64325

СИНТЕЗ СИСТЕМ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛІННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ НА ОСНОВІ АНАЛІТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ НЕЛІНІЙНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Підвищення точності роботи електромеханічних систем управління стримується недосконалістю механічних передач від виконавчого двигуна до робочого механізму. Це, насамперед, проявляється при розширенні смуги пропускання робочих частот швидкості системи...

Украинкский

2014-07-04

327 KB

1 чел.

науково-технічний центр магнетизму технічних об’єктів

національна академія наук україни

Бовдуй Ігор Валентинович

УДК 681.51.011

СИНТЕЗ СИСТЕМ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛІННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ НА ОСНОВІ АНАЛІТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ НЕЛІНІЙНОГО НАВАНТАЖЕННЯ

Спеціальність 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі проблем управління магнітним полем Науково-технічного центру магнетизму технічних об’єктів НАН України, м. Харків.

Науковий керівник  

-

доктор технічних наук, професор

Кузнецов Борис Іванович,

Науково-технічний центр магнетизму технічних об’єктів НАН України, м. Харків,

завідувач відділу проблем управління магнітним полем.

Офіційні опоненти:

-

доктор технічних наук, професор

Дмитрієнко Валерій Дмитрович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”,

професор кафедри обчислювальної техніки та програмування;

-

кандидат технічних наук, доцент,

Балюта Сергій Миколайович,

Національний університет харчових технологій, м. Київ,

завідувач кафедри електропостачання промислових підприємств.

Захист відбудеться « 18 » червня 2010 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.64.253.01 у Науково-технічному центрі магнетизму технічних об’єктів НАН України за адресою:

61106, м. Харків, вул. Індустріальна, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Науково-технічного центру магнетизму технічних об’єктів НАН України.

Автореферат розісланий  «  12 » травня   2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради      О.Ю. Пилюгіна


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення точності роботи електромеханічних систем управління стримується недосконалістю механічних передач від виконавчого двигуна до робочого механізму. Це, насамперед, проявляється при розширенні смуги пропускання робочих частот швидкості системи, коли частоти власних механічних коливань трансмісії разом з виконавчим двигуном і робочим механізмом потрапляють до області робочих частот систем управління. При цьому доводиться враховувати наявність пружних елементів між валами виконавчого двигуна, редуктора і робочого механізму і замість одномасової моделі «двигун»-«робочий механізм» використовувати дво-, три-, а іноді, і багатомасову модель. Умови роботи електромеханічних систем ускладнюються також наявністю нелінійної залежності моменту (сили) тертя від швидкості проковзування робочого механізму відносно оброблюваного матеріалу. Така залежність часто проявляється в багатьох режимах роботи електромеханічних систем при низьких («повзучих») швидкостях руху робочого органу.

У цих умовах точність управління значним чином визначається нелінійними ефектами, які найбільше проявляються на низьких та наднизьких («повзучих») швидкостях і при високій точності руху. За таких умов часто виникає неплавний зривистий рух робочого органа, що насамперед, викликано наявністю падаючої ділянки в характеристиці зовнішнього тертя. Такі явища добре вивчені і спостерігаються, зокрема, при керуванні великими телескопами і антенами, роботами-маніпуляторами тощо. Задача створення систем управління ускладнюється ще і тим, що в кінематичному ланцюзі, як правило, присутні пружні елементи, які в сполученні з нелінійними ефектами характеристики зовнішнього тертя можуть приводити до незатухаючих коливань. Такі незатухаючі коливання спостерігаються в приводах подач шліфувального кругу на шліфувальних верстатах, в приводах подач пил для гарячого різання металу і в багатьох інших технологічних процесах. Аналогічні процеси характерні для режиму захвата зливка на блюмінгах і при прокатці товстих листів і смуг, коли виникає пробуксовка валків. Причому, для деяких механізмів такий режим є робочим, а для інших – аварійним, що призводить навіть до виникнення незатухаючих або розбіжних механічних коливань.

Більшість існуючих електромеханічних систем обладнані типовими ПІД-регуляторами. При наявності нелінійних та пружних елементів для підвищення точності використовують регулятори стану з модальним або оптимальним налаштовуванням. Однак, ці регулятори є лінійними регуляторами стану, що обмежує точність управління. Подальше підвищення точності у таких електромеханічних системах можливо одержати при використанні нелінійних регуляторів стану.

Тому розробка і удосконалення моделей та методів для рішення завдань синтезу нелінійного оптимального управління електромеханічними системами з аналітичними нелінійностями є актуальною задачею.


Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертація є наслідком діяльності здобувача при виконанні науково-дослідних робіт: «Розробка наукових основ побудови систем автоматичного управління магнітним полем технічних об’єктів» (постанова Бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики від 23.01.2007 р., № 1, § 4-в, шифр «САУ-2», № ДР 0107U000167), в якій здобувач був виконавцем окремих розділів; «Наукові основи синтезу багатоканальних систем високоточного управління об’єктами з нелінійними і пружними елементами» (Постанова Бюро Відділення фізико-технічних проблем енергетики від 20.11.2007 р., № 15, § 81, шифр «Точність», № ДР 0108U000059), в якій здобувач був виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення систем управління електромеханічними системами з аналітичними нелінійностями для підвищення точності і зменшення негативного впливу нелінійних і пружних елементів об'єктів на динамічні характеристики електромеханічних систем.

Досягнення поставленої мети здійснюється рішенням наступних основних завдань:

уточнення математичних нелінійних моделей електромеханічних систем з аналітичними нелінійностями;

розробка методики синтезу нелінійних оптимальних регуляторів для розроблених математичних нелінійних моделей електромеханічних систем з аналітичними нелінійностями;

розробка методики синтезу оптимальних спостерігачів, необхідних для реалізації нелінійного оптимального управління за повним вектором стану для розроблених математичних нелінійних моделей електромеханічних систем з аналітичними нелінійностями;

моделювання синтезованих систем у різних режимах роботи і аналіз отриманих результатів;

експериментальна перевірка розроблених моделей, методів синтезу та синтезованих систем нелінійного оптимального управління на розробленому макеті двомасової електромеханічної системи і аналіз отриманих результатів.

Об'єктом дослідження є процеси в системах управління електромеханічними системами з аналітичними нелінійностями з урахуванням пружних елементів та нелінійних залежностей зовнішнього тертя.

Предметом дослідження є нелінійні системи управління електромеханічними системами з аналітичними нелінійностями з урахуванням пружних елементів та нелінійних залежностей зовнішнього тертя, моделі і методи синтезу таких систем.

Методи дослідження: побудова математичних моделей нелінійних електромеханічних систем як об’єктів управління виконана на основі теорії електроприводу з урахуванням пружних елементів. Аналіз і синтез систем управління проводився на базі основних положень і розділів теорії автоматичного управління, теорії оптимального управління та теорії управління електроприводами. Дослідження проводилися на ПЕОМ з використанням пакету MATLAB.


Наукова новизна отриманих результатів:
 

вперше отримано наукове обґрунтування доцільності використання нелінійних оптимальних регуляторів для підвищення точності електромеханічних систем з аналітичними нелінійностями;

вдосконалено математичні моделі нелінійних електромеханічних систем з врахуванням пружних елементів та нелінійних залежностей зовнішнього тертя у вигляді одно-, дво- та тримасових електромеханічних систем з аналітичними нелінійностями;

дістав подальшого розвитку метод синтезу нелінійних оптимальних регуляторів та нелінійних оптимальних спостерігачів стану для нелінійних електромеханічних систем з аналітичними нелінійностями.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність дисертаційної роботи полягає в розробці нових нелінійних законів управління електромеханічними системами, що забезпечують високоякісне регулювання. Синтезовані нелінійні регулятори забезпечують більш високу якість регулювання з урахуванням нелінійних залежностей зовнішнього тертя виконавчого пристрою системи, а для реалізації нелінійних законів управління потрібні суттєво менші одиничні коефіцієнти підсилення зворотних зв’язків в порівнянні з лінійними регуляторами.

Результати, які були отримані в результаті виконання дисертаційної роботи, впроваджені на Державному підприємстві Науково-виробнича корпорація  «Київський інститут автоматики» і в НТЦ МТО НАН України при виконанні науково-дослідної роботи відомчого замовлення НАН України «Наукові основи синтезу багатоканальних систем високоточного управління об'єктами з нелінійними та пружними елементами», де автор був відповідальним виконавцем.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи, які винесені на захист, отримані здобувачем особисто. В [1-3] розроблені математичні моделі електромеханічних систем як одно-, дво- та тримасових систем з урахуванням нелінійних характеристик зовнішнього тертя на валах двигуна, редуктора і робочого механізму у вигляді степеневих рядів; на основі розроблених нелінійних моделей об'єкту з аналітичними нелінійностями синтезовані оптимальні нелінійні регулятори [3] та оптимальні нелінійні спостерігачі [2, 4, 7], які забезпечують високу швидкодію і якість управління; виконано моделювання синтезованих нелінійних оптимальних систем і проведено аналіз отриманих результатів [5, 6]; для експериментальної перевірки ефективності одержаних нелінійних оптимальних регуляторів та нелінійних оптимальних спостерігачів розроблено стенд двомасової електромеханічної системи [8, 9, 12, 13], на якому виконано дослідження динамічних властивостей синтезованих систем [10, 11, 14].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень за темою дисертації доповідались та обговорювались на VII, VIII, IX, XV міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика" (м. Алушта, 1999, 2000, 2001, 2009 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях "Прогресивні технології і системи машинобудування» (м. Севастополь, 2000, 2001 рр.); міжнародній конфере-


