Розробка оптимальних за тепловими втратами систем керування позиційним електроприводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

УДК 62-83-52

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка оптимальних за тепловими втратами систем керування позиційним електроприводом

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи

Розкаряка Павло Іванович

Донецьк-2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Коцегуб Павло Харитонович ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», професор кафедри «Електропривод і автоматизація промислових установок», м. Донецьк

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Пересада Сергій Михайлович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри «Автоматизація електромеханічних систем та електропривод», м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент, Мотченко Олександр Іванович, Донбаський державний технічний університет, завідувач кафедри «Автоматизовані електромеханічні системи», м. Алчевськ.

Захист відбудеться «7» жовтня2010 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» за адресою: вул. Артема, 58, 8-й навчальний корпус (аудиторія 514), м. Донецьк, Україна, 83001.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» за адресою: вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус, м. Донецьк, Україна, 83001.

Автореферат розісланий «3» вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д11.052.02, к.т.н., доц. А.М. Ларін.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Позиційні електроприводи розповсюджені у різних галузях промисловості. До них можна віднести електроприводи металорізальних верстатів, ковальсько-пресового обладнання, натискних гвинтів і летючих ножиць металургійного виробництва, електроприводи роботів-маніпуляторів, автоматизованих складальних ліній та ін.

У зв`язку з постійним підвищенням цін на енергоносії та поширенням застосування автономних систем електроприводу все більшої актуальності набуває вирішення задачі удосконалення таких систем в напрямку зниження енергоспоживання. В свою чергу, поліпшення динамічних та статичних показників дозволяє підвищити продуктивність позиційних механізмів та якість кінцевої продукції.

Для позиційних електроприводів розроблені закони керування, оптимальні за швидкодією або за тепловими втратами. Застосування систем регулювання положення (СРП), оптимальних за тепловими втратами, дозволяє знизити непродуктивні витрати електроенергії, але вимагає використання цифрових задатчиків положення (ЦЗП), які повинні реалізовувати досить складні закони керування. Наявні алгоритми оптимального керування розроблені в аналоговій формі, без урахування явищ квантування за часом, екстраполяції та особливостей цифрового інтегрування. Нехтування цими факторами призводить до похибок формування еталонного управляючого впливу.

Окрім формування задавальним пристроєм оптимального закону керування, необхідно домогтися, щоб система регулювання відпрацьовувала його з мінімальними статичними і динамічними похибками. Особливо важливим для даного класу систем є забезпечення заданої точності позиціювання і високої швидкодії з урахуванням того, що для більшості позиційних механізмів перерегулювання за положенням не є припустимим. Для досягнення цієї мети можна рекомендувати використання принципу комбінованого керування за задавальною дією та за збуренням. При цьому вимагає свого рішення задача параметричного синтезу СРП з умови відсутності перерегулювання, яку можна вирішити методом поліноміального синтезу, і задача ідентифікації статичного момента як основного збурюючого впливу, що може бути вирішено за рахунок використання спостерігачів стану (СС).

Експериментальні дослідження роботи електромеханічних систем зі СС і методика їхнього налаштування практично не освітлені в літературних джерелах, що не сприяє їхньому застосуванню у промисловості.

Отже, задача розробки систем керування положенням з поліпшеними динамічними, статичними і енергетичними показниками є актуальною.

Рішення задачі може бути досягнуто шляхом розробки задавальних пристроїв, що реалізують оптимальні закони керування, розробки нових критеріїв налаштування контурів регулювання, використанню в СРП принципів комбінованого керування за задавальним впливом і за ідентифікованим за допомогою спостерігача момента статичного опору.

Зв'язок роботи з програмами, планами, темами. Робота виконана у рамках комплексної проблеми «Наукові основи електроенергетики» НАН України (семінар «Дискретне регулювання в електромеханічних системах»), держбюджетних науково-дослідницьких робіт Г4-04 «Розвиток теорії поліноміального синтезу на прикладі систем автоматичного керування електромеханічними об'єктами» (2004-2006рр., № д/р 0104U002390), Д4-07 «Оптимізація функціонування електромеханічних систем із цифровим регулюванням» (2007-2009рр., № д/р 0107U003033), Д2-10 «Оптимальне цифрове керування системами позиційного електроприводу» (з 2010р., № д/р 0110U001052), що фінансуються Міністерством освіти та науки України за розділом «Фундаментальні дослідження наукових установ», у яких автор дисертації приймав участь у якості виконавця і відповідального виконавця.

Зміст роботи відповідає програмі «Основні наукові напрями та найважливіші проблеми фундаментальних досліджень у галузі природних, технічних і гуманітарних наук на 2009-2013рр.» (розділ 1.2.4. Проблеми оптимального керування, підрозділ 1.2.4.2. Оптимізація керованих систем відносно різних критеріїв якості: швидкодії, мінімуму затрат енергії, мінімізації відстані).

Метою роботи є зниження непродуктивних втрат електроенергії, підвищення точності позиціювання і поліпшення динамічних властивостей системи позиційного електропривода за допомогою розробки оптимальних цифрових алгоритмів формування керуючого впливу, розвитку методів поліноміального синтезу систем підпорядкованого регулювання положення і вдосконалення методів ідентифікації статичного момента.

