Синтез систем управления автоматизированными синхронными электроприводами с использованием скользящих режимов

Актуальность темы

В настоящее время при автоматизации технологических процессов наметилась тенденция к поиску общих принципов синтеза систем управления для сложных объектов, которые в максимальной степени учитывали и использовали свойства объекта управления [42, 44, 68, 72, 80, 104, 141, 211, 222, 239]. При таком подходе специфические свойства объекта управления, обусловленные его физической. природой, не просто учитываются, а эффективно используются для достижения поставленной цели. Именно на этом пути возможно возникновение новых принципов и законов управления, которые наряду с обеспечение высокое качество управления, обеспечат высокие технико-экономические показатели системы. Однако в нелинейном мире нет регулярных путей и универсальных методов, характерных для линейной теории управления. Каждая нелинейность индивидуальна и порождает свои методы синтеза.

Среди нелинейных объектов управления, несомненно, одно из ведущих мест занимают автоматизированные электроприводы (ЭП), на долю которых приходится более чем 60% всей потребляемой энергии, производимой в промышленно развитых странах [45, 65, 66, 83, 154, 157, 161, 162, 169−172, 282]. На производство электроэнергии сегодня идет около трети добываемой, чаще всего невосполнимой, первичной энергии, причем потребление электроэнергии все время возрастает. Поэтому актуальной является задача рационального использования электроэнергии, обеспечения решения поставленных задач управления с минимально возможными затратами энергии. Одним из возможных путей решения поставленной задачи является алгоритмический путь, т. е. разработка таких алгоритмов управления ЭП, которые бы обеспечивали выполнение поставленных задач управления с минимальными потерями электроэнергии [9, 45, 46, 48, 60, 64, 205,215,216,224].

На сегодняшний день наиболее перспективными с точки зрения кпд и компактности конструкции являются ЭП на базе электрических машин переменного тока с питанием от силовых полупроводниковых преобразователей напряжения. Характерной чертой таких ЭП является релейная нелинейность. Она обусловлена работой современных силовых приборов преимущественно в «ключевом режиме» с целью обеспечения малых потерь энергии [15, 46, 48, 65, 66, 81, 88, 149, 154, 168, 169−172, 231, 235, 248]. Такие динамические системы являются принципиально нелинейными динамическими системами, которые описываются дифференциальными уравнениями с разрывными управлениями. Отсюда и названия таких систем — релейные системы, системы с разрывными управлениями.

История релейных систем значительно старше, чем история существования полупроводниковых приборов, и начинается с релейной обратной связи, использованной Ч. Шофилдом в 1836 г. [2, 45, 151]. Несмотря на склонность релейных систем к автоколебаниям, простота их реализации в сочетании с высокими динамическими свойствами и свойством самоадаптации при изменении параметров и нагрузки обеспечили таким системам широкое распространение и, как следствие, создание и развитие теории релейных систем.

Первый этап развития теории релейных систем связан в первую очередь с работами А. А. Андронова [1], Я. З. Цыпкина [151, 152] и И. Флюгге-Лотц [150, 191]. В дальнейшем из теории релейных систем выделились такие самостоятельны направления как:

— теория нелинейных систем автоматического управления с различными видами модуляции [13,28, 30, 77,137,155,223] и.

— теория систем автоматического управления с переменной структурой [39,40,138].

Основоположником последней является академик С. В. Емельянов, который воспитал целую плеяду ученых, внесших существенный вклад в эту теорию. Основополагающей идеей этой теории является использование для синтеза систем автоматического управления скользящего режимаспециального вида движения, возникающего при определенных условиях в релейных системах и присущего только им. Указанный режим обеспечивает в динамической системе высокое качество процессов управления, инвариантность к внешним неизмеряемым возмущениям, малую чувствительность к изменениям динамических свойств объекта управления.

Дальнейшим развитием и обобщением теории систем с переменнойструктурой явились теория систем с разрывными управлениями [3, 4, 37, 38, 54, 143−146, 195, 201, 280, 290, 299, 300, 303] и теория бинарных систем [4144]. Первая из них, основывается на использовании многомерного скользящего режима в пространстве состояния для решения поставленных задач управления, а вторая, базируется на принципе бинарности, т. е. двойственной природе сигналов в нелинейных динамических системах, что позволяет возложить синтез оператора стабилизирующей обратной связи на вспомогательную нелинейную систему.

Возможность и перспективность использования скользящих режимов для управления ЭП на базе полупроводниковых преобразователей напряжения или тока и электродвигателях переменного тока впервые были сформулированы в [67]. Хотя сами релейные регуляторы и до этого находили широкое применение в системах управления ЭП [76, 103, 109, 110, 147, 154]. Примечательно, что независимо от специалистов в области управления, специалисты в области ЭП также обратились к использованию релейных законов управления на основе скользящих режимов [19]. Эти законы использовались в контурах регулирования фазных токов. А само их использование было обусловлено прогрессом полупроводниковой техники и переходом к силовым полупроводниковым преобразователям напряжения или тока, силовые элементы которых работают в ключевом (релейном) режиме.