нції по управлінню "Автоматика-2001" (м. Одеса, 2001 р.);
XV, XVI міжнародних науково-технічних конференціях "Машинобудування і техносфера XXI століття" (м. Севастополь, 2008, 2009 рр.); а також на засіданнях семінару «Проблеми управління магнітним полем електромагнітних та електромеханічних систем» секції 9 «Проблеми магнетизму енергонасичених об'єктів» Наукової Ради НАН України з проблеми «Наукові основи електроенергетики» (м. Харків, 2008, 2009 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, з них 11 статей у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 3 статті у збірниках наукових праць.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів основної частини, висновків, списку використаних літературних джерел і п’яти додатків. Повний обсяг дисертації складає 168 сторінки, в тому числі 162 сторінки основного тексту, 72 ілюстрацій, 15 таблиць, список використаних джерел, що містить 239 найменувань на 21 сторінках, та п’яти додатків на 126 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі  обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт і предмет дослідження, викладені положення, що складають новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розкрито стан проблеми, проаналізовані методи синтезу нелінійних регуляторів для нелінійних систем.

Наявність пружних елементів у трансмісіях багатьох електромеханічних систем не дозволяє реалізувати високу швидкодію, властиву сучасним системам управління електроприводами. Доводиться зменшувати смугу пропускання систем управління в десятки і навіть у сотні разів у порівнянні з вихідним настроюванням регуляторів у жорсткій системі управління. При цьому доводиться одночасно зменшувати швидкість руху робочих органів, що призводить до істотного зниження продуктивності обладнання. Спроби підвищити швидкодію в рамках традиційних регуляторів систем підлеглого регулювання сприяють виникненню незатухаючих коливань струму і швидкості, часто роблячи систему принципово непрацездатною.

Тому задача удосконалення систем управління електромеханічними системами для підвищення точності і зменшення негативного впливу нелінійних і пружних елементів об'єктів на динамічні характеристики електромеханічних систем є актуальною.

В кінці розділу приведено обґрунтування вибору мети дисертаційної роботи і сформульовані задачі дослідження.

Другий розділ присвячений розробці математичних моделей нелінійних електромеханічних систем з аналітичними нелінійностями і досліджені їх динамічні характеристики.

Математичні моделі таких систем з урахуванням наявності пружних еле-


ментів представлені у вигляді одно-, дво- і тримасових систем наведені у формі змінних ст
ану:

                                                      (1)

.                                                      (2)

Лінеаризовані рівняння стану наведені у формі:

 (3)

де  - вектора стану, управління і виходу;

A, B, C, D -  відповідно матриці стану, управління, виходу і виходу по керуванню.

Розглянемо тримасову електромеханічну систему, у вигляді трьох зосереджених мас двигуна , редуктора  і робочого механізму  з урахуванням пружності валів, що з'єднують їх між собою.

Багатьма дослідженнями встановлено, що в загальному випадку залежність між моментом опору і швидкістю обертання навантаження має складний характер, обумовлений багатьма факторами, у тому числі якістю складання механізму, рівнем його забруднення, якістю змащення, припрацьованістю деталей тощо.

Нелінійні характеристики моментів зовнішнього тертя на валах двигунів ,  і платформ ,  є нелінійними функціями швидкостей руху відповідних рухомих частин об'єкта управління і можуть бути апроксимовані степеневі рядами

.

Для практичного використання зазвичай достатньо третього порядку цього степеневого ряду. Звичайно при апроксимації нелінійної характеристики зовнішнього тертя з урахуванням спадаючої ділянки лінійний член має додатне значення, квадратичний член практично нульове значення, і кубічний член додатне значення.

Така ситуація має місце при описі нелінійної характеристики зовнішнього тертя що має падаючу ділянку при малих швидкостях руху, а потім лінійну і


зростаючу ділянку при великих швидкостях руху виконавчого органу. Для багатьох електромеханічних систем при роботі на низьких і наднизьких швидкостях характерним режимом роботи є переривчастий рух, що супроводжується зупинками, а потім зрушуваннями виконавчого двигуна і робочого механізму. У цьому випадку необхідно враховувати наявність сухого тертя, що також може бути априксимовано степеневим рядом. Однак, у цьому випадку лінійний коефіцієнт розкладання має додатне значення, а кубічний коефіцієнт від’ємне значення. Це відбувається тому, що при низьких, теоретично нульових, швидкостях руху, характеристика сухого тертя має нескінченно великий нахил у вигляді уступчастої функції, а при зрушуванні рухомої частини характеристика сухого тертя має нульовий нахил.


