Для знаходження екстремуму функції до хромосом, що відповідають отриманим областям, застосовано алгоритм локального пошуку типу G-bit. У результаті проведеної параметричної оптимізації фаззи регулятора отримано такий вигляд функцій належності (рис. 20 та 21).

Результати проведених на моделі досліджень системи керування переміщенням електродів ДСП при використанні нейро-фаззи регулятора показують, що запропонована система за точністю регулювання струмів дуг та швидкодією практично не поступається системі з фаззи регулятором, синтезованим на основі шаблонної бази правил. Застосування такого регулятора дозволило зменшити перерегулювання швидкості двигуна на 15% порівняно із системою зі згаданим нечітким регулятором і уникнути коливань проміжних координат. Зменшена більш ніж у два рази база правил робить створений нейро-фаззи регулятор значно привабливішим для застосування в системах керування.

Більш відчутно переваги синтезованих фаззи та нейро-фаззи регуляторів проявляються у випадку дії на об'єкт детермінованих збурень. За рахунок вищої швидкодії такі регулятори скоріше відпрацьовують збурення і тим самим забезпечують перебування системи в околі заданої робочої точки протягом більшого часу, порівняно з традиційною системою керування.

За рахунок нижчої швидкодії в режимах, що потребують підняття електрода, а також більших перерегулюваннях при відпрацюванні збурень під час опускання електродів система з нейро-фаззи регулятором має, на перший погляд, дещо гірші динамічні показники порівняно зі структурою з фаззи регулятором. Проте варто звернути увагу, що в усіх цих режимах проміжні координати перебувають у допустимих межах, що не досягається в системі з фаззи регулятором.

Як зазначено вище, порівняльний аналіз роботи різних систем керування переміщенням електродів виконувався за допомогою розробленої математичної моделі. У моделі враховано взаємозв'язки системи живлення дуг і системи керування переміщення електродів. Запропонована модель складається з моделі силового кола (СК) ДСП, створеної на засадах теорії моделювання електромашинно-вентильних систем, та моделі системи переміщення електродів, які об'єднані шляхом обміну даними. Для моделювання ситуації в пічному просторі в цій моделі використано експериментально отримані для певного скінченого набору довжин дуг динамічні вольт-амперні характеристики (ДВАХД). Довжина дуги ld, що визначається на основі переміщення електрода електромеханічною підсистемою та змодельованим у вигляді файлу випадкових збурень lзб переміщенням шихти в процесі розплаву, передається в модель СК ДСП. На основі згаданих ДВАХД та параметрів кола живлення визначаються струми та напруги у СК ДСП, розраховуються їх діючі значення і передаються у модель системи переміщення електродів ДСП для формування сигналу на виході імпедансного регулятора системи керування. Враховуючи те, що при порівнянні різних систем керування доводиться оперувати з такими поняттями, як середнє значення та дисперсія струмів фаз ДСП, для підтвердження адекватності розробленої моделі скористаємося методами статистичного аналізу даних. Сформулюємо такі дві гіпотези: 1) середні значення фазного струму ДСП для експериментально отриманої вибірки даних та вибірки даних, отриманих шляхом моделювання відповідного режиму роботи ДСП за допомогою розробленої моделі, є однаковим; 2) дисперсії отриманих сукупностей даних є однаковими. Для перевірки першої гіпотези використано метод однофакторного дисперсійного аналізу. Перевірку другої гіпотези проведено за допомогою М - критерію Барлетта. При великих ni , і= 1,2,..., k, розподіл статистики цього критерію має асимптотичний с2 - розподіл з числом ступенів свободи, рівним (k-1), а довірчий рівень визначається з функції ч2 - розподілу.

Таблиця 4

Статистичний аналіз даних

	К-сть спостер.	Середнє значення вибірки	Знач. крит. при дисп. аналізі	Дисперсія вибірки	Значення М-крит. Барлетта
Початок плавки	експеримент	301	42580	2.93		1.924
	модель	919	43860
Допустиме значення критерію	3,84		3,84
Завершення проплавлення колодязів	експеримент	301	42420	1.191		3.079
	модель	6001	42720
Допустиме значення критерію	3,84		3,84

Як видно з наведених у табл. 4 результатів, значення відповідних критеріїв, отримані для різних режимів роботи ДСП, є меншими від відповідних табличних значень, взятих для 5% - рівня значимості, що дає змогу зробити висновок про правильність висунутих гіпотез. А отже, сформована модель системи адекватно відображає процеси, які протікають в реальному об'єкті.

Перспективним є використання нечітких регуляторів і в системах векторного керування електроприводом змінного струму, зокрема в системі прямого керування моментом асинхронного двигуна (DTC). Поряд із високими динамічними характеристиками при відтворенні моменту, класичний алгоритм DTC має і ряд недоліків, серед яких на якість роботи устаткування найбільший вплив мають пульсації моменту. У роботі отримано вираз для приросту моменту за один крок, в праву частину якого входять вибраний вектор напруги, швидкість обертання, значення електромагнітного моменту та положення вектора потоку в межах ідентифікованого сектора:

Таким чином, прикладання, згідно з таблицею перемикань, сформованою у класичному алгоритмі DTC, одного з активних векторів напруги до обмотки статора протягом інтервалу керування залежно від перерахованих вище чинників призведе до різних приростів моменту асинхронного двигуна.

Для зменшення пульсацій електромагнітного моменту нами застосовано нечіткий регулятор, в основу створення якого покладено теорію розривного керування. На відміну від традиційних підходів, ми розглядаємо стратегію прямого керування моментом як частковий випадок теорії розривного керування. Згідно з таким підходом, у просторі станів системи за допомогою синтезованого закону перемикання керуючих впливів uA, uB, uC реалізується ковзний режим по деяких поверхнях, рівняння яких визначають відхилення від заданого режиму: , де с1=const c2=const. Реалізацію ковзного режиму на перетині поверхонь s1=0, s2=0, s3=0 забезпечено за допомогою тривимірного вектора керування, компонентами якого є розривні фазні напруги.

