Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Прецизионные электроприводы высокоточных оптических комплексов контроля космического пространства 10
Глава 2. Параметрическая идентификация электроприводов телескопов траекторных измерений 20
2.1 Параметрическая идентификация статорной обмотки двигателя 20
2.2 Параметрическая идентификация модели электропривода 61
2.3 Частотная идентификация электропривода 79
2.4 Выводы по главе 2. 92
Глава 3. Синтез регуляторов и автоматизация процесса настройки системы управления 95
3.1 Синтез и настройка регуляторов 95
3.2 Синтез цифрового формирователя траектории 134
3.3 Выводы по главе 3 141
Глава 4. Реализация алгоритмов автоматизированной настройки системы управленя на испытательном стенде 144
4.1 Параметрическая идентификация электропривода испытательного стенда150
4.2 Настройка регуляторов системы управления испытательным стендом и анализ точности слежения 165
4.3 Выводы по главе 4 173
Заключение 176
Список основных сокращений 178
Список литературы
- Параметрическая идентификация модели электропривода
- Частотная идентификация электропривода
- Синтез цифрового формирователя траектории
- Настройка регуляторов системы управления испытательным стендом и анализ точности слежения
Введение к работе
Актуальность темы исследований и степень ее разработанности.
Задача управления сложными динамическими объектами не теряет своей актуальности по причине огромного разнообразия свойств объектов и требований, предъявляемых к решению таких задач. Структура систем управления настолько сложна, что ее точное математическое описание является весьма трудоемкой, а чаще всего не решаемой задачей, поэтому практически невозможно пользоваться ранее наработанными инженерными решениями.
К классу вышеупомянутых задач относится задача управления электроприводами оптических осей телескопов комплексов высокоточных наблюдений. Для управления угловым положением оптической оси в пространстве оптический телескоп устанавливается в опорно-поворотное устройство (ОПУ), имеющее, как правило, несколько осей вращения. В таких системах требуется достичь высокой точности слежения и наведения в процессе траекторных измерений, а также наблюдений за космическим пространством. Вращающееся оборудование весом от единиц килограмм до десятков тонн, присутствие возмущающих воздействий сил вязкого и сухого трения, включая их влияние на подшипниковые узлы и кабельный переход, наличие ветровых и динамических нагрузок, нелинейность регулировочной характеристики исполнительного механизма и конечная жесткость ОПУ – все эти особенности влияют не только на качество наведения, но и на точность отработки сигнала задания, а также накладывают ограничения на использование традиционных способов управления. С другой стороны, в таких системах необходимо предусматривать ограничение угла поворота, скорости вращения и ускорения электропривода по причине наличия оборудования на подвижной части оптического телескопа, связанного кабельным переходом с неподвижной частью, а также хрупких зеркал, являющихся частью оптической системы, конечной прочности отдельных частей ОПУ и предельного диапазона скоростей вращения, в котором обеспечивается корректная работы датчиков положения.
Настройка систем управления сложными объектами обычно осуществляется методами адаптивного и робастного управления. Требования по ограничению регулируемых координат электропривода, присутствие возмущающих моментов от сил сухого трения, нелинейность регулировочной характеристики электромеханического преобразователя – все это создает возможность исследования задачи параметрической идентификации такого объекта управления, в том числе и разработки методов получения экспериментальных данных для идентификации, учитывающих эти особенности.
В центре внимания разработчиков всегда были вопросы параметрической идентификации электропривода. Эти задачи решались в работах А.В. Башарина, Ю.А. Борцова, B.Л. Грузова, Н.И. Ратнера, В.Г. Каширских, Г.Г. Пивняка, A.C. Бешты, Д.Б. Изосимова, A.A. Пискунова и др.
Проблема параметрической идентификации актуальна и для прецизионных систем следящего электропривода, в которых достижение предельных динамических показателей качества регулирования возможно при максимальном уровне точности, быстродействия, устойчивости и достоверности определения переменных и параметров системы.
