Оптимизация управления электромеханическими системами и подвижными объектами Яковенко, Павел Георгиевич

Введение к работе

Актуальность темы. Автоматизация управления техническими систе-ами и технологическими процессами является одним из основных путей нтенсификации производства. Усложнение оптимизационных задач в сис-;мах высокого порядка, создание новых технологий и расширение областей рименения автоматического управления требуют дальнейшего совершенст-ования электромеханических устройств. Создание автоматических систем сложняется большим количеством жестких и отчасти противоречивых тре-ований к технологическим установкам, наличием нелинейностей и ограни-ений. Для инженерной практики важна реализация оптимальных переход-ых процессов с использованием предельных динамических возможностей иловых преобразователей и исполнительных элементов.

Принципы цифрового управления используются в электроприводах танков с числовым программным управлением и робототехнических ком-[лексах. Получили широкое распространение системы с цифровыми и ана-оговыми регуляторами. Для реализации предельных динамических возможностей электроприводов в режимах слежения и позиционирования необ-:одимы алгоритмы синтеза в реальном масштабе времени оптимальных по быстродействию управлений.

Перспективными источниками электрической энергии в труднодос-упных районах являются малые реки. Микрогидроэлектростанции автобал-іастного типа на базе синхронных генераторов с тиристорными регуляторами способны эффективно преобразовывать энергию потока воды. В устано-швшихся и переходных режимах станции на качество выходного напряже-іия существенно влияют параметры элементов системы, способы управле-шя взаимосвязанными контурами регулирования напряжения возбуждения ~енератора и балластной нагрузки. Необходимы новые методики синтеза оптимальных управлений и определения параметров установок.

Эффективное управление подвижными объектами обеспечивается путем реализации оптимальных законов. Темп инициирования задач управления и время получения результатов вычислений для принятия решений обычно жестко регламентируются динамическими свойствами управляемых объектов. Оперативное управление в реальном масштабе времени позволяет учитывать изменение параметров, ограничений и заданий во время переходного процесса. Следует совершенствовать алгоритмы управления.

Традиционные методы синтеза оптимальных управлений линейными и нелинейными системами с ограничением координат не всегда эффективны. Необходимы новые приемы и средства прикладной математики для совершенствования алгоритмического обеспечения систем управления электромеханическими устройствами и подвижными объектами, определения их предельных динамических возможностей.

Исследование и совершенствование систем автоматического управле успешно ведутся в нашей стране и за рубежом. Большие достижения име Институт проблем управления РАН, ВНИИ машиностроения, НИИ электрс ханики, ВНИИ электропривод, ВНИИ релестроения, Московские госудаї венные авиационный и энергетический институты, Уральский, Самарски; Новосибирский государственные технические университеты, Саккт-Пет бургский государственный электротехнический университет. За рубежом вестны успехи фирм Фанук (Япония), Сименс (ФРГ), Бош (ФРГ), Джене) Электрик (США), Лукас (Англия) и ряда других. Значительный вклад в т рию управления внесли ученые: А.А. Красовский, В.А. Бесекерский, Е.П. I пов, А.А. Фельдбаум, В.В. Солодовников, А.С. Воронов, А.В. Башарин, Н. Ильинский, В.И. Ключев, АД. Поздеев, Б.В. Павлов, Ю.А. Борцов, Ю. Параев, К. Кесслер, Р. Беллман, К. Острей и многие другие.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Постановлена Правительства РФ от 28.05.96 г. "О приоритетных направлениях развития на ки и техники и критических технологиях", планами научно-исследовательсю госбюджетных и хоздоговорных работ Томского политехнического уииверс тета.

Цель работы. Разработка методики оптимизации по быстродействи управлений линейными и нелинейными электромеханическими системами подвижными объектами с ограничением координат. Создание алгоритмов сш теза микропроцессорными средствами в реальном масштабе времени опп мальных управлений электроприводами, способа стабилизации напряжени микрогидроэлектростанции автобалластного типа, алгоритмов управлени подводными аппаратами при переходах по глубине.

