Содержание к диссертации
Введение
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ СИНТЕЗА РЕГУЛЯТОРОВ
ЦАРОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 9
1.1. Модели элементов системы цифрового электропривода . 12
1.1.1. Модели силового блока 13
1.1.2. Модели управляющей ЦВМ 18
1.1.3. Модели датчиков координат 20
1.2. Основные методы синтеза цифровых регуляторов 22
1.2.1. Использование желаемых передаточных функций 24
1.2.2. Метод переменного коэффициента усиления 25
1.2.3. Импульсная система с заданными параметрами переходного процесса 26
1.2.4. Регулятор, оптимальный в смысле квадратичного показателя качества 29
1.2.5. Регулятор, минимизирующий дисперсию выходной величины. ЭО
1.2.6. Сравнительная оценка рассмотренных регуляторов 31
1.3. Методы автоматизированного анализа и синтеза электроприводов 33
1.3.1. Автоматизированный анализ непрерывных систем электропривода 34
1.3.2. Автоматизированный синтез непрерывных систем электропривода 42
1.3.3. Автоматизированный анализ и синтез Цифровых электроприводов 43
1.4. Выводы по главе 1 48
2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ЭЛЖЕНТОВ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО ЭЛЕКТРО
ПРИВОДА, ОРИЕНТИРОВАННЫХ НА АНАЛИЗ С ПОМОЩЬЮ ЦВМ
2.1. Общие вопросы 50
2.2. Структурное представление цифровой системы электропривода для исследования на ЦВМ 52
2.3. Модель управляющего блока 55
2.4. Модель электрической части силового блока 61
2.4.1. Модель СШУ 61
2.4.2. Модель собственно вентильного преобразователя и якорной цепи для ТУВ с раздельным управлением 61
2.4.3. Модель собственно вентильного преобразователя и якорной цепи для ТУВ с совместным управлением 67
2.5. Модель механической части силового блока 72
2.6. Цифровые модели силового блока 76
2.6.1. Обоснование раздельного рассмотрения процессов в электрической и механической частях силового блока. 76
2.6.2. Анализ способов получения цифровых моделей 78
2.7. Модели датчиков координат 86
2.8. Выводы по главе 2 89
3. РАЗРАБОТКА. АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ 91
3.1. Синтез последовательных корректирующих устройств 92
3.2. Квазиоптимальный регулятор 100
3.3. Регуляторы, использующие вектор состояния 105
3.4. Наблюдатели состояния электропривода постоянного тока. 114
3.4.1. Наблюдатель тока и момента 116
3.4.2. Редуцированные наблюдатели 119
3.5. Регулятор для режима прерывистых токов 124
3.6. Исследование способов представления цифровых регуляторов 128
3.7. Выводы по главе 3 133
4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРОВ 134
4.1. Выбор показателя качества. 134
4.2. Методы нелинейного программирования 137
4.2.1. Методы поиска глобального экстремума 138
4.2.2. Однопараметрические методы оптимизации .140
4.2.3. Метода многопараметрической оптимизации 141
4.3. Библиотека методов нелинейного программирования 141
4.3.1. Исследование геометрии линии равного уровня 142
4.3.2. Структура библиотеки методов нелинейного программирования 145
4.3.3. Состав библиотеки .145
4.4. Решение задач оптимального проектирования с помощью библиотеки методов НИ 151
4.4.1. Общий подход 153
4.4.2. Использование линейных моделей 154
4.4.3. Идентификационный метод 154
4.4.4. Идентификация параметров неизменяемой части 155
4.4.5. Определение требуемой точности реализации коэффициентов цифрового регулятора 155
4.4.6. Определение оптимальной частоты квантования 155
4.5. Программное обеспечение оптимального проектирования.156
4.5.1. Принципы разработки программного обеспечения. 156
4.5.2. Структура и состав пакета прикладных программ для автоматизированного синтеза цифровых регуляторов 160
4.6. Решение задач автоматизированного анализа и синтеза. 165
4.7. Стенд для исследования цифровых электроприводов 171
4.7.1. Организация связи мини-ЭВМ с внешними устройствами 175
4.7.2. Организация связи мини-ЭВМ с цифровым измерителем скорости и цифро-аналоговым преобразователем 177
4.7.3. Силовой блок стенда 178
4.7.4. Экспериментальные исследования 180
4.8. Выводы по главе 4 185
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 186
ЛИТЕРАТУРА 188
ПРИЛОЖЕНИЕ 201
- Модели элементов системы цифрового электропривода
- Структурное представление цифровой системы электропривода для исследования на ЦВМ
- Синтез последовательных корректирующих устройств
- Методы нелинейного программирования
class1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ СИНТЕЗА РЕГУЛЯТОРОВ
ЦАРОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ class1
Модели элементов системы цифрового электропривода
При рассмотрении вопросов, относящихся к моделям, будем следовать классификации, представленной в /91/. Суть данной классификации состоит в следующем (рис.1.1). Модели разбиваются на 4 класса: функциональные, аналитические, имитационные и модели, реализующие численные методы расчета.
Функциональная модель - это совокупность описаний, как правило, на естественном языке, определяющих закономерности работы исследуемой системы. В подобных моделях доминирует словесное (неформальное) описание процесса функционирования системы. Вместе с тем в них широко используются такие изобразительные средства как структурные схемы, наборы условий, математические соотношения. При проведении работ по моделированию систем функциональная модель всегда должна рассматриваться как основа для дальнейших работ.