Зміна співвідношення коефіцієнтів nЧс1 та mЧс2 в знайденому алгоритмі керування при застосуванні гістерезисних регуляторів моменту та потоку еквівалентна зміні меж секторів, для яких сформована таблиця перемикань у випадку класичного алгоритму DTC, а отже можливим є формування вектора напруги, який забезпечить в даний момент максимальний (мінімальний) приріст моменту асинхронного двигуна. Структура запропонованого нечіткого регулятора є наступною:

якщо dY є Аі та w є Ві та g є Сі та dm є Мі тоді nЧс1=k1i та mЧс2=k2i ,(26)

де Аі, Сі, Ві, Мі - сформовані області лінгвістичних змінних для похибки відпрацювання модуля вектора потоку та його фази, швидкості обертання ротора і похибки керування моментом; k1i , k2i - відповідні значення коефіцієнтів, що забезпечують необхідний зсув меж секторів.

Такий регулятор визначає необхідне співвідношення між коефіцієнтами nЧс1 та mЧс2 залежно від розміщення вектора потоку в межах ідентифікованого сектора, похибки керування моменту та швидкості обертання ротора двигуна. Якщо внаслідок попередніх кроків керування отримане відхилення модуля вектора потоку виходить за межі області допустимих відхилень, то формується вектор, що забезпечує необхідну зміну модуля потоку. У запропонованій системі керування збільшено до п'яти кількість областей відхилення моменту від заданого значення, що дало змогу підвищити гнучкість керування. Для ідентифікації розміщення вектора потоку в межах вибраного сектора сформовано три області: “нижня межа”, “середина”, “верхня межа”, функції належності яких є лінійними. Трапецеподібні функції належності вибрані і для трьох сформованих областей відхилення модуля потоку від заданого значення (“область від'ємних відхилень”, “нуль”, “область додатних відхилень”). Також на три лінгвістичні змінні розбито і діапазон зміни швидкості (“низька”, “середня”, “висока”). Для усунення нечіткості в структурі фаззи-регулятора застосовано метод max-дефазифікації. У випадку виходу похибки відпрацювання модуля потоку за межі лінгвістичної змінної “нуль” незалежно від області перебування інших змінних, що формують нечіткий регулятор, вибираються значення коефіцієнтів, які забезпечують відтворення роботи класичного алгоритму DTC.

Перевірка запропонованого алгоритму фаззи-розривного керування моментом асинхронного двигуна проведено методом математичного моделювання. Модель силової частини електропривода створено у фазних координатах, з використанням підходів до моделювання електромеханічних систем з напівпровідниковими перетворювачами. На відміну від раніше створених моделей, у запропонованій моделі електропривода силова частина напівпровідникового перетворювача розглядається як система зі змінною структурою, яка визначається блоком логіки системи керування. Асинхронний двигун описано як нелінійний несиметричний об'єкт, в якому за допомогою динамічних електромагнітних параметрів враховано насичення. На основі створеної моделі проведено порівняльний аналіз роботи класичного та запропонованого фаззи-розривного алгоритмів прямого керування моментом асинхронного двигуна.

Аналіз отриманих результатів дає змогу стверджувати, що запропонована система керування в 2-3 рази зменшує рівень пульсацій електромагнітного моменту при роботі як на низьких (рис. 25 а,б), так і на високих швидкостях (рис. 25 в,г), та покращує гармонічний склад струмів, особливо на високих швидкостях. Окрім цього, запропонована система забезпечує вищу точність відпрацювання заданого значення моменту двигуна. Варто зазначити, що в запропонованій системі з фаззи-розривним керуванням досягається також зменшення частоти перемикання силових ключів, зокрема при роботі на низьких частотах в 1.5-2 рази, причому це практично не погіршує регулювання потоку.

П'ятий розділ роботи присвячено синтезу фаззи регуляторів в системах керування нелінійними технологічними об'єктами та аналізові стійкості таких систем.

При створенні систем керування електротехнологічними об'єктами в багатьох випадках особливо гостро постає проблема реалізації відповідної стратегії керування через складність їх математичного опису. Перспективним, на нашу думку, є застосування для створення моделі системи принципів теорії нечітких множин. В цьому випадку нелінійна модель системи представляється за допомогою fuzzy локальних моделей. Кожна така модель формується у вигляді правила умова-наслідок, що дає змогу встановлювати зв'язок між змінними стану системи (функціональними залежностями цих змінних) і відповідною для цієї точки лінійною моделлю системи, записаною у векторно-матричній формі:

Ri : якщо x1 О О1(і) і x2 О О2(і) і … xn О Оn(і),

тоді модель системи є така: (27 )

або у вигляді передавальної функції:

Ri : якщо x1 О О1(і) і x2 О О2(і) і … xn О Оn(і),

тоді модель системи є така: (28 )

де і=1,...,m; Ri - означає і-е правило; Оji (j=1,...,n) - області розбиття; Аі, Ві, Сі - матриці, що формують модель системи в околі певної робочої точки (локальна модель); u(t) - сформований вектор керуючих впливів.

Для кожної зі сформованих моделей, що відповідають певній точці робочої області, застосувавши класичні підходи синтезу систем автоматичного керування, визначають вектори коефіцієнтів зворотних зв'язків за змінними стану системи ki , і=1,…,m, чи коефіцієнти регуляторів при реалізації системи підпорядкованого керування та розривного керування. У результаті синтезу системи на основі методу керування за змінними стану для і fuzzy локальних моделей (27) отримаємо і fuzzy регуляторів виду:

RСi : якщо x1 О О1(і) і x2 О О2(і) і … xn О Оn(і) тоді . (29)

Залежно від вибраного методу дефазифікації можливою є реалізація різних стратегій керування.

У випадку синтезу системи методом підпорядкованого регулювання використовується модель виду (28). Враховуючи те, що окрема фаззи модель достатньо точно описує процес в околі точки, для якої вона сформована, та труднощі, які виникають при синтезі фаззи регулятора для нелінійної системи в цілому, доцільним, на нашу думку, є формування нечіткого регулятора на основі синтезованих для окремої фаззи моделі ПІ- чи ПІД- регуляторів.