Бурное развитие силовой полупроводниковой техники привело к появлению новых типов высокочастотных силовых приборов на основе технологий MOSFET и IGBT, что открыло широкие возможности по созданию и совершенствованию полупроводниковых преобразователей электрической энергии, которые являются основой для построения ЭП на базе машин переменного тока [11, 12, 23, 27, 34, 35, 47, 49−51, 65, 66, 73, 79, 101, 106, 112, 113, 154, 167, 187−190, 192, 197, 200, 208, 214, 218, 226, 227, 234, 247, 276, 287−289, 295]. В последнее десятилетие в них все активнееиспользуются многомерное релейное управление, правда, преимущественно в контуре регулирования фазных токов электродвигателя. Об этом свидетельствует возрастающее число публикаций. Причем такое регулирование в различных публикациях называется по-разному: «релейное управление» [65, 66], «разрывное управление» [15, 82, 137], частотно-токовое управление [19, 23], «управление на скользящих режимах» [7, 8, 14, .36, 55, 57, 84, 115, 117, 118, 124, 127, 130, 131, 142, 174, 176, 177, 182−184, 249, 253, 263, 270, 271,. 273, 274, 291, 293], «bang-bang control» [209], «hysteresis current control» [203, 204], current forced control [238, 244, 275, 281, 297], direct torque control [245, 283] и т. д. Такое многообразие названий для одного способа управления свидетельствует о том, что у специалистов в области теории, разработки и использования ЭП на базе комплекса силовой полупроводниковый преобразователь — электрическая машина переменного тока не сформировалась общая точка зрения на место рассматриваемого подхода в совокупности имеющихся подходов и методов управления такими.

ЭП. Причем имеющиеся публикации в большинстве своем посвящены, как правило, раскрытию частных вопросов исследования и реализации ЭП с таким управлением.

С позиции наиболее полного объяснения процессов, протекающих при использовании данного вида управления, предпочтительнее является использование термина «управление на скользящих режимах». За этим термином стоит целая теория нелинейных систем с разрывными управлениями [39, 143, 146]. Результаты этой теории позволяют объяснить не только широко известные высококачественные результаты, полученные при использовании этого способа управления, но и те проблемы и сложности, которые возникают при его реализации.

Трудность приложения этого подхода к исследованию ЭП на базе комплекса силовой полупроводниковый преобразователь — машина переменного тока объясняется тем, что методология рассматриваемого подхода базируется на специальном и имеющим скорее теоретическую, чем прикладную направленность раздела теории управления, касающегося г исследования математических моделей систем управления, имеющих вид дифференциальных уравнений в форме Коши с разрывной правой частью [32, 89, 102, 148, 158, 159]. Кроме того, непосредственное использование результатов теории для синтеза алгоритмов управления ЭП невозможно без. дополнительного исследования вопросов, касающихся организации скользящего режима с учетом специфики элементов ЭП: электрических машин, полупроводниковых преобразователей энергии, датчиков и т. д. Хотя, с точки зрения физических процессов, протекающих в ЭП на базе полупроводниковый преобразователь энергии — электрическая машина переменного тока, обращение к теории систем с разрывными управлениями, как указывалось выше, вполне естественно. Напряжения, подаваемые на статорные обмотки электрической машины и являющиеся для нее управлениями, в силу ключевого характера работы полупроводниковых элементов преобразователя напряжения, носят разрывной характер. В данном случае разрывной характер управлений, являющийся определяющим признаком теории нелинейных систем с разрывными управлениями, является не навязанным системе извне свойством, а естественным, определяемым ее физической природой.

Многомерная релейная характеристик силового преобразователя, которая является определяющей при синтезе алгоритмов управления ЭП, является не единственной Наряду с ней необходимо учитывать и нелинейности, присущие электрическим машинам переменного тока. В каждой из двух электрических машин переменного тока: асинхронной и синхронной, процесс преобразования подведенной электрической энергии в механическую имеет свои существенные отличия. Это, в первую очередь, обусловлено принципиальным различием в источнике магнитного потока в воздушном зазоре, необходимого для создания электромагнитного момента. Если в асинхронном двигателе этот поток порождается в силу закона электромагнитной индукции статорным током и является вторичным по отношению к нему, то в синхронной машине он порождается автономным источником потока, расположенным на роторе. Учитывая, что синхронная машина сочетает в себе такие привлекательные свойства, как малые потери в роторе и хорошие динамические и точностные характеристики, и, принимая. во внимание тот факт, что нелинейные характеристики синхронной машины оказывают существенное влияние на решение задачи синтеза алгоритма управления ЭП, в настоящей работе основное внимание будет вопросам управления ЭП, в состав которых входят полупроводниковый преобразователь энергии (ППЭ) и синхронный двигатель (СД), т. е. автоматизированным синхронным ЭП.

