АВТОРЕФЕРАТ

Актуальность темы

В последнее время, в связи с развитием элементной базы и появлением программных средств, которые облегчают анализ и синтез сложных систем, значительно возрос интерес к системам автоматического управления (САУ) с наблюдателями состояния (НС). Необходимость использования НС обусловлена их способностью оценивать значения координат, которые невозможно или очень сложно измерять непосредственно с помощью соответствующих датчиков. Наличие дополнительной информации о координатах системы позволяет улучшить качество регулирования и связанные с ним производительность и надежность производства, а также расширяет возможность автоматизации технологических процессов[1].

В электромеханических системах НС целесообразно применять для оценки таких сигналов как статический, динамический, электромагнитный и упругий моменты, электромагнитные потоки и потокосцепления, скорость двигателя или исполнительного органа механизма, натяжение прокатываемого материала и т.п.

Системы управления электроприводами с НС охватывают такие широко распространенные САУ как системы однозонного и двухзонного регулирования скорости с высокими требованиями к качеству переходных процессов и точности регулирования или стабилизации их координат.

Большинство проблем анализа, синтеза и наладки систем высокого порядка с НС может быть существенно упрощено и ускорено при использовании современных ЭВМ и соответствующего программного обеспечения. Появление усовершенствованных операционных систем и программных продуктов реального времени позволяют продвинуться и в решении задачи более быстрой и качественной разработки и наладки цифровых НС, входящих в состав цифроаналоговых САУ[2].

Таким образом, проблема создания систем электропривода с НС является актуальной. Ее решению способствует разработка новых методов анализа и синтеза таких систем, а также автоматизации этих процессов.

Цель и задачи исследований

Целью работы является исследование электромеханических систем с наблюдателями состояния, направленное на учет влияния на электромеханическую систему, замкнутую по оценкам сигналов, неизмеряемых возмущений, помех и изменений параметров объекта регулирования в процессе его работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- создание программно-аппаратного лабораторного комплекса для исследования цифро-аналоговых систем регулирования скорости электроприводов постоянного тока;

- структурный и параметрический синтез наблюдателей состояния, оценивающих скорость двигателя и момент статического сопротивления на его валу в системах однозонного и двухзонного регулирования скорости;

- разработка методики программной реализации цифровых НС;

- исследование разработанных систем методом математического моделирования и на экспериментальной установке;

- обобщение опыта теоретических и экспериментальных исследований.

Объектом исследования являются динамические процессы в электромеханических системах при неполной информации об объекте регулирования.

Предметом исследования являются системы косвенного регулирования скорости электроприводов постоянного тока.

Методы исследований. В основу исследований положены методы современной теории автоматического управления, линейной алгебры и теории матриц, методы дифференциального и интегрального исчисления, вычислительной математики, полиномиального синтеза, математическое и физическое моделирование.

Планируемый практический результат

1. Разработка НС, восстанавливающих скорость и момент статического сопротивления двигателей постоянного тока при однозонном регулировании скорости.

2. Разработка НС, восстанавливающих поток возбуждения, скорость, ЭДС и момент статического сопротивления двигателей постоянного тока при двухзонном регулировании скорости.

3. Разработка программно-аппаратного лабораторного комплекса для исследования влияния шумов на НС.

4. Разработка рекомендации по настройке наблюдателей состояния с учетом шумов измерения и помех.

5. Разработка рекомендации по настройке наблюдателей состояния с учетом изменения параметров объекта регулирования.

6. Разработка методики и программного обеспечение для автоматизированного анализа и синтеза в численном виде и в аналитической форме СМУ и НС, позволяющей облегчить и ускорить выполнение перечисленных операций.

Основные положения работы и результаты исследований обсуждались и были одобрены на всеукраинских научно-технических конференциях «Электротехнические и электромеханические системы (г. Севастополь, 2006г.), «Проблемы автоматизированного электропривода», (г. Днепродзержинск, 2006г.)

Состояние проблемы анализа и синтеза систем управления с наблюдателями состояния

Своим возникновением наблюдатели состояния обязаны развитию методов пространства состояний в теории автоматического управления. Эти методы сначала использовались в теории устойчивости [5], в математике при решении задач линейной алгебры и при решении систем обычных дифференциальных уравнений [6], в квантовой механике и некоторых других областях.

