bigpo.ru
добавить свой файл
1 2 3
ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2012. № 2 (34)


Электротехника


УДК 621.3.07


ПРИМЕНЕНИЕ ГИБРИДНЫХ ФАЗЗИ-РЕГУЛЯТОРОВ
ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ДИНАМИКИ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПИТАТЕЛЕЙ СЫРОГО УГЛЯ


А.С. Глазырин, В.И. Полищук, К.С. Афанасьев, В.В. Тимошкин

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

E-mail: Polischuk@tpu.ru

Предложен вариант структуры гибридного фаззи-регулятора для улучшения динамики векторного асинхронного электропривода питателя сырого угля. Исследуются переходные процессы в электроприводе с классическим, нечетким и гибридным регуляторами скорости. С помощью имитационного моделирования доказаны преимущества регулирования скорости приводного двигателя с применением гибридного регулятора.

Ключевые слова: векторное управление, нечеткая логика, асинхронный двигатель, питатель сырого угля.

Применение частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в механизмах собственных нужд тепловых электростанций обусловлено рядом преимуществ, к которым относятся упрощение конструкций механизмов, увеличение надежности технологических процессов, снижение затрат на эксплуатацию систем, а также экономия электроэнергии и топлива. Применительно к питателям сырого угля (ПСУ), осуществляющим подачу сырого угля из бункера в систему пылеприготовления котла, использование асинхронного электропривода позволяет обеспечить регулирование скорости привода во всем необходимом диапазоне, уменьшить габариты системы по сравнению с тиристорным электроприводом постоянного тока, а также снизить стоимость затрат на обслуживание и ремонт [1]. Кроме этого асинхронный электродвигатель (АД) с короткозамкнутым ротором является более надежным в связи с отсутствием коллекторного узла.

Достижения последних десятилетий в области полупроводниковой и микропроцессорной техники позволили применять системы более сложного векторного управления асинхронными электроприводами, обладающие более высокими динамическими показателями и широким диапазоном регулирования. К переходным режимам электропривода ПСУ не предъявляются особые требования, однако в процессе работы возможны кратковременные набросы нагрузки существенной величины [1]. Одним из способов улучшения динамики асинхронного электропривода при отработке им возмущающих воздействий является применение нечеткого регулирования скорости АД в составе системы векторного управления. Основанный на принципе работы человеческого интеллекта нечеткий регулятор может успешно применяться для многомерных, нелинейных и изменяющихся во времени процессов. Однако при использовании нечетких регуляторов электромеханическая система приобретает статизм по возмущению. Предложенным в данной работе методом устранения статизма выступает создание гибридного фаззи-регулятора скорости.

Целью работы является исследование динамики векторного асинхронного электропривода ПСУ с классическим, нечетким и гибридным регуляторами скорости с целью выявления наилучшего варианта управления.

Для проведения сравнительного анализа векторного и нечеткого управления в программной среде Matlab Simulink были созданы модели векторного асинхронного электропривода на базе двигателя типа АИР 90L4 (номинальная мощность Р=2,2 кВт, синхронная скорость n0=1500 об/мин) с различными типами регуляторов скорости. Имитационная модель векторного асинхронного электропривода представлена на рис. 1.



Рис. 1. Имитационная модель векторного асинхронного электропривода


Система управления включала в себя два внешних контура регулирования скорости и потокосцепления ротора АД, а также два внутренних контура проекций тока статора на оси вращающейся системы координат xy. Так как ПСУ по отношению к электроприводу можно рассматривать как нагрузку, не зависящую от скорости [1], то при моделировании в качестве момента нагрузки электропривода использовался сигнал постоянной величины.

На рис. 2 представлены структуры исследуемых типов регуляторов скорости.



Рис. 2. Структуры исследуемых типов регуляторов скорости:

а – классический ПИ-регулятор; бнечеткий регулятор; в – гибридный регулятор

На рисунке приняты обозначения: Uзс – сигнал задания на скорость; Uос – сигнал обратной связи по скорости; ΔU – сигнал ошибки регулирования по скорости; Uрс – выходной сигнал регулятора скорости; kр – коэффициент усиления ПИ-регулятора скорости; Трс – постоянная времени ПИ-регулятора скорости.

Параметры ПИ-регулятора скорости были рассчитаны по стандартной методике настройки контура скорости АД на симметричный оптимум. При создании алгоритма нечеткого регулятора использовались семь терм для процесса фаззификации, база знаний из 49 правил для логического заключения (формирования выходной лингвистической переменной) и метод центра тяжести при дефаззификации [2].

