RUS | ENG || ДонНТУ> Портал магістрів ДонНТУ
Магістр ДонНТУ Соклов Микита Анрійович

Соколов Микита Андрійович

Електротехнічний факультет
Спеціальність: Електромеханічні системи автоматизації і електропривод

Тема випускної роботи:

Дослідження та розробка спостерігача стану з адаптацією до зміни параметрів об'кта керування

Науковий Керівник: Чекавський Гліб Станіславович

Матеріали до теми випускної роботи: Про автора

Реферат з теми випускної роботи


    Актуальність теми.

     В останній час, у зв’язку з розвитком елементної бази та появою програмних засобів, які полегшують аналіз і синтез складних систем, значно поширився інтерес до систем автоматичного керування (САК) зі спостерігачами стану (СС). Необхідність використання пристроїв спостереження зумовлена їх здібністю оцінювати значення координат, які не можливо або дуже важко виміряти безпосередньо (за допомогою відповідних датчиків). Наявність додаткової інформації про систему дозволяє поліпшити якість регулювання і поширює можливості автоматизації технологічних процесів. В електромеханічних системах спостерігачі стану доцільно застосовувати для оцінки таких сигналів як статичний, динамічний, електромагнітний та пружний моменти, електромагнітні потоки та потокозчеплення, швидкість двигуна та виконавчого органа механізму, натяг матеріалу, що прокатується і т. і. Але в процесі роботи деякі параметри об’єкта керування можуть змінюватися, і це призводить до того, що спостерігачі стану в цьому випадку працюватимуть з великою помилкою. Через це, дуже актуальними є розробки спостерігачів стану з адаптацією до зміни параметрів в об’єкті, або, як їх ще називають, адаптивних систем.

     Структура роботи:

  • Стислі данні про спостерігачі стану
  • Методика побудови СС з вузлом адаптації та приклади таких систем
  • Система з адаптацією до зміни моменту інерції валу двигуна
  • Система з адаптацією до зміни активного опору обмоток двигуна
  • Висновок

    1. СИНТЕЗ СПОСТЕРІГАЧА СТАНУ ПОВНОГО ПОРЯДКУ

         1.1.Вибір об’єкта регулювання та його математичний опис у просторі стану

        Взагалі лінійна система в просторі стану виглядає наступним чином :

    де A, B, C, D – матриці;
    Перше з системи рівнянь (1.1) зазвичай називається рівняння стану, друге – рівняння спостереження. В загальному випадку системі (1.1) відповідає блок-схема, зображена на рисунку 1.1.

        1.2. Перевірка спостережуваності об’єкта

    Для точного керування необхідно мати інформацію про поточний стан системи, тобто про значення змінних стану в кожний момент часу. Однак деякі змінні можуть бути абстрактними, тобто не мати фізичного аналога в реальній системі, а тому їх неможливо виміряти. Вимірюваними та спостережувані в системі є фізичні вихідні змінні yi(t) , якщо i менше або равно n , через які можливо однозначно виразити усі складові вектора X(t). Систему

    називають повністю спостережуваною, якщо є такий момент tk>t0 , що початковий стан системи X(T0)=X0 можна визначити за відомим виходом Y(t) на інтервалі часу . Але робиться припущення, що tk - будь-який не заданий проміжок часу, який допускається з умови tk>t0 . Нехай матриці А і С розмірністю відповідно [n*n] i [r*n], тоді пара А і С спостережувана при умові, що система (2.1) повністю спостережувана. Тоді маємо критерій спостережуваності: щоб лінійна стаціонарна система була повністю спостережувана, необхідно, щоб матриця спостережуваності
    розмірністю n*[r*n] мала ранг n.

        1.3. Розрахунок коригувальних коефіцієнтів

         Розрахунок коригувальних коефіцієнтів може бути здійснений методом «балансу коефіцієнтів». Суть цього методу полягає в тому, щоб спочатку скласти опис системи за допомогою рівнянь простору стану. Потім, визначивши матриці A, B, C та D, і перевіривши систему на спостережуваність, знаходимо характеристичний поліном спостерігача стану за формулою : φc(p)=det(pl-A+LC) ,де L – матриця коефіцієнтів зворотних зв’язків спостерігача стану, які й треба знайти. Після цього вибираємо бажаний характеристичний поліном. Бажаний поліном може бути заданий у вигляді полінома Баттерворта, Бесселя, Чебишева або іншими. А характеристичний поліном спостерігача стану має наступний вигляд: φc(p)= p+l

    2.СИНТЕЗ ВУЗЛА АДАПТАЦІЇ

        Спостерігаючі пристрої, які відновлюють змінні стану об’єкта, можуть також ідентифікувати параметри об’єкта, які неможливо виміряти. В цьому випадку спостерігаючі пристрої виконуються з самонастройкою за параметрами, що ідентифікуються, за рахунок введення інтеграторів, вхідні сигнали яких є різницею між виміряними та оціночними значеннями змінних стану об’єкта.