Для досягнення поставленої мети розв'язуються наступні задачі:

1. Теоретичне обґрунтування і розробка цифрового алгоритму керування позиційним електроприводом з урахуванням ефектів квантування за часом та екстраполяції.

2. Теоретичне обґрунтування вибору алгоритмів цифрового інтегрування для задатчика положення, що формує оптимальний за швидкодією або за тепловими втратами закон керування.

3. Розробка методики конструювання характеристичного полінома та полінома впливу передавальної функції замкненої системи позиційного електропривода з умови відсутності перерегулювання за положенням.

4. Розробка методики структурного синтезу систем регулювання положення з умов забезпечення бажаних динамічних властивостей як системи у цілому, так і окремих її контурів.

5. Теоретичне обґрунтування і синтез спостерігача стану, що відновлює статичний і динамічний моменти двигуна для системи керування положенням електромеханічного об'єкта.

6. Розробка методики програмної реалізації цифрової системи регулювання положення й узагальнення досвіду експериментальних досліджень у лабораторних і промислових умовах.

Об'єктом дослідження є динамічні процеси в системах позиційного електроприводу.

Предметом дослідження є системи регулювання положення із цифровим задавальним пристроєм, що формує керування, оптимальне за швидкодією або за тепловими втратами.

Методи дослідження. В основу досліджень покладені методи сучасної теорії автоматичного керування, методи теорії оптимального керування, методи диференціального й інтегрального числення, методи поліноміального синтезу, методи обчислювальної математики, методи математичного та фізичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше знайдено аналітичні вирази для розрахунку характерних точок оптимальних за тепловими втратами діаграм для керування позиційним електроприводом із врахуванням обмежень на електромагнітний момент двигуна, прискорення, швидкість і ривок та особливостей цифрової реалізації за умов наявності на валу двигуна постійного за величиною статичного момента.

2. Вперше виявлено ефект спотворення сигналів завдання на швидкість та положення, оптимальних за тепловими втратами, зумовлений екстраполяцією цифрового сигналу завдання на прискорення та особливостями алгоритмів цифрового інтегрування; запропоновано способи його усунення.

3. Виконано структурний синтез системи регулювання положення, що дозволяє забезпечити бажані передавальні функції як системи в цілому, так і окремих її контурів.

4. Вдосконалено структуру спостерігача стану, що оцінює момент статичного опору на валу двигуна, шляхом доповнення його пристроєм ідентифікації електромеханічної сталої часу системи електроприводу, побудованим на базі одержаних в роботі аналітичних залежностей.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблено методику цифрової реалізації задавальних пристроїв, що формують закони оптимального керування для систем регулювання положення.

2. Розроблено методику конструювання передавальної функції системи регулювання положення поліноміальним методом з умови відсутності перерегулювання у перехідній функції.

3. Синтезовано спостерігачі стану, що дозволяють ідентифікувати момент статичного опору і розроблено методику їх настроювання і самонастроювання.

Практична цінність і ефективність дисертаційної роботи підтверджується результатами промислових випробувань. Розроблені в дисертації алгоритм роботи задатчика положення та методика налагодження системи електропривода випробувані на натискному пристрої блюмінга «1250» ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг».

Основні положення роботи використовуються в навчальному процесі при читанні лекцій з курсів «Оптимальне керування позиційними електроприводами», «Синтез електромеханічних систем у просторі стану», «Цифрові системі керування та автоматизації», «Автоматизація досліджень і проектування електромеханічних систем», а також у лабораторному практикумі, курсовому і дипломному проектуванні при підготовці спеціалістів та магістрів за спеціальністю «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод».

Програмно-апаратні лабораторні комплекси для дослідження цифрових систем керування електроприводами постійного і змінного струму, створені при роботі над дисертацією, використовуються при виконанні дипломних і магістерських робіт.

Особистий внесок здобувача: Основні наукові положення і результати, наведені в дисертації, отримані автором самостійно. Здобувач здійснив синтез алгоритмів оптимального за тепловими втратами керування позиційним електроприводом з урахуванням обмежень та наявності на валу двигуна постійного за величиною статичного момента, розробив методику цифрової реалізації задавальних пристроїв, що формують закони оптимального керування для позиційних електроприводів, виконав структурний синтез системи регулювання положення з бажаною передавальною функцією, розробив методику ідентифікації електромеханічної сталої часу системи електроприводу, розробив установки для досліджень та реалізації у реальному часі задатчика положення, виконав теоретичні та експериментальні дослідження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і результати досліджень обговорювались та були схвалені на міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» (м. Алушта, 2001, 2002, 2009р., с.м.т. Миколаївка, 2007р., Одеса, 2006р.), «Проблеми створення нових машин і технологій» (м. Кременчук, 2001, 2002, 2006-2008рр.), «Інформаційна техніка й електромеханіка» (м. Луганськ, 2001р., 2007р.), Всеросійській конференції із міжнародною участю «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» (м. Москва, 2002р.), на науковому семінарі інституту електродинаміки Національної Академії наук України «Дискретне регулювання в електромеханічних системах» в рамках комплексної проблеми «Наукові основи електроенергетики», (м. Донецьк, 2007-2010рр.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 21 друковану роботу (4 - у наукових журналах, 15 - у збірниках наукових праць, 2 - у матеріалах конференцій), із яких 16 статей - у провідних спеціалізованих виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура й обсяг. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 231 сторінки, серед яких 133 сторінки друкарського тексту основної частини (вступ, п'ять розділів і висновки), 7 додатків на 30 сторінках, переліку літератури з 132 найменувань на 15 сторінках, рисунків та таблиць на 53 окремих сторінках.