Достижение указанных целей обеспечивается постановкой и решениен основных задач исследования:

1. Анализ известных методов оптимизации по первичным показателяї^ качества кривой переходного процесса для нелинейных систем и перспективь применения этих методов для синтеза микропроцессорными средствами оптимальных законов управления электромеханическими системами и подвижными объектами.

2. Разработка методики синтеза оптимальных управлений линейными и нелинейными системами высокого порядка, основанной на последовательном определении во время переходного процесса оптимальных управлений для малых временных интервалов в функции текущих значений координат системы.

3. Исследование предельных динамических возможностей реверсивных тиристорных электроприводов постоянного тока по отработке дискретных управляющих воздействий, разработка методики определения ограничений в законах управления комплектными регулируемыми электроприводами с аналоговыми регуляторами.

4. Обоснование целесообразности применения последовательного многошагового синтеза в позиционных и следящих системах с микропроцессорным управлением, разработка алгоритмов синтеза в реальном масштабе времени с ограничением координат оптимальных по быстродействию управлений комплектными электроприводами.

5. Разработка закона торможения с ограничением координат позиционного электропривода, для реализации которого достаточно выполнения логических и арифметических действий сложения и вычитания.

6. Исследование рабочих режимов работы микрогидроэлектростанции автобалластного типа с тиристорнымн регуляторами нагрузки и напряжения возбуждения синхронного генератора. Разработка методики синтеза оптимальных управлений напряжением возбуждения станции и оптимизация параметров установки.

7. Разработка алгоритма оптимального расхождения на безопасном
расстоянии движущихся по одному курсу судов с учетом запретных районов
плавания, требования минимального времени нахождения маневрирующего
судна вне основной траектории движения, ограничений на величину и ско
рость изменения курса.

8. Обоснование принципов определения и разработка алгоритмов син
теза оптимальных управляющих воздействий для стабилизации за мини
мальное время без перерегулирования по положению морских подводных
объектов в новых заданных положениях после приложения ступенчатых воз
мущений.

9. Разработка имитационных моделей силовой цепи реверсивного тиристорного электропривода постоянного тока и новых технических решений для реализации аналоговых моделей с учетом особенностей работы преобразователей.

Методы исследования. Научные исследования диссертационной работы основывались на методах имитационного моделирования, динамического программирования и избыточных переменных. Применялись численные методы решения дифференциальных уравнений, системный анализ и индуктивный подход. Проверка теоретических расчетов и выводов, разработанных алгоритмов управления динамическими объектами проводилась экспериментальными методами на макетах и промышленных установках.

Основные научные выводы и положення, выдвигаемые на защиту;

1. Последовательный многошаговый синтез оптимальных управлений на основе методов динамического программирования и имитационного моделирования с использованием принципов «перемены цели» и «ведущего слабого звена».

2. Методика последовательного многошагового синтеза оптимальных управлений позволяет определять предельные динамические возможности электромеханических систем с ограничением координат при отработке про-

извольных заданий, осуществлять выбор элементов силовой цепи, оценива качество воспроизведения заданных траекторий движения.

3. Расчет минимального суммарного момента инерции вращающихі частей микрогидроэлектростанцаи автобалластного типа следует проводить учетом специфики работы тиристорних регуляторов балластной нагрузки напряжения возбуждения синхронного генератора.

4. Представление координат и ограничений единицами одной разме] ности позволяет реализовывать микропроцессорными средствами оптимап ные законы управления системами высоких порядков по простым алгори мам.

5. Синтез оптимальных по быстродействию управлений позиционным и следящими системами на базе комплектных электроприводов возможен учетом ограничений координат в реальном масштабе времени л алгоритмам, содержащим только логические и арифметические операци сложения и вычитания.

6. Синтез оптимальных траекторий расхождения на безопасном рас стоянии движущихся по одному курсу судов выполняется последовательн по шагам с учетом ограничений координат и внешних препятствий путе: имитации отклонения маневрирующего судна от основной траектории дві жения на безопасное расстояние расхождения.