Отримана структура регулятора класифікується як квазілінійна нечітка модель фаззи регулятора.

Отже, при синтезі нелінійних систем можливе використання структур фаззи регуляторів, що реалізують класичні алгоритми, зокрема підпорядковане керування та керування за повним вектором стану.

Аналогічно до синтезу нелінійних систем у випадку можливості отримання ідентифікатора зміни параметрів системи розглянуті підходи можуть використовуватися і для синтезу регуляторів систем із змінними параметрами. Так, для покращення показників якості у системі автоматичного регулювання електричним режимом ДСП застосовано фаззи регулятор, який забезпечує адаптацію керуючого впливу до зміни параметрів об'єкта. Запропонований 4-зонний регулятор враховує зміну сталої часу силового кола печі, коефіцієнтів передачі за струмом та напругою, електромеханічної стала часу. Для можливих комбінацій граничних значень діапазону зміни параметрів об'єкта синтезовано класичним способом параметри регулятора, а перехід від одного налагодження параметрів регулятора до іншого виконується на основі правил побудови fuzzy-logic регулятора. Такий підхід дає змогу отримати бажаний характер перехідних процесів на кожній стадії технологічного процесу.

У результаті синтезу нечітких регуляторів отримується система “нелінійний регулятор - нелінійний об'єкт”, для якої необхідним є проведення аналізу її стійкості. Для розв'язування цієї задачі у випадку синтезу системи на основі методу керування за змінними стану при застосуванні гравітаційного методу дефазифікації нами сформульовано такий критерій стійкості:

Твердження 2. Якщо сформовані локальні fuzzy моделі (27) є керованими, застосовано гравітаційний метод дефазифікації і існує спільна функція Ляпунова для сімейства асимптотично стійких динамічних систем, то замкнута система з нечітким регулятором виду (29) буде асимптотично стійкою при виконанні умови:

Доведення. Модель системи (30) можна записати так:

Для дослідження стійкості застосуємо функцію Ляпунова виду:

Якщо похідна знаковизначеної функції (35) матиме від'ємний знак і є також знаковизначеною функцією, а отже, забезпечується умова асимптотичної стійкості системи за Ляпуновим . Таким чином, Твердження 2 доведено і умова (33) є умовою асимптотичної стійкості нелінійної системи при виборі гравітаційного методу дефазифікації.

При дослідженні стійкості системи, яка описується рівнянням (32), приходимо до розв'язування задачі стійкості лінійної неперервної системи зі змінними параметрами. Для аналізу стійкості такої системи використаємо сформовані на основі критерію Льєнара-Шипара такі умови стійкості:

lі < 0.465, i=1,…, n-2 lі +lі+1 < 0.89, i=1,…,n-3 (37)

lі +lі+1 +lі+2 < 1, i=1,…,n-4 li < ( 1-li-1)Ч(1-li+1), i=2,…,n-3,

де - визначається на основі коефіцієнтів характеристичного полінома

При синтезі електромеханічних систем з нечітким ПІ-регулятором задача аналізу стійкості дещо спрощується. У таких системах традиційно вибирають нормальне перекриття функцій належності. Оскільки нелінійна залежність є функцією однієї змінної, то при такому перекритті функцій належ-ності одночасно активізується не більше двох правил.

Твердження 3. Замкнена система керування з фаззи регулятором, синтезованим на основі локальних фаззи моделей нелінійного об'єкта при застосуванні традиційних функцій належності лінгвістичних змінних з нормальним перекриттям і гравітаційного метода усунення нечіткості, є стійкою.

Доведення. З передавальної функції системи, зображеної на рис.26, отримаємо:

Для аналізованої системи параметри двох сусідніх фаззи моделей відрізняються не більше, ніж в чотири рази, тобто а є [0.25 : 4] та b є [0.25 : 4] (таке допущення є правомірним з точки зору створення фаззи моделі нелінійного об'єкта), справджується гіпотеза Айзермана, а отже, можливим є використання “заморожених” коефіцієнтів при аналізі стійкості. Отримані значення параметрів l1, l2 для різних співвідношень Тm і Те та значень g1·g2, як показано в роботі, задовільняють умову стійкості: lі < 0.465, і=1,2. Отже, Твердження 3 доведено. Варто зазначити, що максимальні значення lі отримуються при g1·g2 =0.25 та малій різниці між компенсованою та некомпенсованою сталими часу.

Описані методи синтезу нечітких регуляторів для нелінійних систем та сформульовані критерії стійкості таких систем застосовано для синтезу та аналізу системи автоматичного регулювання електричного режиму ДСП. Так, застосований у швидкодіючому контурі нечіткий регулятор (рис. 28) забезпечує зменшення дисперсії струмів дуг в середньому на 5…15% (табл. 5) порівняно з результатами, отриманими при використанні традиційного ПІ-регулятора.

Таблиця 5.

Показники якості регулювання струмів дуг досліджуваних структур

	IдA, кА	IдA, кА	IдA, кА	DдA, кА	DдA, кА	DдA, кА
з одним ПІ регулятором	проплавлення колодязів	12,23	12,26	12,22	0,57	0,549	0,536
	окислення	12,19	12,24	12,22	0,619	0,575	0,629
з нечітким регулятором	проплавлення колодязів	12,22	12,26	12,22	0,544	0,515	0,503
	окислення	12,19	12,24	12,22	0,552	0,517	0,558

Отримуване зменшення дисперсії струмів дуг призводить до зменшення електричних втрат, підвищення активної потужності дуг, підвищення коефіцієнта потужності, більш рівномірного введення в піч активної потужності і зменшення амплітуди накидів реактивної потужності.