Основний зміст роботи

У першому розділі «Стан проблеми синтезу систем автоматичного керування позиційними електроприводами. Постановка задач досліджень» виконано аналітичний огляд систем позиційного електроприводу, а саме: законів керування позиційними системами, оптимальних за швидкодією або за тепловими втратами; розглянуто питання параметричного та структурного синтезу; проаналізовано методи забезпечення бажаної точності позиціювання.

Виявлено недоліки існуючих схемних і програмних рішень та обґрунтовано задачі досліджень.

У другому розділі «Формування еталонних безперервних діаграм відпрацювання заданих переміщень з урахуванням статичного момента» виконано аналіз аналогових діаграм відпрацювання заданого положення, оптимальних за тепловим втратами або за швидкодією, в умовах наявності постійного за величиною момента статичного опору при урахуванні обмежень: а) на швидкість і прискорення; б) на швидкість, прискорення і ривок; в) на швидкість і струм якоря (або електромагнітний момент); г) на швидкість, електромагнітний момент та ривок.

Діаграми, оптимальні за тепловими втратами, забезпечують мінімум функціонала:

(1)

де , - динамічні складові теплових втрат, струму якірного кола (або моментоутворюючої складової струму статора), електромагнітного момента двигуна постійного або змінного струмів відповідно (); - момент інерції; - прискорення; - активний опір якірного кола двигуна постійного струму або кола статора двигуна змінного струму; - коефіцієнт пропорційності між струмом та електромагнітним моментом.

За наявності момента статичного опору максимальне значення динамічного момента при розгоні та гальмуванні приводу визначаються не тільки величиною обмеження на прискорення , але і рівнем струмообмеження (або обмеженням на електромагнітний момент):

;

,(2)

де , - максимальний динамічний момент при розгоні та гальмуванні відповідно.

Це приводить до того, що у загальному випадку тахограма стає несиметричною. У цьому випадку задане положення можна відпрацювати за одною із шести різновидів діаграм (рис. 1), в залежності від обмежень на координати.

На рисунку у відносних одиницях позначені: - швидкість, - струм, - електромагнітний момент, - статичний момент; - динамічний момент або прискорення; - ривок; - переміщення; - час, де , - струм та момент короткого замикання; - швидкість ідеального холостого ходу; - електромеханічна стала часу.

При керуванні, оптимальному за швидкодією, тахограми мають трапецеїдальну або трикутну форму.

В дисертації отримано аналітичні залежності, що дозволяють розрахувати параметри , , , діаграм рис. 1 при заданих значеннях момента статичного опору , обмежень на ривок , швидкість , електромагнітний момент бажаного переміщення за час .

Наприклад, формули для діаграми 1б, що реалізує оптимальне за тепловими втратами керування з обмеженням прискорення при розгоні та обмеженням ривку мають вигляд:

; ;

;(3)

;

; ; ; ;

.

Слід зазначити, що для діаграми 1д з обмеженнями та необхідно розв`язати неповне рівняння п`ятого порядку відносно змінної , що не має аналітичного рішення (як для діаграми без обмеження на ривок так і з його обмеженням). Тому корені такого рівняння отримуються одним з чисельних методів.

На основі отриманих аналітичних виразів розроблено алгоритм, що дозволяє здійснити вибір однієї діаграми відпрацювання заданого переміщення, яка є оптимальною за швидкодією або за тепловими втратами, за заданим переміщенням та бажаним часом його відпрацювання.

У третьому розділі «Формування еталонних дискретних діаграм відпрацювання заданих переміщень» розглянуто методику дискретизації аналогових алгоритмів керування позиційними системами, отриманих у попередньому розділі, з урахуванням ефектів квантування, екстраполяції, особливостей цифрового інтегрування і реалізації цифрових алгоритмів у реальному часі.

При переході від аналогових діаграм до цифрових у першу чергу необхідно врахувати, що при реалізації ЗП у цифровому вигляді абсциси точок зламу сигналу завдання на прискорення стануть кратними періоду переривання , тобто будуть відрізнятися від розрахункових значень. Якщо не скоригувати ординати, моменти стрибкоподібних змін прискорення будуть спотворюватися, що призведе до зміни заданої тахограми і до похибки у формуванні завдання на положення не лише в динаміці, але і в усталеному режимі (див. рис. 1). Тому розроблено стратегію округлення до більшого або меншого кратного періоду дискретності. Отримано вирази, що дозволяють перерахувати максимальні значення прискорень при розгоні і гальмуванні після корекції часових інтервалів з умови збереження величини заданого переміщення. Наприклад, для розглянутої діаграми з обмеженням динамічного моменту при розгоні вирази для скоригованих моментів мають вигляд:

; .(4)

У наведених формулах (4) - скориговані значення часу.