Комплексы высокоточных наблюдений в большинстве своем являются уникальными изделиями. Они устанавливаются в местах с большим числом безоблачных суток в году, т.е. чаще всего в малонаселенных труднодоступных местах (например, в горах, где очень прозрачная атмосфера и мало облаков), до которых специалистам по настройке систем управления тяжело добираться. Таким образом, много рабочего времени специалистов тратится на перемещение в эти места и на настройку систем управления для каждого изделия. В результате возникает задача автоматизации процесса параметрической идентификации объекта и настройки системы управления, которая будет учитывать особенности каждого изделия и обеспечивать высокое качество наведения.
Целью диссертационной работы является автоматизация настройки системы управления сложным динамическим объектом, обеспечивающая высокие точности слежения и наведения, включая параметрическую идентификацию объекта управления при наличии нелинейных возмущений и необходимости ограничения регулируемых координат электропривода. Достижение обозначенной цели требует решения следующих задач:
-
Исследование и анализ методов идентификации следящего электропривода в условиях конечной жесткости конструкции ОПУ, с учетом требований по ограничению регулируемых координат и наличия внешних возмущений, имеющих нелинейный характер.
-
Разработка алгоритмов идентификации параметров модели следящего электропривода телескопа траекторных измерений.
-
Разработка алгоритма автоматизированной настройки системы управления электропривода телескопа траекторных измерений, обеспечивающей высокие точности слежения и наведения.
-
Проведение экспериментальных исследований систем прецизионных электроприводов телескопов траекторных измерений (ТТИ) на испытательных стендах кафедры ЭТ и ПЭМС Университета ИТМО.
Методы исследований: для решения поставленных задач использовались методы теории электрических цепей, методы теории электрических машин, методы теории автоматического управления, методы теории идентификации, методы математического моделирования сложных машинно-вентильных систем с использованием пакета Matlab, методы интерактивной отладки алгоритмов систем автоматического регулирования электроприводов с использованием программного комплекса СБПЭТ (система быстрого прототипирования электропривода телескопа) (гос.рег. № 2009611420 от 12.03.2009).
На защиту выносятся следующие новые и содержащие элементы новизны основные положения:
-
Алгоритм параметрической идентификации модели электропривода оптической оси телескопа траекторных измерений.
-
Методика измерения частотной характеристики электропривода оптической оси телескопа траекторных измерений.
-
Алгоритм численного поиска параметров регулятора, решающего задачу минимизации нормы передаточной функции замкнутой системы от возмущения к углу поворота в пространстве Харди H.
-
Методика автоматизации настройки системы управления электропривода, обеспечивающая высокую точность наведения и слежения в широком диапазоне скоростей вращения сложной динамической системы при наличии значительных моментов нагрузок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Алгоритм параметрической идентификации модели электропривода оптической оси телескопа отличается тем, что учитывает нелинейность регулировочной характеристики широтно-импульсного преобразователя, наличие сухого трения, и удовлетворяет требованиям по ограничению регулируемых координат электропривода в процессе получения экспериментальных данных.
-
Методика измерения частотной характеристики электропривода оптической оси телескопа отличается от общепринятых методик тем, что эксперимент осуществляется в замкнутой системе управления, которая разомкнута на частоте пробного гармонического сигнала, но позволяет подавлять влияние внешних возмущений на низких частотах.
-
Алгоритм численного поиска параметров регулятора отличается тем, что решает задачу минимизации нормы передаточной функции замкнутой системы от возмущения к углу поворота в пространстве Харди H и задачу сохранения заданного запаса устойчивости системы управления, определяемого по полученной выборке частотной характеристики электропривода оптической оси телескопа.
-
Методика автоматизации настройки системы управления электропривода оптической оси телескопа обеспечивает структурно-параметрический синтез системы управления, последовательно увеличивая порядок регулятора и настраивая его параметры разработанным алгоритмом численного поиска, без непосредственного участия оператора.
