Введение к работе
Актуальность темы. Современное промышленное производство предъявляет всё более жесткие требования к системам управления технологическим процессом. Ввиду широкого распространения в таких системах регулируемого электропривода, непрерывно растут и требования к качеству и точности управления электроприводами, в том числе при воздействии внешних и параметрических возмущений.
Радикальным решением проблемы эффективного парирования внешних и параметрических возмущений является использование адаптивных систем, которые позволяют поддерживать требуемое качество при существенном изменении параметров объекта. Однако широкого распространения в промышленном электроприводе такие системы не получили из-за сложности их расчета и практической реализации. Вместе с тем, диапазон изменения параметров объекта в системах промышленных электроприводов не очень широк, и обычно наблюдается лишь 1,5-2-кратное их изменение.
Поэтому понятно, что в электроприводе целесообразно применение более простых систем, которые, в то же время, позволяли бы успешно справляться с возмущениями, то есть обладали бы слабой чувствительностью, и имели бы минимальные усложнения в сравнении с традиционными, и поэтому - небольшую стоимость.
Таким образом, актуальной является задача построения систем электропривода, обеспечивающих заданное качество регулирования в условиях меняющихся параметров объекта и внешних возмущений без серьёзного усложнения методик проектирования и получаемых алгоритмов управления.
Таким компромиссным решением являются робастные системы, отличающиеся от адаптивных более простыми методикой проектирования и структурой получаемых алгоритмов, и позволяющие реализовать свойство слабой параметрической чувствительности.
Существенную роль при проектировании системы автоматического управления играют выбранные методы синтеза и анализа систем. Сравнение наиболее распространенных методов синтеза САУ позволило выделить, а в дальнейшем и эффективно использовать получивший распространение в последнее время метод полиномиальных уравнений, отличающийся простотой, удобством и широкими возможностями.
Метод коэффициентных оценок устойчивости и качества, который также можно отнести к методам полиномиальной алгебры, поскольку основывается на анализе полиномов, позволяет эффективно решать задачу анализа и оптимизации систем автоматического управления по качеству и чувствительности. Другие распространённые методы анализа, хотя и могут реализовать эти возможности, имеют, однако, значительно более высокую сложность, особенно при высоком порядке системы.
Поэтому использование полиномиальных методов может рассматриваться как один из подходов для синтеза и анализа робастных систем, дающий в руки разработчика простые, надежные и эффективные средства решения вопро-^
сов, связанных с проектированием качественных систем автоматического управления.
Целью работы является разработка на основе полиномиального подхода методик синтеза и анализа робастных систем управления электроприводом постоянного тока и создание соответствующего программного обеспечения.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи работы:
Разработать методику синтеза робастных регуляторов электропривода на основе метода полиномиальных уравнений, обладающих слабой параметрической чувствительностью, и позволяющих улучшить отработку возмущающих воздействий.
Разработать методику анализа систем управления электроприводом с использованием коэффициентных оценок устойчивости и качества регулирования. Для исследования чувствительности САУ к изменению параметров использовать функции чувствительности коэффициентных оценок.
Разработать программное обеспечение для синтеза робастных регуляторов методом полиномиальных уравнений. Разработать программное обеспечение для исследования устойчивости, качества и чувствительности САУ электропривода на основе метода коэффициентных оценок.
Оценить границы применимости разработанных методик для анализа и синтеза цифровых систем управления электроприводами.
Выполнить синтез робастных контуров регулирования тока и скорости электропривода постоянного тока. Сравнить статические и динамические характеристики этих систем с традиционными при параметрических и внешних возмущениях.
Выполнить анализ качества контуров регулирования тока и скорости с традиционным и робастным регуляторами методом коэффициентных оценок, в том числе для электропривода с двухмассовой электромеханической системой (ДЭМС). Выполнить исследование чувствительности указанных систем к изменению параметров объекта.
