Содержание к диссертации
Введение
1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 10
1.1. Направления развития теории и практики электромеханических систем 10
1.2. Состояние и проблемы создания и применения управляемых электроприводов переменного тока 23
1.3. Конкретизация объекта, цели и задач работы 43
Выводы 48
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ И КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 50
2.1. Обоснование требований к составу, свойствам и средствам разработки моделей 50
2.2. Математические и компьютерные модели электромеханических преобразователей 57
2.3. Математические и компьютерные модели преобразователей электрической энергии 72
2.4. Математические и компьютерные модели механической подсистемы ЭМС 82
2.5. Модели для оценки теплового состояния компонентов ЭМС 87
Выводы 94
3. МОДЕЛИ ПОИСКА АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 96
3.1. Математическая формулировка задач эффективного управления 96
3.2. Поиск эффективного управления электроприводом в установившихся режимах работы 100
3.3. Поиск условий эффективного управления электроприводом в переходных режимах 112
3.4. Система прикладных программ исследования ЭМС 120
Выводы 125
4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ 120
4.1. Описание автоматизированного стенда для исследования ЭМС . 127
4.2. Программа и анализ результатов исследования алгоритмов управления электроприводом в статических режимах 132
4.3. Программа и анализ результатов исследования алгоритмов управления электроприводом в переходных режимах 140
Выводы 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145
ЛИТЕРАТУРА 148
ПРИЛОЖЕНИЯ 15S
- Направления развития теории и практики электромеханических систем
- Обоснование требований к составу, свойствам и средствам разработки моделей
- Математическая формулировка задач эффективного управления
- Описание автоматизированного стенда для исследования ЭМС .
Введение к работе
Актуальность работы. Многообразие функциональных задач, решаемых электромеханическими устройствами в составе различных технических систем и комплексов, повышение требований к их технико-экономическим и функциональным показателям приводит к необходимости создания сложных электромеханических систем (ЭМС). Увеличение количества и усложнение взаимосвязей компонентов служит источником значительных сложностей, возникающих при разработках и обеспечении требуемого качества функционирования ЭМС. В данной ситуации натурные исследования по ряду причин оказываются неэффективными. Поэтому основным современным средством исследования ЭМС становится компьютерное моделирование, опирающееся на достижения теории моделирования сложных систем и возможности вычислительной техники.
Задачи поиска эффективных проектных решений занимают одно из центральных мест при разработке ЭМС и их компонентов. При этом возрастает роль методов и средств управления и оценки реакции систем на управляющие воздействия. Кроме того, существенное место в современных разработках и исследованиях занимают вопросы эксплуатации уже существующих электромеханических устройств и систем, решение которых может обеспечить наиболее эффективные режимы их работы. И в том и другом случае качество принимаемых решений в значительной мере зависит от точности и достоверности моделей, используемых в процессе принятия проектных решений. Причем, по мере совершенствования методов и средств проектирования и управления все более высокие требования предъявляются и к модельным представлениям разрабатываемых систем. При этом важным шагом в повышении адекватности моделей реальным объектам является переход к моделированию динамических процессов с учетом нелинейности внутренних связей компонентов системы.
Значительный вклад в становление и развитие методов и средств математического моделирования электромеханических преобразователей внесли отечественные ученые-электромеханики А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов,
5 В. А. Кузнецов, И. Н. Орлов, Р. В. Фильц и многие другие. В их работах были
сформированы теоретические основы создания и практического использования математических моделей динамических процессов в решении задач анализа рабочих показателей электромеханических преобразователей.
Существенно в меньшей мере проработаны в электромеханике вопросы поиска и исследования алгоритмов эффективного управления с учетом адекватного моделирования основных компонентов сложных ЭМС, в состав которых кроме основного системообразующего компонента могут включаться разнообразные преобразователи электрической, механической и других видов энергии, устройства контроля, управления, защиты и пр. В опубликованных работах, в основном ориентированных на применение упрощенных моделей, как правило, не находят отражения взаимосвязи электромеханического преобразователя с другими элементами системы и не в полной мере отражаются как внутренние связи, характеризующие функциональные свойства компонентов ЭМС, так и существенные связи между этими компонентами.
