Введение к работе
Актуальность работы.
Совершенствование производственных и технологических процессов обуславливает усложнение задач управления. Новые технологии в свою очередь требуют создания высококачественного и надежного электрооборудования, которое является важной составной частью технологических комплексов. Процесс проектирования системы управления (СУ) предполагает, что известны параметры объекта управления (ОУ), внешние воздействия, режимы работы. В результате будут определены структура и параметры СУ, удовлетворяющие заданным показателям качества процесса управления.
Наряду с этими особенностями, которые необходимо учитывать при разработке систем управления электроприводами (СУ ЭП), существует ряд требований, определящих общие тенденции при создании перспективных автоматизированных электроприводов.
Современные СУ ЭП должны обеспечивать высокую точность воспроизведения заданных движений при необходимом запасе устойчивости, значительное быстродействие и надежность в условиях действия широкого спектра дестабилизирующих факторов.
Комплексное решение проблемы управления функционирующими в условиях действия широкого спектра дестабилизирующих факторов нестационарными объектами может быть найдено в области построения систем, устойчивых при неограниченном увеличении коэффициента усиления.
Поэтому изучение закономерностей управляемых процессов в замкнутых системах автоматического управления (САУ), устойчивых при неограниченном увеличении коэффициента усиления, и разработка на основе анализа и теоретического обобщения полученных результатов нового оригинального метода синтеза оптимальных по точности СУ, цель управления которыми задается интегральными функционалами качества, является актуальной задачей.
В работе нашли отражение результаты научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии автора по договорам с предприятиями Миноборонпрома СССР на основании плана государственной стандартизации и межотраслевой унификации военной техники во исполнение решения Президиума СМ СССР по ВИВ № 360 от 11.10.1984 г. и с Госкомитетом Украины по вопросам науки и технологий в соответствии с программой "Ресурсосберегающие электромеханические системы" на основании приказа ГКНТ Украины Л 15 от 1.03.1993 г.
Цель работы - создание эффективных алгоритмов и структур, обеспечивающих высокие динамические и статические показатели ЭП сложных; электромеханических объектов, функционирущих в условиях действия внешних возмущений и не стационарности параметров, с учетом реальных ограничений фазовых координат и энергетических ресурсов системы на основе поиска новых решений задачи аналитического конструирования регуляторов (АКР).
В диссертационной работе сформулированы и решены следующие научные задачи:
обоснование выбора вида и параметров оптимизирующих функционалов качества, минимизация которых гарантирует апериодические переходные процессы в замкнутых САУ и позволяет получить строгое аналитическое решение основного функционального уравнения Беллма-на при линейных и релейных управлениях;
установление однозначной связи весовых коэффициентов оптимизирующих функционалов с параметрами объекта управления и коэффициентами функции Ляпунова, позволящей избежать итерационных процедур при синтезе алгоритмов управления;
разработка методики построения функций Ляпунова в различных фазовых пространствах для замкнутых САУ;
разработка методов синтеза алгоритмов оптимального управления электромеханическими объектами в различных фазовых пространствах с целью придания синтезируемым системам требуемого порядка астатизма по задающему и возмущающему воздействиям, а также обеспечения заданной степени чувствительности к параметрическим возмущениям;
выполнение экспериментальных исследований, подтверждающих верность основных теоретических положений разрабатываемых методов синтеза.
Идея работы заключается в использовании принципа технической симметрии для разработки новых методов структурно-алгоритмического синтеза оптимальных по минимуму интегральных критериев качества систем управления электроприводами, устойчивых при неограниченном увеличении коэффициента усиления, а также в преобразованиях фазовых пространств состояния для синтеза управляющих алгоритмов, различающихся сложностью технической реализации, статическими свойствами и степенью чувствительности к изменениям параметров ОУ.
Методы исследования. В работе использованы общие методы теории оптимального управления, матричное и вариационное исчисление,
метода теории идентификации и адаптации, операционное исчисление. Экспериментальная проверка основных теоретических положений выполнена на лабораторных макетах.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту. Положения.
