Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время важное значение приобретает эксплуатация производственного электрооборудования и, в частности, оптимальных по точности следящих систем автоматического управления промышленными электроприводами в режимах, близких к предельным возможностям. Увеличение точности отработки системой задающих воздействий улучшает качество продукции, что позволяет получить значительный экономический эффект.
До настоящего времени в системах автоматического регулирования скорости (до нескольких десятков кВт) главным образом используются двигатели постоянного тока (ДПТ). Преимущественное использование ДПТ объясняется тем, что они позволяют сравнительно простыми средствами обеспечить плавное регулирование скорости в достаточно широком диапазоне и получить нужное качество переходных процессов. Однако ДПТ присущи известные недостатки, которые связаны с наличием коллекторно-щеточного узла, а именно: большие эксплуатационные затраты, ограничения по максимальной нагрузке, напряжению, мощности и быстроходности.
С целью устранения отмеченных недостатков у нас и за рубежом уделяется повышенное внимание синтезу систем управления более эффективными электроприводами на базе асинхронных и синхронных двигателей. При синтезе систем управления особое внимание уделяется обеспечению высокой точности слежения и стабилизации тока (момента), скорости и угла поворота вала двигателя на заданном уровне в условиях действия различных дестабилизирующих факторов.
В результате работ ряда исследователей (Бутаев Ф.И., Эттингер Е.Л., Тихменев Б.Н., Завалишин Д.А., Вегнер О.Г., Чиликин М.Г., Сандлер А.С., Гусяцкий Ю.М, Крывой В.Н., Бродовский В.Н.) начали интенсивно развиваться системы управлений вентильными двигателями (ВД) на базе синхронных двигателей (СД). Сравнительная простота реализации схем управлений ВД по отношению к аналогичным схемам систем управлений электроприводов на базе асинхронных двигателей до сих пор вызывает неослабевающий интерес исследователей (Рожнов Н.М., Микеров А.Г., Голландцев Ю.А., Соколовский Г.Г.).
Однако известные методы управления ВД на базе СД не позволяют получить оптимальную точность отработки задающих воздействий, а также статические и динамические характеристики ВД, аналогичные характеристикам коллекторного двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ с НВ). Например, в рабогах Дубенского А.А. предложен метод управления, позволяющий получить характеристики ВД на базе СД, аналогичные характеристикам ДПТ с НВ, однако ВД при этом имеет малую перегрузочную способность и пониженный коэффициент использования СД. Непостоянство момента за один оборот вала затрудняет получение низких скоростей вращения. В своих работах В.А. Головацкий предлагает метод управления ВД на базе СД, который позволяет устранить указанные
недостатки, обеспечивая плавное и широкое регулирование скорости ВД, малые пульсации момента и высокий к.п.д. Однако статические и динамические характеристики вентильного двигателя при таком способе управления существенно отличаются от характеристик ДПТ с НВ.
Анализ литературы по данной теме показал, что существующие методы проектирования систем управления вентильным двигателем на базе синхронного двигателя не позволяют успешно преодолевать указанные трудности.
В связи с вышеизложенным актуальной задачей является синтез оптимальных по точности систем управления вентильным двигателем на базе синхронного двигателя, при котором ВД будет обладать характеристиками аналогичными характеристикам ДПТ с НВ, и лишенных недостатков существующих методов управления.
Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись при финансовой поддержке р_ОФИ, грант № 09-08-99016 «Разработка методов математического моделирования в новой технологии аналитического конструирования оптимальных регуляторов по критериям точности для систем наведения и слежения за подвижными объектами».
Объектом исследования является оптимальнім по точности система управления вентильным двигателем на базе синхронного двигателя.
Предметом исследования являются характеристики вентильного двигателя на базе синхронного двигателя, максимальная точность слежения и стабилизации тока (момента), скорости и угла поворота вала двигателя ВД на заданном уровне в условиях действия различных дестабилизирующих факторов.
Целью работы является метод синтеза релейных оптимальных по точности регуляторов для нелинейных вентильных электродвигателей на базе синхронных двигателей, гарантирующих высокое качество процесса управления и обеспечивающих техническую реализуемость управляющих устройств.
Задачами работы являются:
Разработка метода синтеза релейных оптимальных по точности систем управления вентильным двигателем на базе синхронного двигателя, при котором ВД будет обладать характеристиками аналогичными характеристикам ДПТ с НВ.
Синтез законов оптимальных по точности регуляторов тока (момента), скорости и положения, при которых система управления ВД на базе СД инвариантна к действию внешнего дестабилизирующего фактора (нагрузка на валу двигателя), а также синтез закона подчиненного управления.
Разработка структурных схем управления ВД на базе СД.
