Введение к работе
Актуальность темы. Электропривод (ЭП) - один из основных элементов современного промышленного оборудования, во многом определяющий его технологические возможности, надежность функционирования и эффективность автоматизации. Для настоящего времени характерно увеличение доли регулируемых ЭП переменного тока, построенных на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД) и синхронных двигателей (СД) с магнитоэлектрическим или электромагнитным возбуждением. Это стало возможным благодаря развитию элоктронных средств автоматического управления и преобразования информации, применению новых силовых полупроводниковых приборов (транзисторных модулей IGBT) и современному взгляду на. электрические машины переменного тока как на многосвязные объекты.
Традиционно построение законов автоматического управления ЭП переменного тока производится на основе подчиненного регулирования с компенсацией перекрестных связей и нелинейностей или модального метода синтеза. Практика, однако, показывает, что применение подобных алгоритмов во многих случаях не гарантирует того, что действие неконтролируемых возмущений и возможные изменения параметров системы "силовой преобразователь - двигатель - нагрузка" как нелинейного нестационарного объекта не повлекут за собой недопустимую деформацию статических и динамических характеристик ЭП.
Необходимая стабильность характеристик систем автоматического управления (САУ) и их близость к предписанным в условиях существенной интервальной неопределенности параметров объекта управления достигается при малой чувствительности САУ к изменениям этих параметров. Под лалой чувствительностью понимается структурное свойство систе.ш, заключающееся в возможности осуществления в рал-каг принятых математических моделей объекта и алгоритма управления любых наперед заданных ограничений на форму переходной характеристики САУ при предположении о тол, что диапазоны возложних вариаций параметров могут выпь как угодно широкими, но известны и замкнуты. Очевидно, что указанные выше методы синтеза стационарных систем порождают структуры, не обладающие данным свойством.
Актуальность теш диссертационного исследования следует из постоянного увеличения числа электроприводов с неточно известными или переменными параметрами, их возрастающей сложности и ужесточения требований к качеству процессов регулирования. Рассматриваемые в диссертации метода и подходы должны составить альтернативу
традиционным, часто не отвечающим треоованиям практики.
Для целенаправленного синтеза САУ электроприводами переменного тока, но только имеющих высокие динамические показатели, но и обеспечивающих малую чувствительность режима стабилизации или формирования траекторий регулируемых координат к вариациям параметров объекта, а также близость основных характеристик системы к предписанным, требуется привлечение специальных методов синтеза САУ нелшюйшми нестационарными объектами. В качество таких методов в диссертации рассматриваются методы теории аналоговых систем с "высоко эффективным" управлением движениями на многообразиях (с "глубокими" обратными связями) - метод скользящих режимов, метод больших коэффициентов, метод локализации - и метод адаптивной обратной модели. Проблема заключается в отсутствии предметно-ориентированной основы для применения дашшх методов при построении САУ ЗП переменного тока и единого подхода к оптимизации динамических характеристик многосвязных систем с учетом типичных для САУ ЭП ограничений по ресурсу управляющих воздействий.
Целью диссертационной работы является создание общей методической основы для построения систем автоматического управления электроприводами переменного тока, малочувствительных к изменениям параметров.
Задачи исследований. .
-
Проанализировать возможность оптимизации переходных процессов в высокодинамичных системах электропривода переменного тока с учетом ограничений, налагаемых на управляющие воздействия. Выработать общий подход к оптимизации управлений в системах с "глубокими" обратными связями.
-
Обосновать структурные принципы построения систем разрывного управления электроприводами переменного тока с желаемыми свойствами реальных скользящих режимов.
-
Разработать обобщенные методики синтеза и оптимизации САУ электроприводами переменного тока с "глубокими" обратными связями, малочувствительных к изменениям параметров, и алгоритмы управления для наиболее распространенных видов систем.
-
Определить технически целесообразные законы формирования управляющих воздействий в адаптивных системах частотно-регулируемого электропривода с обратными.моделями и требования к точности текущей информации о параметрах асинхронного двигателя как обьектгі управления, используемой в этих алгоритмах.