Таким образом, трехфазный автоматизированный синхронный ЭП представляет собой нелинейную динамическую систему с линейным вхождением управления u{t), разрывной характер которого обусловлен ключевым режимом работы элементов ППЭ.

Характерными особенностями рассматриваемого класса нелинейных динамических систем с разрывным характером управлений по сравнению с широко исследованными [3, 4, 15, 44, 138, 144−147, 181, 281, 291−295, 304, 301] являются то, что:

— количество разрывных управлений превосходит размерность пространства управления (трехфазное напряжение питания электрической машины при двумерном векторе напряжения);

— орты разрывных управлений, которые могут быть использованы для решения задачи управления, фиксированы;

— коэффициенты перед разрывными управлениями являются периодическими.

Развитие теории нелинейных систем с разрывными управлениями применительно к такому классу нелинейных систем позволит разработать методы синтеза нелинейных законов управления на скользящих режимах для данного конкретного класса систем с учетом его особенностей, т. е. максимально использовать физически обусловленные потенциальные возможности для достижения поставленных задач управления. Применительно к трехфазным ЭП это означает: высокое качество процессов управления, инвариантность к внешним возмущениям, малая чувствительность к изменениям динамических свойств объекта управления, в сочетании с экономичностью передачи энергии и простотой получения вращающегося магнитного поля, присущих трехфазным цепям.

Реализация высококачественного управления, основанного на использовании многомерного скользящего режима, не возможна без должного информационного обеспечения, которое состоит в получении необходимой информации о компонентах вектора состояния объекта управления. Прямое измерение всех необходимых для синтеза управления компонент вектора управления нецелесообразно в силу существенного усложнения и удорожания объекта управления и уменьшению его эксплуатационной надежности. Перспективным путем решения поставленной задачи является разработка алгоритмов оценивания всего вектора состояния по его наблюдаемым компонентам [14, 75, 80, 104, 146, 180,181, 185, 195, 212,223, 226,240,291- 294, 299].

Задача синтеза алгоритмов оценивания включает в себя, как задачу получение необходимой для синтеза скользящего движения информации, так и использование скользящего режима для получения необходимых оценок компонент вектора переменных состояния. В последнем случае методы нелинейного оценивания базируются на построении имитационной модели нелинейного объекта с разрывным модельным управлением и использовании такого привлекательного свойства скользящего движение, как возможность выделения усредненного непрерывного значения разрывного управления в качестве информационного сигнала.

Таким образом, появляется возможность с единых позиций теории систем со скользящими режимами решить задачи синтеза высококачественных алгоритмов управления для нелинейных систем с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлением и их информационного обеспечения.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка с единых позиций методов синтеза систем управления и наблюдения на скользящих режимах для нелинейных систем с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлением при максимальном использовании их структурных особенностей для достижения поставленных задач управления. Предложенный подход применительно к ЭП позволит разработать методы синтеза высококачественных информационно обеспеченных законов управления, как в непрерывном, так и в дискретной времени, которые наиболее полно используют его физическую природу для решения поставленной задачи управления и характеризуются высоким качеством управления, инвариантностью к внешним возмущениям, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения и динамических свойств СД, обеспечивают высокую степень использования подводимой энергии в сочетании с экономичностью передачи энергии и простотой получения вращающегося магнитного поля, присущих трехфазным цепям.

В рамках реализации поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: разработка методов синтеза систем управления на скользящих режимах для нелинейных объектов управления с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлениемразработка методов оценивания для нелинейных систем с линейным вхождением оцениваемых компонент вектора состоянияразработка методов синтеза управления и наблюдения для автоматизированных синхронных ЭП на основе преднамеренной организации в системе скользящего режима и с учетом особенностей построения ЭП, функционирования различных видов ППЭ и СДразработка аналоговых и цифровых алгоритмов управления и наблюдения для автоматизированных синхронных ЭП.

Структура диссертации. Поставленные задачи нашли свое отражение в структуре и содержании работы, состоящей из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения, содержащих документы, подтверждающие внедрение полученных результатов.

В первой главе с позиции теории автоматического управления производится классификация основных элементов автоматизированного синхронного ЭП: ППЭ и СД, обосновываются используемые в дальнейшем математические описания ППЭ и СД. Формулируются и формализуются задачи управления ЭП.

В разделе 1.1 приводится классификация СД по принципу создания магнитного потока и ППЭ по принципу преобразования входного напряжения в трехфазное переменное напряжение заданной частоты и амплитуды. Приводятся математические модели в полной мере отвечающие задачам управления.

В разделе 1.2 формулируются основные требования, предъявляемые к ЭП, рассматриваются различные структуры ЭП и особенности трансформации исходных требований в зависимости от структуры ЭП.

В главе 2 излагаются теоретические основы синтеза многомерного скользящего движения в нелинейных динамических системах с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлением. С единых позиций теории систем со скользящими режимами решаются вопросы синтеза алгоритмов управления для рассматриваемого класса нелинейных систем. Формулируется достаточное условие существования скользящего режима, на базе которого предлагается двухшаговая процедура синтеза управления.