Практическая ценность работы заключается в создании полностью автоматизированного алгоритма настройки системы управления электропривода оптической оси телескопа траекторных измерений, позволяющего сократить временные и денежные затраты на перемещение и работу специалистов по настройке систем управления.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых математических методов, совпадением результатов численных расчетов и моделирования с экспериментальными данными, полученными на двухмассовом стенде с переменным коэффициентом жесткости и варьируемым моментом инерции второй массы, который находится в распоряжении кафедры
ЭТиПЭМС Университета ИТМО (на основе переданного АО «НПК «СПП» макета электромеханического модуля ОПУ К01-Э418-00-00 в рамках работ по СЧ ОКР «Создание системы лазерной дальнометрии искусственных спутников Земли с субмиллиметровой аппаратной погрешностью измерений, как средства фундаментального обеспечения системы ГЛОНАСС»).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:
-
при разработке и изготовлении цифрового электросилового привода (ЦЭСП) системы наведения ОПУ СМ-799 в рамках выполнения хоздоговорной НИР №28852;
-
при разработке и изготовлении ЦЭСП системы наведения ОПУ СМ-834 в рамках выполнения хоздоговорных НИР №28828, №211144;
-
ЦЭСП системы наведения ОПУ АЗТ-28М в рамках выполнения хоздоговорной НИР № 211106;
-
при разработке и исследованиях систем прецизионного электропривода ТТИ в рамках хоздоговорных ОКР №29921 «Разработка РКД и изготовление цифрового электросилового привода Телескопа ТИ-3.12» (шифр – «Стажер-СП»);
-
при разработке нового раздела дисциплины «Методики и средства мониторинга и наладки электроприводов» для студентов, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях регионального, федерального и международного уровня: VII, VIII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых и XXXIX, XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, I, II, III, IV Всероссийском конгрессе молодых ученых и ХLI, ХLII, ХLIII, XLIV научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО, а также VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП–2012 (Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина), VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП–2014 (Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск), 14th International Conference on Robotics, Control and Manufacturing Technology ROCOM '14 (Куала-Лумпур, Малайзия), 16th International Conference on Automatic Control, Modelling & Simulation ACMOS '14 (Брасов, Румыния).
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 12 статьях, 3 из которых в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - индексированных SCOPUS.
Параметрическая идентификация модели электропривода
Прецизионный электропривод. Трудно представить жизнь человека без использования электропривода, который является неотъемлемой частью современного технологического оборудования. Со стремительным развитием промышленной электроники и силовой полупроводниковой техники в 1960-70-е годы электропривод претерпел структурные изменения. Использование в силовой части привода различных статических преобразователей значительно увеличило быстродействие электромеханических систем [1], и это помогло создать новые решения для управления сложными объектами с широким применением следящих электроприводов. Системы управления объектами вооружения, роботами и манипуляторами, металлорежущими станками, оптическими и радиотелескопами, стали областью применения следящих электроприводов [2]. Проектирование прецизионных следящих электроприводов для оптико-механических систем и, в частности, для комплексов позиционирования и слежения содержит в себе до сих пор множество нерешенных актуальных задач [3-61].
Исследования прецизионных электроприводов телескопов траекторных измерений (ТТИ), также именуемых оптическими телескопами, в ЛИТМО начались в 1980-х гг. по поручению НПО „Астрофизика“, основной компанией в СССР на этом пути развития в тот момент. В станицу Зеленчукская (Кавказ) были переданы следящие безредукторные электропривода, изготовленные на кафедре электротехники под управлением профессора, Заслуженного деятеля науки и техники СССР Татьяны Анатольевны Глазенко. Это помогло устранить из кинематических передач электроприводов телескопов силовые редукторы. Прерывистость хода, ограниченная жесткость и люфт редуктора, увеличенное изнашивание запасных частей вели к снижению точности и сокращению времени работы, сдерживали ресурсы повышения быстродействия механизма [6, 16, 17, 62]. Вместе с тем необходимо выделить отдельные позитивные стороны, присущие электроприводам с редукторами: не происходит аварийных ситуаций (опрокидывание осей телескопа) при нарушении в системе питания электродвигателя; не большие моменты инерции нагрузки, приведенные к валу исполнительных двигателей [62].