Введемо вектор стану:

,

де , ,  - швидкості обертання робочого механізму, редуктора і приводного двигуна;

- моменти пружності в тихохідному і швидкохідному валах.

Запишемо рівняння динаміки в наступному вигляді:

  (4)

.   (5)



Третій розділ
присвячений розробці методу синтезу нелінійного управління електроприводами з аналітичними нелінійностями.

Розглянемо завдання синтезу оптимального управління , що мінімізує функціонал

.                                                         (8)

Передбачається, що функція  є аналітичною і розкладається в степеневий ряд

Будемо шукати оптимальне управління  у формі зворотних зв'язків за повним вектором стану

.                                                   (10)

Уведемо функцію Ляпунова

.                                                (11)

Тоді, на підставі достатньої умови оптимальності критерію мінімуму (8), забезпечується оптимальне управління (10) , що створить систему рівнянь, еквівалентну рівнянню Гамільтона-Якобі-Беллмана:

;

.

Обмежимося спочатку в рядах (6, 7, 9) членами нижчого порядку щодо векторів стану  і управління .


Функція Ляпунова  буде квадратичною формою, коефіцієнти якої задовольняють системі квадратних рівнянь, а оптимальне рівняння  буде ліні
йною функцією вектора стану

                                        (13)

де

,

а  є сталим рішенням рівняння Ріккаті

.

Підставимо це лінійне управління (13) і квадратичну функцію Ляпунова до рівнянь (6, 7) і додамо, поки що з невідомими коефіцієнтами, члени другого порядку в оптимальне управління (10) і члени третього порядку  у функцію Ляпунова (11). Додамо у вихідну лінійну систему (1, 2) члени другого порядку  і  і додамо до інтегрального квадратичного функціонала (14) члени третього порядку . Підставляючи отримані функції в рівняння (8, 9) знайдемо вихідні рівняння для невідомих коефіцієнтів другого порядку  оптимального рівняння і третього порядку  функції Ляпунова. Аналогічно відшукуються наступні наближення.

При такому підході динаміка вихідної нелінійної системи (4, 5) замкнутої нелінійним регулятором (10) за повним вектором стану  визначається функціоналом (8) і, в значній мірі, ваговими матрицями  в інтегральному квадратичному функціоналі (12).

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений побудові нелінійних спостерігачів для розглянутих систем.

Для реалізації управління (10) необхідно мати повний вектор стану . Звичайно вимірюваним є деякий неповний вектор виходу . Для вихідної нелінійної системи (4, 5) побудуємо нелінійний спостерігач



у якому нелінійна векторна функція  може бути представлена у вигляді ряду

де індекс  указує порядок форми від векторів стану , управління  і вимірювання .

Першим наближенням такого спостерігача є лінійний фільтр Калмана-Бьюсі для лінійної системи

,                                        (14)

збудженої сигналом типу білого шуму  і вимірюваного виходу

                                               (15)

з перешкодою виміру сигналом типу білого шуму .

Тоді лінійний спостерігач

                              (16)

у якому коефіцієнт підсилення фільтра

,

а матриця  є сталим рішенням рівняння Рікатті

,

у якому  – матриці коваріацій випадкових сигналів  і , що збуджують вихідну систему (14) і перешкоди виміру (15).

Тоді у вихідному нелінійному спостерігачі (16) лінійні члени відповідно дорівнюють

,    ,     .

Для обчислення квадратичного, кубічного і наступних наближень використовуються допоміжні координати, що обчислюються в формі відхилень вихідної нелінійної системи від попереднього наближення. Параметризація таких моделей виконується методом найменших квадратів.

Дослідження перехідних процесів у синтезованих системах з нелінійними оптимальними регуляторами, замкнутих через нелінійні оптимальні спостерігачі показало, що вони практично збігаються з перехідними процесами в системі, замкнутої оптимальними нелінійними регуляторами за повним вектором стану.

Для розглянутих систем за допомогою синтезованих нелінійних спостерігачів відновлюються лише змінні стану механічної системи, у якій і зосереджені основні нелінійності. Входом такої системи є струм якірного ланцюга двигуна (або пропорційний йому момент двигуна), а вимірюваним виходом є швидкість обертання ротора двигуна. Відновлюваними змінними стану є момент пружності і швидкість робочого механізму при розгляді системи як двомасової, або моменти пружності у швидкохідному і тихохідному валах,


швидкості обертання редуктора і робочого механізму при розгляді системи як трим
асової.