В разделе 2.1 анализируются особенности рассматриваемого класса нелинейных динамических систем, не позволяющие использовать классические результаты теории систем с разрывными управлениями. Приводятся используемые в диссертации результаты этой теории.

В разделе 2.2 формулируются и доказываются достаточные условия существования скользящего режима в исследуемых системах.

Рассматривается частный случай, имеющий ключевое значение для синтеза систем управления на скользящих режимах типа трехфазные ЭП.

В раздел 2.3 представлена декомпозиционная двухшаговая процедура синтеза скользящего режима в исследуемых системах.

Глава 3 посвящена вопросам информационного обеспечения существования многомерного скользящего движения для нелинейных динамических систем при ограниченном количестве измеряемых компонент вектора состояния. Обосновывается использование асимптотических наблюдателей, как информационной основы синтеза скользящего движения, обеспечивающих инвариантность скользящего движения к неточностям модели и измерений в высочастотной области. Предложено решение задачи нелинейного оценивания компонент вектора состояния с помощью специальным образом организованного многомерного режима в нелинейной динамической модели с разрывными управлениями.

В разделе 3.1 обсуждаются информационные аспекты организации скользящего режима. Показано, что с информационной точки зрения можно выделить два круга вопросов связанных со скользящими движениями. Во-первых, это получение необходимой информации о переменных состояния, необходимой для реализации скользящего движения в контуре управления. И, во-вторых, использование скользящего движения для получения необходимой информации о переменных состояния.

В разделе 3.2 показано, что использование асимптотических наблюдателей является методологической основой синтеза скользящего режима и позволяет снять проблему чувствительности скользящего движения по отношению к высокочастотным неидеальностям.

Раздел 3.3 посвящен вопросам разработки методов синтеза. нелинейных наблюдателей на скользящих режимах для нелинейных систем с линейным вхождением оцениваемых компонент вектора состояния.

Сформулированы и доказаны достаточные условия нелинейного оценивания компонент вектора состояния. Предложены алгоритмы наблюдения, позволяющие существенно сократить требуемый объем вычислений.

Глава 4 посвящена вопросу разработки методов и алгоритмов управления автоматизированным синхронным ЭП с использованием скользящих режимов для случаев одноконтурного и каскадного построения системы управления ЭП и различных типов СД и ППЭ. Предложенная в разделе 2.3 декомпозиционная двухшаговая процедура синтеза алгоритма управления позволяет при синтезе алгоритма управления ЭП отдельно учитывать свойства различных типов СД и ППЭ. Обсуждены вопросы обеспечения инвариантности ЭП к изменениям параметров объекта управления, внешним возмущениям и изменениям напряжения питания, а также формирования задания по компоненте статорного тока id, исходя из технико-экономических требований. г.

В разделе 4.1 описывается декомпозиционный двухшаговый метод синтеза одноконтурного управления, когда на первом шаге осуществляется синтез управления с учетом особенностей описания поведения СД во вращающейся системе координат (d, q). А на втором — учитываются особенности функционирования различных видов ППЭ и синтезируется закон управления фазными напряжениями.

В разделе 4.2 описывается использование указанного выше подхода для синтеза каскадного (подчиненного) управления, когда автономный инвертор напряжения работает в режиме автономного источника тока.

Раздел 4.3 посвящен вопросам оптимизации энергетических показателей ЭП путем формирования соответствующих заданий по компоненте статорного тока id в замкнутом контуре. Синтезированы законы формирования задания по id, обеспечивающие максимизацию кпд или непотребление реактивной мощности.

Глава 5 посвящена разработке методов синтеза алгоритмов разрывного управления в системах с многомерным реальным скользящим режимом. Анализируются проблемы, возникающие при использовании скользящих режимов для управления ЭП. Синтезированы алгоритмы управления, обеспечивающие регулярностью коммутаций разрывных компонент управления за счет специального выбора поверхностей переключений. На примере задачи управления током в комплексе автономный инвертор напряжения — СД показано, что прелагаемый подход позволяет обеспечить высокие динамические и точностные показатели работы системы в сочетании с минимальными коммутационными потерями и выполнением требований по электромагнитной совместимости.

В разделе 5.1 анализируются особенности реального скользящего режима, обусловленные конечной частотой переключения силовых приборов и неидеальностью их релейных характеристик. Намечены пути регуляризации частоты переключений в реальном скользящем режиме.

В разделе 5.2 решаются вопросы оптимизации программного управления автономным инвертором напряжения на базе ШИМ по критерию минимизации коммутационных потерь. С использованием двухшагового сравнительного анализа возможных алгоритмов ШИМ по критерию. минимизации коммутационных потерь, синтезирован оптимальный по коммутационным потерям алгоритм ШИМ для автономного инвертора напряжения, основанный на выделении зон оптимальности. Обсуждены вопросы его реализации.

