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1.伺服系统的工作原理和特点
下图是一种液压进口节流阀式节流调速回路。在这种回路中，调定节流阀的开口量后，液压缸就以某一调定速度运动。通过前述章节分析可知，当负载、油温等参数发生变化时，这种回路将无法保证原有的运动速度，因而其速度精度较低且不能满足jingque地连续无级调速要求。
可以将节流阀的开口大小定义为输入量，将液压缸的运动速度定义为输出量或被调节量。在上述回路中，当负载、油温等参数的变化而引起输出量变化时，这个变化并不影响或改变输入量，这种输出量不影响输入量的控制系统被称为开环控制系统。开环控制系统不能修正由于外界干扰（如负载、油温等）变化而引起的输出量或被调节量的变化，因此控制精度较低。
伺服系统的特点如下：
（1）它是反馈系统 把输出量的一部分或全部按一定方式回送到输入端，并和输入信号比较，这就是反馈作用。在上例中，反馈电压和给定电压是异号的，即反馈信号不断地抵消输入信号，这就是负反馈。自动控制系统中大多数反馈是负反馈。
（2）靠偏差工作 要使执行元件输出一定的力和速度，伺服阀必须有一定的开口量，因此输入和输出之间必须有偏差信号。执行元件运动的结果又试图消除这个误差。但在伺服系统工作的任何时刻都不能完全消除这一偏差，伺服系统正是依靠这一偏差信号进行工作的。
（3）它是放大系统 执行元件输出的力和功率远远大于输入信号的力和功率。其输出的能量是液压能源供给的。
（4）它是跟踪系统 液压缸的输出量完全跟踪输入信号的变化。
2.伺服系统的分类
伺服系统可以从下面不同的角度加以分类。
（1）按输入信号变化规律分类 有定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本任务是提高系统的抗干扰能力。当系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规律。
（2）按输入信号介质分类 有机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统等。
（3）按输出物理量分类 有位置伺服系统、速度伺服系统、力（或压力）伺服系统等。
在液压伺服系统中还可以按控制元件分为阀控系统和泵控系统两类。
3.伺服系统的优缺点
液压和气压伺服系统除具有其液压和气压传动所固有的一系列优点外，还具有控制精度高、响应速度快、自动化程度高等优点。但是，伺服元件加工精度高，因此价格较贵；特别是液压伺服系统对油液的污染比较敏感，因此可靠性受到影响；在小功率系统中，液压伺服控制不如电器控制灵活。随着科学技术的发展，液压和气压伺服系统的缺点将不断地得到克服。在自动化技术领域中，液压和气压伺服控制有着广泛的应用前景。
伺服系统是典型的开环控制系统，指令信号是单向流动的。开环系统没有位置和速度反馈回路，省去了检测装置，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制，系统简单可靠，不需要像闭环伺服系统那样进行复杂的设计计算与试验验证。
步进开环伺服系统由于具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，在中小型机床和速度、精度要求不十分高的场合，得到了广泛的应用。
1．步进电动机的种类和结构
步进电动机的分类方式很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表1所示。
步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图2所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成a、b、c三相。在定子的每个磁极上开了5个小齿，齿宽相等，齿间夹角是9°。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。有均匀分布的40个小齿，齿间夹角也是9°。此外，定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。
图2 步进电机结构原理图
2．步进电动机的工作原理
步进电机是按电磁吸引的原理工作，现以反应式步进电机为例说明其工作原理。反应式步进电机的定子上有磁极，每个磁极上有激磁绕组，转子无绕组，有周向均布的齿，依靠磁极对齿的吸合工作。如图3所示为三相步进电机，定子上有三对磁极，分成a、b、c三相。
