Содержание к диссертации
ПРЕДИСЛОВИЕ 9
ВВЕДЕНИЕ II
1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПЕРЕЗШШОГО ТОКА
И ТРАНЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 27
1.1. Математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта управления 27
1.2. Методика приближённого учёта нелинейности кривой намагничивания в модели АД
1.2.1. Исходные посылки 37
1.2.2. Гармоническая линеаризация кривой намагничивания 41
1.3. Математические модели синхронных двигателей 44
1.3.1. Уравнения синхронных двигателей с постоянным возбуждением 44
1.3.2. Модель СД с питанием обмотки возбуждения от источника напряжения 50
1.4. Математические модели силовых транзисторных преобразователей электроприводов переменного тока 52
1.5. Обобщённая математическая модель системы "транзисторный преобразователь - двигатель переменного тока" и её формы 58
ЧАСТЬ I. СКОЛЬЗЯЩИЕ РЕЖИМЫ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИЕЮДАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 64
2. МЕТОД СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМОВ В ЗАДАЧАХ СИНТЕЗА МНОГОСВЯЗНЫХ САУ
С РАЗРЫВНЫМИ УПРАВЛЕНИЯМИ 66
2.1. Описание движений многосвязных систем в скользящем режиме
и цель управления 66
2.2. Устойчивость полномерных скользящих режимов и рекомендуемый
вид поверхностей разрыва управлений 75
2.2.1. Необходимые условия устойчивости полномерных СР 75
2.2.2. Анализ устойчивости "в малом", "в большом" и "в целом"
2.3. Синтез поверхностей разрыва управлений 89
2.4. Оптимизация поверхностей разрыва управлений на основе метода непрерывной иерархии 2.4.1. Необходимые и достаточные условия оптимальности непрерывных законов управления 95
2.4.2. Метод непрерывной иерархии 101
3. РЕАЛЬНЫЕ СКОЛЬЗЯЩИЕ РЕЖИМЫ В САУ С ПРЯМЫМ РАЗРЫВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ И НЕПРЕРЫВНОЙ ИЕРАРХИЕЙ КАНАЛОВ 108
3.1. Способ обеспечения малой чувствительности реальных СР к состоянию и вариациям параметров объекта управления 108
3.2. Об адаптации САУ с непрерывной иерархией каналов к параметрам реального СР 120
3.3. К вопросу об ограничении физических координат объекта управления 123
4. СИНТЕЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРЯМЫМ РАЗРЫВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМАХ 126
4.1. Система регулирования скорости неявнополюсного СД с постоянным возбуждением 126
4.2. Синтез системы регулирования скорости асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 141
4.3. Системы прямого разрывного управления электромагнитными переменными электрических машин 162
4.3.1. Система управления активным и намагничивающим токами АД 164
4.3.2. Система регулирования фазных токов 167
4.3.3. Система управления фазными потокосцеплениями АД 175
4.4. Обобщённая методика синтеза САУ электрическими машинами переменного тока с прямым разрывным управлением в скользящих режимах и рекомендации по её применению 179
ЧАСТЬ 2. АЛГОРИТМЫ КВАЗМНЕПРЕРЬШНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 190
5. МЕТОДЫ СИНТЕЗА КВАЗИНЕПРЕРЫВНЫХ САУ С МНОГОТЕМПОВЫМИ
ПРОЦЕССАМИ 193
5.1. Метод больших коэффициентов 194
5.1.1. Постановка задачи синтеза, идеализированные алгоритмы управления и асимптотические свойства систем с большими коэффициентами 194
5.1.2. Системы с реальным дифференцированием и другими динамическими "неидеальностями" 201
5.1.3. Астатические законы управления 209
5.2. Метод локализации 212
5.2.1. Модель желаемых процессов и идеализированный алгоритм управления 212
5.2.2. Устойчивость систем с реальным дифференцированием 216
5.3. Учёт ограничений на управления и оптимизация переходных процессов "в большом" методом непрерывной иерархии 221
5.3.1. Необходимые и достаточные условия оптимальности 223
5.3.2. Оптимальный алгоритм управления в САУ, синтезированных методом больших коэффициентов 231
5.3.3. Особенности оптимального управления в системах, синтезированных методом локализации 233
5.4. Обобщённая методика синтеза квазинвпрерывных САУ с "высокой эффективностью управляющих воздействий" 234
6. СИНТЕЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С КВАЗИНЕПРЕРЫВНЫМИ
УПРАВЛЕНИЯМИ И РАЗДЕЛЯЮЩИМИСЯ ПРОЦЕССАМИ 242
6.1. Астатический позиционный электропривод на базе САУ скоростью СД с прямым разрывным управлением 243
6.2. Синтез и исследование систем векторного управления скоростью АД на базе быстродействующего источника токов 2
6.2.1. Алгоритм управления "в малом" 252
6.2.2. Оптимизация закона управления "в большом" 262