При цифровій реалізації алгоритмів керування, оптимальних за тепловими втратами, описаної корекції вихідного аналогового алгоритму виявляється не достатньо. Екстраполяція цифрового сигналу в діаграмах, оптимальних за тепловими втратами, на заданому рівні екстраполятором нульового порядку при відсутності обмеження на ривок призводить до того, що наприкінці формування задавальної дії, в той момент часу, коли сигнал завдання на прискорення стає рівним нулю, сигнал завдання на швидкість набуває невеликого від'ємного значення, а сигнал завдання на положення , навіть при скиданні сигналу завдання на швидкість в нуль, не досягає заданого рівня (див. рис. 1).

Рис. 1. Діаграма завдання на відпрацювання переміщення з параболічною тахограмою з некратністю абсцис характерних точок періоду дискретності

В роботі доведено, що для забезпечення якісної реалізації параболічної тахограми необхідно скоригувати вихідну неперервну діаграму завдання на прискорення шляхом зміщення її на півперіоду дискретності вправо (див. рис. 2) (для діаграм без обмеження ривка).

Менш важливою, ніж розглянуті вище, але досить актуальною проблемою при практичній реалізації цифрових ЗП є вибір алгоритмів функціонування цифрових інтеграторів (ЦІ), від яких залежить ступінь наближення дискретних діаграм до відповідних аналогових діаграм, що приймаються за еталон.

Показано, що збіг дискретної екстрапольованої і еталонної аналогової тахограми в моменти часу, кратні періоду дискретності, забезпечується при використанні інтегрування сигналу завдання на прискорення методом лівосторонніх прямокутників, якщо обмеження на ривок відсутнє, і методом трапецій, якщо це обмеження існує (див. рис. 2).

В роботі доведено, що при інтегруванні параболічного сигналу завдання на швидкість методами Ейлера або методом трапецій сигнал завдання на положення формується з усталеною похибкою

(5)

яка накопичується поступово на кожному кроці чисельного інтегрування (ЧІ). При інтегруванні сигналу завдання на швидкість методом Сімпсона помилка ЧІ накопичується тільки на першому та останньому кроках відпрацювання заданого переміщення. У сталому режимі має місце або похибка (5), або коливання навколо цього значення з такою ж амплітудою. Наявність інформації про величину похибки ЧІ дозволяє розробити методи її компенсації. Легше це робити для метода Сімпсона, тому що помилка накопичується тільки на першому і останньому кроках.

Результати узагальнено і сформульовано у вигляді методики коригування алгоритмів цифрової реалізації оптимальних за тепловими втратами діаграм відпрацювання заданих переміщень. Ці алгоритми формуються у реальному часі через розрахунок діаграми завдання на прискорення та дворазового чисельного інтегрування цього сигналу, з урахуванням ефектів квантування й екстраполяції.

Рис.2. Оптимальна за тепловими втратами діаграма, що сформована за допомогою дискретної моделі (діаграму зсунуто на півперіоду дискретності вправо)

У четвертому розділі «Структурний та параметричний синтез системи регулювання положення» здійснено синтез системи, що забезпечує відпрацювання оптимальних законів керування з мінімальними статичними та динамічними похибками.

Задачею параметричного синтезу є пошук коефіцієнтів передавальної функції замкненої системи підпорядкованого регулювання положення

(6)

з умов забезпечення малого перерегулювання.

При застосуванні принципу підпорядкованого регулювання , , , , де , , - сталі часу інтегрування розімкнених контурів регулювання положення, швидкості, струму відповідно.

При застосуванні поліноміальних методів синтезу спочатку знаходять коефіцієнти передавальної функції, унормованої за середнєгеометричним коренем (СГК) :

(7)

де , потім знаходять сталі часу розімкнених контурів регулювання методом характеристичних співвідношень:

, , (8)

і СГК:

(9)

де - мала стала часу привода, що не компенсується.

Далі розраховують коефіцієнти чисельника передавальної функції (7):

(10)

В роботі розглянуто як можливість застосування відомих стандартних поліномів, так і можливість конструювання нових поліномів (див. рис.3).

Найбільшу швидкодію серед стандартних характеристичних поліномів (ХП) при відсутності чисельника забезпечує розподіл Грехема-Летропа:

(11)

якому відповідають значення сталих часу , , .

Альтернативою йому можна вважати поліном без перерегулювання, одержаний чисельним методом оптимізації:

(12)

з відповідними значеннями сталих часу , , .

При наявності чисельника в роботі запропоновано розташування полюсів та нулів на колі одного радіусу з однаковою кутовою відстанню між полюсами. Початковий кут обирається із умов забезпечення заданого перерегулювання. У відповідності з цим для розробленого у дисертації ХП, що забезпечує 2%-не перерегулювання:

,

(, , ), (13)

отримано поліноми впливу (ПВ) 2-го та 3-то порядків для 2% -ного перерегулювання:

(14)

(15)

та ПВ для випадку відсутності перерегулювання:

(16)

(17)

Слід зауважити, що всі запропоновані ХП мають різні СГК.