Запропоновані нелінійні спостерігачі досить легко реалізуються за допомогою апаратних і програмних засобів у випадку, коли величину моменту інерції ротора двигуна можна порівняти з величиною моментів інерції редуктора і робочого механізму. Якщо ж величина моменту інерції робочого механізму на порядок менше величини моменту інерції ротора двигуна, то відновити змінні стану не вдається. В таких випадках необхідно мати додаткові пристрої для вимірювання, наприклад, величини пружного моменту, швидкості робочого механізму тощо.

П'ятий розділ присвячений створенню стенда двомасової електромеханічної системи для перевірки ефективності синтезованих нелінійних регуляторів і підтвердженню відповідності отриманих результатів. Дослідницький стенд виконано з мінімальним набором вузлів і потужностей двигунів. Структура стенду дозволяє виконати налагодження програмного забезпечення алгоритмів управління складними електромеханічними системами.

Стенд двомасової електромеханічної системи містить дві однакові електричні машини постійного струму зі збудженням від постійних магнітів, ротори яких зв'язані між собою пружною ланкою. Передбачається, що одна машина буде працювати в режимі двигуна, а інша - в генераторному (за її допомогою буде імітуватись активний момент навантаження). При необхідності перша машина може також працювати в режимі гальмування.

На роторах кожної машини встановлені оптичні дискретні датчики кутового положення, якими вимірюються також і кутові швидкості роторів. На валах кожної машини гальмівні пристрої встановлені так, що моменти сухого тертя кожної машини дорівнюють природному моменту сухого тертя машини і регульованому за допомогою гальмових пристроїв додатковому моменту зовнішнього тертя. .

Механічна частина стенда виконана на базі двох однотипних мікродвигунів постійного струму ДПМ-25-Н2. Перетворювачем електричної енергії в механічну є мікродвигун M1, а величина навантаження для М1 формується мікродвигуном МН. Вали двигунів М1 і МН з'єднуються за допомогою пружної передачі. Система управління стендом складається з мікроконтролерного вимірювально-керуючого комплексу і персонального комп'ютера, зв'язаних між собою через послідовний порт RS-232C. Для управління режимом роботи основного і навантажувального двигунів М1 і МН, що працюють в 4-х квадрантах, необхідно сформувати сигнали напруги живлення двигунів постійного струму (ДПС), виміряти величини струму і кутів повороту вала для обох двигунів. Величина напруги живлення двигунів задається 8-розрядними таймерами МК, що працюють у режимі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).


Для експериментального визначення динамічних характеристик стенда як двомасової електромеханічної системи були проведені всебічні дослідження.

Для визначення власних коливань системи на перший двигун подається максимальна напруга живлення, і двигун розкручується до максимальної швидкості; після розгону першого двигуна його вал різко загальмовується і регіструються коливання кута повороту другого двигуна. В системі виникають власні механічні коливання частотою рівною 1,97 Гц.

За експериментальними даними були уточнені параметри математичної моделі стенда як двомасової електромеханічної системи, для якої були синтезо-


вані нелінійні оптимальні регулятори, та виконано дослідження фізичних процесів в неліні
йній оптимальній системі.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі набули подальшого розвитку методи синтезу нелінійних оптимальних систем управління електроприводами з урахуванням нелінійних та пружних елементів. Отримані в дисертації результати вносять суттєвий внесок у вирішення науково-прикладного завдання синтезу систем нелінійного оптимального управління нелінійними електромеханічними системами з аналітичними нелінійностями. Основні результати і висновки дисертаційної роботи наступні.

1. В результаті аналізу існуючих систем управління електромеханічними системами науково обґрунтована актуальність підвищення точності роботи електромеханічних систем за рахунок застосування нелінійних регуляторів. Обрано напрямок дослідження для подальшого підвищення точності електромеханічних систем і показані можливі шляхи розв’язання цієї проблеми.

2. Проведено уточнення математичних моделей нелінійних об'єктів управління у вигляді одно-, дво- і тримасових електромеханічних систем з урахуванням пружних елементів у трансмісії між виконавчим двигуном, редуктором і робочим органом та з урахуванням нелінійних залежностей зовнішніх моментів тертя на валах виконавчих двигунів, редукторів і робочих органів.

3. Виконано уточнення математичних моделей зовнішніх моментів тертя


виконавчих двигунів, редукторів і робочих органів у вигляді степеневих рядів за експерим
ентальними залежностями. Показано, що аналітичні залежності у вигляді степеневих рядів третього порядку відрізняються від експериментальних нелінійних залежностей зовнішніх моментів тертя виконавчих двигунів, редукторів і робочих органів не більше ніж на 7 %.