-
Использование основных положений концепции обратных задач динамики и свойств технической симметрии САУ при синтезе систем оптимального управления, устойчивых при сколь угодно большом коэффициенте усиления, позволяет получить строгое аналитическое решение задачи аналитического конструирования регуляторов линейных и релейных систем, обладающих свойством асимптотической устойчивости.
-
Установленная однозначная связь весовых коэффициентов ин-тегранта функционала качества с параметрами объекта управления позволяет избежать итерационных процедур при решении задачи АКР и гарантирует синтезируемым системам апериодические переходные процессы с эквивалентной постоянной времени, обратно пропорциональной коэффициенту усилеїшя регулятора, на траекториях управляемого движения.
-
Рациональный выбор функции Ляпунова и функционала качества позволяет получить строгое аналитическое решение задачи АКР для нейтральных объектов управления с одним нулевым корнем.
-
Расширение на единицу размерности фазового пространства состояний объектов управления обеспечивает синтез алгоритмов оптимального управления с интегральными составляющими, что позволяет повысить порядок астатизма замкнутых систем без снижения запаса устойчивости и ухудшения качества переходных процессов.
Результаты.
-
Новый метод структурно-алгоритмического синтеза систем, оптимальных по минимуму интегральных критериев качества и устойчивых при неограниченном увеличении коэффициента усиления.
-
Рекомендации по выбору весовых коэффициентов интегрантов функционалов качества, однозначно связанных с параметрами объекта управления, исключающие необходимость итераций при синтезе управляющих алгоритмов.
-
Эффективные алгоритмы и структурные схемы систем оптимального управления электроприводами, синтезированные в различных фазовых пространствах состояний.
-
Принципы построения и технической реализации многоконтур-ші линейных и релейных систем управления электроприводами, обес-
начинающие низкую чувствительность к координатным и параметрическим возмущениям.
5. Результаты лабораторно-стендовых испытаний разработанных систем оптимального управления электроприводами, подтвердившие основные теоретические положения диссертационной работы.
Достоверность научных положений диссертационной работы подтверждается строгим соответствием выдвигаемых научных положений основным методам и принципам теории оптимального управления, результатами математического моделирования и экспериментальных исследований, сходимостью результатов теоретических расчетов и математического моделирования с экспериментальными с погрешностью до 10%, широкой апробацией научных положений и рекомендаций.
Научная новизна заключается в выявлении закономерностей, устанавливающих однозначную связь между параметрами линеаризованных объектов управления, коэффициентами функции Ляпунова для замкнутых систем, весовыми коэффициентами интегральных функционалов и прямыми показателями качества процесса управления. Это позволило получить строгое аналитическое решение задачи АКР оптимальных по минимуму интегральных функционалов качества линейных и релейных САУ, устойчивых при неограниченном увеличении коэффициента усиления, осуществить синтез управляющих алгоритмов в различных фазовых пространствах.
Практическая ценность.
Научные исследования, разработанные методы структурно-алгоритмического синтеза, синтезированные алгоритмы и структуры, рекомендации по выбору коэффициентов управляющих алгоритмов и интегральных функционалов качества, оригинальные схемные решения могут быть использованы при проектировании высокодинамичных систем управления электроприводами прецизионных механизмов, функционирующих в условиях нестационарности режимов работы и влияния широкого спектра дестабилизирующих факторов.
Реализация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы используются Центральным конструкторским бюро аппаратостроения г.Тула при проведении ОКР и изготовлении прецизионных следящих электроприводов постоянного тока для антенных установок РЛС, а также в учебном процессе Днепродзержинского государственного технического университета в лекционном курсе "Системы оптимального управления электроприводами", читаемом автором, и Тульского государственного университета.
7 Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях "Контроль и управление в технических системах" (г.Винница, 1993 г., 1995 г.), "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (г.Харьков, 1994-1996 г.г.), научных семинарах НАН Украины "Оптимизация режимов работы электромеханических систем" (г.Днепродзержинск, 1990-1996 гг.).
Публикации.
Основное содержание, научные положения, результаты и выводы диссертационной работы отражены в 16 печатных работах, в том числе в 1 монографии, 13 статьях и защищены 2 авторскими свидетельствами.
Структура и объем диссертации.