Синхронные машины с постоянными магнитами (СМПМ) стали использоваться как электромеханические преобразователи, потому что появились магнитные вещества на основе неодим-железо-бор (NdFeB). Эти материалы имеют свои характерные особенности, поэтому они применяются в решении прецизионных задач [63-65]. Непревзойденное достоинство машин– уменьшение потерь в меди благодаря тому, что у них нет раздельных обмоток возбуждения и токов намагничивания. Большая продуктивность двигателей дает возможность применять целиком укрытые устройства с естественным охлаждением. Эксплуатация редкоземельных постоянных магнитов помогает обеспечивать максимальную плотность магнитного потока в воздушном зазоре. Это делает структуру СМПМ более простой с превосходной удельной мощностью. Хорошие динамические свойства получаются благодаря специфике устройства ротора. Перечисленные особенности позволяют электроприводам с СМПМ быть быстрыми, компактными и надежными.
Следящие электропривода оптических телескопов.
Современный следящий электропривод на основе СМПМ является интеллектуальной ЭМС, обеспечивающей движение механического объекта по заданным траекториям в реальных условиях [62, 66, 67]. При проектировке и построении таких систем возникает широкий круг задач, связанных с необходимостью точного позиционирования и слежения, сопровождающегося вращением следящей оси с инфранизкими скоростями при значительных величинах моментов статического сопротивления и маховых масс на валу и возможном широком диапазоне их изменения. Часто к таким системам предъявляются высокие требования надежности, а также по статическим, динамическим, энергетическим и другим показателям. В этих системах используются безредукторные электроприводы с прецизионными датчиками положения, скорости и тока, СМПМ, вместо ранее используемых двигателей постоянного тока, а также последние достижения вычислительной техники и информационных технологий [7, 9, 19].
Вышеназванные системы включают в себя опорно-поворотные устройства (ОПУ), которые позволяют ТТИ следить за космическими объектами (КО), поворачиваясь вокруг двух, или большего количества осей. Подобные системы регулирования делают достижимым получение высочайшего качества наведения в целях наблюдения околоземного пространства. Вращающееся оборудование весом от единиц килограмм до десятков тонн, присутствие возмущающих воздействий сил вязкого и сухого трения, включая их влияние на подшипниковые узлы и кабельный переход, наличие ветровых и динамических нагрузок, нелинейность регулировочной характеристики исполнительного механизма и конечная жесткость строения ОПУ негативно влияют на возможность получения необходимого качества наведения [5, 7, 9, 16].
Все эти особенности учитываются при проектировании цифрового следящего электропривода, потому что необходимость компенсации основных недостатков механических узлов телескопа, его кабельного перехода перекладывается на сам электропривод. Это помогает достичь требующейся точности при малом быстродействии системы, обусловленной низкой частотой резонанса осей ОПУ.
Изучением систем прецизионного электропривода занимались Глазенко Т.А., Шрейнер Р.Т., Козярук А.Е., Зиновьев Г.С., Виноградов А.Б., Тарарыкин С.В., Розанов Ю.К., Кобзев А.В., Соколовский Г.Г., Новиков В.А., Борцов Ю.А. и др. Однако вопросы использования следящих приводов в задачах получения максимально высокой точности невозможно считать полностью раскрытыми. Сейчас для наведения предельно узких лазерных пучков уже обязательна абсолютная по отношению к используемой системе координат точность наведения не хуже нескольких угловых секунд [5, 7, 9, 16, 18].
Частотная идентификация электропривода
Наличие искажений напряжения и пульсаций момента не только ухудшает точностные характеристики электропривода [11]. При параметрической идентификации объекта управления для настройки регуляторов уже нельзя пользоваться линейными моделями (2.10) и (2.13).