6.2.3. О квазиоптимальности синтезированных алгоритмов управления по быстродействию 273
6.2.4. Регулирование скорости выше основной 283
6.3. Система регулирования скорости явнополюсного СД на базе широтно-импульсного преобразователя напряжений 289
6.3.1. Синтез структуры алгоритма управления 291
6.3.2. Определение параметров закона управления 297
6.4. Краткие выводы 311
7. СИНТЕЗ МЕТОДОМ ОБРАТНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ И КОСВЕННЫМ ОРИЕНТИРОВАНИЕМ ПО ПОЛЮ 318
7.1. Общий подход к синтезу квазинепрерывных САУ, включающих в алгоритм управления обратную модель объекта 320
7.2. Системы управления моментом АД на базе быстродействующего источника токов 328
7.3. Система управления моментом АД на базе источника напряжений 340
ЧАСТЬ 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ КООРДИНАТ СОСТОЯНИЯ И ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 349
8. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ТЕКУЩЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ НА ОСНОВЕ АДАПТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ 35G
8.1. Идентификация параметров линейных объектов с полностью измеряемым вектором состояния, синтез идентификатора основной взаимной индуктивности неявнополюсного СД 356
8.2. Идентификация координат состояния и параметров линейных объектов при неполных измерениях 364
8.2.1. Алгоритмы с "высокой эффективностью" самонастройки 364
8.2.2. Инерционные алгоритмы идентификации 374
8.3. Универсальные алгоритмы идентификации для систем управления АД с прямым измерением частоты вращения 380
8.3.1. Алгоритмы идентификации с коррекцией оценки сопротивления статора по информации о температуре обмотки 380
8.3.2. Алгоритмы идентификации потокосцеплений ротора и активных сопротивлений статора и ротора двигателя 387
8.4. Принципы построения многотемповых алгоритмов текущей идентификации электрических машин на основе адаптивных моделей 395
9. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА, НЕ ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ДАТЧИКОВ КООРДИНАТ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ 396
9.1. Синтез систем векторного управления АД для регулирования скорости электропривода без измерения частоты вращения 397
9.2. О влиянии дрейфа активных сопротивлений АД на характеристики электропривода и о возможности параметрической адаптации САУ 405
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 416
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 424
ПРИЛОЖЕНИЯ 438
П.І. Структурная схема устройства прямого разрывного управления скоростью АД 439
П.2. О необходимых условиях устойчивости одного класса двухтемповых САУ с большими коэффициентами в законе управления 442
П.З. Структурная схема управляющего устройства САУ АД, построенной на базе быстродействующего источника токов 447
П.4. О возможности текущей идентификации активных сопротивлений АД при измерении напряжений, токов и скорости двигателя 450
П.5. Алгоритм идентификации частоты вращения и момента сопротивления нагрузки в САУ СД с постоянным возбуждением и поперечным током якоря 453
П.6. Синтез и исследование быстродействующего алгоритма идентификации потокосцеплений и активных сопротивлений АД для систем векторного управления 456
П.7. Некоторые результаты экспериментальных исследований систем электропривода с "глубокими" обратными связями 464
П.8. Сравнение законов управления, малочувствительных к изменениям параметров объекта 470
П.9. Акты о внедрении и использовании результатов диссертационной работы 4
Введение к работе
С начала 80-х годов в отечественных и зарубежных аналитических обзорах по рынку электротехнических изделий отмечается устойчивая тенденция увеличения доли регулируемых электроприводов переменного тока, построенных на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и синхронных двигателей с магнитоэлектрическим или электромагнитным возбуждением. Это связано, прежде всего, с их многочисленными преимуществами перед системами постоянного тока, неоднократно обсуждавшимися в публикациях последних лет, и перспективностью в условиях ускоряющегося развития силовых полупроводниковых приборов, электронных средств автоматического управления и преобразования информации [42,433. На существование областей рационального применения электроприводов переменного тока обращали внимание и раньше [18,73], но их широкое распространение в 70-е годы тормозилось сложностью схемных решений, высокой стоимостью и неудовлетворительными динамическими показателями.
