Введение к работе
1.1. Актуальності.. Одним из наиболее актуальных направлений в автоматизации и
управлении технологическими процессами и производствами является разработка и
многокритериальная оптимизация микропроцессорных информационно-измерительных и
управляющих систем (ИИУС) рабочих органов машин и механизмов, оснащаемых
бесконтактными электроприводами переменного тока.
В последнее время в мире широко применяются современные 16-разрядные и 32-разрядные однокристальные микроконтроллеры для регулирования скорости бесконтактных трехфазных асинхронных электродвигателей и синхронных электродвигателей с возбуждением от постояшгых магнитов. Основной научной проблемой является оптимизация функциональных свойств ИИУС по быстродействию, точности и диапазону регулирования усилия (момента) и скорости перемещения при максимальной производительности, минимальных затратах энергии и максимальной надежности для отработки задаваемых сигналов управления в технологических процессах. Такая комплексная многокритериальная энергодинамическая оптимизация технологических процессов в реальном времени в современных условиях непрерывного качественного обновления серийной элементной базы микроконтроллеров движения требует разработки и исследования научных основ создания все более совершенных новых принципов функционирования ИИУС, реализуемых в новых поколениях специализированных высокопроизводительных микроконтроллеров.
Разработка таких ИИУС, как показывает анализ, основывается на выявлении физических принципов повышения эффективности технического комплекса и его элементов по основным показателям назначения, а также на нахождении законов оптимального управления.
Повышение требований к эффективности основных показателей назначения и конкурентоспособность многих технических и технологических систем напрямую зависит от эффективности программного обеспечения микроконтроллера, разрабатываемого с точки зрения улучшения качеств регулирования электромагнитных, энергетических, тепловых и механических параметров, а также повышения надежности и производительности технологической системы при минимизации массы и габаритов комплектующего оборудования. Улучшение этих качеств системы управления достигается, как доказано в диссертации, за счет реализации разработанных с учетом специфики применения оптимальных законов управления, разработки и реализации в микроконтроллерах новых структур синтеза систем управления нелинейными процессами векторных электромагнитных взаимодействий в электромеханических преобразователях энергии.
Несмотря на широкое промышленное развитие и применение однокристальных микроконтроллеров, актуальными являются многие нерешенные задачи в области ИИУС электромеханических преобразователей. Такие задачи связаны с исследоваїшем, синтезом и программной реализацией оптимальных динамических векторных взаимодействий электрических и мапштных векторов состояния электромеханического преобразователя энергии.
Указанные направления научного поиска и исследования определили цель и основные задачи диссертации.
1.2. Цель работы: Повышение энергодинамических характеристик
электромеханических преобразователей за счет совершенствования ИИУС.
Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи:
1. Анализ тенденций развития ИИУС на базе специализированных микроконтроллеров
для достижения оптимальных энергетических и динамических свойств
электромеханических преобразователей и технических комплексов.
Разработка структур микропроцессорного управления динамическими и энергетическими процессами электромеханических преобразователей и технических комплексов.
Разработка методики синтеза ИИУС оптимального векторного управления электромеханическими преобразователями.
Разработка алгоритмов и программно-аппаратных средств, реализующих способы оптимального векторного управления.
Разработка математических моделей и моделирование микропроцессорных ИИУС электромеханических преобразователей и технических комплексов.
6. Разработка системы микропроцессорного мониторинга векторных параметров
электромеханических преобразователей.
Методы исследования: предложенные в работе структуры, модели, методики, алгоритмы разработаны с использованием метода пространства состояний, численных методов интегрирования дифференциальных уравнений, методов подчиненного регулирования, теории оптимального векторного управления.
Научная новизна:
1. Предложен комплекс технологических и электромеханических критериев
оптимизации ИИУС технических комплексов.
2. Разработаны новые структуры оптимального векторного управления,
заключающиеся в формировании оптимального фазового угла тока и потокосцепления в
функции заданного момента и скорости электромеханического преобразователя,
обеспечивающие повышение точности и быстродействия, диапазона регулирования,
функциональную гибкость задания и воспроизведения требуемых качеств движения.