Аналитическая модель - это совокупность математических описаний объекта, позволяющих исследовать систему на основе принципа формального математического подобия. Общей тенденцией, связанной с переходом от функциональной модели к аналитической, является принятие разного рода допущений. Аналитические модели, несмотря на допущения, используемые при их получении, приводят, как правило, к уравнениям, которые не могут быть решены без использования вычислительной техники.
Алгоритмизация аналитических моделей с помощью численных методов переводит их в класс цифровых моделей. Особенностью имитационных моделей является то, что они получены путем алгоритмизации функциональных моделей. Такое понятие имитационной модели согласуется с трактовкой данного термина, данной в /56/, где под имитационной моделью понимается модель, сохраняющая структурное сходство с оригиналом, а под имитационным моделированием понимается разработка программного алгоритма процесса функционирования системы.
Модели элементов цифрового электропривода будем рассматривать в такой последовательности: I) силовой блок, 2) управляющая ЦВМ, 3) датчики координат.
class2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ЭЛЖЕНТОВ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО ЭЛЕКТРО
ПРИВОДА, ОРИЕНТИРОВАННЫХ НА АНАЛИЗ С ПОМОЩЬЮ ЦВМ class2
Структурное представление цифровой системы электропривода для исследования на ЦВМ
Целью структурирования модели цифрового электропривода является рациональная декомпозиция системы, обеспечение возможности формирования разнообразных структур, уменьшение машинного времени, необходимого на анализ.
Рассмотрим основные способы структурного представления электропривода. В /96/ электропривод рассматривается состоящим из следующих основных частей: электрического двигателя, механической части и системы управления. В /66/ электропривод делится на следующие блоки:
- дискретный автомат,
- регулирующая часть,
- силовой блок.
Дискретный автомат включает релейно-контактные устройства и программируемые контроллеры. В регулирующую часть входят датчики координат и регуляторы. Силовой блок состоит из силового преобразователя и двигателя. В /II/ автоматический электропривод рассматривается состоящим из четырех модулей.
1. Электромеханический модуль, включающий в себя исполнительный двигатель, элементы кинематической цепи (нагрузка), первичные преобразователи информации (датчики).
2. Модуль усилительного-преобразовательного устройства.
3. Модуль предварительной обработки информации с датчиков для ее представления в управляющее устройство.
4. Модуль управляющего устройства.
С точки зрения моделирования на ЦВМ, целесообразно следующее структурное представление цифрового электропривода.
1. Управляющий блок, включающий в себя управляющую ЦВМ.
2. Силовой блок, состоящий из силового преобразователя, двигателя, механической передачи и исполнительного механизма.
3. Блок датчиков координат. В данный блок включены также устройства предварительного преобразования информации в форму, удобную для передачи в управляющий блок.
Такое структурное представление обусловлено следующими обстоятельствами. Цифровая вычислительная машина получает и выдает информацию в дискретные моменты времени. Координаты силового блока зависят только от дискретных значении выходной координаты управляющего блока. Датчики координат также чаще всего используют информацию о координатах силового блока, полученную в дискретные моменты времени.
Синтез последовательных корректирующих устройств
Предлагаемая ниже методика определения структуры и параметров последовательных регуляторов основывается на использовании желаемых передаточных функций.
Наибольшее распространение для представления приведенной непрерывной части систем цифрового электропривода постоянного тока получили передаточные функции (Ш) вид где ф($)=(і- )/S - ЯФ фиксатора нулевого порядка, Тк - период квантования. Выражение (3.1) используется» если силовой преобразователь считается безынерционным звеном. Выражение (3.2) - инерционным звеном первого порядка. Такой вид желаемых Ш обусловлен следующими обстоятельствами: полиномы числителей 0,(Z)TB. cp2(Z) совпадают с соответствующими полиномами WtfZ) и l\J? fz , что обеспечивает отсутствие скрытых колебаний в замкнутой системе. Коэффициенты передачи C/DJZ)TS. Ф2&)Ъ статике равны I, в результате этого в структуре регулятора появится интегральная составляющая. Выбором коэффициентов полиномов знаменателя обеспечивается требуемая динамика замкнутой системы.
Методы нелинейного программирования
Если число настраиваемых параметров невелико (S...4), невелики пределы, в которых они изменяются,и время анализа одного варианта достаточно мало, то поиск оптимального вектора параметров может быть осуществлен обходом в определенном порядке узлов многомерной сетки в пространстве настраиваемых параметров и вычислением в каждой точке значений функций ограничений и критерия оптимальности. Такой метод называют методом сканирования, полного перебора, сеток /14, 18/.
Наиболее простым приемом, позволяющим ускорить расчеты, является расположение ограничений в порядке постепенного уменьшения вероятности их нарушения. Еще один способ ускорения расчетов состоит в том, что исследование допустимой области производится предварительно с помощью равномерной сетки с достаточно большим шагом. Далее в окрестности точки с минимальным значением критерия производится разбиение области сеткой с меньшим шагом. Такой прием позволяет значительно сократить общее время вычислений, однако неправильный выбор начального шага может привести к тому, что глобальный минимум будет утерян.
Еще один метод поиска глобального экстремума основан на независимых статистических испытаниях.