На рис. 2.5 изображены ЛАЧХ и ФЧХ, соответствующие передаточной функции модели (2.11) с учетом системы (2.24) от обобщенного управляющего воздействия u0(t) к моменту СМПМ M(t). При разных амплитудах задающей синусоиды u0амп получились сильно различающиеся результаты, что может привести к неправильной оценке параметров модели и, как следствие, система управления будет неустойчивой.
Частотные характеристики, соответствующие передаточной функции от обобщенного управляющего воздействия u0(t) к моменту СМПМ M(t) при разных амплитудах задающей синусоиды Нежелательные пульсации момента можно устранить введением контура тока в систему управления [23, 31]. Идентификацию параметров модели необходимо производить с учетом вышеупомянутых особенностей энергоподсистемы электропривода на базе СМПМ [8, 31].
Регулятор тока. Добиться желаемого значения момента СМПМ M(t) можно, варьируя величины Im и в формулах (2.4) и (2.5) в системе координат (a,b,c), или варьируя Iq в формуле (2.14) в системе координат (d,q). Максимальная эффективность использования инвертора достигается при поддержании значения близкого к 0 в системе координат (a,b,c), что аналогично поддержанию значения Id близкого к 0 в системе координат (d,q). Очевидно, что: т.е. управляя величиной i0(t) можно однозначно задавать момент M(t). Стоит отметить, что токи чаще всего в электроприводе измеряются не в амперах, а в единицах АЦП, с которого значения поступают на управляющий микроконтроллер:
Выражение (2.33) соответствует идеальному инвертору. Перезапишем систему (2.24) в такой вид, чтобы каждый ток был выражен в отдельном уравнении: Rib(t) + L = Ub(t)-\(2AUb(t)- AUa(t)- AUc(t)) + eb(t), Ri (t) + L Объект управления можно представить апериодическим звеном первого порядка, на которое действует возмущение fинв (t) .
Частота широтно-импульсной модуляции (ШИМ) является единственным фактором, ограничивающим быстродействие замкнутого контура тока.
В выражении (2.37) варьируемыми параметрами являются угол поворота и скорость ротора, а также знак фазных токов. Все эти параметры меняются медленно по сравнению с частотой ШИМ и, соответственно, с полосой пропускания контура тока. Поэтому возмущение fинв (t) можно считать медленно меняющимся для контура тока. Кпт и Кит - пропорциональный и интегральный коэффициенты регулятора, Wm(s) - передаточная функция замкнутой системы управления током, ТТ - настраиваемая постоянная времени замкнутой системы управления контуром тока. Коэффициенты регулятора для такой настройки рассчитываются следующим образом: К = п.т Кв.Л (241) к = и.т к Т . Частотные характеристики системы управления током с идеальным инвертором и с инвертором с «мертвым временем», полученные по реакции на синусоидальное воздействие разной частоты изображены на рис. 2.6.
На частотах после по шкале абсцисс отличия также не существенны, поэтому TT при дальнейшем анализе выражение (2.40) может считаться передаточной функцией линеаризованной замкнутой системы управления током СМПМ.
Частотные характеристики замкнутой системы управления током: с идеальным инвертором (красный график), при наличии «мертвого времени» с амплитудой задающей синусоиды 0.9 от максимально возможного значения (зеленый график), при наличии «мертвого времени» с амплитудой задающей синусоиды 0.3 от максимально возможного значения (синий график) Реакция замкнутой системы по току на скачок задания тока 0.2 от максимального значения тока изображена на рис. 2.7. Пока ток не пересекает 0, система с идеальным инвертором и система с учетом влияния «мертвого времени» ведут себя одинаково (рис. 2.7б).
Как только ток изменяет свой знак (рис. 2.7а), происходит резкое изменение искажения напряжения (см. выражение (2.35)), вносимого «мертвым временем», и система управления начинает отрабатывать это (изменение искажения напряжения), как скачок возмущающего воздействия.