摘 要：变压器油中溶解气体分析是电力变压器绝缘故障诊断的重要方法。文中将改进的基因表达式程序设计算法应用于电力变压器故障诊断，利用新的选择算子、变异（变换）、重组算子和多种群算子保证了种群的多样性，确保算法不陷入局部优，而快速达到全局优。经实例分析，并将其结果与BP神经网络和人工免疫分工算法的结果相比较，表明该算法能有效地对电力变压器故障进行诊断，具有较高的诊断准确率。
关键词：电力变压器;故障诊断;基因表达式程序设计
0 引言
变压器是电力系统生产过程中的重要设备之一，它能否正常运行直接影响到企业的经济效益和系统的安全运行。近年来，对电力变压器故障诊断新方法的探讨和研究，引起了国内外科研工作者的极大关注。油中溶解气体分析，由于分析速度快、检测灵敏度高和样品用量少、能够及时发现变压器内部存在的早期故障，已成为目前电力系统中对充油变压器常规使用的重要监测手段。常用的IEC三比值法及相关改良比值法在工程实际使用中暴露出编码不全、编码边界过于等缺点[4]。目前，在很多人工智能方法如人工免疫系统、专家系统、神经网络、聚类分析、灰色理论、支持向量机等[4-6]，它们中的1 种或几种集成方法被应用于电力变压器故障珍断系统中，但于电力变压器的结构复杂性和故障机理的多样性，使得故障诊断的准确率还需要进一步提高。
基因表达式程序设计[1]（Gene bbbbbbbbbb Programming, GEP）是是葡萄牙科学家Candida Ferreira发现的一种基于基因型（Genome）和表现型（Phenomena）的新型遗传算法。它综合了GA和GP 的优点，具有染色体简单、线性和紧凑、易于进行遗传操作等到优点，这为解决电力设备的故障诊断问题提供了一条新的思路。本文对基因表达式程序设计算法加以改进，提出自适应基因表达式程序设计算法并将其应用于电力变压器故障珍断，实例分析结果表明，该算法能有效地对电力变压器的各种故障模式进行检测。
1. 变压器故障诊断自适应GEP算法
1.1 GEP算法[2-3]的改进
GEP的个体是由多个长度固定不变的基因组成的线性串染色体，然后这些个体被表示成表达式树（bbbbbbbbbb Trees, ET）。GEP染色体和表达式树结构简单清晰，通过简单的线性编码和解码规则可无歧义地互化。GEP将这两者分别作为独立个体，对GA和GP的优点分别加以继承，使遗传操作易于实施，结果方便表达。它在符号回归、分类和时间序列问题预测中广泛应用，成为了一个非常有力的数据挖掘工具。
为改善GEP算法性能，对GEP参数进行自适应调整：
1.1.1选择算子：
受免疫算法抗体多样性的启发，多样性可用来提高遗传算法的全局搜索能力而不致陷于局部解。新的选择算子不仅与个体适应度有关，还与个体的浓度有关，个体浓度越大，选择概率越小，个体浓度越小，选择概率越大。个体的选择概率
（1）
式（1）中， f（xi） 为个体 i 适应度函数。种群中与个体i基因相似的个体越多，个体i被选中的概率越小。反之，与个体i基因相似的个体越少，个体i被选中的概率就越大。这使含有有效进化基因的低适应度个体也可获得繁殖的机会。这在理论上保证了解的多样性。
1.1.2 变异（转换）Pm和重组pc算子：为加快GEP算法的收敛速度，变异（转换）Pm和重组pc概率进行自适应调整：当种群比较单一时，Pm和pc变化较大;反之，当种群差别较大时，Pm和pc变化较小。同时当种群中的个体适应度较小时，Pm和pc变化较大;反之，当种群中的个体适应度较大时，Pm和pc变化较小。这样在克服过早收敛和避免个体破坏之间选择了折衷的方案，保证了群体的多样性，克服了GEP算法的不成熟收敛，而达到全局优。
1.1.3 多种群进化 受多种群并行进化思想的启发，改进的GEP算法中嵌入多种群并行优化与自适应调整相结合的思路，将原种群按其特性划分为几个种群，每个子种群有其各自的特点，例如具有不同的pc与Pm，具有不同的种群规模，具有不同的进化策略和算子，个体的特性分布也不同。这样通过不同子种群之间的进化，可以选取和保留每个种群的个体，避免了单种群进化产生的过早收敛现象，同时又可以保持个体的进化稳定性。另外为了使每个种群进化的灵活性，在pc与Pm的设置时，不再像以前那样将它们设为定常值，使其能自动调整参数值。
表1 种群参数特征
如表1所示，将某种群划分为四类种群同时进化。前三类种群按照各自的进化策略并行进化，种群4为保留子种群,它开始没有个体,它是由前三类种群进化过程中选取的个体组成,其作用在于保存前三类种群进化的个体,使不遭受破坏,又使个体分布多样性,同时其自身也在进化,其pm,pc 均比较小,目的在于保持个体的稳定性和多样性.