5. Сформулировать адекватний подход к текущей идентификации неизмврявмых координат и существенно переменных параметров электрических машин в классе алгоритмов с непрерывным временем.
На защиту выносятся следующие основные результаты.
1. Метод оптимизации траекторий многосвязных САУ с ограничен
ной евклидовой нормой вектора управляющих воздействий (в частности
систем электропривода переменного тока) в переходных процессах при
полном использовании ресурса управления - метод непрерывной иерар
хии, содержащий:
эквивалентные алгебраические и интегральные критерии оптимальности, требующие максимальной мгновенной скорости затухания квадратичной формы отклонений координат состояния объекта управления от их желаемой траектории;
соответствующие этим критериям формы основного уравнения метода, определяющего текущие значения направляющих углов оптимального вектора управлений в евклидовом пространство управляющих воздействий, которые могут быть непосредственно использованы при построении алгоритмов программного управления;
-.приемы оптимизации законов управления с "глубокими" обратными связями - с большими коэффициентами, с управлением по вектору скорости, с покомпонентно разрывным управлением, заключающиеся в дополнении алгоритмов формирования управляющих воздействий функциональной матрицей "непрерывной иерархии" и преобразовании их (в непрерывных случаях) к специальной тригонометрической форме;
- методику определения матрицы "непрерывной иерархии".
-
Теоретическое обоснование способа технической реализации скользящих режимов в САУ электроприводами переменного тока с покомпонентно разрывным управлением, приближающего режим работы силового преобразователя (инвертора) к широтно-импульсной модуляции по гармоническому закону и основанного на преднамеренном введении в каналы обратных связей системы доминирующих "неидеальностей" -динамических фильтров, определяющих частоту автоколебаний в реальном скользящем режиме.
-
Обобщенные методики синтеза квазинепрерывных и разрывных СА'У электроприводами поремошюго тока с "глубокими" обратными связями и соответствующие им форш алгоритмов управления, определяющие структурные принципы технической реализации систем данного вида и обеспечивающие:
- предписанные показатели качества переходных процессов при малых
отклонениях и требуемую частоту реальных скользящих режимов;
малую чувствительность этих характеристик к измвнаїшям параметров объекта управления, к положению рабочей точки в пространстве состояний и к внешним воздействиям;
оптимальность (или субоптималыюсть - и разрывном случае) переходных процессов при отработке больших отклонений в смисле критериев метода непрерывной иерархии.
4. Принципы построения алгоритмов текущей идентификации переменных параметров электрических машин в системах ЭП, базирующиеся на идее представления оценок параметров как управляющих воздействии на наблюдатель координат состояния и организации разнотвмпо-вых процессов координатной и параметрической идентификации.
Научная новизна. Каждый из перечисленных выше основных результатов диссертации относится к категории впервые полученных. Так, научная новизна мотодя непрерывной иерархии определена нетрадиционным для теории автоматизированного электропривода подходом к решению первой из поставленных задач исследований, благодаря которому удалось совместить преимущества САУ с "глубокими" обратными связями и близость процессов выхода изображающей точки многосьязной системы на желаемую ее траекторию к оптимальним по быстродействию. Новизна других защищаемых результатов ьытокает из новых и, как оказалось, конструктивных объединении известных методов теории автоматического управления. В частности, способ технической реализации скользящих режимов обоснован путем совместного применения матодов гармонической линеаризации и разделения движвішй; методики синтеза САУ с "глубокими" обратными связями используют методы больших коэффициентов, скользящих режимов и метод локализации в сочетании с методом непрерывной иерархии; принципы текущей идентификации координат и параметров электрических машин основаны на соединении метода адаптивной модели и метода разделения движений.