Поряд з цим у двоконтурній координатно-параметричній структурі САР електричного режиму ДСП мають місце значні взаємовпливи між електромеханічним та швидкодіючим електричним контурами регулювання у процесі відпрацювання збурень. Уведення швидкодіючого контуру регулювання струму дає можливість формувати штучні зовнішні характеристики печі, кожна з яких забезпечує оптимізацію режимів електропечі та електропостачальної мережі за критеріями, що диктуються конкретними вимогами до процесу функціонування електротехнологічного комплексу. При цьому зовнішня характеристика печі істотно відрізнятиметься від природної, для якої синтезуються коефіцієнти системи керування. Таким чином, традиційна система керування переміщенням електрода ДСП, синтезована класичними методами за допомогою моделі, лінеаризованої у заданій робочій точці зовнішньої характеристики печі, не враховує адекватно згаданої особливості функціонування двоконтурної системи, а отже, актуальною є задача адаптації коефіцієнтів системи переміщення електродів ДСП до реалізованих на певний часовий інтервал штучних зовнішніх характеристик, а, значить, і до робочих чи електричних характеристик ДСП, що їм відповідають. Сформульована задача ефективно розв'язується шляхом формування fuzzy локальних моделей для кожної з областей нелінійної робочої характеристики і синтезу оптимальних значень коефіцієнтів регулятора для кожної зі сформованих локальних лінійних моделей. Система рівнянь у векторно-матричній формі, що формує окрему локальну модель об'єкта при неврахуванні сталих часу фільтрів в каналі струму і напруги та еквівалентної сталої часу дугового проміжку печі, запишеться так:

е - коефіцієнт, що зв'язує напругу та струм дуги для вибраної точки лінеаризації системи; kтп, Tтп - коефіцієнт підсилення та стала часу тиристорного перетворювача; Rяк, Тяк, Тем, с- параметри моделі двигуна постійного струму; kмпе - коефіцієнт підсилення механічної частини механізму переміщення.

Нелінійну робочу характеристику апроксимовано за допомогою ділянок прямих, що описуються рівняннями виду . Для отриманих лінійних систем синтезовано закони керування , які забезпечують їх стійкість. У свою чергу, отримані для кожної з лінійних моделей системи коефіцієнти регулятора формують фаззи-регулятор. У роботі показано, що у випадку забезпечення однакових динамічних характеристик кожної із сформованих систем сімейство динамічних систем вироджується в одну, і задача пошуку спільної функції Ляпунова для цього сімейства трансформується в задачу знаходження функції Ляпунова для окремої системи. Оскільки параметри вектора керуючих впливів Вu залишаються незмінними і існує спільна функція Ляпунова для сімейства асимптотично стійких динамічних систем, то на основі Твердження 2 зроблено висновок щодо стійкості такої системи з нечітким регулятором.

У результаті проведеного синтезу коефіцієнтів регулятора двоконтурної структури системи автоматичного регулювання електричного режиму ДСП зауважено, що для отримання інваріантності показників динаміки від сформованої штучної зовнішньої характеристики необхідно проводити адаптацію лише значення коефіцієнта регулятора k4. Таким чином, структура фаззи-логік регулятора спрощується і матиме такий вигляд:

RСi : якщо Uд О О1(і) і Uкер. О О2(і) тоді , (40)

де Uд - значення напруги на дузі; Uкер. - сигнал керування швидкодіючого струмового контуру, що задає вигляд зовнішньої штучної характеристики.

Для перевірки ефективності функціонування двоконтурної САР ЕР ДСП за такого підходу до синтезу коефіцієнтів системи керування переміщенням електрода були проведені математичні експерименти на цифровій моделі трифазної системи регулювання електричного режиму дугової сталеплавильної печі ДСП-6. Досліджено поведінку одноконтурної САР ЕР ДСП з незмінним значенням коефіцієнта k4=const, що використовується на діючих ДСП (1), та системи з адаптацією коефіцієнта k4 (2); а також двоконтурної САР зі сталим значенням коефіцієнта k4=const (3) та системи з синтезованим фаззи регулятором (4). В експериментах 1 та 2 використовувалася природна зовнішня характеристика ДСП, а в експериментах 3 та 4 досліджувалася робота двоконтурної САР ЕР печі ДСП-6 при формуванні штучної зовнішньої характеристики з ділянкою стабілізації струму дуги. Уставка електромеханічного регулятора положення електродів у всіх експериментах була однаковою Uуст=115 В. Отримані на цифровій моделі результати представлено в табл. 6 у вигляді зведених інтегральних значень (усереднені по трьох фазах значення математичного сподівання та дисперсії) деяких режимних координат для кожного із виконаних експериментів.

Таблиця 6. Показники функціонування САР ЕР дугової сталеплавильної печі ДСП-6

№ експерименту	1	2	3	4	5
Параметр
Напруга дуг	, B	113,5	116,63	114,95	111,49	111,364
	, B2	533,71	514,57	489,92	510,45	486,38
Струм дуг	, кА	11,80	11,19	10,99	11,43	11,48
	, кА	8,32	8,22	5,04	4,30	3,94
Напруга мережі	, В	3312,3	3315,2	3314,8	3312,3	3312,05
	, В2	197,1	188,9	147,6	139,3	132.9
Потужність дуг	, МBт	1,140	1,105	1,094	1,115	1,12
Потужн. ел.втрат	, МBт	0,176	0,159	0,153	0,165	0.167

