Адаптивные регуляторы в широтно-импульсных системах управления электромеханическими объектами Букреев, Виктор Григорьевич

Введение к работе

Одним из направлений повышения производительности труда в промышленно-:ти является автоматизация технологических процессов с использованием цифровых :исгем управления, на исполнительном уровне которых широко используются элек-ромеханические приводы с широтно-импульсной модуляцией управляющего сигна-га. Для достижения требований к точности слежения задающих траекторий, устойчи-юсти движения во всем пространстве состояний ЭМО, функционирующих в условное параметрических и координатных возмущений, требуется организация адаптивно-о управления исполнительным двигателем. Наибольшую сложность представляет ;омпенсация параметрических возмущений в ЭМО, так как в отличие от координат-шх возмущений, которые имеют сигнальную природу и поддаются измерению, информация о нестабильности характеристик элементов объекта непосредственно не ;онтролируется , а фиксируется косвенным путем - по приращению какой-либо пере-іешюй состояния. При этом параметрические возмущения оказывают влияние как на іереходньш процесс, так и на установившийся режим в электромеханическом объек-е. Также наличие устройств в контурах управления ЭМО, функционирующих в дис-ретном режиме, приводит к существенному изменению свойств замкнутой системы іегулирования. Это требует создания ряда новых направлений в теории дискретных истем управления ЭМО - таких, как методы адаптации, идентификации неизвестных іараметров и восстановления не измеряемых переменных и устойчивости движения ібьекта. Большой практический интерес представляет решение задач синтеза адап-ивного управления ЭМО с неконтролируемыми и нестационарными возмущениями. )собенно актуальной является проблема построения устойчивого адаптивного правления для объектов с ШИМ управляющего сигнала. Кроме того в рамках кон-(єпцші интеллектуальных систем проектирования технологических процессов возни-ает необходимость в таких методах исследования, которые позволяли бы перена-траивать алгоритмы управления объектами в процессе их движения согласно цели правления и выбранному функционалу качества.

Основы теории адаптивного управления, в том числе дискретных систем, изгажены в работах А.А. Фельдбаумана, Я.З. Цыпкина, А.А. Красовского, Заде Л., На-іендрьі К., Острема К., Брайсона А. В развитие этой теории выполнены работы Л.А. 'астригиным, В.Н. Афанасьевым, Ю.И. Параевым, В.Ю. Рутковским, И.Б. Ядыки-[ым, С.Д. Земляковым, В.Н. Буковым, И.Е. Казаковым, М. М. Коганом и др.

Значительный вклад в создание теории управления электромеханическими объ-ктами осуществлен Ю.А. Борцовым, В.И.Ключевым, Е.С. Пятницким, Б.Ш. Бурги-им, В.И. Уткиным, В.Г. Каганом, Такеути Т., Вукобратовичем М. и многими други-IH. Алгоритмы адаптивного управления синтезируются в своем большинстве для истем с фиксированной структурой. В этом направлении актуальным является орга-шзация алгоритмов линейного и нелинейного адаптивного управления в реальном іасштабе времени на основе неполного или приближенного аналитического описания ЭМО с контролируемыми возмущениями.

Целью диссертационной работы является развитие теории алгоритмического :онструирования, формирование принципов построеїшя, разработка методов проек-ирования и средств реализации адаптивных регуляторов, функционирующих в со-таве автоматизированных систем управления технологическими процессами. По-тавленная цель достигается посредством решения следующих теоретических и при-ладных задач:

разработать и исследовать методы синтеза адаптивных регуляторов систем управле ния электромеханическими объектами с нестационарными и неконтролируемым] возмущениями;

разработать методы и алгоритмы управления электромеханическими объектами і контролируемыми возмущениями;

разработать техническое и программное обеспечение при организации адаптивноп управления электроприводами и технологическими процессами.