В то же время представляется целесообразным на различных стадиях проектирования или поиска эффективных управляющих воздействий использовать модели различной степени сложности и адекватности, что подталкивает к необходимости создания целой совокупности моделей ЭМС различной степени детализации.
Таким образом, развитие методов и средств моделирования ЭМС с целью поиска и исследования алгоритмов их эффективного упраатения остается актуальной задачей и служит важным резервом совершенствования теории и практики применения электромеханических объектов.
Целью работы является создание совокупности математических и компьютерных моделей динамических процессов, определяющих уровень функциональных показателей электромеханических систем, а также применение этих моделей для поиска и исследования алгоритмов эффективного управления ЭМС.
Достижение поставленной цели предполагает конкретизацию и решение следующих основных задач:
определение состава, свойств и средств разработки моделей электромеханических систем с учетом динамических процессов;
разработка компьютерных моделей динамических процессов в электромеханических преобразователях, преобразователях электрической и механической энергии как компонентах ЭМС;
создание комплексной имитационной модели функционирования ЭМС, допускающей изменение структуры, состава компонентов и моделируемых условий работы системы;
поиск условий и алгоритмов эффективного управления ЭМС электропривода в установившихся и переходных режимах работы;
реализация совокупности разработанных моделей в форме компонентов прикладного программного обеспечения для исследования ЭМС;
экспериментальная проверка найденных алгоритмов эффективного управления с применением автоматизированного лабораторного оборудования.
В первом разделе работы на основе анализа современных направлений развития теории и практики ЭМС определяются потребности и значение поиска эффективных алгоритмов управления ЭМС, рассматривается современные достижения в области управления и моделирования ЭМС и их компонентов, формулируются нерешенные проблемы, обосновывается выбор асинхронного частотно-регулируемого электропривода в качестве конкретного объекта исследований, определяется цель и основные задачи работы.
Во втором разделе приводится обоснование требований, предъявляемых к составу, свойствам и средствам разработки компьютерных моделей компонентов ЭМС. Далее рассматриваются особенности математического и компьютерного моделирования электромеханических преобразователей, преобразователей электрической энергии, механической и тепловой подсистем и других компонентов ЭМС.
7 Третий раздел посвящен поиску алгоритмов эффективного управления ЭМС.
Здесь рассматриваются особенности формирования компьютерных моделей ЭМС, позволяющих исследовать алгоритмы управления в установившихся и переходных режимах работы. Приводятся примеры нахождения условий эффективного управления в установившихся режимах работы при изменении внешних воздействий и в переходных режимах при заданных ограничениях.
Последний раздел посвящен применению разработанного набора компьютерных моделей ЭМС для поиска алгоритмов эффективного управления в различных режимах работы и их экспериментальному подтверждению с целью доказательства пригодности разработанных моделей ЭМС для данной сферы исследовательской деятельности.
Методы исследования. Решение задач моделирования динамических процессов в электромеханических системах базируются на теории обобщенной электрической машины, а также на свойстве аналогии математического описания динамических процессов в подсистемах различной физической природы. При этом рассматриваются процессы в системах с сосредоточенными параметрами, а их модельное представление формируется в рамках теории электрических цепей. В качестве универсального средства моделирования применяется пакет программ анализа электрических и электронных цепей PSpice. Разработка компонентов прикладного программного обеспечения проводилась с применением методов объектно-ориентированного программирования и соответствующих инструментальных программных средств.