1.2自适应并行GEP算法的实现，自适应并行GEP算法的实施步骤如下:
（1） 按表1随机初如化种群1，种群2，种群3，种群规模分别为N1，N2，N3。
（2） 计算各种群中个体的拟合度，并判断是否符合优化准则，若符合，输出佳个体及其代表的优解，并结束运算;否则转向（3）步。
（3） 根据公式（2）、（3）、（4）、（5），每个子群体独立地进行一次自适应GEP进化。
（4） 每个个体根据公式（1）进行选择，产生下一代群体。
（5） 将各种群中的优个体注入到种群4中，并且从所有子种群体中找出一个优个体，再将此个体注入每个子群体中，替代各子种群体中的差个体。
（6） 种群4按表1的pm,pc进化产生新一代。
（7） 判断是否符合优化准则。若满足则结束本次计算，否则继续第（2）步。
2. 自适应GEP算法在电力变压器故障诊断中的应用
2.1 算法参数设置：
进化代数 max_ generation=1000 ; 终点集T=｛x1,x2,x3,x4,x5｝,其中x1,x2,x3,x4,x5分别代表H2，CH4，CH4，C2H4，C2H6，C2H2共5种气体的体积数;函数集F=｛+，—，＊，/，L，E，～，Q，S，C｝。其中L代表自然对数，E代表 ，Q代表开方函数，～代表 ，S代表正弦函数，C代表余弦函数。
2.2实例分析
2.2.1 变压器故障类型：有单一故障类型和多故障类型（见表2）
表2 变压器故障类型
2.2.2 以下对由自适应的GEP算法建模得到的结果与文献[6]中得到的结果进行比较，以某电力变压器故障实例[6]作样本集（表3）
表3预测模型的样本集及与其他方法结果比较
从表3结果不难看出：自适应的并行GEP算法均得出了正确的诊断结果，表明了该算法对电力变压器多故障同时发生的情况有很高的诊断准确率，其结果比BP神经网络、文献[6]的免疫分类算法都优。
3. 结束语
（1）新的选择算子、变异（变换）、重组算子和多种群算子保证了种群的多样性，确保算法不陷入局部优，而快速达到全局优。
（2）多种群算子突破了单一种群考虑信息的不足和解的单一化，以及现有多种群遗传算法中局限于单一的固定的参数值。各种群是根据种属的实际情况，使其能自动调整参数值。这样通过不同子种群之间的进化，可以选取和保留每个种群的个体，避免了单种群进化产生的过早收敛现象。同时，由于种群4保存了其他子种群的个体，确保了个体的进化稳定性，提高了算法的收敛速度。
（3）将改进的GEP算法用于电力变压器诊断中，故障诊断准确率要高于BP神经网络和文献[6]的人工免疫分类法，证明了本算法的有效性。
4. 创新点
改进的自适应并行GEP算法在电力变压器故障诊断中的应用是正确、高效的。实例结果表明它的电力变压器故障诊断准确率很高，从而说明本算法是高效的。
参考文献：
一般都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。
步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。
随着数字控制系统的发展，步进电动机的应用将逐渐扩大。
步进电动机的种类很多，按结构可分为反应式和激励式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。
图1 反应式步进电动机的结构示意图
图1是反应式步进电动机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，联法如图所示。
下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。
一、单三拍通电方式的基本原理
设a相首先通电（b、c两相不通电），产生a-a′轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时a、a′极就成为电磁铁的n、s极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻小的位置，也就是要转到转子的齿对齐a、a′极的位置（图2a）；接着b相通电（a、c两相不通电），转了便顺时针方向转过30°，它的齿和c、c′极对齐（图2c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按a→c→b→a→…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。
图2 单三拍通电方式时转子的位置
二、六拍通电方式的基本原理
设a相首先通电，转子齿与定子a、a′对齐（图3a）。然后在a相继续通电的情况下接通b相。这时定子b、b′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是a、a′极继续拉住齿1、3，因此，转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着a相断电，b相继续通电。这时转子齿2、4和定子b、b′极对齐（图c），转子从图(b)的位置又转过了15°。其位置如图3d所示。这样，如果按a→a、b→b→b、c→c→c、a→a…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按a→a、c→c→c、b→b→b、a→a…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式。
a.a相通电 b.a、b相通电 c.b相通电 d.b、c相通电
图3 六拍通电时转子位置
三、双三拍通电方式的基本原理
如果每次都是两相通电，即按a、b→b、c→c、a→a、b→…的顺序通电，则称为双三拍方式，从图3b，和图3d可见，步距角也是30°。因此，采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角θ可用下式计算：
θ＝360°/zr×m
式中zr是转子齿数；m是运行拍数。