Диссертация выполнена в соответствии с планами основных научно исследовательских работ НИИ автоматики и электромеханшш при Томском государ ственном университете систем управления и радиоэлектроники в рамках важнешшс госбюджетных и хоздоговорных НИР: на 1981-1985 гг. по теме " Разработка новы: элементов и систем автоматизации технологических процессов и установок на основі полупроводниковых преобразователей электрической энергии, электроприводов і микропроцессорной техники, обеспечивающих улучшение технико-экономически: показателей ", № гос. регистрации 01.82.2050072; на 1985-1986 гг. по теме " Разра ботка системы управления многокоординатным электроприводом загрузочного робо та ", № гос. регистрации 01.85.0049023; на 1986-1990 гг. по программе " Оптимум " приказ Минвуза СССР от 16.05.86 г. № 358 з/н № 23, № гос. регистрацта 01.9.00005146; на 1994-1996 гг. по теме " Создание интеллектуальных компьютерны технологий и средств автоматизации производств, систем управления и процесс; обучения на основе персональных ЭВМ и вычислительных сетей ", № гос. регистра ции 01.9.50000061; на 1997-1998 гг. по теме "Разработка научных основ проектирова ния интеллектуальных компьютерных технологий управления техішческимн объек тами, технологическими процессами и процессами обучения ", № гос. регистращп 01.9.80002350.

Методы исследования базируются на теории оптимального и адаптивноп управлеїшя, теории матричной алгебры, дифференциальных и алгебраических урав нений, теории устойчивости, вычислительных методах и имитационного моделиро вания.

Научная новизна работы заключается в создании комплексного подхода к про ектированию адаптивных регуляторов систем управления электромеханическим: объектами с нестационарными и неконтролируемыми возмущениями, позволяющег решить важную научно-техническую проблему. Результаты, полученные впервые:

1. Разработаны методы синтеза адаптивных регуляторов дискретных систем управле ния электромеханическими объектами с нестационарными и неконтролируемым возмущениями и неполной информацией о векторе состояния на основе оптимизаци функции Гамильтона в процессе формирования управляющих сигналов.

2. Разработаны методы синтеза регуляторов широтно-импульсных систем управлени электромеханическими объектами с контролируемыми возмущениями и обратно связью по выходу на основе минимизации квадратичного функционала качества.

3. Разработан метод синтеза нелинейных регуляторов широтно-импульсных систеї управления электромеханическими объектами с переменными параметрами на основ минимизации первой разности функции Ляпунова квадратичной формы и условий ус тойчивости замкнутой системы регулирования.

4. Разработан алгоритм адаптивного планирования траектории движения исполн* тельными электроприводами с учетом ограничений на скорость, ускорение промыл ленных механизмов со многими степенями подвижности по дискретным данным о з; данной траектории.

5. Разработаны методики синтеза адаптивного и локально-оптимального регулятора широтно-импульсной системы управления электроприводом постоянного тока.

6. Разработаны структуры адаптивных систем управления электроприводами и алгоритмы перенастройки коэффициентов регулятора, наблюдателя состояний и устройств обратных связей.

7. Разработаны методики улучшения точности, быстродействия, функциональных :войств измерительных преобразователей и устройств обратных связей электроприводов.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в разработке метопов, алгоритмов и программного обеспечения для расчета дискретных электромеханических систем стабилизации и слежения. Разработанные методы являются теоретической основой для автоматизированного проектирования и моделирования на ЭВМ управляющих систем линейными и нелинейными электромеханическими объектами. Методы просты и удобны в применении, требуют малых вычислительных затрат. На эснове полученных теоретических результатов разработаны инженерные методики эпределения коэффициентов передачи контуров регулирования (регуляторов и устройств обратных связей) электроприводов и технологических процессов. Разработан алгоритм формирования задающих сигналов трехкоординатным электроприво-вдм манипулятора с ограничениями на динамические показатели контурного дви-ікеїия рабочего органа механизма. Разработаны измерительные преобразователи :корости и тока двигателей исполнительных электроприводов и рассмотрены :пособы улучшения их точности и быстродействия.