Научная новизна работы заключается в следующем: обоснована структура и форма представления математических моделей компонентов электромеханических систем, предназначенных для поиска алгоритмов эффективного управления;
разработан комплекс имитационных моделей динамических режимов работы ЭМС, включающий модели электромеханических преобразователей, преобразователей электрический энергии в составе выпрямителя, конвертора, инвертора,
8 фильтров, а также реальных механических связей между электрической машиной
и исполнительными механизмами;
показаны возможность и целесообразность применения универсальных программных средств анализа электрических и электронных цепей для имитационного моделирования динамических процессов в сложных электромеханических системах с учетом взаимного влияния и изменения параметров компонентов в процессе функционирования системы;
разработаны и исследованы алгоритмы эффективного управления ЭМС в установившихся и переходных режимах работы.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанный комплекс компьютерных моделей компонентов ЭМС реализован на ЭВМ с помощью программы анализа электрических и электронных цепей PSpice в виде универсального описания структуры системы и развитой библиотеки подмоделей, открытой для развития и совершенствования. Для облегчения создания модели ЭМС из моделей компонентов разработан специальный пользовательский интерфейс. Применение разработанных компьютерных моделей позволяет принимать обоснованные проектные и исследовательские решения с учетом динамических процессов, протекающих в ЭМС, нелинейных связей между элементами системы и нелинейных зависимостей их параметров и проводить поиск и исследование алгоритмов эффективного управления.
Диссертационная работа является частью комплекса научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой «Электротехнические комплексы автономных объектов» и направленных на развитие методов и средств автоматизации проектирования и исследования электромеханических систем различного назначения. Результаты работы нашли применение при создании автоматизированного комплекса, предназначенного для исследования электромеханических систем в режиме многопользовательского удаленного доступа, а также при создании программного обеспечения лабораторного практикума по учебной дисциплине «Компьютерное моделирование электромеханических систем».
9 Апробация работы. Результаты, полученные при выполнении диссертации,
докладывались и получили одобрение научной общественности при проведении Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, октябрь 1995 г.), научно-практического семинара «Вентильные электромеханические системы. Рынок. Наука. Производство» (Москва, сентябрь 1996 г.), научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, февраль 1997 г.), научно-технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов» (Москва, октябрь 1997 г.), III Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Клязьма, 1998), на заседании кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов» Московского энергетического института. Результаты работы были отмечены первой премией в конкурсе МЭИ на лучшую разработку новых информационных технологий для учебного процесса за 1996 г., а также благодарностью Оргкомитета Международной выставки «Современная учебная техника» EDUCOM-97 (Санкт-Петербург, ноябрь 1997 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в пяти печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, 16 приложений и содержит 157 страниц основного текста, 10 таблиц и 36 рисунков.
В основу диссертации положены результаты, полученные автором при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре Электротехнические комплексы автономных объектов МЭИ в период с 1995 по 1998 г.г.
10 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Направления развития теории и практики электромеханических систем
Многообразие и ответственность функциональных задач, решаемых электромеханическими системами (ЭМС), жёсткие требования и стандарты, предъявляемые к их технико-экономическим, экологическим, эргономическим и другим показателям, в числе которых: точность, быстродействие, диапазон допустимых изменений рабочих показателей, электромагнитная совместимость с другими компонентами электроэнергетических систем, энергетическая эффективность (энергосбережение) и т.д., приводят к необходимости создания сложных ЭМС, в состав которых кроме основного системообразующего компонента — электромеханического преобразователя (ЭМП) — могут включаться разнообразные преобразователи электрической, механической и других видов энергии, устройства контроля, управления, защиты и пр. В качестве подтверждения можно привести ряд примеров подобных ЭМС.
Класс электроэнергетических установок на базе ЭМС, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую и, следовательно, ЭМП работают в генераторном режиме, представлен следующими системами: ЭМС стационарных электростанций, построенные на базе синхронных трехфазных турбо- и гидрогенераторов и служащие в качестве первичных источников более 90% всей вырабатываемой электроэнергии; ЭМС автономных энергетических систем общего назначения (стационарные, передвижные, транспортные и тяговые), включающие в себя дизель-генераторные установки, бензоэлектрические агрегаты общепромышленного применения, генераторные установки для автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин и мобильной техники, бесконтактные авиационные генераторные установки, применяющиеся в качестве основного элемента самолетных систем энергоснабжения, генераторные ЭМС на базе электромашинных преобразователей, турбогенераторные источники электрической энергии для изделий специальной (ракетной) техники. ЭМС для ветроэнергетических установок. Основным требованием для этого класса ЭМС является поддержание требуемого уровня напряжения и частоты в различных режимах работы.