7. Оптимальные траектории движения управляемого объекта при де? ствии ступенчатого возмущения без нарушения принятых ограничений опре деляются путем последовательного расчета пробных шагов и последующег перевода объекта в равновесное состояние.

Научная новизна.

1. Предложена методика последовательного многошагового синтез оптимальных управлений линейными и нелинейными системами с ограниче нием координат путем многократного численного решения дифференциаль ных уравнений.

2. Получены простые аналитические выражения, позволяющие синте зировать микропроцессорными средствами в реальном масштабе времен] оптимальные по быстродействию управления подвижными объектами прі постоянных ограничениях координат.

3. Разработаны принципы формирования оптимальных по быстродей ствию управлений позиционными и следящими электроприводами с учето> предельных динамических возможностей элементов, требований к качеств; переходных процессов и технологических ограничений.

4. Предложен способ формирования траектории торможения позици онного электропривода, обеспечивающий выход привода на заданную пози цию без перерегулирования по положению с малым ускорением и скоростью

5. Разработана методика синтеза оптимальных управлений синхронны.\ движением нескольких подвижных объектов с учетом их динамических воз

>жностей, дискретности управления, заданной точности синхронизации и хнологических ограничений.

6. Созданы оригинальные модели двигателей постоянного тока, ревер-івньіх и нереверсивных тиристорных преобразователей, позволяющие осу-ествлять анализ и синтез систем управления высокоточных широко регули-^гемых электроприводов.

7. Усовершенствована методика параметрической оптимизации балла-ной нагрузки и минимального момента инерции вращающихся частей мик-)гидроэлектростанции, синтеза оптимального управления напряжением >збуждения синхронного генератора.

8. Получены простые аналитические выражения для вычисления сину->идальных функций целых значений углов.

9. Разработана методика синтеза оптимальных управлений подводными эрскими аппаратами после приложения ступенчатых возмущений, обеспе-пзающая выход аппаратов за минимальное время с учетом принятых отражений в заданные положения.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны простые алгоритмы синтеза в реальном масштабе вре-ени оптимальных по быстродействию управлений регулируемыми электро-риводами подач металлорежущих станков с ограничением координат.

2. Предложена методика определения предельных динамических воз-ожностей силовой части регулируемого реверсивного тиристорного элек-эопривода постоянного тока при дискретном управлении.

3. Разработаны оригинальные аналоговые устройства для моделирова-ия элементов реверсивного тиристорного электропривода постоянного тока, олучены рекомендации по выбору частоты управления и ограничений.

4. Разработан алгоритм синтеза в реальном масштабе времени опти-:альных управлений электроприводами для режима синхронного движения сточника и приемника сканирующего устройства контроля изделий.

5. Предложена методика оптимизации параметров турбины, генератора
балластной нагрузки гидроэлектростанции с тиристорными регуляторами.

6. Разработан алгоритм синтеза оптимального по быстродействию
правления напряжением возбуждения синхронного генератора микрогидро-
лектростанции автобалластного типа при одновременной стабилизации ам-
литуды и частоты выходного напряжения.

7. Предложен алгоритм синтеза оптимальных траекторий расхождения івнжущихся по одному курсу судов с учетом их динамических возможно-тей и ограничений на величину и скорость изменения курса маневрирующе-о судна, безопасного расстояния расхождения и внешних препятствий.

8. Разработаны алгоритмы синтеза оптимальных по быстродействию 'правлений подвижными объектами высоких порядков, обеспечивающие пе-іевод объектов в заданные положения после приложения возмущений.

Реализация н внедрение результатов работы.

