Пересада Сергій Михайлович. Нелінійне та адаптивне керування в електромеханічних системах з векторно-керованими електродвигунами

Короткий опис

Пересада Сергій Михайлович. Нелінійне та адаптивне керування в електромеханічних системах з векторно-керованими електродвигунами : Дис... д-ра наук: 05.09.03 - 2007.

Пересада С. М. Нелінійне та адаптивне керування в електромеханічних системах з векторно-керованими електродвигунами. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 електротехнічні комплекси та системи. Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2007.
Дисертацію присвячено вирішенню наукової проблеми підвищення динамічних та енергетичних характеристик електромеханічних систем з векторно-керованими електродвигунами за рахунок застосування методів нелінійного та адаптивного керування. Вирішення проблеми одержано на основі запропонованої концепції керування з формуванням двох результуючих декомпозицій електромеханічна електромагнітна підсистеми” та механічна електрична підсистеми” шляхом розробки нових методів нелінійного та адаптивного керування за вимірюваною частиною вектору стану в умовах відомих, а також невизначених параметрів об’єкта.
Синтезовано нові алгоритми векторного керування механічними координатами (моментом, кутовою швидкістю, кутовим положенням) та модулем вектора потокозчеплення в системах з основними типами приводних двигунів: постійного струму з незалежним збудженням, сімейства явнополюсних і неявнополюсних синхронних двигунів, асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, явнополюсних синхронних двигунів з демпферними обмотками та асинхронних машин подвійного живлення. Запропоновано методики розрахунку параметрів регуляторів струму, швидкості та положення для формування динамічних показників якості керування.
Синтезовано алгоритми ідентифікації, адаптивного спостереження, прямого адаптивного керування в електромеханічних системах з синхронними і асинхронними двигунами, розроблено метод керування кутовою швидкістю асинхронного двигуна без її вимірювання.
Наведено результати чисельних експериментальних досліджень розроблених систем.