Массовый переход от систем электропривода на базе коллекторных двигателей постоянного тока к бесконтактным электроприводам стал возможным благодаря принципу ориентирования по полю [102] (принципу векторного управления), так или иначе используемому в большинстве современных разработок [69,71,75,97,111]. Суть принципа заключается в том, что электрические машины переменного тока рассматриваются как многосвязные объекты, и при построении законов управления ими применяются преобразования пространства состояний, диагонализирующие матрицу при управляющих воздействиях. В отличие от классических систем частотно-регулируемого электропривода системы векторного управления изначально ориентированы на учёт инерционности и характера электромагнитных процессов, протекающих в двигателе, и поэтому обеспечивают качество регулирования не хуже (а часто и лучше), чем электроприводы постоянного тока.
Значительный вклад в развитие теории и практики векторного управления внесли отечественные исследователи и разработчики. Среди них О.В. Слежановский, Л.Х. Дацковский, В.В. Рудаков, Р.Т. Шрейнер, И.И. Эпштейн, A.M. Вейнгер.
На современном этапе темпы совершенствования систем автоматизированного электропривода переменного тока во многом определяются новыми подходами к построению их систем управления1}. Некоторым из этих подходов и посвящена данная работа.
До последнего времени синтез регуляторов систем электропривода как правило производился на основе традиционных методов: метода систем подчинённого регулирования [751, метода стандартных настроек с компенсацией перекрёстных связей структуры многоканального объекта управления [69,1053, модального управления [11,213, метода аналитического конструирования оптимальных регуляторов [3,213. Однако, несмотря на простоту и наглядность, перечисленные методы далеко не всегда адекватны задачам регулирования координат электропривода переменного тока, так как ориентированы на управление линейными стационарными объектами. Между тем, системы "полупроводниковый преобразователь частоты - электрическая машина переменного тока" представляют собой существенно нелинейные и нестационарные объекты управления. Электромагнитные параметры двигателей могут существенно изменяться в зависимости от рабочей точки на кривой намагничивания и температурного режима. Для электроприводов достаточно широкого класса характерны значительные вариации приведённого значения момента инерции [24,72,85,861. Все эти факторы могут приводить к нестабильности динамических характеристик системы электропривода и отрицательно сказываться на технико-экономических показателях промышленного оборудования в целом. Приведём примеры технологических механизмов, жёстко регламентирующих форму переходных процессов по механическим переменным [50].
1. Максимальная точность воспроизведения промышленными манипуляторами заданных пространственных траекторий и тахограми перемещения рабочего органа достигается, если свойства электроприводов степеней свободы детерминированы. При этом желательно, чтобы перемещение всегда происходило в предельном апериодическом режиме С72]. Аналогичные требования предъявляются к электроприводам прецизионных механизмов по производству нетканых материалов, тонких плёнок, синтетических волокон, многим электроприводам, работающим в режиме точного позиционирования или слежения, например приводам подач металлорежущих станков [76].