Слід зазначити, що в експерименті 4 з причини зменшення фактичного значення коефіцієнта електромеханічного контуру за сигналом керування в області коротких дуг (Uд < Uуст), зменшується статична точність регулювання напруги (довжини) дуги: =111.49 В < Uуст=115 В, і робоча точка печі А зміщується в область коротких дуг, де штучна зовнішня характеристика 3 подається ділянкою стабілізації струму дуги Iд = 13750 А = const. В експерименті 4 за рахунок адаптації коефіцієнта підсилення електромеханічної системи регулювання положення електрода до штучної зовнішньої характеристики печі в області коротких дуг, статична точність регулювання положення електродів значно поліпшується: =114.95В < Uуст=115В, але за цієї ж причини (менший час роботи печі на ділянці характеристики 3, де Iд = =Iст = const) дещо зростає дисперсія струмів дуг, напруги мережі і зменшується також середня потужність дуг. Для усунення такої небажаної зміни цих показників необхідно на 3...5 % підвищити напругу робочої ступені пічного трансформатора, не змінюючи при цьому значення напруги уставки регулятора положення електрода Uуст=115 В і значення струму стабілізації дуги Iд = Iст =13700 А = const . Це призведе до подовження ділянки стабілізації струмів в область довших дуг, і, як наслідок, до відповідного зміні напруги робочої ступені пічного трансформатора зменшення дисперсії струмів дуг та напруги мережі, а також до підвищення середнього значення потужності дуг. Для підтвердження сказаного проведено ще один цифровий експеримент (5), для якого уставка напруги системи з фаззи-регулятором вибрана рівною 112 В. Інтегральні показники деяких режимних координат, отримані за результатами цього експерименту, наведені в табл. 6.

Аналіз отриманих інтегральних значень режимних координат показує, що використання запропонованого способу адаптації коефіцієнта підсилення системи k4 в прямому каналі до виду зовнішньої характеристики призводить до зменшення дисперсії режимних координат на 5...12%, підвищує статичну точність регулювання напруги дуг і в результаті поліпшує техніко-економічні показники об'єкта керування.

регулятор керування технологічний електромеханічний

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення та нове вирішення науково-прикладної проблеми синтезу та аналізу інтелектуальних регуляторів електромеханічних систем автоматизації технологічних об'єктів, які перебувають під дією детермінованих та випадкових збурень, що дає змогу формувати динамічні характеристики координат регульованих систем а також розвиває методи проектування інтелектуальних регуляторів і методи аналізу стійкості систем з такими регуляторами.

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дали змогу зробити такі висновки:

1. Застосування методів теорії нечітких множин, теорії штучних нейронних мереж та генетичного алгоритму для формування керуючих впливів, ставить нові задачі аналізу та синтезу в області електромеханічних систем, зокрема задачі ідентифікації координат для побудови інтелектуальних регуляторів; оптимізації їх параметрів та структури; забезпечення стійкості.

2. Метод параметричного синтезу систем керування на основі генетичного алгоритму не вимагає аналітично вираженого зв'язку між сформованим функціоналом якості та параметрами регулятора, а забезпечує розв'язання поставленої задачі за допомогою математичної моделі, представленої у вигляді алгоритму. Розроблений на основі зазначеного метод синтезу взаємозв'язаних систем для вибраних об'єктів дав такі результати:

? зменшення дисперсії струмів дуг в середньому на 10% у порівнянні з традиційним підходом до синтезу електромеханічного контура регулювання електричного режиму ДСП ;

? покращення динамічної точності компенсації реактивної потужності, що виражається у зменшенні дисперсії напруги мережі в середньому на 8.5% та дисперсії реактивної потужності в середньому на 10.5%.

3. Розроблений на основі методу генетичного алгоритму метод параметричного синтезу оптимальних систем керування об'єктами, що перебувають під дією випадкових збурень, забезпечує одночасне розв'язання оптимізаційної задачі і задачі забезпечення стійкості системи. Застосування цього методу до синтезу системи керування переміщення електродів дугової сталеплавильної печі забезпечує зменшення дисперсії вихідної координати до 29%, при зменшенні в середньому в 1.4 раза значення інтегрального критерію виду ISE у порівнянні з системою налагодженою згідно зі стандартною біноміальною формою.

4. Синтез корегуючого сигналу на основі теорії розривного керування забезпечує в паралельній нейроструктурі системи керування інваріантність системи щодо дії збурень та варіації параметрів об'єкта керування, а також спрощує як структуру застосованої нейронної мережі, так і процедуру синтезу системи, порівняно з використанням традиційних ПІ-регуляторів.

5. Застосування нейропредиктора на базі нейрона ADALINE в корегуючому контурі систем керування технологічним процесом дефібрування деревини забезпечує зменшення дисперсії регульованої координати (активної потужності) в кілька десятків разів.

6. Запропонований підхід формування частини правила якщо нечіткого регулятора Такагі-Сугено на основі похибки відпрацювання вихідної координати при синтезі електромеханічних систем забезпечує істотне спрощення структури регулятора та можливість гармонійного поєднання відомих в класичній теорії керування принципів синтезу регуляторів за повним вектором стану з набутками теорії нечітких множин. Синтезований таким чином регулятор, формує керуючий вплив, що оптимізує комбінований функціонал якості зі змінними ваговими коефіцієнтами. Застосування такого підходу до синтезу систем керування дозволило на 15-20% покращити традиційно вживані оцінки якості (IAE, ITAE) навіть при накладанні додаткових умов, зокрема недопустимості перерегулювання вихідної координати.

7. Застосування запропонованого способу ідентифікації режиму роботи такого електротехнологічного об'єкта, як дугова сталеплавильна піч, дало змогу синтезувати нечіткий регулятор на основі спрощеної бази правил, що адекватно реагує на зміну ситуації в керованому об'єкті, забезпечує реалізацію автономного керування і тим самим зменшує час перебування печі в неоптимальному режимі та покращує її техніко-економічні показники.

8. Запропонований підхід до синтезу нечіткого регулятора, згідно з яким для кожної з координат визначені області “допустимих відхилень” та “відхилень за допустимі межі" і для кожної з цих областей сформовані окремі функціонали якості з використанням функцій кари за недотримання накладених умов, дозволяє ефективно обмежувати проміжні координати в системах керування за повним вектором стану і забезпечує покращення динамічних характеристик у порівнянні з системами, побудованими на основі традиційних підходів. Так, при обмеженні проміжних координат на рівні, що відповідає налагодженню системи згідно зі стандартною біноміальною формою, забезпечується зменшення значення критерію якості IAE на 19.5%.