Практическая значимость защищаемых 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 рекиме; 0) систем прямого разрывного унравлешш электромагнитными переменными электрических машин переменного тока; в) квазинепрорыйных'систем электропривода переменного тока с "гду-
богами" обратными связями и адаптивными обратными моделями. Получены основные расчетные соотношения, определяющие параметры перачисленшіх САУ. Показано, что применегаю метода непрерывной иерархии обеспечивает в данных системах форсирование и монотонность переходных процессов при выходе управлений на ограничение.
-
Разработаны новые универсальные алгоритмі текущей идентификации неизмеряемых координат состояния (потокосцеплений) и переменных параметров (активных сопротивлений) асинхронных двигателей в системах частотно-регулируемого электропривода и основные соот-ношения для расчета их параметров.
-
Предложены принципы построения систем общепромышленного асинхронного электропривода, не использующих датчиков координат механического движения. Разработаны алгоритмы идентификации, управления и адаптации для "бестахогенераторных" частотно-регулируемых электроприводов, расширяющие достижимый диапазон' регулирования.
Кроме того, разработанная методическая база дает возможность произвести структурный и параметрический синтез практически любых, не рассмотренных в диссертации, но интересных разработчику систем электропривода переменного тока - моментшх САУ, приводов регулируемой скорости, позиционных и следящих систем. Она позволяет при переменных параметрах электрической машины и механизма обеспечить стабильность динамических характеристик электропривода, унифицировать структуру и параметры регуляторов однотипных элекгроприводов различной мощности, строить системы автоматического управления слокннми электромеханическими объектами, от которых требуется автономное регулирование выходных координат, связанных системой нелинейных и нестационарных дифференциальных уравнений.
Достоверность результатов диссертации следует из корректного применения общепринятых в теории электропривода допущений, на основании которых составлены математические модели электрических машин и транзисторных преобразователей кок объектов управления; использоваїшя современных методов теории автоматического управления и теории автоматизированного электропривода; подтверждения основных еыводов результатами моделирования и экспериментов.
Реализация результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе использованы:
I) в 1990-92 гг. - при разработке и создании экспериментального стенда натурного моделирования технологического процесса бесконтактной внтякки немагнитной полосы в Новосибирском отделении ВНШТЭП
НПО "Ротор" в соответствии с программой НИР "Создание системы управления линейного бесконтактного привода натяжения немагнитной полоси";
-
в 1990-93 гг. - при разработке систем управления мощными асинхронными двигателями с фазным ротором и синхронными электрическими машинами по договору "Разработка и реализация испытательного стенда для трансмиссий вертолета МИ-26" с Новосибирским авиаремонтным заводом И 401 гражданской авиации;
-
в 1994 г. - при разработке частотно-регулируемых электроприводов по договору "Разработка электроприводов испытательных стендов для исштаний генераторов, компрессоров и демпферов вертолетов МИ-6, МИ-8, МИ-8МТВ, МИ-10, МИ-24, МИ-26" с Новосибирским авиаремонтным заводом Я 401 гражданской авиации;
-
в I994-9G гг. - в учебном процессе кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок НГГУ при чтении курса лекций по совремоішой теории автоматического управлешія магистрантам специальности 55ІЗІІ "Злоктроприводы и системы управления электроприводов" ;
б) в 1996 г. - в АО "ЭРАСИБ" (ранее - Специальное конструкторско-технологическое бюро автоматизации тяжелого металлорежущего оборудования СКТБ АТМ0, г. Новосибирск) при разработке систем общепромышленного асинхронного электропривода, не использующих датчиков координат механического движения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок и кафедры автоматики НГГУ (1992 - 9G гг.); а также девяти научно-технических конференциях, в том числе шести Всесоюзных, Всероссийских и международных.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения.
Результаты,полученные в статьях [25,26,28,29], в значительной степени принадлежат обоим соавторам и на защиту но выносятся.
Во всех других работах, опубликованных в соавторстве, соискателем поставлена задача исследования, выбран метод ее решения, произведет формальные выкладки.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав, заключения, списка литературы и 9 приложений. Она содержит 472 страницы, в том числе: 381 стр. - основной текст, 32 стр. - рисунки, 35 стр. - приложения.