2. Чистота и точность обработки поверхностей металлорежущими станками во многом зависит от стабильности и точности согласования динамических свойств электроприводов подач и главного движения15.
1) Курган В.П., Михелькевич В.Н., Чабанов Ю.А. Позиционный электропривод подачи для многоинструментальных технологических процессов металлообработки// Автоматизированный электропривод. - М.: Энерго-атомиздат, 1990. - С. 318-320. 3. Превышения предельных допустимых рывков и ускорений не допустимы для роботов транспортного типа, осуществляющих перемещение открытых емкостей с жидкими или сыпучими грузами, шахтных подъёмников, грузовых и пассажирских лифтов.
На основании вышеизложенного можно утверждать, что одним из главных качественных свойств многих регулируемых электроприводов должна быть малая чувствительность к изменениям параметров (параметрическим возмущениям). Согласно [501 под малой чувствительностью в дальнейшем понимается структурное свойство системы, которое заключается в возможности выбора параметров закона управления, обеспечивающих в рамках принятой модели управляемого процесса любую наперёд заданную точность формирования предписанных динамических характеристик системы при интервальной неопределённости параметров объекта управления, диапазоны возможных изменений параметров объекта считаются замкнутыми и известными, но как угодно широкими.
Очевидно, что перечисленные выше традиционные методы синтеза регуляторов систем электропривода пассивны по отношению к свойству малой чувствительности. Степень влияния параметров на показатели качества спроектированных на их основе систем только "случайно" может соответствовать желаемой [503. Для целенаправленного построения систем электропривода, малочувствительных к параметрическим возмущениям, требуется привлечение методов синтеза систем автоматического управления (САУ) нелинейными нестационарными объектами, что обуславливает актуальность темы данной диссертационной работы.
Цель диссертации заключается в разработке общей методической основы для построения алгоритмов автоматического управления электроприводами переменного тока, малочувствительных к изменениям параметров. Формальный синтез является одним из основных этапов создания современных автоматических систем. Именно на этом этапе закладываются статические и динамические характеристики будущей системы, степень их зависимости от вариаций параметров объекта и предельные показатели, достижимые в рамках принятого алгоритма управления.
Принципиальная возможность удовлетворения многочисленных и зачастую противоречивых требований к конкретной САУ определяется структурой алгоритма формирования управляющих воздействий, выбор которой составляет задачу структурного синтеза. Нахождение параметров закона управления, обеспечивающих требуемые характеристики системы, является задачей параметрического синтеза САУ. Совокупность результатов структурного и параметрического синтеза полностью определяет требования к устройству управления, разработка которого - техническая задача, не имеющая общего решения. Поэтому предметом исследований данной диссертационной работы являются только общие методы формального синтеза систем автоматического управления электроприводами переменного тока, функционирующих в условиях неполной информации.
Источник неполноты информации в системах автоматического управления электроприводами связан не только с изменением параметров, но и с невозможностью прямых измерений подмножества координат состояния объекта и внешних силовых возмущающих воздействий. Поэтому в рамках принятого в работе детерминистского (нестохасти-ческого) подхода неполнота информации интерпретируется как действие на объект управления неопределённых и ограниченных по модулю аддитивных и параметрических возмущений, во многих случаях - при неполном множестве подлежащих прямым измерениям координат. Так как рассматриваемые в работе САУ обладают необходимой грубостью к малым и достаточно медленным флюктуациям параметров закона управления (регуляторов, обратных связей и т.д.)» из всех помех, присутствующих в реальной системе, учитываются только аддитивные сигнальные помехи, подавляющую долю которых составляют помехи измерения. Поэтому аддитивные помехи приводятся к выходам датчиков обратной связи и неявно эквивалентируются детерминированными высокочастотными периодическими возмущениями с нулевыми средними значениями и неопределёнными, но ограниченными частотными спектрами. В качестве основного параметра периодических эквивалентных помех в дальнейшем используется нижняя граница их частотного спектра, то есть значение ш, обратное периоду. Требуемое малое влияние аддитивных помех на мгновенные значения управляющих воздействий и траектории координат объекта управления должно быть обеспечено путём фильтрации сигналов обратной связи.