Недоліком використання запропонованих розподілів нулів та полюсів при синтезі СПР є те, що для забезпечення бажаних властивостей контуру положення необхідно змінювати настроювання внутрішніх контурів, що впливає на роботу системи у режимі обмеження координат.

Рис. 3. Перехідні функції поліномів: 1 - біноміальний розподіл; 2- Грехем-Летропа; 3 - Бесселя; 4- подвійні пропорції; 5 - 2%-не перерегулювання; 6 - ХП, отриманий оптимізацією чисельним методом

Для того, щоб не змінювати роботу системи в режимі струмобмеження і в режимі обмеження швидкості, слід в регуляторах струму і швидкості залишити загальноприйняту настройку (, ), а значення і , котрі відповідають обраному характеристичному поліному, забезпечити за рахунок додаткових від'ємних зворотних зв'язків за струмом і за швидкістю, заведених на вхід регулятора положення, як це показано на рис. 4 штрихпунктирними лініями, де значення додаткових зв'язків визначаються виразами: електромеханічний квантування статичний

; .(18)

Рис. 4. Структурна схема СПР положення з додатковими зворотними зв'язками за струмом і швидкістю

Для формування бажаних розподілів нулів у роботі застосовується ЗП з компаундуючими зв'язками (рис. 5.).

Рис. 5. Структура ЗП, що реалізує комбіноване керування за керуючим впливом

Для оцінки момента статичного опору в системах регулювання положенням розроблено еквівалентний асимптотичний СС з керуванням за струмом якоря і корекцією за кутом повороту вала двигуна (рис. 6). Запропонований СС відрізняється від типових спостерігачів відсутністю додаткового інтегратора в каналі формування навантаження та ідентифікацією кутової швидкості двигуна, що дозволяє позбутися операції явного диференціювання вихідного сигналу датчика положення при оцінюванні швидкості.

Рис. 6. Структурна схема об`єкту регулювання та СС

У системі з додатним зв'язком за статичним моментом, ідентифікованим за допомогою запропонованого СС, забезпечується астатизм першого порядку за збуренням без використання ПІ-регулятора швидкості (ПІ-РШ). Система зі спостерігачем має більш низьку динамічну похибку за положенням при накиді навантаження і характеризується більш високою швидкодією за керуючим впливом, ніж система з ПІ-РШ (всі показники якості покращуються приблизно в 2 рази).

Доведено, що СС, які оцінюють статичну складову електромагнітного момента двигуна, при неточному визначенні сталої часу інтегратора в моделі механічної частини приводу, відновлюють зазначені сигнали в пуско-гальмових режимах з похибкою, яка визначається формулою:

(19)

де - реальний статичний момент, - сталий динамічний момент, - похибка оцінювання динамічного момента, - електромеханічна стала часу об'єкта регулювання, - електромеханічна стала часу моделі двигуна у складі СС.

Отже, при використанні СС, що оцінюють величину момента статичного опору, необхідно ідентифікувати і електромеханічну сталу часу приводу . В основу ідентифікації (при постійному моменті статичного опору або його повільній зміні) можна покласти формулу:

(20)

де , - повний момент при розгоні і гальмуванні відповідно, , , - оцінений за допомогою СС статичний момент на ділянках розгону і гальмування відповідно; використовуючи для цього результати вимірювання сигналів струму якоря та оцінки статичного момента на ділянках розгону і гальмування приводу з постійним прискоренням (див. рис. 7).

Рис. 7. Структурна схема СРП зі СС та ідентифікацією

В роботі доведено, що запропонована методика ідентифікації електромеханічної сталої часу приводу може бути використана в системах програмного керування положенням, що працюють за законами, оптимальними як за швидкодією, так і за тепловими втратами.

У п`ятому розділі «Експериментальні дослідження у лабораторних та промислових умовах» приведено результати експериментальних досліджень та промислових випробувань. Розроблено лабораторні стенди для дослідження позиційних систем на базі електроприводів постійного та змінного струмів, на яких була перевірена можливість реалізації запропонованих алгоритмів у реальному часі.

Програмна реалізація алгоритмів керування позиційним електроприводом здійснювалась в середовищі MATLAB - Simulink - RTW на експериментальному стенді постійного струму та у промислових умовах (рис. 8).

Експериментальні дослідження, виконані на установці з використанням синхронного двигуна з постійними магнітами, підтвердили можливість використання цих алгоритмів у програмному середовищі SyptPro.

Для рішення алгебраїчного рівняння розроблено алгоритм уточнення кореня в реальному часі, який, в свою чергу, є складовою алгоритму формування діаграм переміщення. Найкращі результати показав метод дотичних, що відрізняється швидкою збіжністю ітераційного процесу.