4. Розроблено методику синтезу нелінійних оптимальних регуляторів у вигляді нелінійних зворотних зв'язків за вектором стану об'єкта управління для розроблених нелінійних моделей вихідних об'єктів управління з аналітичними нелінійностями. Для синтезованих нелінійних об'єктів з нелінійними оптимальними регуляторами проведене всебічне дослідження динамічних характеристик. В результаті порівняння динамічних характеристик синтезованих нелінійних оптимальних систем, замкнених нелінійними оптимальними регуляторами, із нелінійними оптимальними системами, яких замкнені лінійними оптимальними регуляторами, встановлено, що за допомогою синтезованих нелінійних регуляторів вдається скоротити час регулювання у 1,3-1,4 рази при одночасному зменшенні рівня перерегулювання на 10-20 %.

5. Розроблено методику синтезу нелінійних оптимальних спостерігачів, за допомогою яких відновлюється повний вектор стану вихідних об'єктів управління з аналітичними нелінійностями по вимірювальному вектору виходу вихідної нелінійної системи для реалізації нелінійного оптимального управління за повним вектором стану. В результаті дослідження динамічних характеристик синтезованих нелінійних оптимальних спостерігачів встановлено, що вони відрізняються від відповідних динамічних характеристик змінних стану об’єкту управління не більше ніж на 4-5 %.

6. Експериментально підтверджена адекватність розроблених математичних моделей та правильність результатів теоретичних досліджень методу синтезу систем нелінійного оптимального управління на розробленому стенді двомасової електромеханічної системи з пружним зв'язком між виконавчим двигуном і двигуном, що імітує навантаження. Показано, що динамічні характеристики розроблених математичних моделей відрізняються від відповідних динамічних характеристик змінних стану розробленого стенду двомасової електромеханічної системи не більше ніж на 8 %. Проведено експериментальні дослідження динамічних характеристик синтезованої системи нелінійного оптимального управління стендом двомасової електромеханічної системи. Показано, що динамічні характеристики синтезованої системи нелінійного оптимального управління стендом відрізняються від відповідних динамічних характеристик змінних стану синтезованої на розробленій математичній моделі двомасової електромеханічної системи не більше ніж на 10 %.

7. На основі виконаних експериментальних досліджень зроблено висновок про достовірність теоретичних положень та оцінена ефективність основних ідей і методик синтезу нелінійних оптимальних регуляторів на дослідницькому стенді. Показано, що за допомогою синтезованих нелінійних регуляторів можна підвищити точність роботи електромеханічних систем з нелінійними та пружними елементами.


8. Основні результати виконаних в дисертації досліджень та практичних розробок в
икористані: на Державному підприємстві Науково-виробнича корпорація «Київський інститут автоматики» Мінпромполітики України при синтезі, розробці і впровадженні автоматизованих систем управління технологічними процесами прокатного виробництва, і в НТЦ МТО НАН України при виконанні науково-дослідної роботи відомчого замовлення НАН України «Наукові основи синтезу багатоканальних систем високоточного управління об'єктами з нелінійними та пружними елементами», де автор був відповідальним виконавцем.

9. Результати дисертаційної роботи рекомендовані до використання науковими і промисловими установами і підприємствами, які виконують дослідження та розробка систем управління електроприводами підвищеної точності.

10. Достовірність і обґрунтованість наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційних положень підтверджуються використанням коректних методів досліджень, узгодженням розрахунків з експериментальними даними та раніше відомими з літературних джерел результатами, апробацією основних положень і результатів на поважних наукових конференціях.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кузнецов Б.И. Приближенно-оптимальное управление нелинейными электроприводами / Б.И. Кузнецов, А.Н. Калногуз, А.А. Чаусов, В.П. Соляник, Т.Б. Кузнецова, И.В. Бовдуй // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Харьков: ХГПУ. – 1999. Вып. 61. – С. 58-59.

2. Кузнецов Б.И. Электропривод механизма подачи пилы горячей резки металла / Б.И. Кузнецов, О.В. Соляник, А.Н. Калногуз, А.А. Чаусов, С.В. Лобачев, И.В. Бовдуй // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Харьков: ХГПУ. – 2000. – Вып. 113. – С. 204-205.

3. Кузнецов Б.И. Синтез электромеханических систем в режиме отработки малых скоростей / Б.И. Кузнецов, О.В. Соляник, А.А. Чаусов, И.В. Бовдуй // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. – 2000. – Вып. 12. – С. 156-160.