У дисертаційній роботі дано теоретичне узагальнення та нове вирішення актуальної наукової проблеми синтезу і аналізу нелінійних та адаптивних електромеханічних систем з векторно-керованими електродвигунами при керуванні по вимірюваній частині вектору стану в умовах відомих параметрів, а також у випадку невизначеності найбільш критичних із них. Вирішення проблеми, що отримано шляхом розвитку методів теорії нелінійних та адаптивних систем, дозволило розробити і використати на практиці високоефективні електромеханічні системи з основними типами приводних двигунів, які мають підвищені динамічні та енергетичні характеристики.
Основні наукові та практичні результати роботи полягають в наступному.
1. Обґрунтовано, що для підвищення динамічних та енергетичних характеристик класу ЕМС необхідно вирішити загальнотеоретичну задачу відпрацювання заданих траєкторій змін механічних координат (моменту, кутової швидкості, кутового положення) та модуля вектора потокозчеплення ЕМ, гарантуючи при цьому досягнення нових якостей керування, таких як: глобальне (локальне) асимптотичне відпрацювання координат із властивістю експоненціальної стійкості; асимптотичної розв’язки процесів керування механічними координатами та вектором потокозчеплення; асимптотичної лінеаризації підсистем відпрацювання механічних координат, що забезпечує асимптотичну лінійність рівнянь динаміки похибок відпрацювання механічних координат, структура яких є ідентичною для розглянутого класу ЕМС і дозволяє вільно формувати динамічні показники якості керування; грубість (адаптованість) по відношенню до головних параметричних збурень.
2. На основі розвитку теорії стійкості класу багатовимірних нелінійних систем вперше доведено, що сформульовані цілі керування досягаються в умовах, коли результуюча структура рівнянь динаміки похибок відпрацювання в замкненій системі набуває форми у вигляді двох зв’язаних нелінійних підсистем, структурні властивості яких гарантують композитній системі глобальну (локальну) експоненціальну стійкість, асимптотичну лінеаризацію однієї із них, а також глобальну (локальну) експоненціальну стійкість другої.
3. Розроблено концепцію керування класом ЕМС з формуванням двох результуючих декомпозицій ЕМПС-ЕМГПС та МПС-ЕПС, яка створює загальнотеоретичну базу для конструктивного синтезу нелінійних ЕМС, алгоритми керування в яких базуються на фундаментальних властивостях електромеханічних перетворювачів, завдяки чому мають фізично обґрунтовану структуру. Методи синтезу алгоритмів керування, які розроблені на основі запропонованої концепції, забезпечують вирішення розглянутих основних задач керування координатами ЕМС з досягненням властивостей, що надані в пункті 1 висновків.
4. Розроблено метод синтезу асимптотично лінеаризуючих керувань, який вперше забезпечує отримання загальнотеоретичних рішень задач ВК моментом та вектором потокозчеплення класу ЕМ з формуванням результуючих декомпозицій ЕМПС-ЕМГПС та МПС-ЕПС в системах з повністю вимірюваним вектором стану (ДПС та сімейство СД без демпферних обмоток), при непрямому та прямому ВК АД з асимптотичною орієнтацією за вектором потокозчеплення ротора, при ВК СДДО в координатах ротора, а також декомпозиції МПС-ЕПС при ВК з асимптотичною орієнтацією за вектором потокозчеплення статора та ВК МПЖ в координатах вектора напруги мережі живлення. Декомпозиція МПС-ЕПС досягається для всіх розглянутих задач керування і тому є найбільш загальною.
5. В умовах прийнятих припущень про структуру технологічного об’єкту розроблено метод синтезу багатоконтурних систем керування кутовою швидкістю та кутовим положенням, що дозволяє синтезувати уніфіковані алгоритми керування, які мають однакову структуру для ЕМС з розглянутими двигунами та формують ідентичні рівняння номінальної динаміки похибок відпрацювання в ЕМПС та МПС у вигляді лінійних систем четвертого та третього порядків при керуванні кутовою швидкістю і п’ятого порядку при керуванні кутовим положенням.
6. Розроблено методи синтезу алгоритмів ідентифікації, адаптивного спостереження та прямого адаптивного керування за повним і частково вимірюваним вектором стану, які можуть бути теоретичною основою для побудови широкого класу адаптивних ЕМС. Загальнотеоретичні вирішення задач адаптивного керування в ЕМС, отримані з їх використанням, вперше забезпечують: глобальне асимптотичне відпрацювання механічних та електричних координат в ЕМС з повністю вимірюваним вектором стану при повній параметричній невизначеності; асимптотичну ідентифікацію активного опору роторного кола, одночасну ідентифікацію активних опорів статора і ротора, а також спостереження вектора потокозчеплення ротора за допомогою адаптивного до цих параметрів спостерігача; глобальне асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій змін кутової швидкості, модуля вектора потокозчеплення ротора, а також асимптотичну непряму орієнтацію за вектором потокозчеплення ротора в ЕМС з АД при невідомому активному опорі роторного кола.
7. Розроблено метод бездавачевого (без вимірювання механічних координат) ВК в ЕМС з АД, який формує теоретичний підхід до адаптивного оцінювання змінної у часі кутової швидкості для досягнення асимптотичного непрямого полеорієнтування, а також асимптотичного відпрацювання заданих траєкторій змін кутової швидкості та модуля вектора потокозчеплення ротора в умовах дії невідомого постійного моменту навантаження, гарантуючи системі локальну експоненційну стійкість. Розроблений на основі запропонованого методу алгоритм керування є першим теоретично доведеним, тому що, на відміну від існуючих, не використовує припущення про незмінність швидкості, яка оцінюється. Експериментально доведено, що розроблений алгоритм вперше забезпечує динамічні показники якості керування, які наближаються до існуючих в типових системах ВК з вимірюванням кутової швидкості.
8. Запропоновано методики розрахунку параметрів регуляторів моменту, швидкості та положення, які дозволяють формувати бажані динамічні показники якості керування на основі типових налагоджень ізольованих контурів регулювання шляхом задання рівня розділення у часі процесів в них.
9. Електромеханічні системи, що синтезовані на основі запропонованих методів, є уніфікованими, вони структурно подібні для всього класу ЕМ, що розглядаються, забезпечують однакові показники якості керування механічними координатами; завдяки асимптотичності відпрацювання регульованих координат із властивістю їх асимптотичноної розв’язки можливо реалізувати енергетично ефективні закони змін механічних координат та модуля вектора потокозчеплення, вилучивши їх взаємовплив. Каскадна конфігурація системи, що є концептуально подібною до типових систем з підпорядкованим регулюванням координат, забезпечує простоту обмеження координат та налагодження регуляторів.
10. Експериментально доведено, що реально досягаються показники точності відпрацювання заданих траєкторій механічних координат, які приблизно на порядок перевищують існуючі в типових загальноприйнятих для порівняння системах. В ЕМС з АД при покращеному непрямому ВК, у порівнянні зі стандартним, забезпечується робастна стабілізація вектора потокозчеплення, гарантуючи завдяки цьому стабілізацію динамічних показників якості керування кутовою швидкістю та зниження додаткових втрат активної потужності в декілька разів при варіаціях активного опору роторного кола, обумовлених нагрівом ЕМ.
11. Розроблено комплекс програмних та апаратних засобів для досліджень і практичної реалізації розроблених ЕМС, з використанням якого виконані повномасштабні експериментальні дослідження та промислове впровадження систем ВК АД і МПЖ на підприємствах України, Росії та Італії. Результати експериментальних досліджень, математичного моделювання та промислового впровадження підтверджують основні теоретичні положення дисертації.
12. Результати дисертації рекомендовано до подальшого впровадження на підприємствах електротехнічного профілю Міністерства промислової політики України.
Таким чином, розроблені в дисертації методи синтезу і аналізу нелінійних та адаптивних ЕМС з основними типами ЕМ, а також створена на їх основі загальнотеоретична база розробки, проектування та дослідження цих систем, формують основи теорії нелінійного та адаптивного керування в ЕМС.