Результаты научно - исследовательских работ по созданию алгоритмов синтеза в реальном масштабе времени оптимальных управлений подвижными объектами внедрены в Центральном конструкторском бюро автоматики ( г. Омск ). Исследования по оптимизации управления линейными и нелинейными системами внедрены в Государственном научно - производственном предприятии «НИИ ПП» ( г. Томск ). Разработки по оптимизации режимов управления движителями водометного типа судов, траекторий движения подводных и надводных аппаратов, алгоритмы управления комплектными электроприводами внедрены в Институте проблем управления ( г. Москва). Работы по госбюджетной теме «Исследование качества электроэнергии в системах электроснабжения с вентильным регулированием рабочих режимов» использованы при создании возобновляемых источников энергии в Томском политехническом университете ( г. Томск ). Методика синтеза оптимальных управлений в системах с нелинейностями и ограничениями и алгоритмы синтеза в реальном масштабе времени управлений позиционными и следящими системами реализованы в учебном процессе Михайловской артиллерийской академии по дисциплине «Проектирование автоматизированных систем обработки информации и управления» (г. Санкт — Петербург). Алгоритм управления позиционным электроприводом с ограничением координат внедрен в системе испытания датчиков научно-исследовательским объединением «Полюс» (г. Томск). Алгоритмы управления регулируемыми электроприводами постоянного тока металлорежущих станков с числовым программным управлением переданы в виде отчетов по НИР специальному конструкторскому бюро средств вычислительной техники п.о. «Контур» (г. Томск). Алгоритмы управления синхронным движением комплектных электроприводов сканирующего устройства радиометрического комплекса для контроля изделий переданы в виде отчета по НИР научно-исследовательскому институту «Электронной интроскопии» (г. Томск). Оригинальные модели тиристорных электроприводов постоянного тока и методика последовательного многошагового синтеза оптимальных управлений линейными и нелинейными системами используются в учебном процессе на кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок» Томского политехнического университета (г. Томск).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях, семинарах и симпозиумах. В том числе на конференции «Робототехника и автоматизация производственных процессов», г.Барнаул, 1983 г.; на семинаре «Системы электропривода и промышленной автоматики с управлением от микропроцессоров и ЭВМ», г. Ленинград, 1983 г.; на конференции «Моделирование дискретных управляющих и вычислительных систем», г. Свердловск, 1984 г.; на конференциях

(Следящие электроприводы промышленных установок, роботов и манипуляторов», г. Челябинск, 1986 г. и 1989 г.; на конференции «Динамика нелиней-шх процессов управления», г. Таллин, 1987 г.; на конференции «Электроме-санические преобразователи и машинно-вентильные системы», г. Томск, 1991 г.; на XI Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам ттоматизированного электропривода, г. Суздаль, 1991 г.; на IX Сибирской лколе-семинаре и III Международном семинаре по глобальной оптимизации, г. Иркутск, 1992 г.; на конференции с международным участием «Про-Злемы электротехники», г. Новосибирск, 1993 г.; на I, II, III Международных конференциях по электромеханике и электротехнологии, г.г. Суздаль, Симферополь, Клязьма, 1994 г., 1996 г., 1998 г.; на Международной научной конференции «Проблемы энергетики», Казахстан, г. Павлодар, 1994 г.; на научно-технической конференции «Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование», г. Новосибирск, 1994 г.; на X Байкальской школе-семинаре «Методы оптимизации и их приложения», г. Иркутск, 1995 г.; на 1 Международной конференции по автоматизированному электроприводу, г. Санкт-Петербург, 1995 г.; на IV Дальневосточной научно-практической конференции «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий», г. Комсомольск-на-Амуре, 1995 г.; на Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 1995 г.; на конференции «Современные техника и технологии», г. Томск, 1996 г.; на XV научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск, 1996 г.; на научно-технической конференции «Системы управления высокоточными объектами», г. Санкт-Петербург, 1997 г.; на XXV Всероссийской конференции по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами, г. Рыбинск, 1998 г.; на III Корейско-Российском международном научно-техническом симпозиуме «KORUS 1999», г. Новосибирск, 1999 г.; на Международной конференции по проблемам управления, г. Москва, 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в центральной печати 75 научных работ, в том числе 8 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (203 наименования) и приложения. Объем диссертации составляет 304 страницы, в том числе 218 страниц текста, 63 рисунка и 1 таблица на 49 страницах.