В разделе 5.3 разработан метод синтеза алгоритмов управления, обеспечивающих реализацию в скользящем режиме ШИМ второго рода, которая по своим свойствам эквивалентна ШИМ первого рода, предложенной в разделе 5.2, т. е. обеспечивается оптимальный по коммутационным потерям реальный скользящий режим.

В разделе 5.4 разработан метод синтеза алгоритмов управления, обеспечивающих регуляризацию переключений разрывных компонент вектора управления.

Глава 6 посвящена вопросам оценивания выходных механических координатах ЭП по текущей информации об электрических переменных. На основе результатов главы 3 предложены методы синтеза нелинейных наблюдателей состояния с использованием скользящих режимов. Синтезированы алгоритмы оценивания механических координат для неявнополюсного СД и синхронно-реактивного двигателя. Обсуждены особенности использования различных алгоритмов наблюдения. Приведены структурные схемы реализации нелинейных наблюдателей.

В разделе 6.1 обсуждается общая постановка задачи наблюдения компонент вектора механических переменных ЭП. Подчеркиваются особенности СД, как нелинейного объекта управления. Указывается, что в силу специфики этих нелинейных объектов, вопрос синтеза алгоритма оценивания механических координат для каждого их них должен решаться отдельно. Выделяются доступные для измерения переменные.

В разделе 6.2 на основе преднамеренной организации в системе наблюдения скользящего движения разработан метод оценивания механических переменных неявнополюсного СД с возбуждением от. постоянных магнитов. Приведены алгоритмы оценивания для переменных в неподвижной и подвижной системах координат.

В разделе 6.3 на основе преднамеренной организации в системе наблюдения скользящего движения разработан метод оценивания механических переменных синхронно-реактивного двигателя. Приведены алгоритмы оценивания.

Глава 7 посвящена вопросам синтеза цифровых систем управления автоматизированным синхронным ЭП. Рассмотрены особенности построения цифровых систем управления и реализации в них скользящего режима. Разработаны методы синтеза цифровых алгоритмов управления и наблюдения для автоматизированного синхронного ЭП, гарантирующие конечно-шаговый или асимптотический характер протекания процесса регулирования. Обсуждены особенности использования различных алгоритмов управления и наблюдения. С целью упрощения процедуры синтеза алгоритма управления предложен подход, основанный на использовании ограничителя интенсивности изменения задания, который обеспечивает исключение ограничений 'на переменные в процессе функционирования системы. Разработан метод синтеза такого ограничителя. Сформулированы условия идентификации параметров системы, которые связывают глубину памяти, частоту квантования и количество идентифицируемых параметров. В качестве примера решена задача идентификации момента инерции СД. Сформулировано условие его идентификации. Рассмотрены вопросы цифрового управления ЭП с гибкими связями. Сформулировано условие безколебательного движения. Синтезирован алгоритм управления таким ЭП.

В разделе 7.1 рассмотрены особенности цифрового управления и организации в нем скользящего движения.

В разделе 7.2 разработаны методы синтеза цифрового управления ЭП, основанные на использование разностных уравнений.

В разделе 7.3 представлены разработанные методы синтеза цифровых алгоритмов оценивания переменных по ретроспективной и текущей информации. Разработаны алгоритмы оценивания и фильтрации выходных механических переменных ЭП.

В разделе 7.4 представлены разработанные методы синтеза цифровых алгоритмов идентификации параметров системы. Разработан алгоритм идентификации момента инерции ЭП.

В разделе 7.5 представлены разработанные методы синтеза цифровых алгоритмов ограничения интенсивности изменения задания, обеспечивающие исключение при системе системы управления ограничений на механические координаты.

В разделе 7.6 представлен разработанный метод синтеза цифровых алгоритмов ЭП с упругими механическими связями и алгоритм управления, синтезированный с его использованием.

В главе 8 представлены результаты апробации предложенных в диссертации алгоритмов управления автоматизированными синхронными ЭП в рамках решения задач по автоматизации конкретных технологических процессов. Обсуждаются особенности использования и технической реализации таких систем управления.

В разделе 8.1 представлено решение задачи синтеза цифровых алгоритмов управления высокоскоростным синхронным ЭП с векторным цифровым управлением без датчика механического движения на валу двигателя. Задача решалась в рамках Федеральной целевой программы '"Национальная технологическая база", тема «Создание малогабаритной системы высокоскоростных ЭП насосов для нефтедобычи с погружным г инвертором и микропроцессорным управлением мощностью до 200 кВт», шифр темы «Напор». (Головная организация — Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с «заводом им. А.Г. Иосифьяна»). Описаны особенности решаемой задачи, накладывающие специальные требования на систему вправления, и используемые подходы. Результаты моделирования подтвердили эффективность преложенного в диссертации подхода к синтезу цифровых систем управления.