4. Исследование синтезированных систем управления ВД на базе СД.
Методы исследования. При получении теоретических результатов
.использовалась теория дифференциальных уравнений, методы теории
оптимального управления, методы линейной и нелинейной теории автоматического регулирования, теории матриц. При исследовании электромеханических систем применялись методы обобщенной теории электрических машин. При рассмотрении конкретных систем широко использовались цифровое моделирование и экспериментальные исследования.
Основные положения, выносимые за защиту:
метод синтеза релейных оптимальных по точности систем управления вентильным двигателем на базе синхронного двигателя, отличающийся от известных методов стабилизацией тока 1йна нуле;
методика синтеза законов оптимальных по точности регуляторов тока (момента), скорости и положения, при которых система управления ВД на базе СД инвариантна к действию внешнего дестабилизирующего фактора (нагрузка на валу двигателя);
- методика синтеза закона подчиненного управления ВД на базе СД;
-структурные схемы оптимального по точности управления моментом
(током) и скоростью вращения вала вентильного двигателя и следящая система для его реализации.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждена аналитическим решением общих уравнений динамики ВД на базе СД, результатами цифрового моделирования и данными экспериментальных исследований синтезированных систем.
Научная новизна состоит в разработке метода синтеза систем управления для класса нелинейных вентильных электродвигателей, оптимальных по точности воспроизведения заданных траекторий движения и обладающих низкой чувствительностью к широкому спектру дестабилизирующих факторов. На основе предложенной теории в работе получены следующие новые результаты.
Разработан метода синтеза релейных оптимальных по точности систем управления для вентильного двигателя на базе синхронного двигателя, отличающийся от ранее существующих методов синтеза систем управления тем, что обеспечивает характеристики управляемого ВД на базе СД аналогичные характеристикам ДПТ с НВ и гарантирует высокое качество управления.
Синтезированы законы оптимальных по точности регуляторов скорости и положения системы управления ВД на базе СД, при которых она инвариантна к действию внешнего дестабилизирующего фактора (нагрузка на валу двигателя). Синтез законов основан на использовании предложенной методики на базе одного аналитически определяемого основного уравнения закона управления, а параметры оптимальных законов управления просто и в общем виде выражаются через динамические параметры объекта.
3. Решена задача структурной реализации оптимальных по точности релейных законов управления нелинейным ВД на базе СД, обеспечивающая техническую реализуемость управляющих устройств.
Новизна предложенного метода АКОР системы управления ВД на базе СД и его схемная реализация подтверждена патентом на изобретение российского образца №2354036 от 27.04.2009.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложен единый подход к синтезу оптимальных по точности систем управления вентильными двигателями на базе синхронных двигателей с учетом ограничения фазовых координат.
Практическая значимость работы состоит в прикладной направленности разработанного метода. Для получения законов оптимального по точности управления требуются небольшие затраты времени и объем аналитических Л выкладок. Параметры синтезированных законов оптимального управления просто и в общем виде выражаются через параметры объекта управления. Указанное обстоятельство создает предпосылки для выявления общих свойств, присущих структурам релейных систем управления ВД на базе СД, что представляет большой интерес для практических приложений.
Результаты диссертации могут быть использованы инженерами в различных отраслях промышленности при проектировании оптимальных систем управления вентильными электродвигателями и создании автоматизированных систем проектирования современных устройств автоматического управления техническими объектам и.
Реализация результатов. Работа выполнена в Тульском государственном университете (ТулГУ) на кафедре электротехники и электрооборудования (ЭиЭО) и в ней нашли отражение результаты исследований., проведенных автором по гранту р_ОФИ № 09-08-99016 «Разработка методов математического моделировании в новой технологии аналитического конструирования оптимальных регуляторов по критериям точности для систем наведения и слежения за подвижными объектами» В работе нашли отражение и результаты исследований по государственному контракту №02.740.11.0477 «Создание энергосберегающей оптимальной системы управления электроприводом для промышленных объектов и объектов спецтехники».
Полученные результаты внедрены в практику проектирования систем управления электроприводом в Тульском филиале ГУП КБМ г. Тулы, а также применяются в учебном процессе на кафедре «ЭиЭО» ТулГУ, о чем имеются соответствующие акты.
Апробгіїшя работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Математические методы в технике и технологиях - MN4TT» (Кострома, 2004); на международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи,
2008); на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 2007 -2009 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 работы, из них 2 статьи в изданиях, включённых в перечень ВАК и 2 работы в материалах международных конференций. Получено одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов по результатам исследований, библиографического списка из 114 наименований. Основная часть работы изложена на 113 страницах. Работа содержит 33 рисунков и 1 таблицу.