Другой важнейший класс ЭМС составляют электроприводы, функциональное назначение которых состоит в преобразовании электрической энергии в механическую. Функции, выполняемые данными системами весьма широки: обеспечение простейших операций пуска, остановки и реверсирования ЭМП или же эффективное управление этими операциями с учетом времени их выполнения, ограничений моментов, динамических нагрузок в механических звеньях, ускорений и пр.; обеспечение задания и автоматической стабилизации на заданном уровне в установившихся режимах каких-либо показателей (частоты вращения, момента) при действии возмущающих воздействий; осуществление следящего управления; управление технологическими машинами по заранее заданной программе; обеспечение выбора наилучших (оптимальных) режимов работы электроприводов технологических машин по какому-либо критерию при воздействии случайных возмущений.
Обоснование требований к составу, свойствам и средствам разработки моделей
Как было показано в первой главе, улучшение показателей и получение необходимых характеристик ЭМС возможно за счёт их эффективного управления. При этом большое значение придается задачам анализа электромеханического преобразователя как элемента сложных замкнутых нелинейных ЭМС, оптимизируемых по одному или нескольким критериям. Математическая модель системы занимает центральное место в процессе анализа, т. к. от ее адекватности в значительной мере зависит точность и достоверность получаемых результатов. Модель ЭМС должна быть использована для поиска эффективных рабочих режимов и нахождения обеспечивающих эти режимы управляющих воздействий. Для ЭМС. работающих в специальных режимах (повторно-кратковременное включение, реверс, пуск, торможение и пр.) алгоритмы эффективного управления необходимо исследовать с учётом протекающих в системе динамических процессов, которые по своей длительности соизмеримы с временем установившихся режимов работы. Сложность алгоритмов поиска оптимальных управлений подталкивает к созданию целого набора моделей, наилучшим образом приспособленных для решения конкретных оптимизационных задач.
Как правило, реальные технические системы объединяют в своем составе подсистемы различной физической природы. При моделировании подобных систем необходимо учитывать взаимосвязи подсистем, которые могут осуществляться посредством функциональных зависимостей фазовых переменных (или параметров элементов) одних подсистем от фазовых переменных других подсистем. При этом между фазовыми переменными подсистем различной физической природы могут возникать различные трансформаторные и гираторные связи. При исследовании и, соответственно, математическом моделировании системы необходимо учитывать полноту взаимодействия ее элементов, заключающуюся в изменении одних связей при изменении других как внутри самой системы, так и ее связей с окружающей средой. При образовании математической модели сложной системы, состоящей из известных более простых подсистем, объединенных единым технологическим процессом, надо проявлять особое внимание, поскольку связи между отдельными подсистемами могут оказывать очень существенное влияние на общую математическую модель и в значительной степени ее трансформировать. Поэтому в сравнении с углубленным изучением и моделированием составляющих элементов, более продуктивным оказывается выявление системных свойств элементов и построение системных моделей, которые бы адекватно отражали эти свойства. Важно отметить, что соответствие между исследуемым объектом и моделью принципиально необходимо только в интересующих нас свойствах. В этом случае модели способны выполнить свою роль заменителей реальных объектов, и тогда принято говорить, что модель адекватна оригиналу.
При моделировании процессов различной физической природы очень важно найти единую методическую основу для анализа и построения частных моделей компонентов, входящих в состав электромеханической системы. Такая возможность основывается на формальной аналогии математического описания явлений, отличных по своей физической сущности. Используя аналогию с процессами в электрических системах (электроаналогию), удается положить в основу исследований всех интересующих нас систем хорошо разработанные, удобные и наглядные методы анализа электротехнических задач — аппарат теории электрических цепей. Это позволяет создать однотипный и универсальный инструмент исследования всех интересующих нас процессов различной физической природы, протекающих в электромеханической системе [20, 90].