4. Кузнецов Б.И. Оценивание переменных состояния нелинейных электромеханических систем / Б.И. Кузнецов, А.А. Чаусов, С.В. Лобачев, И.В. Бовдуй // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, – 2001. – Вып. 16. – С. 282-287.

5. Кузнецов Б.И. Синтез нелинейных динамических систем с аналитическими нелинейностями / Б.И. Кузнецов, А.А. Чаусов, Т.Б. Кузнецова, И.В. Бовдуй // Матеріали Міжнародної конференції по управлінню "Автоматика - 2001", 10-14 вересня 2001 р., м. Одеса, Україна: в 2-х т. – Одеса: ОДПУ.  2001.  Т. 1. – С. 37.

6. Кузнецов Б.И. Сравнение эффективности нелинейных и линейных оптимальных регуляторов состояния электромеханических систем с упругими элементами / Б.И. Кузнецов, А.Н. Калногуз, В.П. Соляник, А.А. Чаусов,


С.В. Лобачев, И.В. Бовдуй // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2001. – Вып. 10. – С. 111-112.

7. Кузнецов Б.И. Цифровое робастное управление трехопорной управляемой платформой / Б.И. Кузнецов, Т.Б. Никитина, Л.Г. Кузнецова, В.В. Коломиец, И.В. Бовдуй, А.А. Волошко // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. – Дніпродзержинськ: ДДТУ. – 2007.  С. 375–376.

8. Кузнецов Б.И. Разработка стенда двухмассовой электромеханической системы / Б.И. Кузнецов, Т.Б. Никитина, И.В. Бовдуй, А.В. Волошко, Е.В. Винниченко // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2008.  Вып. 40.  С. 39-45.

9. Кузнецов Б.И. Стенд двухмассовой электромеханической системы / Б.И. Кузнецов, Т.Б. Никитина, И.В. Бовдуй, А.В. Волошко// Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2008. – Вып. 30. – С. 423-424.

10. Кузнецов Б.И. Синтез многоканальных систем высокоточного управления объектами с нелинейными и упругими элементами / Б.И. Кузнецов, Т.Б. Никитина, И.В. Бовдуй, А.А. Волошко, Е.В. Винниченко // Технічна електродинаміка. – Київ. – 2008. – Ч. 2. – С. 81-86.

11. Никитина Т.Б. Разработка и экспериментальное исследование динамических характеристик стенда двухмассовой электромеханической системы / Т.Б. Никитина, И.В. Бовдуй, А.В. Волошко, Е.В. Виниченко // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2008. – Вып. 57. – С. 128–137.

12. Кузнецов Б.И. Разработка стенда электромеханической системы со сложными кинематическими связями / Б.И. Кузнецов, С.Н. Лутай, В.П. Соляник, И.В. Бовдуй, А.В. Волошко // Международная научно-техническая конференция «Машиностроение и техносфера ХХІ века». – Донецк: ДонНТУ. – 2008. – Т. 2. – С. 173–177.

13. Никитина Т.Б. Математическая модель стенда двухмассовой электромеханической системы / Т.Б. Никитина, И.В. Бовдуй, А.В. Волошко, Е.В. Винниченко // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2009. – Вып. 7.  С. 110–117.

14. Кузнецов Б.И. Исследование динамических характеристик робастного регулятора стенда двухмассовой электромеханической системы / Б.И. Кузнецов, В.В. Коломиец, В.П. Соляник, И.В. Бовдуй, А.В. Волошко, Е.В. Виниченко // Международная научно-техническая конференция «Машиностроение и техносфера ХХІ века». – Донецк: ДонНТУ. – 2009. – Т. 2. – С. 61–65.


АНОТАЦІЇ

Бовдуй І.В. Синтез оптимального управління електроприводами з аналітичними нелінійностями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 електротехнічні комплекси і системи. Науково-технічний центр магнетизму технічних об'єктів НАН України, Харків, 2010.

Дисертація присвячена розвитку методу синтезу нелінійного оптимального управління нелінійними електроприводами з аналітичними нелінійностями, який забезпечує високу точність управління електромеханічними системами зі складними кінематичними зв'язками.

Розроблено математичні моделі об'єктів управління у вигляді одно-, дво- і тримасових електромеханічних систем з урахуванням нелінійних характеристик зовнішнього тертя робочого органу, редуктора і приводного двигуна, які апроксимовані степеневими рядами.

Розроблено методику синтезу нелінійних оптимальних регуляторів та методику синтезу нелінійних оптимальних спостерігачів для управління нелінійними електроприводами з аналітичними нелінійностями.