Синтез алгоритмов управления при неопределённых параметрах объекта и возмущающих воздействиях традиционно является одной из центральных проблем теории автоматического управления С3,263, которая решается с помощью методов теории систем с движениями на многообразиях и адаптивного управления.
Принцип построения систем с движениями на многообразиях основан на использовании "глубоких" обратных связей, реализованных в той или иной форме при постоянных параметрах алгоритма управления. Известны три метода синтеза САУ данного класса. Это метод скользящих режимов [82], метод больших коэффициентов [41] и метод локализации [26]. Если не принимать во внимание некоторые идеальные ситуации, все три метода предполагают преднамеренную организацию двухэтапных процессов. На первом (быстром) этапе изображающая точ 17
ка системы выходит в окрестность заданной поверхности пространства состояний. Принципиально можно так подобрать уравнение этой поверхности, что она будет инвариантной по отношению к возмущениям. На втором (основном или медленном) этапе движения системы протекают в окрестности выбранного многообразия, что делает их малочувствительными к вариациям параметров объекта управления [26]. Все три метода являются по сути методами синтеза САУ с "высокой эффективностью управляющих воздействий" [303 и предельно реализуют возможности принципа регулирования по отклонению. Заметим, что требование малой чувствительности "слабее" требования инвариантности и не подразумевает использование в непрерывных алгоритмах управления бесконечно больших коэффициентов передачи. Всегда можно найти такие конечные значения коэффициентов, которые обеспечивают требуемую точность формирования предписанных медленных процессов.
Адаптивные системы основаны на подстройке параметров закона управления в функции текущих характеристик объекта [3,11,131 и эффективны лишь при относительно медленных их изменениях. В наиболее прямом виде принцип адаптации реализуется методом адаптивной обратной модели, который, как это показано в статье [60], неявно используется разработчиками широкого класса электроприводов. В отличие от систем с "глубокими" обратными связями для построения адаптивных САУ важно, какие именно обобщённые параметры объекта (коэффициенты передачи, постоянные времени и т.д.) могут существенно изменяться при нормальном функционировании системы и в каких именно диапазонах, поскольку учёт возможных изменений каждого параметра сопровождается усложнением алгоритма управления.
Построение на базе электрических машин переменного тока, являющихся многосвязными по управлению объектами, высокодинамичных систем электропривода, имеющих близкое к предельному быстродействие в переходных процессах "в большом", невозможно без правильного распределения ограниченного ресурса управляющих воздействий между взаимосвязанными каналами регулирования. Поэтому одним из ключевых вопросов данной работы стал учёт ограничений, налагаемых на управляющие воздействия, и оптимизация переходных процессов "в большом", для чего использован метод непрерывной иерархии каналов управления [51,54,56,571, разработанный автором и исходно предназначенный для оптимизации систем с "глубокими" обратными связями. Основное внимание при этом уделяется самым сложным с позиций управления объектам - асинхронным электроприводам малой и средней мощности, распространённым буквально во всех отраслях промышленности.
Не являясь предметно-ориентированными, методы синтеза систем с "высокой эффективностью управлений", тем не менее, многим обязаны задачам управления электроприводами. Так, например, частный случай принципа локализации - принцип управления по старшей производной, применяемый при синтезе одноканальних САУ минимально-фазовыми объектами, впервые был использован в работах А.С. Вострикова для управления тиристорним электроприводом постоянного тока. Метод скользящих режимов в своём современном виде сформулирован не без участия группы электропривода Института проблем управления под руководством Д.Б. Изосимова. Наконец, метод непрерывной иерархии, мало известный в научных кругах в силу своей новизны, непосредственно обязан своим появлением задачам управления электроприводами переменного тока, хотя, безусловно, может быть эффективно использован и для синтеза систем, не связанных с электромеханикой.