9. Запропонований підхід до синтезу нейро-фаззи регулятора, в якому застосовано поєднання кластерного аналізу даних, паралельного гібридного генетичного алгоритму та введення універсальної активаційної функції нейронів, дає змогу оптимально формувати кількість лінгвістичних змінних для кожного входу регулятора, продовжувати структурний синтез нечіткого регулятора і на етапі оптимізації його параметрів, і підвищує ефективність роботи пошукового алгоритму. Синтезований на основі запропонованого підходу регулятор у більшості випадків має простішу структуру у порівнянні з нечіткими регуляторами, синтезованими при використанні інших підходів, що особливо важливо при реалізації систем керування.

10. Застосування в системах керування переміщення електродів дугових сталеплавильних печей фаззи та нейро-фаззи регуляторів забезпечує підвищення точності відпрацювання заданого режиму (відносна похибка регулювання режимної координати у 2-3 рази менша), зменшення перерегулювань (у 3-7 раз) та зниження коливності проміжних координат системи у порівнянні з традиційною системою керування, за умови дотримання однакової швидкодії порівнюваних систем.

11. Розроблений метод фаззи-розривного керування в системах керованого електроприводу змінного струму, побудованих на принципах прямого керування моментом, забезпечує підвищення точності відпрацювання заданого значення моменту, зменшення пульсацій електромагнітного момента асинхронного двигуна у порівнянні з класичною схемою DTC.

12. Сформульовані умови стійкості систем з нечіткими регуляторами, побудованими на принципах керування за повним вектором стану та підпорядкованого керування, разом з відомими умовами стійкості систем з фаззи - розривним керування та max методом дефазифікації забезпечують можливість аналізу стійкості в подібних електромеханічних системах.

13. Запропонований нечіткий регулятор в структурі двоконтурної систем керування електричним режимом дугових сталеплавильних печей за рахунок врахуванням взаємовпливів паралельних різнотемпових контурів регулювання дає змогу покращити динамічну та статичну точність стабілізації координат електричного режиму та зменшити на 5-12% їх дисперсію.

14. Розроблені в дисертації методи, способи та підходи до синтезу та аналізу інтелектуальних регуляторів електромеханічних систем перевірені на вибраних, характерних об'єктах, що є практичним свідченням їх універсальності в сенсі застосування для широкого класу таких об'єктів.

Таким чином, виконані в дисертаційній роботі дослідження є подальшим розвитком теорії інтелектуального керування, зокрема в електромеханічних системах автоматизації технологічних об'єктів з детермінованими та випадковими характерами процесів, що дають змогу забезпечити суттєве покращення техніко-економічних показників функціонування таких об'єктів.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМАТИКОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Лозинський А. Синтез нейро-фаззи регулятора системи переміщення електродів дугової сталеплавильної печі // “Технічна електродинаміка”. Тематичний випуск “Проблеми сучасної електротехніки 2002”. -2002. - Ч.6. - С. 61-66.

Лозинський А.О. Аналіз стійкості та синтез нелінійних систем автоматичного керування електротехнічних об'єктів з нечіткими ПІ-регуляторами // Міжв. наук.-техн. збірник "Електромашинобудування та електрообладнання". - Київ: Техніка, 2003. - Bип. 60. - С. 79-88.

Лозинський А. Синтез системи керування нелінійним об'єктом // Респ. міжв. наук.-техн. збірник "Електромашинобудування та електрообладнання". - Київ: Техніка, 2002. - Bип. 59. - С.3-10.

Лозинський А. Критерії стійкості систем з нечіткими регуляторами // Вісн. НТУ “ХПІ” “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. -2003. -Вип.10, Т.2. -С. 510 - 511.

Лозинський А. Формування керуючих впливів електромеханічних систем на основі принципів нечіткої логіки // "Радіоелектроніка, інформатика, управління". - 2000. -№ 1. - С. 156-161.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С. Параметричний синтез електромеханічного контура двоконтурної САР електричного режиму дугової печі з адаптацією до зовнішніх характеристик // Вісник СНУ ім. В. Даля. Науковий журнал. -2003. - № 6(64). - С. 138-145.

О. Лозинский, Я. Марущак, А. Лозинский. Некоторые аспекты формирования управляющих воздействий в электромеханических системах // Электротехника. - 1999. - №5. - С. 52-56.

Лозинський A. Застосування штучних нейронних мереж в сучасних керованих електромеханічних системах // "Інформаційні технології і системи". - 2001. - Т. 4, № 1-2. - С.35-43.

Лозинський А. Реалізація принципу інваріантності в комбінованих САК за допомогою штучних нейронних мереж // Міжв. наук.-техн. збірник "Електромашинобудування та електрообладнання". - Київ: Техніка, 2001. - Bип. 56. - С.16-21.

Лозинський А. Застосування нейрональних регуляторів в системах керування за збуреннями // Праці 5-ої Укр. конф. з автомат. управління “Автоматика - 98”. - Київ, 1998. - Ч. 3. - С. 172-176.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С. Оптимізація системи регулювання струмів дуг ДСП на основі принципів нечіткої логіки // "Автоматика -2000" МК з автоматичного управління. Праці в 7-ми томах. - Львів, 2000. -Т. 4. - С. 67-72.

Лозинський А.О. Застосування fuzzy logic регулятора в системах керування за повним вектором стану // Вісник ХДПУ “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. Спец. вип. - Харків, 1998. - C. 388-389.

Лозинський А. Принцип формування динамічних характеристик електромеханічних систем // Вісн. ХДПУ “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. -1999. -Вип.61. - С. 57.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С. Адаптивна система автоматичного регулювання електроприводу переміщення електродів дугової сталеплавильної печі // Вісник ХДПУ “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - 2000. - Вип. 113. - С. 215-216.

Лозинський А. Пряме покоординатне керування електроприводом змінного струму на базі асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором // Вісник НТУ”ХПІ” “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - 2001. - Вип. 10. - С. 22-25.

