它将控制功能分散到多个现场控制站，再通过网络与中央操作站连接，形成分散控制、集中管理的模式。在电力、化工等领域，DCS 可对多台设备进行协同监控，既能保证局部控制的独立性，又能实现整体运行的统筹调度。智能传感器作为感知层核心设备，在传统传感功能基础上增加了数据处理与通信能力。

2.2 自动化设备的技术特点与应用优势

自动化设备的技术特点体现在多维度的性能提升上。其高精度特性确保了控制动作的精准执行，满足精密加工、电力调控等场景的严苛要求。通过冗余设计和自诊断机制，设备能在复杂环境中保持稳定运行，减少意外停机风险。快速响应能力则让设备能即时处理控制指令，提升系统整体运行效率。智能化设计使设备可根据环境变化自动调整参数，网络化特性支持远程监控与协同操作，模块化结构则简化了安装维护流程。实现连续化运行，突破传统生产的时间限制。减少人员在高危环境中的暴露，提升作业安全性。通过标准化控制流程，保证产品质量的一致性。

2.3 自动化设备的发展趋势

智能化将成为自动化设备的核心发展方向。随着人工智能技术的融入，设备将具备更强的自主决策能力，不仅能执行预设指令，还可通过分析运行数据优化自身行为，例如根据负载变化动态调整工作模式，实现更高效的能源利用。微型化与集成化趋势将进一步缩小设备体积。通过芯片级设计与多功能模块整合，设备能在有限空间内实现感知、控制、通信等复合功能，这对智能家居、便携设备等场景尤为重要，既能节省安装空间，又能降低系统复杂度。绿色节能理念也将深度渗透到设备设计中。

三、电气工程中的控制系统

3.1 控制系统的架构与组成

电气系统的控制结构的控制应满足电气系统的控制需求，主要包括集中式、分散式、分层式 3 种结构。集中式控制是指将控制算法全部集中在一个中央控制器，由传感器直接向中央控制器连接，中央控制器再连接执行器进行控制，结构简单，方便统一处理，适用于规模较小的电气系统。分散式控制是指把系统控制算法分解为一个或者多个子控制器，每个子控制器与其他子控制器由通信系统连接，任何一个子控制器出现故障系统仍能正常运行，适用于大型的电气系统。分层式控制主要对功能进行划分，一般分为决定层、管理层、执行层。

3.2 控制系统的控制策略与算法

采用何种控制策略受电气设备的影响。经典控制策略有PID 控制方式根据比例、积分、微分调节来消除系统误差，因为原理简单，控制较稳定而被大量使用于电机调速等控制系统中。前馈控制是在电气系统受到干扰因素时，通过提前控制的方式实现对干扰提前预判，其一般和反馈控制方式相结合来提高对干扰的抵制能力。先进控制算法可适应用于复杂的工况，模型预测控制基于系统的模型对其未来状态预测，通过滚动优化来获取控制的指令，可用于多约束条件下的控制。自适应控制方法能够随时对电气系统的控制参数进行适应性的调节，以处理电气系统运行工况中动态的变化情况。智能算法为电气控制系统增加了柔性调节能力。模糊控制利用人的经验模糊化控制算法的形式，以此来控制参数波动比较大的场景。而神经网络算法则是通过模拟人脑的神经元连接进行模拟，从而对非线性电气系统进行有效的控制。

3.3 控制系统的功能与作用

在线检测为控制系统最基础的功能，通过在线检测电压、电流、温度等状态，从而在线反映电气系统运行的状态，对出现的异常信号及时进行检测。然后，在此基础上进行电气设备之间参数关联性的自动检测，从而对判断设备是否有故障，为维修、维护提供参考。自动控制和调节是使得电气系统能够正常稳定运行的基础，当电网发生负荷变化，以及设备参数发生偏移等时，控制系统能够快速向执行机构发出指令，从而自动调整设备输出功率，比如发电输出功率的降低，电容补偿量的调整等，从而保障电气系统中的电压、频率等，避免造成这些指标出现不合理的情况发生。在运行安全层面，控制系统能够自动通过逻辑判断出对连锁保护的判断，从而使得电气系统在出现短路、过压等危害时，能够自动启动断路器机构，将发生短路和过压的位置进行电路的切断，从而避免设备损坏或是事故的发展蔓延。

结语

自动化设备与控制系统是电气工程高效运行的核心支撑。从设备类型到系统架构，从控制算法到功能实现，二者协同推动电气领域向精准化、智能化发展。当前，技术融合加速了设备与系统的升级，但也需应对复杂场景下的适配挑战。未来，需持续深化技术创新，强化二者协同效能，以更好适配电气工程多元化需求，为能源安全、工业升级等提供更可靠的技术保障，相关探索仍需学界与业界共同推进。

参考文献

[1] 饶勇.PLC 控制技术在电气自动化设备系统中的应用研究[J]. 中国机械,2023,(26):65-68.

[2] 朱喜霞.PLC 控制系统在电气自动化设备中的应用[J]. 造纸装备及材料,2021,50(11):40-42.