        2.1 Адаптація до зміни моменту інерції валу двигуна

        Розглянемо застосування адаптивного спостерігаючого пристрою ідентифікації в системі підпорядкованого регулювання швидкості двигуна постійного струму. В електроприводі виникають незаплановані зміни моменту інерції. Побудуємо адаптивний спостерігаючий пристрій, ідентифікуючий зміну моменту інерції. Для спрощення будемо вважати, що в замкнутій системі зворотнім зв’язком за ЕРС можна знехтувати, а момент опору залишається незмінним. В якості керуючої дії на нестаціонарну частину об’єкту розглянемо струм двигуна, а в якості вихідної координати – швидкість. Схема адаптивної системи зі спостерігаючим пристроєм виконана в середовищі Simulink пакету Matlab зображена на рис.2.1.

    Рисунок 2.1.1 - Графіки реального та відновленого значения 1/Tm при різних значеннях статичного моменту . Анимація, 3 кадра.

         2.2 Адаптація до зміни активного опору двигуна

         В процесі роботи систем електропривода (ЕП) відбувається зміна параметрів об’єкта регулювання під впливом зміни теплового стану двигуна та зміни режимів його роботи. Це може призводити до порушення характеристик системи і навіть до втрати системою працездатності. Тому актуальним у теперішній час є розробка і реалізація засобів, які дозволяють адаптувати систему регулювання до зміни параметрів об’єкта регулювання. Структурна схема моделі СС, який відновлює значення активного опору, наведена на рис.1, де використані такі позначення:

  • KT, KC – коефіцієнти зворотних зв’язків за регульованим струмом і за швидкістю;
  • Kµ, Tµ – коефіцієнт підсилення і еквівалентна стала часу перетворювача енергії, який застосовується в системі ЕП;
  • L a – індуктивність електромагнітного кола двигуна;
  • L1, L2 – коефіцієнти основних коригувальних зворотних зв’язків СС, які обраховуються за формулами:
    Ra – розрахункове (приблизне) значення активного опору двигуна; Tl=La/Ra – розрахункове значення електромагнітної сталої часу; γ– кратність середньогеометричного кореня Ω0=γ /Tµ СС, яка залежить від вигляду бажаного характеристичного поліному системи (наприклад, якщо в якості бажаного обрано поліном Батерворта 2-го порядку, γ=1,414); α β – коригувальні коефіцієнти каналу ідентифікації величини, зворотної по відношенню до Ra .
    Вибір коригувальних коефіцієнтів α β був виконаний на основі декількох сеансів математичного моделювання, під час яких було встановлено, що визначальну роль при ідентифікації активного опору відіграє значення коефіцієнту β. На рис.2.3 показані графіки перехідних процесів при паралельній роботі системи регулювання швидкості двигуна постійного струму П-52 (59 кВт, 220 В, 580 об/хв.) і спостерігача. Аналіз графіків показав, що для розглянутого випадку оптимальне значення β складає 80...120. На рис.2.3 наведені графіки відновленої величини 1/Ra.
    На підставі виконаних досліджень може бути зроблений загальний висновок про те, що розроблений спостерігач стану виконує функції, що були на нього покладені, отже, може бути рекомендований до застосування.

    Литература

    1. Пивняк Г.Г., Волков А.В. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией: Монография. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2006. – 470 с.
    2. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. – М.: Ма-шиностроение, 1976. – 184 с.
    3. Толочко О.І. Аналіз та синтез електромеханічних систем зі спостерігачами стану. Навч. посібник для студентів вищих навчальних закладів. – Донецьк: Норд-Прес, 2004. – 298 с.
    4. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электропривода-ми / Учебник для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. – 392 с.
    5. Система подчиненного регулирования скорости с обратной связью по оценке динамического тока / Коцегуб П.Х., Толочко О.И., Мариничев В.Ю., Никорюк Н.С., Розкаряка П.И. // Збірник наукових праць ДонНТУ. Серія “Електротехніка і енергетика”. – Випуск 28. – Донецьк: ДонНТУ, 2001. – С. 18 – 26.
    6. http://www.energosovet.ru/stat384.html. - Применение беспоисковой адаптивной системы для управления электроприводом с вентильным двигателем.
    7. http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=13985. - Идентификация объектов управления : учебное пособие.
    Про автора