Лозинський А. Зменшення пульсацій електромагнітного моменту асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором в системах прямого керування за моментом // Вісник НТУ”ХПІ” “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - 2002. - Вип. 12, Т.1. - С.48-50

Лозинський А. Синтез систем автоматичного керування з заданими динамічними властивостями // Збір. наук. праць КДПУ "Проблеми створення нових машин і технологій". - 2001. - Bип. 1. - С.93-96.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С., Щербовських С. Багатофункціональна система керування режимами електротехнологічного комплексу “дугова сталеплавильна піч - електропостачальна мережа” // Збірник “Труды Одесского политехнического института”. - 2001. - № 3(15). - С. 70-73.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С., Гайдучок Ю.Р. Розрахунок оптимальних уставок регулятора потужності ДСП методом генетичного алгоритму // Збірник “Труды Одесского политехнического института”. -2001. -№ 4(16). - С. 67-69.

A. Lozynskyy. Synthesis by genetic algorithm method of automatic control system of object with stochastic disturbances // Przegland Electrotechniczny. - 2003. - No 10. Spec. Issue. - P. 757-760.

Лозинський А. Cпосіб визначення кута зсуву між фазами для трифазної системи величин // Вісник ДУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. -1997. -№301. - С. 137-138.

Плахтина О., Лозинський А., Куцик А. Дослідження нормальних та аварійних режимів роботи електропривода за схемою "тиристорний регулятор напруги - асинхронний двигун" методом комп'ютерного симулювання // Вісник ДУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 1997. - №334. - С. 89-93.

Лозинський А. Система керування переміщенням електродів дугової сталеплавильної печі з fuzzy logic регулятором // Вісник ДУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. -1997. - №340. - С. 62-68.

Лозинський О., Марущак Я., Мазепа С., Лозинський А. Моделювання САР переміщення електродів дугових сталеплавильних печей з керуванням за повним вектором стану//Вісник ДУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. -1997. - №340. - C. 56-62.

Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Лозинський А.О. Мінімізація методом генетичного алгоритму функціоналу якості при керуванні за складовими повного вектора стану системи // Вісник ДУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 1998. - №347. - C.47-53.

Лозинський А. Застосування нейрокоректора для підвищення точності функціонування керованого електроприводу, що перебуває під дією випадкових збурень // Вісник ДУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 1998. - №347. - C. 42-47.

Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Лозинський А.О. Оптимізація динамічних режимів взаємозалежних електромеханічних систем // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 2001. - №421. - C. 98-103.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С. Костинюк Л.Д. Керування процесами в дугових сталеплавильних печах з адаптацією до режиму великих збурень // Вісник НУ “Львівська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”. - 2001. - №435. - C. 112-118.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С. Оптимізація режимів компенсації реактивної потужності ДСП з використанням методу генетичного алгоритму // Теоретична електротехніка. - 2002. - Вип. 56. - С.81-86.

Лозинський О., Марущак Я., Лозинський А. Математична модель системи переміщення електродів дугової сталеплавильної печі з врахуванням кіл живлення дуг // “Технічна електродинаміка”, Спец. випуск. - 1998. - С. 173-179.

Lozynskyy A.O., Smetana I.V., Klytta M., Garbrecht F.-W. Identification of induction cage motor flux using state variables // Вісник НТУ”ХПІ” “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - 2002. - Вип. 12. Т.1. - С. 121-123.

Лозинський А.О., Маляр А.В. Стабілізація вихідної координати механізмів, що перебувають під дією випадкових збурень//Вісн. ХДПУ “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория та практика”. Спец. випуск. - Алушта, 1998. - С. 268-269.

Паранчук Я., Лозинський А. Стохастична модель дуг дугової сталеплавильної печі // Вісник ХДПУ “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. Спец. випуск. -1998. - С. 189-189.

Марущак Я., Лозинський А., Костинюк Л. Забезпечення раціонального режиму роботи дугових сталеплавильних печей // Матеріали 2-ої Міжнародної конференції з керування використанням енергії. - Львів, 1997. - С. 3.1-3.3.

Lozynskyy A.O., Smetana I.V., Klytta M., Garbrecht F.-W. The harmonical analysis of induction motor phase currents in direct torque control and fuzzy sliding mode control systems // Proc. of 3rd International Workshop "Compatibility in Power Electronics” CPE-03. - Gdaсsk - Zielona Gуra (Poland). - P. 122-126 (Full paper version on CD).

Плахтына Е., Боровски Р., Ягела К., Лозинский А. Математическая модель в фазных кординатах асинхронного электропривода с преобразователем DTC // Proc. of UEES'99. - St. Peterburg (Russia), 1999. -Szczecin: Technical University Press, 1999. - Vol. 3. - P. 1383 -1388.

Лозинський А.О., Паранчук Я.С. Застосування регуляторів, побудованих на основі правил нечіткої логіки, у системах зі змінними параметрами. Доповіді спільної українсько-польської школи-семінару "Актуальні проблеми теоретичної електротехніки: наука і дидактика". - Алушта, 2000. - С. 93-94.

Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Лозинський А.О., Паранчук Р.Я. Статичний тиристорний компенсатор реактивної потужності для трифазних мереж // Патент України № 40301А на винахід від 18.06. 2001. Опубл. в ПВ №6, 2001.

Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Лозинський А.О., Паранчук Р.Я. Статичне регульоване джерело реактивної потужності для трифазних мереж // Патент України № 52813 на винахід. Опубл. 15.01.2003 в ПВ № 1, 2003.

Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Лозинський А.О., Паранчук Р.Я. Пристрій для регулювання електричного режиму дугової багатофазної печі // Патент України 53074А на винахід. Опубл. 15.01.2003 в бюлетені ПВ № 1, 2003.

Лозинський О.Ю., Паранчук Я.С., Лозинський А.О., Марущак Я.Ю., Паранчук Р.Я. Пристрій для регулювання потужності трифазної дугової електропечі // Патент України № 50160А на винахід від 15.10. 2002. Опубл. в ПВ №10, 2002.

АНОТАЦІЯ

Лозинський А.О. Електромеханічні системи автоматизації технологічних об'єктів з інтелектуальним керуванням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004.