Стимулом к применению этих методов в теории автоматического управления во второй половине 50-х годов стало появление работ Р. Беллмана по динамическому программированию [7], Л.С. Понтрягина по оптимальному управлению [8], Р. Калмана по общей теории фильтрации и управления [9].

Имеющиеся и планируемые результаты работы

В первом разделе изложена история развития теории анализа и синтеза электромеханических систем с НС и выполнен анализ современного состояния этой проблемы. Отмечен вклад отечественных и зарубежных ученых в ее решение. Обнаружены недостатки существующих электромеханических систем с НС, методов их анализа, синтеза, настройки и методик автоматизации этих процессов. Намечены пути дальнейшего развития и усовершенствования теории анализа и синтеза систем с НС, обоснованы задачи исследований, направленные на создание высокоэффективных систем автоматизированного электропривода в условиях воздействия на систему неизмеряемых возмущений и неполной информации об ОР.

Во втором разделе выполнены исследования детерминированных линейных систем модального управления и систем управления произвольного вида с эквивалентными и редуцированными НС в канале обратной связи, в условиях воздействия на идентифицированную часть объекта регулирования неизмеряемого возмущения.

Третий раздел посвящен методике синтеза СПР методом стандартных полиномов, которая отличается от существующих методик тем, что внутренние контуры в режимах ограничения координат имеют настройку, обеспечивающую желаемое поведение этих контуров, а при работе в линейном режиме – настройку, обеспечивающую желаемое поведение внешнего контура. Это достигается за счет дополнительной обратной связи по регулируемой координате внутреннего контура, заведенной на вход регулятора внешнего контура.

В четвертом разделе разработаны методики и программное обеспечение для автоматизации конструирования стандартных и предложенных в работе канонических распределений полюсов и нулей, поиска дискретных аппроксимаций аналоговых полиномов в аналитической форме, синтеза аналоговых и цифровых модальных регуляторов в численном виде и в аналитической форме.

Выведены формулы, позволяющие использовать программы и методики, разработанные для синтеза статических СМУ, также и для синтеза астатических систем с интегральным регулятором в контуре, охватывающем модальный регулятор.

Программные модули написаны на алгоритмическом языке пакета MATLAB. Следует отметить, что стандартные функции системы программирования MATLAB предназначены только для численного синтеза модальных регуляторов полного порядка, а из канонических полиномов, наиболее часто используемых при синтезе систем управления электромеханическими объектами, они способны определить только параметры полиномов Баттерворта и Бесселя. Дополнение пакета MATLAB новыми программными модулями и методиками их использования, расширяет возможности автоматизированного синтеза аналоговых и цифровых систем и устройств по заданным распределениям их полюсов и нулей.

В пятом разделе разработаны аналоговые и цифровые наблюдатели состояния, восстанавливающие статический и динамический моменты двигателя постоянного тока.

Для однозонных и двухзонных систем косвенного регулирования скорости разработаны НС, которые восстанавливают не только статический и динамический токи (или моменты) двигателя, но и его скорость, а для двухзонных систем – еще и поток возбуждения Ф, и ЭДС двигателя (см. рис. 1-2)[3].

Особенностью приведенных НС является возможность корректировать ошибку оценивания скорости, возникающую при набросе нагрузки, при помощи сигнала восстановленного статического момента, как это показано на рис. 3.

Для НС со входом по току якоря и контролем по выходному сигналу датчика ЭДС, изображенных на рис. 1 и рис. 3, доказано, что ошибки оценивания скорости и ЭДС двигателя уменьшается при переносе традиционных точек съема восстановленных сигналов (точки e, g) на выходы сумматоров (точки f, h).

Рисунок 3 - Структурная схема НС для двухзонной системы косвенного регулирования скорости с коррекцией ошибки оценивания скорости двигателя

Показано, что применение инерционной обратной связи по оценке динамического тока, заведенной на вход регулятора скорости, позволяет существенно уменьшить амплитуду пульсаций тока якоря, обусловленных наличием пульсаций в напряжении тахогенератора, без ухудшения качества переходных процессов по управляющему воздействию и без увеличения статического падения скорости при набросе нагрузки (см. графики рис. 4)[4].

В шестом разделе будут обобщены результаты экспериментальных исследований и внедрения в промышленную эксплуатацию предложенных в диссертации систем и методик. На экспериментальной установке тиристорного электропривода будет выполнено сравнение астатических систем подчиненного регулирования с ПИ-РС и систем с П-РС и комбинированным управлением по идентифицированному статическому моменту.