Параметрическая идентификация. Для настройки системы регулирования тока с регулятором тока в системе координат (a,b,c) или (d,q) и для дальнейшего анализа объекта управления необходимо знать только параметры Kоб.дт и Te [8, 26, 27]
Как уже было отмечено при анализе рис. 2.5, объект нелинейный, и при неправильно поставленном эксперименте частотный метод идентификации может дать результаты, отличающиеся на порядок от реальных значений. При максимальных значениях амплитуд задающих синусоид можно получить результаты близкие к реальным значениям, однако чаще всего такие синусоидальные сигналы в частотном эксперименте подать нельзя. Это связано с тем, что напряжение источника питания выбирается существенно выше необходимого для того, чтобы уменьшить время переходных процессов при максимальных токах, а также источник питания выбирается из набора с заранее определенными номиналами.
Рассмотрим идентификацию параметров объекта управления (2.36) с передаточной функцией (2.38) по переходной характеристике. В соответствии с (2.36) при постоянном значении щ за период измерения для идеального инвертора можно записать:
Синтез цифрового формирователя траектории
ПИ-регулятор обеспечит астатизм первого порядка по возмущению, что позволит скомпенсировать постоянную составляющую возмущающего воздействия.
На самом деле, наличие интегрирующего звена в регуляторе не принципиально, и можно, например, использовать П-регулятор с настройкой на технический оптимум, или любой другой регулятор.
Настройка регулятора с учетом параметров модели электропривода (2.83) и частотных характеристик, полученных при идентификации с релейным регулятором, будет рассмотрена в главе 3.
Схема проведения опыта изображена на рисунке 2.31. Здесь релейный регулятор положения иа выполняет такую же функцию ограничения угла поворота, как и на рис. 2.28.
Структурная схема регулятора скорости в эксперименте определения частотной характеристики объекта управления Задающая синусоида суммируется с управляющим сигналом с регулятора скорости, и затем результирующий сигнал подается на электропривод.
Исследуемый синусоидальный сигнал для системы регулирования скорости является возмущением (рис. 2.31), и поэтому будет подавляться регулятором скорости.
По результатам эксперимента можно определить частотные характеристики замкнутой системы управления от задания на контур тока i0.зад к скорости электропривода дп (рис. 2.32б), а уже затем при известной передаточной функции регулятора – частотные характеристики объекта управления.
Основная проблема этого метода заключается в том, что регулятор существенно ослабляет реакцию системы на синусоидальное воздействие при частотах исследуемого сигнала на порядок выше частоты среза замкнутой системы управления (рис. 2.32а). А это в свою очередь снижает точность параметрической идентификации выходного сигнала.
Эта проблема может быть решена увеличением амплитуды исследуемой синусоиды. Но увеличение амплитуды в таком случае нужно проводить плавно, чтобы избежать недопустимо больших колебаний скорости привода во время переходных процессов. Плавное увеличение амплитуды может в разы увеличить время эксперимента, т.к. эту операцию надо проводить для средней скорости по трем измерениям для любого периода Tsin исследуемой синусоиды. Для каждой частоты из исследуемой выборки. Полностью устранить влияние регулятора на частоте исследуемой синусоиды можно, рассчитывая скорость следующим образом: где Тд sin = - - период дискретизации регулятора скорости. Tsin Тогда можно расширить выборку для исследования синусоидами, треть периода которых Tsin/3 кратна периоду дискретизации Тд микроконтроллера. В целом этого может оказаться не достаточно. Поэтому рассмотрим обобщенную формулу расчета любых трех последовательных измерений можно записать:
Qm sin cos(ysin)sin(0) + Qm sin sin sin)cos(0) + Пср(пТд8іа) = &дп((п 2K,m\ Qm sin cos(ysin)sin(— Td sin) + Qm sin sin(ysin)cos(— Td sin) + Qcp(nTdsm) = где QraSin и \/Sin - неизвестные амплитуда и фаза гармоники скорости, соответствующей исследуемому синусоидальному сигналу, Qcp - среднее значение скорости, которое надо вычислить. В системе (2.114) три уравнения и три неизвестных. Решение этой системы относительно среднего значения скорости С1ср за время ЪТд п\
Наблюдаемые переходные процессы связаны с реакцией замкнутой системы управления на изменение исследуемого синусоидального сигнала, а также с пересчетом коэффициентов регулятора при изменении периода дискретизации регулятора Tд.sin.