Дисертацію присвячено створенню нових та розвитку існуючих методів синтезу інтелектуальних регуляторів електромеханічних систем автоматизації технологічних об'єктів, які забезпечують формування необхідних динамічних та статичних характеристик в умовах дії як детермінованих, так і випадкових збурень в різних режимах роботи за наявності значних нелінійностей та зміни параметрів, сформульовано умови стійкості систем із нечіткими регуляторами, побудованими на принципах підпорядкованого регулювання та керування за повним вектором стану.

Ефективність застосування розроблених в дисертації на основі теорії нечітких множин, теорії штучних нейронних мереж та генетичного алгоритму методів та підходів до синтезу регуляторів перевірено на вибраних характерних об'єктах, зокрема таких, як система стабілізації електричного режиму дугової сталеплавильної печі, система керування пресового дефібрера та електропривод змінного струму з прямим керуванням за моментом. Наведено результати, виконаних за допомогою розроблених математичних моделей та підтверджених при проведенні промислових випробувань, досліджень, що демонструють істотне покращення техніко-економічних показників функціонування таких об'єктів.

Ключові слова: електромеханічна система, технологічний об'єкт, нечіткий регулятор, генетичний алгоритм, нейронна мережа, нейро-фаззи регулятор, система керування, критерій якості, дисперсія.

АННОТАЦИЯ

Лозинский А.О. Электромеханические системы автоматизации технологических объектов с интеллектуальным управлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук за специальностью 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2004.

Диссертация посвящена созданию новых и развитию существующих методов синтеза интеллектуальных регуляторов электромеханических систем автоматизации технологических объектов, которые обеспечивают формирование необходимых динамических и статических характеристик в условиях действия как детерминированных, так и случайных возмущений в разных режимах работы при наличии значительных нелинейностей и изменении параметров.

В диссертации приведены разработанные на основе генетического алгоритма метод параметрического синтеза асимптотически устойчивых оптимальных систем управления объектами, которые находятся под действием случайных возмущений, в котором объединено одновременное решение задачи обеспечения устойчивости системы и задачи минимизации сформированного функционала качества, а также метод синтеза взаимосвязанных электромеханических систем при условии отсутствия аналитической связи между коэффициентами регуляторов и сформированным функционалом качества (отсутствии математической модели объекта в аналитическом виде).

Доказана возможность решения обратной задачи динамики и задачи формирования предиктивного управления в электромеханических системах с помощью искусственных нейронных сетей. Показана эффективность применения параллельных структур с нейрорегуляторами и нейрокорректорами в системах управления технологических объектов. Отмечено, что применение теории разрывного управления при синтезе корректирующего сигнала обеспечивает в параллельной нейроструктуре системы управления инвариантность системы относительно действия возмущений и вариации параметров объекта управления, а также упрощает как структуру примененной нейронной сети, так и процедуру синтеза системы, сравнительно с использованием традиционных ПИ-регуляторов.

На основании объединения классических методов синтеза систем автоматического управления и теории нечетких множеств разработана упрощенная структура базы правил нечетких регуляторов, которые работают в электромеханических системах технологических объектов, и способ ограничения промежуточных координат системы. Описан предложенный алгоритм параметрической и структурной оптимизации нечетких регуляторов, синтезированных на основании экспериментальных данных в котором объединено использование кластерного анализа данных, теории искусственных нейронных сетей, теории нечетких множеств и метода генетического алгоритма.

Сформулированы условия устойчивости систем с нечеткими регуляторами, построенными на принципах подчиненного регулирования и управления за полным вектором состояния с использованием нормального перекрытия функций принадлежности и гравитационного метода устранения нечеткости.

Эффективность применения разработанных в диссертации методов и подходов к синтезу регуляторов проверена на выбранных характерных объектах, в частности таких, как система стабилизации электрического режима дуговой сталеплавильной печи (ДСП), система управления прессового дефибрера и электропривод переменного тока с прямым управлением за моментом. Для обеспечения соответствующих показателей функционирования упомянутых объектов в работе также решены следующие задачи: синтеза робастной системы автоматического управления электромеханическим контуром перемещения электродов ДСП; синтеза управляющих воздействий для системы стабилизации электрического режима ДСП при учете взаимных влияний между отдельными подсистемами; структурного и параметрического синтеза системы с нейрокорректором для стабилизации активной мощности прессового дефеброра; синтеза фаззи разрывного управления для уменьшения пульсаций электромагнитного момента асинхронного двигателя в системе векторного управления, построенной по принципу прямого управления за моментом, синтеза нейро-фаззи регулятора системы управления перемещением электродов ДСП для повышения точности отработки заданного режима и уменьшения перерегулирования и колебательности промежуточных координат, а также формирования идентификаторов части правила “если” для синтеза нечеткого регулятора быстродействующего электрического контура регулирования электрического режима ДСП и автономного управления электромеханической системой перемещения электродов.

Приведены результаты, выполненных с помощью разработанных математических моделей и подтвержденных при проведении промышленных испытаний, исследований, которые демонстрируют существенное улучшение технико-экономических показателей функционирования таких объектов.

Ключевые слова: электромеханическая система, технологический объект, нечеткий регулятор, генетический алгоритм, нейронная сеть, нейро-фаззи регулятор, система управления, критерий качества, дисперсия.

SUMMARY

Lozynskyy A.O. Electromechanical systems of automation of technological objects with intellectual control. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the Doctor of Technical Science behind a speciality 05.09.03 - Electrotechnical Complexes and Systems. - National University “Lviv Polytechnic”, Lviv, 2004.

The thesis is devoted to creation new and development of existing methods of intelligent regulators synthesis which provide formation of necessary dynamic and static characteristics in electromechanical systems of technological objects automation in conditions of action both deterministic, and stohastic disturbances in different operation regymes at presence significant nonlinearity and parameters changes. Conditions of stability of systems with the fuzzy regulators constructed on principles of subordinated regulation and feedback control are formulated.

...