Интерес исследователей к проблеме построения систем электропривода с прямым разрывным управлением в реальном скользящем режиме не ослабевает уже более 15 лет [12,28,34,36,81,82,1033. В течение долгого времени эффективно эксплуатируются метод больших коэффициентов и метод локализации [24,27,31,48,50,52,57,85-87, 89-92]. Однако только в последние годы в связи с созданием мощных и быстродействующих транзисторных модулей появилась возможность использовать эти методы при разработке систем управления промышленными электроприводами малой и средней мощности.
В настоящее время на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) уже освоено производство преобразователей частоты для электроприводов мощностью до 1500 кВт1}. По мнению автора, это является достаточным основанием для того, чтобы в рамках данной работы ограничиться исследованием методов синтеза САУ электроприводов с транзисторными силовыми преобразователями.
Для достижения поставленной выше цели в диссертации решаются следующие задачи.
Задачи исследований.
1. Проанализировать возможность оптимизации переходных процессов в высокодинамичных системах электропривода переменного тока с учётом ограничений, налагаемых на управляющие воздействия. Выработать общий подход к оптимизации управлений в системах с "глубокими" обратными связями.
2. Исследовать структурные принципы построения систем разрывного управления электроприводами переменного тока с желаемыми
1) Состояние и перспективы развития автоматизированных электроприводов с преобразователями частоты для крановых и судовых грузоподъёмных механизмов/ Ю.М.Фельдман, Л.М.Миронов, А.Д.Машихин и др. // Электротехника. - 1995. - Л 10. - С. 2-5. тока с покомпонентно разрывным управлением, приближающего режим работы силового преобразователя к широтно-импульсной модуляции.
3. Разработаны обобщённые методики синтеза квазинепрерывных и разрывных САУ электроприводами переменного тока с "глубокими" обратными связями и соответствующие им формы алгоритмов управления, определяющие структурные принципы технической реализации систем данного вида.
4. Обоснованы принципы построения алгоритмов текущей идентификации неизмеряемых координат состояния и переменных параметров электрических машин в системах управления электроприводами, базирующиеся на методе адаптивной модели и преднамеренном разделении темпов процессов управления, координатной и параметрической идентификации.
Практическая значимость основных положений диссертации подтверждается следующими полученными на их основе результатами.
I. Определены структуры оптимизированных в смысле критериев метода непрерывной иерархии алгоритмов управления для:
а) систем регулирования скорости асинхронных и синхронных двигателей с прямым разрывным управлением в скользящем режиме;
б) систем прямого разрывного управления электромагнитными переменными электрических машин переменного тока;
в) квазинепрерывных систем электропривода переменного тока с "глубокими" обратными связями и обратными моделями.
Получены основные расчётные соотношения, определяющие параметры перечисленных САУ. Показано, что применение метода непрерывной иерархии обеспечивает в данных системах форсирование и монотонность переходных процессов при выходе управлений на ограничение. свойствами реальных скользящих режимов.
3. Разработать обобщённые методики синтеза и оптимизации САУ электроприводами переменного тока с "глубокими" обратными связями, малочувствительных к изменениям параметров, и алгоритмы управления для наиболее распространённых видов систем.
4. Определить технически целесообразные законы формирования управляющих воздействий в адаптивных системах частотно-регулируемого электропривода с обратными моделями и обосновать требования к точности текущей информации о параметрах асинхронного двигателя как объекта управления, используемой в этих алгоритмах.
5. Разработать принципы текущей идентификации неизмеряемых координат и переменных параметров электрических машин в классе алгоритмов с непрерывным временем.
Поставленные задачи решаются с помощью методов теории автоматического управления, теории электропривода, качественной теории дифференциальных уравнений. Теоретические свойства построенных алгоритмов управления конкретными системами подтверждаются результатами цифрового моделирования и экспериментальных исследований.
На защиту выносятся основные результаты, характеризующие научную новизну диссертационной работы.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Предложен метод оптимизации траекторий многосвязных САУ с ограниченной евклидовой нормой вектора управляющих воздействий (в частности систем электропривода переменного тока) в переходных процессах, протекающих при полном использовании ресурса управления - метод непрерывной иерархии.