Ключові слова: багатомасова електромеханічна система, аналітичні нелінійності, нелінійний оптимальний регулятор, нелінійний оптимальний спостерігач.

Бовдуй И.В. Синтез оптимального управления электроприводами на основе аналитических моделей нелинейной нагрузки. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. Научно-технический центр магнетизма технических объектов НАН Украины,  Харьков, 2010.

Диссертация посвящена решению задачи синтеза нелинейного оптимального управления нелинейными электроприводами с аналитическими нелинейностями.

В результате анализа применяемых в настоящее время систем управления электроприводами и с учётом требований, предъявляемым к современным системам управления электроприводами, сделан вывод о перспективности применения нелинейного оптимального управления. Впервые предложено выполнить синтез нелинейной системы управления электроприводами, имеющей нелинейные обратные связи по переменным состояния.

Разработаны математические модели объектов управления в виде одно-, двух- и трехмассовых электромеханических систем с учетом нелинейных характеристик внешнего трения рабочего органа, редуктора и приводного двигателя, аппроксимированных степенными рядами.

Решена задача синтеза нелинейных оптимальных регуляторов и нелинейных оптимальных наблюдателей для управления нелинейными электроприводами с аналитическими нелинейностями.


Исходя из полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований сделан вывод, что предложенная концепция построения нелинейных оптимальных регуляторов является перспективной для применения в современных системах управления электромеханическими системами.

Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик синтезированной нелинейной оптимальной системы управления стендом двухмассовой электромеханической системы подтвердили выводы теоретических исследований и показали, что с помощью синтезированного нелинейного оптимального регулятора обеспечивается высокое качество регулирования.

Показано, что с помощью нелинейных оптимальных регуляторов в двухмассовой электромеханической системе можно получить апериодические процессы по моменту сопротивления, в отличие от линейных регуляторов, в которых переходные процессы по моменту сопротивления колебательные. Кроме того, применение нелинейных регуляторов позволяет реализовать эффективное управление с существенно меньшими единичными коэффициентами усиления по сравнению с коэффициентами усиления линейных регуляторов.

Установлено, что применение нелинейных обратных связей по полному вектору состояния потенциально позволяет реализовать более эффективное управление по сравнению с линейными обратными связями и получить динамические характеристики синтезированных электромеханических систем, которые невозможно реализовать с помощью линейных регуляторов.

Ключевые слова: многомассовая электромеханическая система, аналитические нелинейности, нелинейный оптимальный регулятор, нелинейный оптимальный наблюдатель.

Bovduj I.V. Synthesis of optimal control by electric drive based analytical models nonlinear load. - Manuscript.

The thesis for technical sciences candidate’s degree, specialty 05.09.03 – electrical engineering complexes and systems. – Magnetism of Technical Objects Science and Technology Center of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2010.

The dissertation is devoted the solution of nonlinear optimal control synthesis by nonlinear electric drive with analytical nonlinearities.

That secures high exactness of management by the electromechanics systems with the difficult kinematics bond.

The mathematical models are developed of objects of management as one-, two- and threemass electromechanics systems taking into account the nonlinear descriptions of external friction of working organ, reducing gear and drive motor, approximated by the power series.

The task of synthesis of nonlinear optimal regulators and nonlinear optimal observers is decided for a control nonlinear electric drive with analytical nonlinearities. By the synthesized nonlinear optimum regulator high quality is secured of adjusting.

Keywords: multimass electromechanically system, analytical nonlinearities, nonlinear optimal regulators, nonlinear optimal observers.


Підп. до друку  08.05.2010 р.

Обсяг 0,9 авт. арк.

Формат 60х90/16

Тираж 120 прим.

Гарнітура Times.

Зам. №    

Видавництво ФО-П Шейніной О.В.  

пр. Гагаріна, 1, м. Харків, 61001

тел.: (057) 732-36-98

Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до реєстру видавців, виготівників і розповсюджувачів видавничої продукції

серія ДК № 2779 від  «28» лютого 2007 р.


1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56450. Типы уроков иностранного языка 53 KB
  Урок изучения и первичного закрепления новых знаний. Первичная проверка усвоения знаний. Первичное закрепление знаний. Контроль и самопроверка знаний.
56451. ТИПЫ УРОКОВ РУССКОГО ЯЗЫКА 72 KB
  Итак в школьной практике выделяют: урок повторения предшествующего учебного материала в начале учебного года; урок объяснения нового материала урок новых знаний; урок закрепления знаний формирования умений и навыков...
56452. Типы уроков русского языка 68.5 KB
  Применительно к организации учебного процесса на уроках русского языка можно выделить следующие структурные компоненты: а организационный момент начало урока; б проверка письменных домашних заданий...