На рис. 3-5 представлены зависимости скорости от времени электропривода с диапазоном регулирования 1:100 при максимальном и минимальном напряжениях задания. Исследованию подлежали следующие динамические режимы работы системы: пуск вхолостую в момент времени t=0,5 с; наброс номинальной нагрузки в момент t=1,5 с; сброс нагрузки в момент t=2 с.




Рис. 3. Зависимости скорости от времени в системе с классическим векторным управлением при максимальном напряжении задания:

а – полный цикл переходных процессов; б – переходные процессы наброса и сброса нагрузки
в увеличении




Рис. 4. Зависимости скорости от времени в системе с нечетким регулятором скорости при максимальном напряжении задания:

а – полный цикл переходных процессов; б – переходные процессы наброса и сброса нагрузки в увеличении

Рис. 5. Зависимости скорости от времени при минимальном напряжении задания:

а – в классической векторной системе управления; б – в системе с нечетким регулятором скорости


Из полученных графических зависимостей видно, что при пуске зависимости скорости электропривода от времени в разных системах управления не отличаются друг от друга. Система управления с нечетким регулятором уменьшает динамический провал скорости при набросе и сбросе нагрузки, но при этом добавляет статическую ошибку по возмущению, которая исчезает после снятия момента сопротивления. Статизм по возмущению можно объяснить тем, что нечеткий регулятор аналогичен по своему принципу действия П-регулятору, что соответствует настройке контура скорости на модульный оптимум.

Одним из вариантов устранения статизма, возникающего в системе с нечетким регулятором скорости, является применение гибридного фаззи-регулятора (рис. 2, в). В этом случае сигнал ошибки ΔU, представляющий собой разницу между напряжением задания UЗС и сигналом обратной связи по скорости UОС, поступает одновременно на пропорционально-интегральный и нечеткий регуляторы. Сумма выходных сигналов двух регуляторов представляет собой управляющий сигнал для электропривода. При этом наличие у регулятора интегральной составляющей позволит устранить статическую ошибку по возмущению, возникающую при использовании нечеткого регулятора.

Зависимости скорости от времени электропривода с гибридным фаззи-регулятором представлены на рис. 6-7.

Рис. 6. Зависимости скорости от времени в системе с гибридным фаззи-регулятором
при максимальном напряжении задания:

а – полный цикл переходных процессов; б – переходные процессы наброса и сброса нагрузки
в увеличении



Рис. 7. Зависимости скорости от времени при минимальном напряжении
задания в системе с гибридным фаззи-регулятором


Из полученных графиков видно, что асинхронный электропривод с гибридным фаззи-регулятором скорости обеспечивает астатизм по возмущению в отличие от системы управления с нечетким регулятором. Для наглядного сравнения величины динамического провала скорости электропривода с классическим и гибридным регуляторами скорости сведем в таблицу.

Динамический провал скорости электропривода при набросе (Δω1) и сбросе (Δω2) нагрузки




Δω1, %

Δω2, %

ПИ-регулятор скорости

UЗС= UЗС.МАКС

0,361

0,37




UЗС=0,01UЗС.МАКС

36,6

36,4

Гибридный регулятор скорости

UЗС=UЗС.МАКС

0,097

0,107




UЗС=0,01UЗС.МАКС

9,8

15,67


Из полученных результатов видно, что применение гибридного фаззи-регулятора обеспечивает значение динамического провала скорости при набросе и сбросе скорости во всем диапазоне регулирования гораздо меньше, чем при использовании классической векторной системы управления с ПИ-регулятором скорости.

Выводы

  1. Приведена структура гибридного фаззи-регулятора для управления скоростью векторного асинхронного электропривода ПСУ.

  2. Сравнительный анализ трех разных систем векторного асинхронного электропривода (с пропорционально-интегральным, нечетким и гибридным регуляторами скорости) установил, что лучшие динамические показатели достигаются при использовании гибридного фаззи-регулятора.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Петров А.В., Татаринцев Н.И. Применение частотно-регулируемых приводов на питателях сырого угля // Автоматизация и современные технологии. – 2005. – № 6.

  2. Ланграф С.В. и др. Динамика электропривода с нечетким регулятором // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – № 4. – С. 168-173.

  3. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 736 с.

  4. Штовба С.Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику // URL: http://matlab.exponenta.ru/fuzzylogic/book1/index.php (дата обращения: 20.10.2010).


Статья поступила в редакцию 9 декабря 2011 г.