一般步进电动机常见的步距角是3°或1．5°。由上式可知，转子上不只4个齿（齿距角90°），而有40个齿（齿距角为9°）。为了使转子齿与定子齿对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6个极以外，在每个极面上还有5个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图4所示。
图4 三相反应式步进电动机的结构图
由上面介绍可知，步进电动机具有结构简单、维护方便、jingque度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于电脉冲频率，并与频率同步。
四、步进电动机的驱动电源
步进电动机需配置一个专用的电源供电，电源的作用是让电动机的控制绕组按照特定的顺序通电，即受输入的电脉冲控制而动作，这个专用电源称为驱动电源。步进电动机及其驱动电源是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是由电动机和驱动电源两者配合所形成的综合效果。
1、对驱动电源的基本要求
（1）驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都工满足步进电动机的需要；
（2）要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；
（3）能大限度地抑制步进电动机的振荡；
（4）工作可靠，抗干扰能力强；
（5）成本低、效率高、安装和维护方便。
2、驱动电源的组成
步进电动机的驱动电源基本上由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成，如图5所示。
图5 步进电动机驱动电源的方框图
（1）脉冲发生器
脉冲发生器是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的脉冲信号发生器。脉冲发生器可以采用多种线路，常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的张弛振荡器两种，它们都是通过调节电阻r和c的大小来改变充放电的时间常数，以达到改变脉冲信号频率的目的。图6是两种实用的多谐振荡电路，它们分别由反相器和非门构成，振荡频率由rc决定，改变r值即可改变脉冲频率。
图6 脉冲发生器实用电器
（2）脉冲分配器
脉冲分配器中由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，它根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加在脉冲放大器上，使步进电动机按确定的运行方式工作。下面着重介绍ch250环形脉冲分配器。
ch250环形脉冲分配器是三相步进电动机的理想脉冲分配器，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式，如图7、图8所示。
图7 ch250三相双三拍接法
图8 ch250三相六拍接法
j3r、j3l两端子是三相双三拍的控制端，j6r、j6l是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若j3r＝“1”，而j3l＝“0”，则电机正转；若j3r＝“0”，j3l＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若j6r＝“1”，j6l＝“0”，则电机正转；若j6r＝“0”，j6l＝“1”，电机反转。r2是双三拍的复位端，r1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。cl端是时钟脉冲输入端，en是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲cp由cl端输入，只有en端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。ch250也允许以en端作脉冲cp的输入端，此时，只有cl为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。a0、b0、c0为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。
ch250环形脉冲分配器的功能关系如表1所列。
表2－1 ch250功能表
工作方式 cl en j3r j3l j3r j3l 六拍 正转
反转 0
0
0
0 0
0 1
0 0
1 双三拍 正转
反转 0
0
1
0 0
1 0
0 0
0 六拍 正转
反转
1
1 0
0 0
0 1
0 0
1 双三拍 正转
反转
1
1 1
0 0
1 0
0 0
0
（3）脉冲放大器（功率放大器）
由于脉冲分配器输出端a0、b0、c0的输出电流很小，如ch250脉冲分配器的输出电流大约为200-400μa，而步进电动机的驱动电流较大，如75bf001型步进电动机每相静态电流为3a，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动。图9是一个实用的脉冲放大电路，图中使用三级晶体管放大，级用3dg6小功率管，第二级用3dk4zhonggong率管，第三级用3dd15大功率管，r6为步进电动机限流电阻，随所配电机不同而异。
图9 脉冲放大器实用电路
图10 高低压切换驱动电源的原理图
图9所示电路是单电压型驱动电源，它的特点是：线路简单，电阻r6与控制绕组串联后，可以减小回路的时间常数；但是由于r6上要消耗功率，使电源的效率降低，用这种电源供电的步进电动机的起动和运行频率都不会太高。为了提高电源效率及工作频率，可采用高、低压切换型电源，其原理如图10所示。高压供电是用来加速电流的增长速度，而低压是用来维持稳定的电流值。低压电源中串联一个数值较小的电阻，其目的是为了调节控制绕组的电流，使各相电流平衡。