В разделе 8.2 представлено решение задачи синтеза цифровых алгоритмов управления ЭП с упругими механическими связями, разработанных для Государственного унитарного предприятия «Конструкторское бюро приборостроения» (ГУП КБП) в рамках опытно-конструкторской работы «Приводы наведения и стабилизации спецобъекта», шифр «Панцирь-М», тема «Разработка электроприводов переменного тока с векторным регулированием и адаптивно-модельным микропроцессорным управлением». Описаны особенности решаемой задачи и используемые подходы. Результаты моделирования подтвердили эффективность преложенного в диссертации подхода к синтезу цифровых систем управления.

Основные научные результаты, выдвигаемые на защиту:

1. Метод синтеза системы управления на скользящих режимах для нелинейных объектов управления с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлением;

2. Методы нелинейного оценивания компонент вектора состояния нелинейных систем, базирующиеся на преднамеренном введении многомерного скользящего движения;

3. Методы синтеза управления и наблюдения для автоматизированных синхронных ЭП на базе комплекса «ППЭ — СД» на основе преднамеренной организации в системе скользящего режима, учитывающие особенности построения ЭП и функционирования различных видов ППЭ и СД.

4. Цифровые и аналоговые алгоритмы управления и наблюдения для автоматизированных синхронных ЭП.

Методика проведения исследований. При решении поставленных задач использовались как теоретические, так и экспериментальные исследования. Научные исследования работы обоснованы математически с использованием современной теории автоматического управления, общей теории дифференциальных уравнений, теории нелинейных систем с разрывными управлениями, теории асимптотических наблюдателей, теории дискретных систем, теории устойчивости. Достоверность полученных теоретических результатов подтверждена экспериментальными исследованиями на ПК с применением пакета прикладных программ MatLab и Simulink и апробацией в рамках конкретных задач по автоматизации технологических процессов. т.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем. С единых позиций разработаны методы синтеза систем управления и наблюдения на скользящих режимах для нелинейных систем с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлением, максимально использующие их структурных особенностей для достижения поставленных задач управления. Предложенный подход применительно к автоматизированным синхронным ЭП позволил разработать методы синтеза высококачественных информационно обеспеченных законов управления, как в непрерывном, так и в дискретной времени, которые наиболее полно используют физическую природу ЭП для решения поставленной задачи управления и характеризуются высоким качеством управления, инвариантностью к внешним возмущениям, малой чувствительностью к, изменениям питающего напряжения и динамических свойств СД, обеспечивают высокую степень использования подводимой энергии в сочетании с экономичностью передачи энергии и простотой получения вращающегося магнитного поля, присущих трехфазным цепям.

В рамках реализации поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи: разработаны методы синтеза систем управления на скользящих режимах для нелинейных объектов управления с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлениемразработаны методы нелинейного оценивания компонент вектора состояния нелинейных систем, базирующиеся на преднамеренном введении многомерного скользящего движенияразработаны методы синтеза управления и наблюдения для автоматизированных синхронных ЭП на основе преднамеренной организации в системе скользящего режима и с учетом особенностей построения ЭП, функционирования различных видов ППЭ и СДразработаны цифровые и аналоговые алгоритмов управления и наблюдения для автоматизированных синхронных ЭП.

Практическая значимость и реализация результатов работы в промышленности. Предложенный в диссертации единый подход к синтезу алгоритмов управления автоматизированным синхронным ЭП открывает &bdquo-широкие возможности по повышению алгоритмическим путем технико-экономических показателей ЭП. Это достигается за счет выполнения поставленной задачи управления в сочетании с выполнением одного или нескольких из ниже приведенных условий:

— простота алгоритма управления, благодаря правильной организации;

— существенное ослабление требований к качеству питающего напряжения и точности измерения углового положения;

— отсутствие датчиков механических координат;

— максимально эффективное использование подводимой электроэнергии за счет оптимального использования статорного тока, регуляризации частоты переключений в реальном скользящем режиме или использование оптимального по коммутационным потерям алгоритма ШИМ.