APPLICATION OF HYBRID FUZZY CONTROLLERS FOR IMPROVEMENT OF DYNAMICS OF INDUCTION MOTOR DRIVES OF RAW COAL FEEDERS

A.S. Glazyrin, V.I. Polischuk, K.S. Afanasyev, V.V. Timoshkin

National Research Tomsk Polytechnic University

30, Lenin Avenue, Tomsk, 634050

The hybrid fuzzy controllers for improving the dynamics of the induction motor drives of raw coal feeders are considered in the paper. The transient processes in the induction motor drives with classic and hybrid fuzzy speed controllers are considered. The application of the variable speed drive motors with the hybrid fuzzy controllers are considered.

Keywords: vector control, fuzzy logic, induction motor, raw coal feeder.


УДК 681.513.52


система электропривода поворота антенны
с переменной структурой канала управления


В.А. Денисов, М.Э. Жангиров

Тольяттинский государственный университет

445667, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14

E-mail: V.Denisov@tltsu.ru

Рассматриваются принципы построения и расчет параметров позиционной системы электропривода с переменной структурой, содержащей оптимальный и модальный регуляторы, что обеспечивает высокое быстродействие при отработке заданного перемещения и устойчивость при действии возмущения по моменту сопротивления.

Ключевые слова: позиционная система с переменной структурой, электропривод поворота антенны, оптимальный и модальный регуляторы.

В системах спутникового телевидения для позиционного перемещения антенн широко используются электромеханические приводы с линейным двигателем (Actuator), а также с двигателем вращательного движения (H-H motor). При отработке заданного угла поворота антенны целесообразно обеспечивать апериодический вид траектории движения за минимально возможное время, что позволит уменьшить время ожидания при переключении телеканалов.





Рис. 1. Системы электропривода с переменной структурой канала управления


Традиционный подход к решению данной задачи заключается в построении трехконтурной системы с подчиненным регулированием параметров. Однако наличие в силовой цепи электропривода близких по величине постоянных времени не позволяет достичь высокого быстродействия при апериодическом характере кривой переходного процесса [1]. В связи с этим более эффективным средством решения такой задачи является применение системы электропривода с переменной структурой канала управления (рис. 1).

Использование в схеме оптимального OR регулятора и идентификатора Ti позволяет достичь требуемого быстродействия и получить апериодический характер переходного процесса, а подключение модального MR регулятора дает возможность устранить колебания системы и адекватно реагировать на внешние возмущения. Переключение канала регулирования с OR на MR осуществляется через логический LK ключ после окончания отработки заданного угла поворота антенны.

Силовая часть системы электропривода содержит вентильный двигатель М, выполненный на базе синхронной машины с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов и управлением транзисторных ключей инвертора от датчика углового положения ротора. Вал ротора двигателя соединен с понижающим редуктором RM антенны, представленным в структурной схеме интегрирующим звеном.

При математическом описании уравнения вентильного двигателя [2] запишем в относительных единицах

; (1)

(2)

(3)

где – относительная величина тока двигателя;

– относительная величина напряжения статора;

– относительная величина угловой скорости;

– соответственно номинальные значения тока, напряжения и скорости двигателя;

– скольжение;

– угловая скорость холостого хода;

ra – эквивалентное активное сопротивление статора;

, – конструктивные коэффициенты двигателя;

– относительная величина вращающего момента двигателя;

– относительная величина момента статической нагрузки;

– относительная величина углового перемещения вала двигателя;

– соответственно номинальные значения момента двигателя, перемещения и момента нагрузки;

– относительное (безразмерное) время;

– механическая постоянная времени двигателя;

. – приведенный к валу двигателя момент инерции;

– относительная (безразмерная) постоянная времени и Ta – электромагнитная постоянная времени двигателя.

При использовании относительных единиц электромагнитный момент двигателя равен току якоря, т. е. .Наличие в схеме жесткой отрицательной обратной связи по току, безынерционного широтно-импульсного преобразователя и регулятора АА тока с общим коэффициентом K2 передачи позволяет получить практически безынерционное протекание электромагнитных процессов в статорной цепи двигателя. Учитывая, что K2 >>1, уравнение для тока имеет вид

, (4)

где – заданное значение тока.

Для описания движения замкнутой позиционной системы требуется к уравнениям двигателя добавить уравнение ошибки (отклонения)

(5)

Расчет параметров оптимального регулятора производится на основании постановки и решения задачи поворота антенны на некоторый угол за наименьшее время при действии на валу момента нагрузки На управление наложено ограничение по току (вращающему моменту): , где – величина ограничения.

Требуется найти такое управление, при котором объект переводится из начального состояния  в конечное состояние ,  за минимальное время . Здесь – время перемещения антенны.