2. Проведено теоретическое обоснование способа технической реализации скользящих режимов в САУ электроприводами переменного
2. Разработаны новые универсальные алгоритмы текущей идентификации неизмеряемых координат состояния (потокосцеплений) и переменных параметров (активных сопротивлений) асинхронных двигателей в системах частотно-регулируемого электропривода и основные соотношения для расчёта их параметров, позволяющие существенно повысить точность ориентирования по полю при векторном управлении.
3. Сформулированы принципы построения систем общепромышленного асинхронного электропривода, не использующих датчиков координат механического движения. Разработаны алгоритмы идентификации, управления и адаптации для "бестахогенераторных" частотно-регулируемых электроприводов, расширяющие диапазон регулирования.
Разработанная методическая база даёт возможность произвести структурный и параметрический синтез практически любых, не рассмотренных в диссертации, но интересных разработчику систем электропривода переменного тока - моментных САУ, приводов регулируемой скорости, позиционных и следящих систем.
диссертационная работа состоит из девяти глав, объединённых в три части, и девяти приложений.
Прежде чем рассматривать общие методы и базирующиеся на них предметно-ориентированные методики синтеза законов автоматического управления электрическими машинами и электроприводами переменного тока, малочувствительных к изменениям параметров, необходимо определить столь же универсальные формы математических моделей электрических машин переменного тока, транзисторных гфеобразователей частоты и систем "транзисторный преобразователь - двигатель" как объектов управления. Эта задача решается в первой главе диссертации. Особое внимание уделяется допущениям, принимаемым при выводе уравнений объектов. Первая часть работы включает в себя вторую, третью и четвёртую главы и посвящена аспектам прикладной теории многосвязных систем с прямым разрывным управлением в реальных скользящих режимах и ее" применению к решению задач синтеза систем управления электроприводами переменного тока. Во второй главе сформулирована цель управления; приведены необходимые сведения по математическому описанию движений разрывных систем в идеальном скользящем режиме, основанные на методе эквивалентного управления; получены конструктивные условия устойчивости полномерного скользящего режима, позволяющие выбрать инвариантное преобразование модели желаемых движений в уравнения поверхностей разрыва управляющих воздействий независимо от вида "неидеальностей", которые описывают поведение системы в окрестности границ разрыва. Раздел 2.4 содержит теоретические основы метода непрерывной иерархии каналов регулирования, позволяющего оптимизировать процессы "втягивания" многосвязной по управлению разрывной системы в полномерный скользящий режим, вывод модифицированных необходимых условий локальной устойчивости, адекватных синтезу оптимального в смысле метода непрерывной иерархии инвариантного преобразования, и рекомендации по его выбору. В общей теоретической части работы рассматриваются только те системы, для которых уравнения движений в полномерном скользящем режиме могут быть выписаны однозначно [823. Такие САУ оказываются грубыми к малым статическим и динамическим "неидеальностям" объекта и закона управления, что обязательно для любых реальных систем. Так как задача организации в реальной САУ режимов функционирования, удовлетворяющих всем требованиям математического определения скользящего режима, является технически некорректной, в третьей главе диссертации рассматривается способ технической регуляризации САУ, основанный на её дополнении специальными доминирующими динамическими "неидеальностями" (фильтрами). Организуемые таким образом автоколебательные режимы управления скользящего типа [67] (реальные скользящие режимы) так же, как идеализированная система, обладают свойством малой чувствительности к параметрическим и, если надо, аддитивным возмущениям. Кроме того, в третьей главе исследуются некоторые особенности реализации непрерывной иерархии каналов и ограничения "внутренних" координат объекта в САУ с прямым разрывным управлением по выходу. Четвёртая глава содержит примеры синтеза систем регулирования скорости синхронного и асинхронного двигателей, систем управления электромагнитными переменными машин переменного тока, описание общих особенностей методик синтеза САУ электрическими машинами с разрывными управлениями.