Такой способ получения экспериментальных данных позволяет получить высокую точность определения частотных характеристик, как показано на рис. 2.34, благодаря компенсации возмущений регулятором скорости и отсутствию частых переходных процессов, как было в случае с релейным регулятором.
Проанализировано влияние «мертвого времени» переключения ключей инвертора на результаты параметрической идентификации статорной обмотки СМПМ. Показано, что использование моделей без учета влияния «мертвого времени» может привести к отличию результатов параметрической идентификации электрического сопротивления R и электромагнитной постоянной времени Te от оцениваемых параметров на один порядок.
Предложено несколько алгоритмов поиска параметров, учитывающих влияние «мертвого времени». Найден наилучший вариант, который состоит из двух этапов.
На первом этапе идентификации по результатам эксперимента с управляющим воздействием на стойки инвертора в виде трех синусоид, сдвинутых по фазе на 1200, определяются параметры Kоб.дт и по (2.64).
Далее с учетом полученных значений параметров Kоб.дт и определяется параметр Te по переходной характеристике объекта управления (2.68).
Предложен алгоритм проведения эксперимента, необходимого для параметрической идентификации. Данный алгоритм учитывает ограничения, которые нужно соблюдать при проведении эксперимента на реальном объекте, что позволяет полностью автоматизировать процесс идентификации.
В алгоритме предусмотрена калибровка датчиков тока. Показано, что при наличии нелинейности инвертора типа «мертвое время», структура контура тока с ПИ-регулятором, настроенным по (2.41) может быть представлена апериодическим звеном первого порядка.
Рассмотрено несколько вариантов определения угла рассогласования показаний датчика положения и положения магнитной оси ротора.
Показано, что при наличии существенных активных сил сопротивления, действующих на ротор, будут присутствовать значительные ошибки, которые принципиально не могут быть устранены при идентификации в разомкнутой системе электропривода.
Настройка регуляторов системы управления испытательным стендом и анализ точности слежения
Вторичный источник применяется в роли силового источника питания (СИП), меняющий переменное напряжение трёхфазной сети (380/220 В, 50 Гц) в постоянное напряжение 48 В.
Трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН) с силовыми ключами (VT1 - VT6) и ШИМ управляет двигателем. Схемы управления (СУ1-СУ6) подключаются к соответствующему транзисторному ключу для координации сигналов и предохранения силовых приборов. Обратные диоды (VD1 - VD6) ограждают транзисторы от перепадов напряжений. Период коммутации ключей Ткд=0,1 мс.
Для устранения перенапряжений на конденсаторе (Ф) выше разрешенных значений в тормозных режимах используется тормозная цепь (ТЦ) с силовым ключом VT8. В ТЦ входит балластный резистор, на котором растрачивается энергия вращающихся частей испытательного стенда при замыкании ключа. В данной схеме емкостной фильтр предназначен для ослабления пульсаций выпрямленного напряжения до необходимого предела (чтобы точность слежения оптической оси не ухудшалась), а также для запасания некоторой доли энергии вращения в режиме торможения. Зарядное сопротивление Rz используется в ТЦ, чтобы ограничивать ток при включении конденсатора в сеть. Схемы управления (СУ7, СУ8) подключаются к транзисторным ключам ТЦ и Ф.
Главная часть информационной подсистемы - микроконтроллер (МК) TMS320F28335 фирмы Texas Instruments, 32-разрядный, с аппаратной поддержкой операций с плавающей точкой одиночной разрядности (стандарт IEEE-754 single-precision).
