Актуальность темы. Совершенствование технологических процессов и производств, повышение производительности промышленного оборудования и качества выпускаемой продукции определили возросшие требования к автоматизированному электроприводу. Прежде всего это относится к повышению точности и качества регулирования выходных координат в установившихся и переходных режимах при воздействии внешних и параметрических возмущений.
Хотя диапазон изменения параметров объекта в системах промышленного электропривода не очень широк, и обычно наблюдается лишь 1,5-3-кратное их изменение, известные в практике проектирования традиционные системы зачастую не могут обеспечить надлежащего качества управления.
Для получения приемлемого качества регулирования замкнутых систем в условиях внешних и параметрических возмущений используют адаптивные и робастные системы управления. В последнее время приоритетное место занимают робастные системы, поскольку структура и параметры робастных регуляторов, в отличие от адаптивных, в процессе эксплуатации установки остаются постоянными. Поэтому синтез и наладка таких систем проще и дешевле. При этом отдается предпочтение такой структуре робастной системы, которая в сравнении с традиционными системами имела бы минимальные усложнения и стандартные (или близкие к ним) настройки.
Таким образом, актуальной является задача построения робастных систем электропривода, обеспечивающих заданные качество и точность регулирования в условиях меняющихся параметров объекта и внешних возмущений без серьёзного усложнения методик проектирования и получаемых алгоритмов управления, а значит - приемлемые стоимостные показатели.
Вопросам разработки и использования робастной теории для САР электропривода посвящены труды таких ученых как Борцов Ю.А., Коцегуб П.Х., Толочко О.И., Тютиков В.В., Тарарыкин С.В. и др. Заметим, что в отечественной литературе робастные методы иногда связывают с сигнальным алгоритмом адаптации.
Существенную роль при проектировании системы автоматического управления играют выбранные методы синтеза и анализа систем. Сравнение наиболее распространенных методов синтеза робастных САР позволило выделить, а в дальнейшем и эффективно использовать получивший распространение в последнее время метод полиномиальных уравнений (ПУ), отличающийся простотой, удобством и широкими, еще полностью не раскрытыми, возможностями. Использование полиномиальных методов может рассматриваться как один из подходов для синтеза и анализа робастных систем, дающий разработчику простые, надежные и эффективные средства решения вопросов, связанных с проектированием качественных систем автоматического управления.
Несмотря на обилие публикаций по этой тематике, существует ряд нерешенных задач. Например, в известных моделях объекта управления не учитывается вариация параметров, что не дает возможности учесть это явление при синтезе систем, а на этапе анализа - оценить эффективность использования робастных систем на всем диапазоне варьируемой величины; отсутствует обоснование механизма подавления робастной системой параметрических возмущений и др.
Объект исследования. Частотно-регулируемый асинхронный электро-привод с двухмассовой механической частью и цифровой векторной системой управления.
Целью работы является разработка и исследование модифицированного полиномиального подхода к синтезу и анализу робастных векторных систем управления асинхронным электроприводом на основе интервальных моделей объекта управления.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи работы:
1. Разработать математические модели объекта регулирования «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) в «интервальном» виде при воздействии внешних и параметрических возмущений. Выполнить оценку возможного диапазона изменения этих возмущений.
2. Для решения задач синтеза разработать методику выбора из множества точечных моделей, составляющих интервальную модель объекта, такой рас-четной точечной модели, которая бы обеспечивала минимальное отклонение качества регулирования от желаемого при изменении соответствующего параметра в заданных границах интервала.
3. Разработать модифицированную методику синтеза цифровых робастных систем управления электроприводом, отличающуюся от известных большей физической наглядностью и простотой анализа. При разработке методики синтеза должны использоваться два подхода: метод непрерывного аналога и синтез непосредственно в цифровой области.
4. С помощью интервального подхода выполнить в общем виде сравнительный анализ традиционных и робастных систем, получаемых по этой методике, и доказать их робастные свойства.
5. С помощью двух подходов с использованием модифицированной методики выполнить синтез робастных цифровых регуляторов тока и скорости. С помощью интервального подхода произвести сравнительный анализ чувствительности к параметрическим и внешним возмущениям полученных традиционных и робастных контуров регулирования тока и скорости.
6. Подтвердить результаты теоретических исследований компьютерным моделированием на уточненной модели объекта и экспериментальными исследованиями.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с привлечением методов теоретической электротехники, теории электропривода, полиномиальной алгебры, теории автоматического управления, математического моделирования. При создании математической модели и проведении имитационного моделирования использовались программные пакеты
ММЬаЬ81тиИпк, МаШСа& Экспериментальная часть исследования проводилась на лабораторном стенде с использованием стандартного преобразователя частоты SIMOVERT MASTERDRIVE Vector Controlи асинхронного двигателя с импульсным датчиком скорости.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Интервальные математические модели объекта регулирования для работы в условиях вариации параметров. Методика выбора расчетной точечной модели объекта из множества, составляющего интервальную модель объекта.
2. Модифицированная методика синтеза цифровых робастных САР на основе новой формы общего решения полиномиального уравнения.
3. Структуры робастных цифровых регуляторов тока и скорости, полученные с использованием двух подходов: методом непрерывного аналога и непосредственно в цифровой области.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований робастной системы управления асинхронным электроприводом.
Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработаны интервальные математические модели асинхронного двухмассового электропривода с учетом вариации параметров, наличия внутренних перекрестных связей и упругой связи второй массы. Приведены границы вариации интервальных параметров объекта в асинхронном электроприводе. Предложена методика выбора расчетной точечной модели объекта из множества точечных, составляющих интервальную модель объекта.
2. Разработана модифицированная методика синтеза робастных регуляторов методом ПУ, отличающаяся от известных простотой и физической наглядностью системы в целом. На основе модифицированной методики выполнен синтез цифровых робастных регуляторов тока и скорости. При этом рас-смотрены два подхода к синтезу регуляторов: в аналоговом виде с после-дующим переводом в цифровую форму и синтез непосредственно в дискретной области. Оценены границы применимости таких регуляторов.
3. На основе интервального подхода к описанию объекта регулирования выполнены теоретические исследования цифровых робастных САР как в общем виде, так и для замкнутых САР тока и скорости. Доказано, что полученные робастные регуляторы обеспечивают улучшенную отработку внешних возмущающих воздействий и слабую параметрическую чувствительность.
4. Компьютерное моделирование и экспериментальные исследования показали, что использование робастного регулятора тока в системах управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом позволяет исключить из структуры векторной САР блок компенсации перекрестных связей, а применение робастного регулятора скорости - значительно уменьшить упругие колебания в механической части электропривода, снизить влияние вариации момента инерции на качество переходных процессов.
Практическая ценность выполненной работы заключается в том, что робастные системы электропривода, полученные методом ПУ, обеспечивают свойство слабой параметрической чувствительности и улучшают отработку внешних возмущающих воздействий, что ведет к стабилизации характеристик электропривода и, соответственно, повышает качество его работы. Полученный методом ПУ робастный регулятор скорости, благодаря своей простоте, позволяет реализовать его в стандартном промышленном преобразователе без дополнительных капитальных затрат. Разработанные робастные регуляторы могут быть использованы в промышленных электроприводах с заметным влиянием на качество регулирования параметрических и внешних возмущений, в том числе связанных с упругостью механической части электропривода.
Разработанная методика принята к использованию в проектной практике ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (г. Екатеринбург) и используется в учебном процессе кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» при изучении дисциплины «Современная теория управления».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены:
1) на IX (2005 г.), XII (2007 г.) отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ;
2) на V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (г. Санкт-Петербург, 2007);
3) на VI международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2010 (г. Тула, 2010);
4) на международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2008» (г. Нижний Новгород, 2008);
5) на региональной научно-технической конференции НТИ(ф) УГТУ-УПИ «НАУКА-ОБРАЗОВАНИЕ-ПРОИЗВОДСТВО: Опыт и перспективы раз-вития» (г. Нижний Тагил, 2009);
6) на международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2009» (Нижний Новгород, 2009).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 статей и докладов, в том числе 3 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 139 наименований и приложения. Работа изложена на 188 страницах основного текста, содержит 64 рисунка и 1 таблицу.
1. Выполнен обзор современных методов синтеза робастных систем управления. Представлены алгоритмы синтеза робастных регуляторов этими методами, дана оценка их математической сложности и области применения каждого из методов. Для синтеза робастных векторных САР асинхронного электропривода предпочтение было отдано методу ПУ как наиболее простому и эффективному.
2. Разработаны интервальные математические модели асинхронного электропривода с учетом вариации параметров, наличия внутренних перекрестных связей и упругой связи второй массы. Приведены границы вариации интервальных параметров объекта в асинхронном электроприводе. Разработана методика выбора из множества точечных моделей, составляющих интервальную модель объекта, такой, которая бы обеспечивала одинаковое и минимальное отклонение качества регулирования выходной координаты при изменении соответствующего параметра в заданных границах интервала.
3. Разработана модифицированная методика синтеза робастных регуляторов методом ПУ, отличающаяся от известной простотой и физической наглядностью системы. На основе модифицированной методики выполнен синтез цифровых робастных регуляторов тока и скорости. При этом рассмотрены два подхода к синтезу регуляторов: в аналоговом виде с последующим переводом в цифровую форму и синтез непосредственно в дискретной области. Оценены границы применимости таких регуляторов.
4. На основе интервального подхода к описанию замкнутых САР выполнены теоретические исследования цифровых робастных САР как в общем виде, так и для замкнутых САР тока и скорости. В результате исследований сделаны выводы о том, что полученные робастные регуляторы обладают улучшенной отработкой внешних возмущающих воздействий и слабой параметрической чувствительностью.
5. Выполнено сравнение полученного робастного регулятора скорости с другими известными решениями. Сделан вывод о том, что метод ПУ позволяет синтезировать робастные САР с лучшим качеством переходных процессов по возмущению и меньшей параметрической чувствительностью.
6. Экспериментальные исследования, выполненные методами математического моделирования векторной САР с уточненной моделью объекта, учитывающей дискретные свойства транзисторного преобразователя и упругодиссипативные силы в механической связи, а также на лабораторной исследовательской установке, полностью подтвердили основные результаты теоретических исследований.
7. Синтезированный методом ПУ робастный регулятор скорости, благодаря своей простоте, позволяет реализовать его в стандартном промышленном преобразователе без дополнительных капитальных затрат. При этом расчёт и наладка такой системы не вызывает особых затруднений. Это позволяет рекомендовать разработанные робастные регуляторы для промышленного использования в реальных системах управления электроприводами.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