Вторая часть диссертационной работы, включающая пятую, шестую и седьмую главы, посвящена методам синтеза квазинепрерывных САУ электроприводами переменного тока, в частности методу больших коэффициентов, методу локализации и методу обратной модеж. В пятой главе произведено исследование асимптотических свойств квазинепрерывных систем с "высокой эффективностью управлений" и двух- или трёхтемповыми движениями; в терминах метода инвариантных преобразований сформулированы рекомендации по выбору структуры законов управления каждого типа; на основе метода непрерывной иерархии каналов синтезированы алгоритмы управления, оптимальные "в большом" и обеспечивающие заданное качество переходных процессов "в малом" (оптимальность "в большом" здесь понимается как достижение максимальной мгновенной скорости приближения изображающей точки САУ к началу координат подпространства взвешенных отклонений от целевого многообразия); описана общая методика синтеза САУ с "большой эффективностью управляющих воздействий". В шестой главе приведены методики и примеры синтеза систем электропривода переменного тока на основе разработанных методов; рассмотрены: астатический позиционный электропривод на базе системы управления скоростью синхронного двигателя с прямым разрывным управлением, системы асинхронного электропривода с регулированием скорости до и выше основной, построенные на базе быстродействующего источника токов, система регулирования скорости явнополюсного синхронного двигателя. Седьмая глава содержит общие сведения о синтезе систем управления асинхронными двигателями методом обратной модели. Здесь рассмотрены системы векторного управления моментом двигателя с непосредственным и косвенным ориентированием по полю С553, построенные на основе источника токов и источника напряжений; путём анализа статических характеристик этих систем сформулированы требования к точности алгоритмов параметрической адаптации обратных моделей.
Как уже отмечалось, более полный учёт возможных параметрических возмущений в структуре закона управления, то есть его адаптивность, является одним из основных путей повышения точности систем управления электроприводами в условиях неопределённости. Поэтому всё большее распространение приобретают самонастраивающиеся САУ, в частности адаптивные системы с идентификацией, "идеально" согласующиеся с принципом адаптивной обратной модели. Так как в общем случае не все координаты состояния объекта, используемые в законе управления, доступны непосредственным измерениям, вызывает интерес возможность совмещать в едином алгоритме и реализующем его устройстве функции асимптотического наблюдателя полного или пониженного порядка и функции идентификатора интервальных параметров, что составляет суть метода адаптивной модели [77]. В этой связи третья часть диссертационной работы посвящена идентификации неизмеряемых координат состояния и переменных параметров электрических машин в системах управления электроприводами переменного тока. В восьмой главе предложен метод синтеза алгоритмов текущей идентификации на основе адаптивных моделей, основанный на организации разнотемповых процессов; проанализированы возможности и условия применения алгоритмов адаптации "с высокой эффективностью" настроечных воздействий и "квазистатических" законов самонастройки; проведены синтез и исследование универсальных алгоритмов идентификации для систем управления асинхронными двигателями при прямом измерении частоты вращения. В девятой главе сформулированы принципы построения систем асинхронного регулируемого электропривода, не использующих датчиков координат механического движения, произведено исследование влияния дрейфа параметров двигателя на их статические и динамические характеристики, синтезирован вариант алгоритма адаптации САУ к изменениям активного сопротивления статора.
В приложениях рассмотрены: структурные схемы управляющего устройства САУ скоростью асинхронного двигателя с прямым разрывным и квазинепрерывным управлением; необходимые условия устойчивости одного класса двухтемповых систем с большими коэффициентами; условия идентифицируемости активных сопротивлений асинхронного двигателя при измерении напряжений, токов и скорости; быстродействующие алгоритмы идентификации для систем управления синхронными и асинхронными электрическими машинами. Произведено сравнение свойств различных законов управления, малочувствительных к изменениям параметров объекта. Приведены некоторые результаты экспериментальных исследований систем электропривода с "глубокими" обратными связями, акты о внедрении и использовании результатов работы.
Похожие диссертации на Методы синтеза автоматического управления электроприводами переменного тока, малочувствительных к изменениям параметров