Разработанные методы построения систем управления и алгоритмы управления и наблюдения были использованы в процессе разработки базового программного обеспечения для контроллеров в рамках совместных работ с Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-т производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом им. А.Г. Иосифьяна» (ФГУГТ Hi 111 ВНИИЭМ) при реализации Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база», тема «Создание малогабаритной системы высокоскоростных ЭП насосов для нефтедобычи с погружным инвертором и микропроцессорным управлением мощностью до 200 кВт», шифр темы «Напор» и с Государственным унитарным предприятием «Конструкторское бюро приборостроения» (ГУП КБП) в рамках опытно-конструкторской работы «Приводы наведения и стабилизации спецобъекта», шифр «Панцирь-М», тема «Разработка ЭП переменного тока с векторным регулированием и адаптивно-модельным микропроцессорным управлением», а также при &bdquo-разработке систем управления силовыми преобразователями электроприводов промышленного применения для Закрытого акционерного общества «Электон» (ЗАО «Электон»),.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Научно-технической конференции «Управление динамическими системами &bdquo-при неполной информации» (Новосибирск, 1981), IV научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями» (Свердловск, 1983), Всесоюзном семинаре «Динамика ^ нелинейных процессов управления» (Таллин, 1987), II Всесоюзном семинаре «Роботы и гибкие производственные системы» (Челябинск, 1988), VI Всесоюзном совещании «Управление многосвязными системами» (Суздаль, «1990), Всесоюзном семинаре «Кибернетика электро-энергетических систем» (Челябинск, 1990), I Всесоюзной т научно-тех. конференции «Прогнозирование создания гибких производственных систем и робототехнических комплексов в условиях интенсификации производства» (Крым, 1990), IV Европейской конференции по силовой электронике и ее приложению (the 4th European Conference on Power Electronics and 'Applications) (Флоренция, Италия, 1991), Международном семинаре «Негладкие и разрывные задачи управления и оптимизации». (Владивосток, 1991), Всероссийской научной конференции «Проблемы электротехники» (Новосибирск, 1993), Международной конференции по энергои ресурсосбережению (Алушта, Украина, 1993), научно-техническом семинаре «Современный регулируемый электропривод малой и средней мощности на основе интеллектуальной силовой электроники и микропроцессорных средств управления» (Москва, 1994), на заседаниях Института повышения квалификации НАТО в области современного электропривода (Nato Advanced Study Institute on Modern Electrical Drives) (Анталия, Турция, 1994), 20-й Международной конференции по промышленной электронике,^{управлению} и инструментарию (the 20th International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation IECON'94) (Болонья, Италия, 1994), Международной конференции по электрическим машинам и силовой электронике (International AEGEN Conference on Electrical Machines and.

Power Electronics, ACEMP'95) (Кушудаси, Турция, 1995), Международная конференция «Прогресс в мехатронике» (International Conference on Recent Advances in Mechatronics, ICRAM'95) (Стамбул, Турция, 1995), IV.

Международном семинаре «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления» (Москва, 1996), 7-й Международной конференции по силовой электронике и управлению движением (the 7th International Power Electronics & Motion Control Conference, PEMC'96) (Будапешт, Венгрия, 1996), 2-ом Международном симпозиуме «Передовые системы электромеханического 'движения» (the 2nd International Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems, ELECTROMOTION'97) (Клуж-Напока, Румыния, 1997), Международном симпозиум IEEE по промышленной электронике (IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE'97) (Гуимарас, Португалия, 1997), 6-й Международной конференции по оптимизации электрического и электронного оборудования (the 6th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, ORTIM'98) (Брашов, Румыния, 1998), 8-й Международной конференции по силовой электронике и управлению движением (the 8th International Power Electronics & Motion.

Control Conference, PEMC'98) (Прага, Чехия, 1998) 24-й ежегодной конференции Отделения промышленной электроники IEEE (the 24th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, IECON'98) (Ахен, Германия,.

1998), Международной конференции по проблемам управления (Москва,.

1999), Международной научно-практической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы в текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС-2000) (Иваново, 2000), 6-й Международной конференции «Проблемы современной электротехники, ПСЭ-2000) (Киев,? Украина, 2000), 7-й Международной конференции «Проблемы современной электротехники, ПСЭ-2002) (Киев, Украина, 2002), 10-й Международной конференции по силовой электронике и управлению движением (the 10th International Power Electronics & Motion Control Conference, ЕРЕ — PEMC.

2002) (Дубровник, Хорватия, 2002), 28-й ежегодной конференции Отделения промышленной электроники IEEE (the 28th Annual Conference of IEEE.

Industrial Electronics Society, IECON'02) (Севилья, Испания, 2002), Международной конференции IEEE по промышленной технологии (IEEE International Conference on Industrial Technology, IEEE ICIT'03) (Марибор, Словения, 2003), 9-й Международной конференции по оптимизации электрического и электронного оборудования (the 9th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, ORTIM'04) (Брашов, 'Румыния, 2004), 11-й Международной конференции по силовой электронике и управлению движением (the 11th International Power Electronics & Motion Control Conference, ЕРЕ — PEMC 2004) (Рига, Латвия, 2004), Международном симпозиуме по удаленному инженирингу и виртуальной инструментарию (International Symposium on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, REV) (Филлах, Австрия, 2004), Международной конференции IEEE по промышленной технологии (IEEE International Conference on Industrial Technology, IEEE ICIT'04) (Хамамет, Тунис, 2004), VIII Международном семинаре «Устойчивость и колебания нелинейных систем управления» с.

Москва, 2004), Международном симпозиум IEEE по промышленной электронике (IEEE International Symposiumon Industrial Electronics, ISIE 2005) (Дубровник, Хорватия, 2005), 31-й ежегодной конференции Отделения промышленной электроники IEEE (the 31th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, IECON'02) (Рейлей, * США, 2005), 4-й Международной конференции по инжинирингу в области электроники и электротехники (the 4th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, ELECO'2005) (Бурас, Турция, 2005), V Международная конференция «Идентификация систем и задачи управления» (Москва, 2006). А так же на семинарах конференциях Института проблем управления им. В. В. Трапезникова РАН (Москва, 1980 — 2005).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 76 печатных работ, из них 10 в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук.