Для решения задачи используем принцип максимума Л.С. Понтрягина [3]. Для этого составляем гамильтониан:

, (6)

где сопряженные переменные, которые непрерывны, кроме точек разрыва допустимого управления i*, имеют непрерывные производные.

Составляем уравнения для сопряженных переменных:

, (7)

. (8)

Таким образом,

;. и , (9)

где с1 и с2 – постоянные интегрирования.

Конкретизируем выражение гамильтониана

. (10)

Функция Н принимает положительное максимальное значение при , когда ,  и при , когда . Поскольку линейная функция  меняет знак на отрезке времени не более одного раза, то оптимальное быстродействие системы будет достигнуто при законе управления

. (11)

Оптимальное управление может быть представлено в виде

(12)

где  – ошибка в момент переключения.

Значения и определяются исходя из граничных условий  и с использованием уравнений (2) и (3).

Время перемещения, равное времени переходного процесса, определяется как

. (13)

Относительная ошибка переключения

. (14)

В соответствии с приведенными уравнениями для реализации оптимального управления необходимо в начальный момент времени, когда создать на валу двигателя максимально допустимый момент . Затем, при достижении ошибки , создать на валу двигателя максимально допустимый момент обратного знака (-) и после окончания переходного процесса осуществить переключение в режим работы с модальным регулятором положения.

Для определения параметров модального регулятора составляем уравнение разомкнутой позиционной системы путем решения уравнений (2, 3 и 4) относительно выходной переменной :

. (16)

Затем составляем уравнение замыкания, используя для этого отрицательные обратные связи по состоянию объекта:

, (17)

где , и – соответственно коэффициент усиления регулятора, коэффициент обратной связи по угловой скорости и коэффициент обратной связи по углу поворота.

Подставляя уравнение (17) в уравнение (16), получаем уравнение замкнутой системы при подключении модального регулятора

, (18)

где  – характеристический полином замкнутой системы.



Рис. 2. Переходные процессы в системе с переменной структурой:

а, в – с оптимальным и модальным регуляторами; б, г – без модального регулятора


Для обеспечения апериодической кривой переходного процесса необходимо разместить полюса замкнутой системы с модальным регулятором в соответствии с полиномом Ньютона [4]

, (19)

где – частота собственных колебаний системы.

Приравнивая выражения соответствующих коэффициентов полинома (19) и полинома в уравнении (18), получаем выражения для определения коэффициентов k01 и k02 модального регулятора:

 (20)

Для выполнения условия (5) при расчете принято k02 =1. Результаты моделирования переходных процессов в рассматриваемой системе с переменной структурой канала управления представлены на рис. 2. Из осциллограмм (рис. 2 а, в) видно, что оптимальное движение антенны осуществляется в два интервала, т. е. за одно переключение. В начале движения на входе идентификатора Ti ошибка и , в результате логический LK ключ переводится в нижнее положение. Момент переключения момента OR происходит, когда ошибка регулирования достигает значения =0,375 (см. рис. 2, в). График изменения скорости вращения имеет характерный треугольный вид. Окончание оптимального перемещения определяется значением =1,46 (cм. рис. 2, а). При этом на входе идентификатора Ti ошибка и логический LK ключ переводится в верхнее положение, т. е. регулятор OR отключается и подключается регулятор MR. При отсутствии в позиционной системе MR регулятора наблюдаются колебания и нестабильность работы (см. рис. 2 б, г).

Таким образом, разработанная схема позиционного электропривода с переменной структурой управления обеспечивает апериодический характер переходного процесса перемещения антенны с заданным высоким быстродействием при сохранении устойчивости при действии возмущения по моменту сопротивления. Кроме того, получены аналитические выражения, позволяющие определять координаты и параметры системы в момент изменения ее структуры, что является основой методики расчета регуляторов и траектории движения позиционной системы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Ковчин С.А., Муафак Ф.М. Проблемы синтеза современных электромеханических систем. – Тр. V Международной (16 Всероссийской) конф. по автоматизир. эл. приводу. – СПб, 2007. – С. 48-51.

  2. Денисов В.А. Электропривод переменного тока с частотным управлением: Учеб. пособие / В.АДенисов. – Тольятти: ТГУ, 2009. – 156 с.

  3. Теория автоматического управления / Под ред. А.А. Воронова. – М.: Высшая школа, 1986. – Ч.1. – 368 с.; Ч. 2. – 504 с.

  4. Методы классической и современной теории автоматического управления. Т. 3: Синтез регуляторов систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. – М.: МГТУ им. Баумана, 2004. – 616 с.


Статья поступила в редакцию 10 января 2012 г.



следующая страница >>