Експериментально доведено, що запропонована методика ідентифікації електромеханічної сталої часу приводу може бути використана в системах програмного керування положенням, що працюють за законами, оптимальними і за швидкодією, і за тепловими втратами (рис. 9).

Завдяки використанню задатчика положення для системи керування натискним гвинтами стану «1250» вдалося підвищити точність виконання програми прокатки, знизити непродуктивні витрати електроенергії електроприводу натискного пристрою на 14% і закласти можливість автоматизації процесу прокатки.

Рис. 8. Перехідні процеси у СДПМ: а) трикутна тахограма, б) параболічна тахограма

Рис. 9. Осцилограми перехідних процесів при ідентифікації

Висновки

У дисертаційній роботі представлені нові рішення в області систем керування положенням з поліпшеними енергетичними, динамічними і статичними показниками. Це дозволило розробити і застосувати на практиці задавальні пристрої, що реалізують оптимальні закони керування, нові критерії настройки контурів регулювання, а також використовувати в системах регулювання положення принципів комбінованого керування за заданим впливом та за ідентифікованим за допомогою спостерігача момента статичного опору.

Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Вперше розроблено оптимальні за швидкодією або за тепловими втратами алгоритми цифрового керування позиційним електроприводом з урахуванням ефектів квантування за часом, екстраполяції цифрових сигналів і особливостей цифрового інтегрування. Використання алгоритмів дозволить знизити непродуктивні втрати електроенергії і підвищити складову точності позиціювання, яка пов'язана з неточністю формування керуючого впливу.

2. Вперше отримані оптимальні закони керування для систем позиційного електроприводу з обмеженням ривка при урахуванні наявності момента статичного опору.

3. Отримали подальший розвиток методи поліноміального синтезу в напрямку конструювання характеристичних поліномів і поліномів впливу з умови забезпечення бажаного перерегулювання перехідної функції або його відсутності. Застосування цих методів у системах регулювання положення дозволить добитися відпрацювання заданих переміщень без перерегулювання за положенням при більш високій швидкодії, ніж при використанні традиційних методів параметричного синтезу.

4. Отримав подальший розвиток метод структурного синтезу, який об'єднує в собі переваги модального керування і підпорядкованого регулювання, стосовно до систем регулювання положення, завдяки якому вдалося забезпечити бажану якість перехідних процесів цих систем як в основному робочому режимі, так і в режимах обмеження струму і швидкості.

5. Синтезовано спостерігачі стану, що відновлюють статичний момент, які відрізняються від традиційних відсутністю додаткового інтегратора в каналі формування ідентифікованого момента опору, що дозволяє зменшити його інерційність.

6. Розроблено і теоретично обґрунтовано методику настроювання і самонастроювання запропонованих спостерігачів стану, завдяки чому стало можливим успішне їх використання в експериментальних установках і в промисловості для компенсації статизму за обурюючим впливом і для формування оптимальних законів керування з урахуванням величини момента статичного опору.

Основні теоретичні положення підтверджені результатами математичного моделювання та експериментальних досліджень. Досвід експлуатації системи позиційного електроприводу із розробленим при участі автора цифровим задатчиком положення для керування натискними гвинтами стана «1250» ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» показав, що застосування перелічених вище рішень дозволяє підвищити точність виконання програми прокатки, знизити непродуктивні втрати електроенергії електроприводу натискного пристрою на 14% (без збільшення циклу прокатки) і створити передумови для автоматизації процесу прокатки.

Отримані результати можна використовувати в системах регулювання положення механізмів, для яких є актуальною задача забезпечення високої точності позиціювання та мінімізації непродуктивних втрат електроенергії.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Толочко О.И. Особенности цифровой реализации оптимальных алгоритмов управления позиционным электроприводом / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2006. - №3 (38). Ч. 1. - С. 8-11.

2. Чалий В.В. Вибір алгоритмів чисельного інтегрування для реалізації оптимальних алгоритмів керування позиційним приводом / В.В. Чалий, П.І. Розкаряка, О.І. Толочко // Збірник наукових праць 7-ї міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів «Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих». - м. Донецьк. - 2007. - С. 230-232.

3. Толочко О.И. Формирование оптимальных по нагреву диаграмм управления позиционным приводом с учетом ограничений на скорость и ускорение. / О.И. Толочко, П.И. Розкаряка // Збiрник наукових праць ДонДТУ. Серiя: “Електротехнiка i енергетика”, вип. 41. - Донецьк: ДонДТУ. - 2002. - С. 159-163.

4. Костенко В.И. Формирование оптимальных по нагреву диаграмм отработки заданных перемещений при наличии постоянного статического момента на валу двигателя / В.И. Костенко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка, О.И. Толочко // Вісник Національного Технічного Університету "ХПІ". - 2002. - №12. - Т.2. - C. 350-354.

5. Полинский С.В. Формирование оптимальных по тепловым потерям диаграмм позиционного электропривода с заданным значением ривка / С.В. Полинский, П.И. Розкаряка, О.И. Толочко // Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих: Збірник наукових праць VІ Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів і студентів в м. Донецьку. - Донецьк: ДонНТУ. - 2006. - С. 151-153.