На основе анализа чувствительности методом коэффициентных оценок разработать методику оптимизации параметров робастных регуляторов по критерию минимума параметрической чувствительности.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с привлечением методов теоретической электротехники, теории электропривода, полиномиальной алгебры, теории автоматического управления, математического программирования и моделирования. Программирование производилось в среде компьютерной математики пакета Matlab с использованием графического интерфейса пользователя GUIDE. Исследование динамических режимов работы выполнено методами математического моделирования с использованием приложения Simulink пакета Matlab.
Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработана методика синтеза робастных регуляторов электропривода на основе метода полиномиальных уравнений. Получены условия синтеза фи-
зически реализуемых регуляторов на основе как минимального, так и общего решения полиномиального уравнения. На основе общего решения полиномиального уравнения получены структуры систем, обладающих слабой параметрической чувствительностью. Показано, что использование робаст-ных регуляторов позволяет улучшить отработку внешних возмущающих воздействий,
Разработана методика анализа систем управления электроприводом с использованием коэффициентных оценок устойчивости и качества регулирования. Для исследования чувствительности САУ к изменению параметров использованы функции чувствительности коэффициентных оценок.
Получен критерий, позволяющий адекватно выбрать период дискретности при цифровой реализации алгоритмов управления, а также оценить границы применимости коэффициентных оценок для цифровых систем.
На основе анализа чувствительности методом коэффициентных оценок предложена методика оптимизации параметров робастных регуляторов по критерию минимума параметрической чувствительности.
Показано, что использование робастного регулятора тока в тиристорном электроприводе постоянного тока позволяет получить требуемое качество регулирования, не прибегая к технической линеаризации нелинейных характеристик объекта в режиме прерывистого тока, а применение робастного регулятора скорости - значительно уменьшить упругие колебания в механической части электропривода.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обусловлена правомерностью принятых исходных теоретических положений и предпосылок, проверкой научных положений и выводов, полученных в работе, на хорошо известных математических моделях электропривода, и подтверждена совпадением результатов анализа и моделирования. Правильность работы алгоритмов, реализованных в программах, подтверждена сравнением результатов аналитических расчётов с результатами работы программ.
Практическая ценность выполненной работы заключается в том, что робастные системы электропривода, полученные методом полиномиальных уравнений, обеспечивают свойство слабой параметрической чувствительности и улучшают отработку внешних возмущающих воздействий, что ведет к стабилизации характеристик электропривода и, соответственно, повышает качество его работы. Разработаны программы "ПолиРег" для синтеза регуляторов методом полиномиальных уравнений и "ПолиАнализ" для исследования устойчивости, качества и чувствительности САУ электропривода на основе метода коэффициентных оценок. Разработанное программное обеспечение позволяет спроектировать и оценить качество полученной системы в сжатые сроки благодаря выполнению всех расчетов на ЭВМ.
Разработанные методики и программное обеспечение приняты к использованию в проектной практике ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (г. Екатеринбург), ОАО "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" (г. Верхняя Сал-да, Свердловская область) и используются в учебном процессе кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок УГТУ-УПИ при
изучении дисциплины «Современная теория управления», при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены:
на региональной НТК «Новые программные средства для предприятий Урала» (г. Магнитогорск, 2003 г.)
на IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (г. Магнитогорск, 2004 г.)
на II всероссийской научной конференции «Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB» (г. Москва, 2004)
на XIII (2005 г.) и XIV (2007 г.) международных научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока» (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ)
на IV межотраслевой НТК «Автоматизация и прогрессивные технологии» (НГТИ, г. Новоуральск, 2005 г.)
на V международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (г. Санкт-Петербург, 2007)
на II региональной НТК "Образование и производство" (г. Верхняя Салда, 2008)
на III (2002 г.) IV, V (2003 г.), VI (2004), VII, VIII (2005 г.), IX, X (2006 г.), XI (2007 г.) отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 18 статей и докладов, в том числе 4 работы в рецензируемых журналах, получено два свидетельства РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и двух приложений. Работа изложена на 198 страницах основного текста, содержит 128 рисунков и 5 таблиц.