Математическая формулировка задач эффективного управления
Алгоритмы эффективного управления должны в общем случае обеспечить наилучшие показатели работы электропривода при соблюдении ограничений, зависящих от параметров электропривода и исполнительного механизма. Разнообразие электроприводов и требований, предъявляемых к ним, затрудняют исчерпывающую классификацию задач оптимального управления, однако можно все же выделить типовые задачи [21, 88].
Как было показано ранее при рассмотрении моделей механической подсистемы ЭМС, уравнения равновесия моментов на валу электродвигателя можно записать в виде (2.11) или (2.28) в зависимости от выбранной схемы. Электромагнитный момент двигателя Мэ в общем случае зависит от электромагнитных переменных двигателя, обозначаемых через n-мерный вектор л:, составляющими которого могут быть токи, магнитные потоки и т.п. Момент инерции Убудем считать постоянным.
Описание автоматизированного стенда для исследования ЭМС
В третьей главе был получен ряд алгоритмов управления электроприводом в установившихся и переходных режимах работы. Для подтверждения возможностей их практической реализации, а также для определения степени адекватности разработанной компьютерной модели реальной ЭМС, необходимо провести ряд натурных испытаний. В качестве исследовательской установки был принят автоматизированный лабораторный стенд для исследования ЭМС, разрабатываемый на кафедре Электротехнические комплексы автономных объектов (ЭКАО) МЭИ и предназначенный для проведения учебных и научных исследований.
Общий вид стенда приведен на рис.4.1. Автоматизированный стенд разработан по принципу максимально эффективного использования установленных технических средств, когда большая часть технологического оборудования может быть одновременно и объектом исследования. Эффективность исследований существенно повышается за счет ряда нововведений, примененных в рассматриваемом стенде:
информационно-измерительная и управляющая подсистемы объектного уровня обеспечивают программируемое измерение контролируемых параметров объекта изучения, их предварительную обработку и накопление, а также программируемое управление объектом с использованием современной технологии цифровых сигнальных процессоров;
компьютерная подсистема удаленного пользователя представляет собой удаленный терминал лабораторного стенда, который обладает, несомненно, более высокими функциональными возможностями по вводу режимов управления, приему экспериментальной информации, ее обработке и представлению в цифровой и графической форме и т. д. по сравнению с используемыми лабораторными стендами;
подсистема моделирования, представленная в данной работе, позволяет находить оптимальные решения поставленной задачи, после чего проверить полученные результаты экспериментальным путем;
подсистема математической обработки результатов эксперимента позволяет воспользоваться полной библиотекой научно-технических расчетов (корреляционный, спектральный анализ, линейная, полиномиальная, сплайновая интерполяция и экстраполяция и т.д.).
В основе телекоммуникационной подсистемы применяется компьютер-сервер, который связывается с информационно-измерительной подсистемой стенда по последовательному интерфейсу RS-232.
Электромеханический модуль автоматизированного стенда установлен на предметном столе и представляет собой две электрические машины:
Сменный исследуемый электрический двигатель. В данном случае используется 3-фазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа УАД-72 (мощность Р = 70 Вт, номинальное линейное напряжение UHOSI = 220 В, частота питания/= 50 Гц).
Нагрузочная электрическая машина. Используется коллекторная ЭМ постоянного тока (l/ян = 24 В, 1ЯН = 10 А, пн= 3000 об/мин), которая за счет развитой системы управления может автоматически переводится в генераторный режим для реализации программного нагружения при номинальных оборотах, в режим противовключения для реализации программного нагружения при пуске и малых оборотах, в режим подкрутки для реализации холостого хода. Предельно развиваемый момент нагрузки не превышает 1 Нм.