6. Толочко О.И. Синтез задатчика положения с ограничением рывка при учете статического момента / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2008. - №3 (50). - Ч.1. - C. 58-63.

7. Толочко О.И. Расчет энергопотребления позиционного электропривода, реализующего оптимальное по тепловым потерям управление / О.И. Толочко, П.И. Розкаряка // Сборник научных трудов ДонНТУ. - Донецк, 2007. - №7(128) - C.31-34.

8. Коцегуб П.Х. Керування позицiйним електроприводом з комбiнованим керуванням за керуючим та збурюючим впливом. / П.Х. Коцегуб, О.I. Толочко, П.I. Розкаряка // Вiсник КДПУ Вип. 3/2004(26) - Кременчуг: КГПУ. - 2004. - C. 14-17.

9. Толочко О.И. Численное решение алгебраического уравнения в реальном времени при реализации оптимального алгоритма управления позиционным электроприводом / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка, З.И. Кателло // Науковий вісник НГУ. - 2006. - №6. - С. 91-94.

10. Розкаряка П.И. Коррекция оптимальных по тепловым потерям диаграмм отработки перемещений с учетом эффекта квантования по времени. / П.И. Розкаряка // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія: “Електротехніка і енергетика”. - Випуск 112. - Донецьк: ДонНТУ. - 2006. - С. 71-75.

11. Толочко О.И. Повышение точности цифрового интегрирования при реализации оптимальных алгоритмов управления позиционным приводом / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка // Електромашинобудування та електрообладнання. Міжвідомчий науково-технічний збірник. - Київ: Техніка. - 2006. - Вип. 66. - С. 66-68.

12. Коцегуб П.Х. Система подчиненного регулирования скорости с наблюдателем динамического и статического токов первого порядка / П.Х. Коцегуб, О.И. Толочко, В.Ю. Мариничев, П.И. Розкаряка // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПУ. - 2001. - №1(10) - С. 103-109.

13. Толочко О.И. Конструирование передаточных функций линейных САУ по заданному перерегулированию / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка // Вісник НТУ "Харківський політехнічний інститут". Збірка наукових праць. Тематичний випуск 10. - Харків, НТУ. - 2001. - С. 95-98.

14. Толочко О.И. Автоматизация полиномиального синтеза линейных систем / О.И. Толочко, П.И. Розкаряка // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции "Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB" (28-29 мая 2002г.). - Москва. ИПУ-РАН. - 2002. - C. 84-86.

15. Толочко О.И. Применение метода стандартных полиномов при синтезе системы подчиненного регулирования положения / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка // Вісник Східноукраїнського національного університету №11 (117) 2007. Науковий журнал. - Луганськ, СНУ. - 2007. - С. 188-194.

16. Бабенко С.В. Параметрический синтез системы подчиненного регулирования положения / С.В. Бабенко, П.И. Розкаряка, О.И. Толочко // Збірник наукових праць 7-ї міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів «Автоматизація технологічних об'єктів та процесів. Пошук молодих», м. Донецьк. - 2007. - С. 230-232.

17. Толочко О.И. Реализация алгоритмов цифрового управления позиционным электроприводом постоянного тока / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ. - 2007. - №3 (44). - Ч.1. - С. 18-20.

18. Толочко О.И. Методика настройки наблюдателя состояния, восстанавливающего статический и динамический моменты двигателя постоянного тока/ О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка, Г.С. Чекавский // Сборник научных трудов ДГТУ. Днепродзержинск. - 2007. - C. 434-436.

19. Толочко О.И. Идентификация электромеханической постоянной времени в системах с наблюдателями состояния, восстанавливающими статический момент / О.И. Толочко, П.Х. Коцегуб, П.И. Розкаряка, Г.С. Чекавский // Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» научно-технического журнала «Электроинформ» - Львов: ЕКОинформ. - 2009. - C. 59-62.

20. Толочко О.И. Особенности идентификации электромеханической постоянной времени и момента статического сопротивления в системах позиционного электропривода / О.И. Толочко, П.И. Розкаряка, Г.С. Чекавский // Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» научно-технического журнала «Электроинформ» - Львов: ЕКОинформ. - 2009. - C. 74-75.

21. Розкаряка П.И. Создание аппаратно-программного комплекса для исследования систем управления электроприводов постоянного тока / П.И. Розкаряка, В.В. Чалый // П'ята всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених і спеціалістів. Тези наукових доповідей. - Кременчук: КДПУ. - 2007. - C. 119.

У спільних роботах, виконаних в співавторстві, автору належить: в [1, 2, 11] - розробка методики цифрової реалізації задавальних пристроїв, що формують закони оптимального керування для позиційних електроприводів; в [3-6] - синтез алгоритмів оптимального за тепловими втратами керування позиційним електроприводом з урахуванням обмежень; в [7] - розрахунок енергоспоживання електропривода, що забезпечує керування, оптимальне за тепловими втратами; в [8, 12] - розробка математичних моделей, аналіз результатів моделювання; в [9, 17, 20, 21] - розробка програм досліджень та розробка експериментальної установки для реалізації у реальному часі системи позиційного електроприводу з задатчиком положення; в [13-16] - виконання структурного синтезу системи регулювання положення з бажаною передавальною функцією та математичне моделювання системи; в [18, 19] - розробка методики ідентифікації електромеханічної сталої часу системи електроприводу та експериментальні дослідження.