В шестом разделе будут обобщены результаты экспериментальных исследований и внедрения в промышленную эксплуатацию предложенных в работе систем и методик. На экспериментальной установке тиристорного электропривода будет выполнено сравнение астатических систем подчиненного регулирования с ПИ-РС и систем с П-РС и комбинированным управлением по идентифицированному статическому моменту.

Разработана методика программной реализации цифровых НС в среде пакета MATLAB с использованием его расширений Simulink и Real Time Workshop, разработанной платформы реального времени QNX Target и компилятора С++ под управлением операционной системы реального времени QNX .

Программно-аппаратный лабораторный комплекс, созданный при участии соискателя, используется в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании, при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по специальности «Электромеханические системы автоматизации и электропривод». Система управления лабораторным комплексом реализует прямое цифровое управление электроприводом. Управляющая ЭВМ работает под управлением операционной системы реального времени QNX. Период дискретности цифровой управляющей машины составляет 0,5 мс. Кроме функции управления на систему возложены еще и функции визуализации с возможностью оперативного управления системой из клавиатуры компьютера. Вид окна визуализации показан на рисунке 5.

Рисунок 5 - Окно визуализации.

Регистрация необходимых сигналов (как внутренних так и внешних сигналов системы) осуществляется с частотой 2 кГц. Предусмотрена возможность записи сигналов с заданной предысторией. Пуск регистрации можно осуществить как вручную, так и программно. Количество записываемой информации ограничивается объемом выделяемой памяти из общего объема оперативной памяти для данной задачи.

Заключение

В магистерской работе приведены результаты исследований, направленные на повышение качества управления электромеханическими системами в условиях неполной информации об объекте регулирования. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработанные наблюдатели состояния, выполняющие идентификацию динамического и статического моментов, отличающиеся от известных НС отсутствием дополнительного интегратора, изменением точек съема восстанавливаемых сигналов и наличием узлов компенсации ошибок оценивания при набросе нагрузки, позволяют улучшить качество управления системами регулирования скорости и положения, а также надежность работы приводов.

2. Разработанная методика программной реализации и отладки цифровых наблюдателей состояния в среде ОСРВ QNX + MATLAB + Simulink + RTW + QNX Target + C отличается простотой, наглядностью и наличием множества сервисных функций; ее эффективность подтверждена экспериментальными исследованиями и опытом промышленной эксплуатации.

3. Основные теоретические положения подтверждены результатами математического моделирования и экспериментальных исследований.

Литература

1. Толочко О.І. Аналіз та синтез електромеханічних систем зі спостерігачами стану. – Донецьк: НОРД-ПРЕС, 2004. – 298 с.

2. Коцегуб П.Х., Толочко О.И., Федоряк Р.В. Оптимизация двухмассовых систем регулирования скорости с комбинированным управлением по задающему воздействию // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ. – 1998.– Спец. выпуск. – С. 40-41.

3. Толочко О.И., Федоряк Р.В. Трехконтурная система подчиненного регулирования скорости двухмассового электромеханического объекта // Проблеми створення нових машин і технологій (Кременчуцький державний політехнічний інститут) – Кременчуг: КГПИ. – 1998. – №2 – С. 48-50.

4. Толочко О.И., Коцегуб П.Х., Федоряк Р.В. Анализ и синтез модальных систем, замкнутых через наблюдатель состояния полного порядка // Праці Донецького державного технічного університету. Серія: Електротехніка і енергетика. – Донецьк: ДонДТУ. – 1999. – Вип. 4. – С. 46-51.

5. Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. 3-е изд. – М., Л.: Гостехиздат, 1950. – 471с.

6. Фрезер Р., Дункан В., Коллар А. Теория матриц и ее приложение к дифференциальным уравнениям и динамике. – М.: ИЛ, 1950.

7. Беллман Р. Динамическое програмирование. – М.: ИЛ, 1960. – 400 с.

8. Математическая теория оптимальных процессов / Л.С. Понтрягин, В.Г. Болтянский, Р.В. Гамкрелидзе, Е.В. Мищенко. – М.: Физматгиз, 1983. – 392с.

9. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. – М.: Мир, 1971. – 400с.