Контроллер обладает: цифровыми входами/выходами общего назначения; 12 разрядными, 16-канальными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) с временем преобразования 80 нс; ШИМ; квадратурными энкодерами; таймерами/счетчиками; модулями сравнения/фиксации; набором последовательных интерфейсов - SPI, CAN, UART и др. Рабочая частота МК - до 150 МГц. Основные задачи МК: 148 - выполнение алгоритмов обработки сообщений от датчиков; - управление транзисторными ключами АИН; - сохранение от аварийных ситуаций преобразователя и электропривода. Модуль ШИМ представляет собой несколько идентичных независимых друг от друга блоков управления силовыми транзисторами, у которых имеется обширное число настроек. С помощью этих настроек можно осуществлять разные способы коммутации силовых ключей (ШИМ-1, ШИМ-2) и учитывать в экспериментах наличие «мертвого времени». Это предохраняет установку от сквозных токов и помогает избежать повреждения силовых ключей.
Модули ШИМ могут работать на частоте ядра микроконтроллера (до 150 МГц). Исходя из этого ширина импульсов задается с точностью 6.67 нс.
Возможность сразу вычислять положение, скорость и направление движения дают квадратурные энкодеры. Они обеспечивают прямое подключение датчиков линейного перемещения или вращения. Сообщения от датчиков тока (ДТ1 - ДТ3) попадают в аналоговой форме в МК. Там они модифицируются в цифровой вид, используя АЦП. Коэффициент передачи датчиков тока: kdm=0.1678y.e./A. Уведомление о текущем положении попадает с инкрементального оптического датчика в первую очередь на вторичный преобразователь угла (ВПУ). На МК с трех каналов приходит сигнал в цифровом виде с ВПУ. Персональный компьютер (ПК) и МК соединены с помощью скоростного информационного канала CAN.
CAN канал (Control Area Network) связывает через последовательную магистраль несколько ведущих устройств, обеспечивающих передачу данных в режиме реального времени и коррекцию ошибок в случае неудачи.
С МК на ПК приходит сигнал от датчиков и сигнал о положении электропривода. От ПК на МК приходит сигнал об управлении. На ПК соединение с объектом управления (ОУ) происходит с помощью программы MATLAB. В ПК вставлена специальная плата, чтобы осуществлять связь с МК. Плата помогает посылать сигналы через информационный канал CAN (рис. 4.5).
В комплекте такого пакета - ядро реального времени, специфика которого заключается в интеграции с операционной системой Microsoft Windows. Если говорить точнее, то при применении такого ядра реального времени операционная система Windows и все запущенные в ней приложения являются одной из задач нового планировщика задач, который реализован внутри ядра. Причем задача эта является второстепенной [29].
Основной и главный вопрос такого планировщика задач заключается в модели, созданной квалифицированным работником. Модель управляет реальным объектом в настоящем времени. С помощью этого специфического планировщика и благодаря подобному разделению приоритетов гарантировано соблюдено выполнение любых интервалов времени, требующихся для работы регулятора. Настройка производится с определенной частотой дискретизации Td = 0,001 c.
Применение ядра реального времени помогает перемещать все настройки регулирования с МК на центральный процессор ПК [29, 61].
Параметрическая идентификация электропривода испытательного стенда Определение параметров статорной обмотки двигателя. С учетом приведенных выше параметров СМПМ, СИП и датчиков тока можно определить параметры объекта управления системы регулирования током:
Параметры падения напряжения на ключах Aucomt и т «мертвое время» точно не известны. Можно только сказать, что «мертвое время» т 0.01, т.е. больше 10 мс. На рис. 4.6 приведены результаты эксперимента 3-его этапа алгоритма определения параметров статорной обмотки СМПМ (см. раздел 2.2). Во время эксперимента формируются синусоидальные задающие сигналы на стойки инвертора. Значение управляющего сигнала щ выбрано 0,2. Это значение удовлетворяет следующим важным условиям: 1) Оно меньше значения, при котором токи в фазах двигателя будут выше допустимых. Для испытательного стенда это значение равно 0,6 при неподвижном роторе. 2) Оно заведомо выше удвоенного значения относительной задержки на переключение ключей в стойке инвертора .