Анотація

Розкаряка П.І. Розробка оптимальних за тепловими втратами систем керування позиційним електроприводом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03. ? Електротехнічні комплекси та системи. - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2010.

У дисертаційній роботі представлені нові рішення в області систем керування положенням з поліпшеними енергетичними, динамічними і статичними показниками.

Розроблено оптимальні за швидкодією або за тепловими втратами алгоритми цифрового керування позиційним електроприводом з урахуванням ефектів квантування за часом, екстраполяції цифрових сигналів і особливостей цифрового інтегрування.

Обґрунтовані і запропоновані нові розподіли полюсів і нулів, отримані з умови забезпечення бажаного перерегулювання перехідної функції, що розширюють можливості досягнення заданої якості перехідних процесів в системах регулювання положення.

Синтезовано спостерігачі стану, що дозволяють ідентифікувати момент статичного опору і розроблена методика їх настройки і самонастройки.

У результаті вдалося розробити і застосувати на практиці задавальні пристрої, що реалізують оптимальні закони керування, нові критерії налаштування контурів регулювання, а також використовувати в системах регулювання положення принципів комбінованого керування за задавальним впливом і за ідентифікованим за допомогою спостерігача стану моментом статичного опору.

Ключові слова: економія електроенергії, оптимальне керування, теплові втрати, позиційний електропривод, цифровий задатчик положення, комбіноване керування, спостерігач стану.

Annotation

Rozkaryaka P. Development of positional electric drive control system, optimal on thermal losses. - Manuscript.

The thesis on competition of scientific degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - Donetsk National Technical University, Donetsk, 2010.

Algorithms, optimal on system response speed and on heat losses, have been developed for digital control of positional electric drive. They take into account the time sampling, the extrapolation of digital signals and features of digital integration.

New zeros-poles distributions have been obtained from the condition of providing the given overshoot of the step response function of the system, that extends the possibility of achieving a given transients in position control systems.

Speed observers for load torque identification have been designed, methods of their tuning and self-tuning were developed.

In result it was succeeded in developing and putting into practice the master control devices, that realize the optimal control laws, new criteria for control loops design. Also it made the possibility to use the combined control principles in position control systems.

Keywords: energy savings, optimal control, heat losses, positional electric drive, digital position master control device, combined control, state observer.

Аннотация

Розкаряка П.И. Разработка оптимальных по тепловым потерям систем управления позиционным электроприводом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03. ? Электротехнические комплексы и системы. - Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2010.

В диссертационной работе представлены новые решения в области систем управления положением с улучшенными энергетическими, динамическими и статическими показателями.

Разработаны оптимальные по быстродействию или по тепловым потерям алгоритмы цифрового управления позиционным электроприводом с учетом эффектов квантования по времени, экстраполяции цифровых сигналов и особенностей цифрового интегрирования. Использование алгоритмов позволит снизить непроизводительные потери электроэнергии и повысить составляющую точности позиционирования, связанную с неточностью формирования управляющего воздействия.

Получены оптимальные законы управления для систем позиционного электропривода с ограничением рывка при учете величины момента статического сопротивления.

Получили дальнейшее развитие методы полиномиального синтеза в направлении конструирования характеристических полиномов и полиномов воздействия из условия обеспечения желаемого перерегулирования переходной функции или его отсутствия. Применение этих методов в системах регулирования положения позволяет добиться отработки заданных перемещений без перерегулирования по положению при более высоком быстродействии, чем при использовании традиционных методов параметрического синтеза.

Получил дальнейшее развитие метод структурного синтеза, объединяющий в себе преимущества модального управления и подчиненного регулирования, применительно к системам регулирования положения, благодаря чему можно обеспечить желаемое качество переходных процессов этих систем, как в основном рабочем режиме, так и в режимах ограничения тока и скорости.

Синтезированы наблюдатели состояния, восстанавливающие статический момент, структуры которых отличаются от традиционных отсутствием дополнительного интегратора в канале формирования идентифицированного момента сопротивления, что позволяет уменьшить инерционность наблюдателя.

Разработана и теоретически обоснована методика настройки и самонастройки предложенных наблюдателей состояния, благодаря чему стало возможным успешное их использование в экспериментальных установках и в промышленности для компенсации статизма по возмущающему воздействию и для формирования оптимальных законов управления с учетом величины момента статического сопротивления.

Это позволило разработать и применить на практике задающие устройства, реализующие оптимальные законы управления, новые критерии настройки контуров регулирования, а также использовать в системах регулирования положения принципов комбинированного управления по задающему воздействию и по идентифицированному при помощи наблюдателя состояния моменту статического сопротивления.

Ключевые слова: экономия электроэнергии, оптимальное управление, тепловые потери, позиционный электропривод, цифровой задатчик положения, комбинированное управление, наблюдатель состояния.

Размещено на Allbest.ru

...