Реализация получешшх результатов. Работа выполнена в рамках важнейших госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводившихся в НИИ автоматики и электромеханики при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, и ее результаты изложены в соответствующих научно-технических отчетах. Разработанные алгоритмы и технические средства систем адаптивного управления электроприводами внедрены в АО " МПО им. И. Румянцева " ( г. Москва ), ИФПМ СО РАН (г. Томск), НИИ АЭМ ( г. Томск ), ЗАО " ТОМ - МАС " (г. Томск), вагонном депо " Новокузнецк - Сортировочный " Кузбасского отд. Зап. Сиб. ж. д. Созданное в процессе работы математическое и программное обеспечение системы адаптивного планирования движением многокоординатного электропривода используется при проектировании и эксплуатации сварочных манипуляторов в ГНПП " Конструкторское бюро точного электромашиностроения " (г. Минск) и ГНПП НИИ полупроводниковых приборов (г. Томск). Научно - методические результаты, полученные в диссертационной работе используются при чтении курса лекций "Теоретические основы управлення в электроэнергетических системах" для студентов Томского политехнического университета, обучающихся по специальности "Автоматическое управление электроэнергетическими системами".

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих совещаниях и конференциях:

1. Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами", г. Тольятти, 1982 г.;

2. Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов", г. Барнаул, 1983 г.;

3. Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы", г. Челябинск, 1984 г.;

4. Всесоюзной практической конференции "Системы управления подвижньши объектами и автоматизация производительных процессов", г. Томск, 1984 г.;

5. Всесоюзной конференции "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем", г. Москва, 1985 г.;

6. Всесоюзной конференции "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем", г. Москва, 1987 г.;

7. Всесоюзной конференции "Системы управления подвижными составами и автоматизация технологических процессов", г. Томск, 1989г.;

8. Всесоюзной конференции "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами", г.Ульяновск, 1989 г.;

9. Всесоюзной конференции "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе", г. Барнаул, 1989 г.;

10. Научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития сборочного оборудования", г. Минск, 1991 г.;

11. 2-й международной конференции" Распознавание - 95 " г. Курск, 1995 г.;

12. XV научно-технической конференции " Электронные и электромеханические системы и устройства" г. Томск, 1996 г.;

13. Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике" г. Томск, 1997 г.

Результаты работы неоднократно обсуждались на научно - технических семинарах в НИИ автоматики и электромеханики при ТУСУР под руководством Лауреата Государственной премии РФ, академика инженерной академии РФ, д.т.н., профессора В.П. Тарасенко.

Публикации. Результаты диссертации отражены в 64 печатных работах, 3 отчетах по научно-исследовательским и госбюджетным темам. Среди опубликованных работ имеется 20 авторских свидетельств, патент России, монография и учебное пособие. Список основных печатных работ приведен в конце автореферата.

На защиту автором выкосятся следующие основные положения:

обобщенные математические модели электромеханических объектов с широтно-нмпульсной модуляцией управляющего сигнала;

методы синтеза регуляторов дискретной системы управления электромеханическими объектами в условиях неполной информации о векторе состояния, нестационарных параметрических и координатных возмущений;

методы синтеза регуляторов дискретной системы управления электромеханическими объектами при контролируемых возмущениях;

алгоритм декомпозиции билинейных многосвязных систем дискретного управления электромеханическими объектами;

алгоритм адаптивного планирования траекторий движения многокоординатньи электроприводов;

результаты применения методов и алгоритмов адаптации в практических разработках систем управления ЭМО и технологическими процессами.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается матема тическими доказательствами, численным моделированием тестовых примеров реше ния задач адаптивного управления ЭМО, сравнением с решением других авторов і использованием алгоритмов адаптации в практических разработках систем управле ния электроприводами и технологическими процессами, эксплуатируемых в про мышленности.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы (без приложения) составляет 355 страниц, в том числе 326 страниц основного машинописного текста, 196 рисунков и 19 таблиц. Список литературы изложен на 29 страницах и содержит 330 наименований.

Личный творческий вклад автора. В работу включены результаты, полученные автором самостоятельно и совместно с аспирантами и сотрудниками, которые под его научным руководством выполняли диссертациошгые работы и научно-прикладные исследования по указанным программам и договорам. Автору принадлежит: формирование концептуальных положений, постановка задач исследования, проведение теоретических, экспериментальных и тестовых исследований, интерпретация полученных результатов при разработке методов синтеза адаптивного управления и анализа устойчивости ЭМО с широтно-импульсной модуляцией управляющего сигнала, структур регуляторов и устройств обратной связи систем управления электроприводами, создание алгоритма адаптивного планирования траектории движения многоко-ординатого электропривода.