Разработана методика синтеза структур ИИУС оптимального векторного управления, векторных регуляторов тока и магнитного поля, позволяющие реализовать разработанные структуры оптимального векторного управления.
Разработаны элементы и устройства нового типа контроллера - векторного контроллера, реализующего адаптивное векторное управление оптимальными фазовыми смещениями тока и потокосцепления по энергодинамическим критериям.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение векторного контроллера, реализующего оптимальное векторное управление.
Разработана математическая модель ИИУС оптимального векторного управления электромеханическими преобразователями.
Разработаны принцип построения и устройство микропроцессорного векторного мониторинга динамических процессов электромеханического преобразователя.
1.5. Практическая значимость:
1. Разработанные структуры, методики расчета и найденные законы оптимального
векторного управления применимы при создании ИИУС оптимального векторного
управления электромеханическими преобразователями с повышенными
энергодинамическими показателями.
2. Разработанные структуры, алгоритмы оптимального управления контроллера
позволили снизить пульсации момента и тока электродвигателя и привели к улучшению
вибро-шумовых характеристик мобильных объектов.
3. Разработанные структуры, методики оптимизации, алгоритмы микропроцессорной
системы оптимального векторного управления увеличивают диапазон регулирования
скорости в три раза, точность регулирования скорости более чем в три раза, с
увеличением точности положения рабочих органов перегрузочной машины, и
повышением надежности и безопасности атомного реактора.
4. Разработаны ИИУС оптимального векторного управления, найдены законы
оптимального управления по максимуму момента и минимуму потерь тягового
электропривода ЗИЛ-ЭЛЕКТРО, что позволяет уменьшить затраты энергии тягового
электропривода электромобиля на 15-20 %, увеличить момент на карданном валу на 40%,
улучшить удельные массогабаритные показатели электромеханических исполнительных органов в 2,6 раза.
5. Разработан способ векторной ориентации тока и система «Векторинг» для наблюдения векторных параметров и векторного управления электромеханическими преобразователями энергии. Мониторинг параметров позволяет произвести идентификацию объекта управления и повысить точность настройки векторных наблюдателей и регуляторов в процессе разработки программного обеспечения векторных способов управления.
Реализация и внедрение результатов работы: Полученные в работе результаты внедрены на промышленных предприятиях ФГУП НПП ВНИИЭМ, ОАО «АВЭКС», ЗАО «ОПТИМУМ-ЭЛЕКТРО», ОАО «Компрессор».
На защиту выносятся следующие положения:
1. Комплекс критериев оптимизации микропроцессорных ИИУС технических
комплексов.
2. Структуры оптимального векторного управления электромеханическим
преобразователем.
Методика синтеза структур микропроцессорных ИИУС оптимального векторного управления.
Универсальный контроллер, реализующий оптимальное векторное управление по энергодинамическим критериям.
Алгоритмы и программное обеспечение векторного контроллера, реализующего оптимальное векторное управление электромеханическим преобразователем.
6. Математические модели, результаты моделирования и оптимизации
микропроцессорных ИИУС для технических комплексов.
7. Принцип построения и устройство микропроцессорного векторного мониторинга
динамических процессов электромеханического преобразователя.
1.8. Апробация работы: основные положения и результаты диссертации
докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях «Научная сессия МИФИ»
1999, 2000, 2001, 2002, 2003, Московских международных телекоммуникационных
конференциях студентов и молодых ученых «Молодежь и наука», на III Международной
(XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному
электроприводу «АЭП-2001» (Нижний Новгород, 2001 г.)., «АЭП-2007» (Санкт-
Петербург, 2007 г.), международных конференциях «Системные проблемы надежности,
качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий» 2006,
2007,2008 г (Дагомыс, 2006-2008 г.).
1.9. Публикации: по теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе
3 патента, 3 статьи, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
1.10. Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав,
заключения, 2 приложений, содержит 145 страниц основного текста, 37 рисунков, 3
таблиц, список использованной литературы из 80 наименований.