Объем работы. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, трех приложений и списка литературы, включающего 303 наименований. Содержит 370 страниц, 66 рисунков, 9 таблиц.

8.3. Выводы.

Результаты моделирования ЭП с системой управления, в которой использованы алгоритмы управления, предложенные в диссертационной работе, подтвердили работоспособность и эффективность предложенных решений.

Использование этих алгоритмов позволяет обеспечивать высокие динамические и точностные характеристики работы ЭП, снизить его чувствительность к изменениям параметров.

Наряду с решением задачи управления решена задача получения информации о механических переменных, что существенно повышает технико-экономические показатели ЭП.

Предложенные подходы позволяют наряду с высококачественным решением задачи управления успешно решать задачу энергетической оптимизации работы ЭП за счет повышения кпд путем уменьшения коммутационных и тепловых потерь, более полного использования подводимого напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе с единых позиций разработаны методы синтеза систем управления и наблюдения на скользящих режимах для автоматизированных синхронных ЭП, наиболее полно использующие их структурных особенностей для достижения поставленных задач управления. Предложенный подход позволяет синтезировать высококачественные информационно обеспеченные законы управления, как в непрерывном, так и в дискретной времени, которые наряду с простотой реализации, высоким качеством управления, инвариантностью к внешним возмущениям, малой чувствительностью к изменениям питающего напряжения и динамических свойств СД, характеризуются высокой степенью использования подводимой энергии и простотой получения вращающегося магнитного поля, присущей трехфазным цепям.

В рамках реализации поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи: разработаны методы синтеза систем управления на скользящих режимах для нелинейных объектов управления с периодической матрицей перед избыточным разрывным управлениемразработаны методы оценивания компонент вектора состояния нелинейных систем, базирующиеся на преднамеренном создании многомерного скользящего движенияразработаны методы синтеза управления автоматизированными синхронными ЭП на основе преднамеренной организации в системе скользящего режима и использовании свойств этого вида движенияразработаны алгоритмы управления ЭП на базе комплекса «ППЭСД», учитывающих особенности построения ЭП, функционирования различных видов ППЭ и СДразработаны методы оптимизации статических режимов работы ЭП в рамках предложенных алгоритмов управлениятеоретически исследованы алгоритмов ШИМ для трехфазного АИН и синтезирован оптимальный по коммутационным потерям алгоритм ШИМразработаны алгоритмы регуляризации переключений в реальном скользящем режиме с целью улучшения его технико-экономических показателейразработаны методы и алгоритмы оценивания в непрерывном времени механических координатах ЭП с использованием преднамеренно организованного многомерного скользящего режимаразработаны алгоритмы цифрового управления и наблюдения для автоматизированных синхронных ЭП на основе ретроспективной и текущей информацииразработаны методы и алгоритмы цифрового ограничения скорости и ускорения изменения задания, упрощающие процедуру синтеза алгоритма управления сложными нелинейными объектами управленияразработаны методы и алгоритмы цифрового управления ЭП с упругими механическими связями.

Предложенный в диссертации единый подход к синтезу алгоритмов управления автоматизированными синхронными ЭП открывает широкие возможности по повышению алгоритмическим путем технико-экономических показателей ЭП. Это достигается за счет выполнения поставленной задачи управления в сочетании с выполнением одного или нескольких из ниже приведенных условий:

— простота алгоритма управления, благодаря правильной его организации;

— существенное ослабление требований к качеству питающего напряжения и точности измерения углового положения;

— отсутствие датчиков механических координат;

— максимально эффективное использование подводимой электроэнергии за счет оптимального использования статорного тока, регуляризации частоты переключений в реальном скользящем режиме или использование оптимального по коммутационным потерям алгоритма ШИМ.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждена экспериментальными исследованиями и реализацией результатов работы в промышленности в процессе разработки базового программного обеспечения для контроллеров в рамках совместных работ с Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом им. А.Г. Иосифьяна» (ФГУП НЛП ВНИИЭМ) в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база», тема «Создание малогабаритной системы высокоскоростных ЭП насосов для нефтедобычи с погружным инвертором и микропроцессорным управлением мощностью до 200 кВт», шифр темы «Напор» и с Государственным унитарным предприятием «Конструкторское бюро приборостроения» (ГУП КБП) в рамках опытно-конструкторской работы «Приводы наведения и стабилизации спецобъекта», шифр «Панцирь-М», тема «Разработка ЭП переменного тока с векторным регулированием и адаптивно-модельным микропроцессорным управлением», а также при разработке систем управления силовыми преобразователями электроприводов промышленного применения для Закрытого акционерного общества «Электон» (ЗАО «Электон»).