Разработка быстродействующих электромеханических систем с учетом ограничений в объекте управления

Актуальность. Исследования и разработка систем управления и регулирования электроприводов, оптимизированных по быстродействию, расширяются в связи с повышением требований к качеству переходных процессов, совершенствованием технических средств и методов управления. При решении задачи оптимизации необходимо учитывать свойства источников питания, двигателей и механизмов, выявлять закономерности управления при параметрических (инерционность) и физических ограничениях, характеризующих пределы возможных значений координат перемещения, скорости, нагрузки, ускорения и его производных.

Результаты разработок быстродействующих систем управления наиболее востребованы при создании регулируемых электроприводов постоянного и переменного тока с интенсивными режимами работы, применяемых в различных отраслях, в том числе в металлургии для механизмов прокатных станов и установок механических испытаний металлов. В электроприводы входят системы управления и регулирования, совместно с механизмами технологических агрегатов они представляют собой электромеханические системы (ЭМС), входящие в состав автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ-ТП) на нижнем уровне автоматизации, когда требуются высокая надёжность, многократное воспроизведение разнообразных процессов при относительно простых функциях задания, изменяющегося в широком диапазоне.

Современный уровень развития ЭМС представлен в основном многоконтурными «системами подчинённого регулирования». Они создаются в рамках теории автоматического регулирования при неполном описании объектов с известным приближением и использованием квадратичных критериев оптимальности переходных функций, в том числе по быстродействию. Однако при управлении объектом с ограничениями для таких систем доступным является лишь воспроизведение специально формируемых задающих воздействий, из-за чего снижается быстродействие.

В существующих ЭМС не получили широкого внедрения достижения математической теории оптимального управления. Несмотря на многочисленные исследования, опытно-промышленная реализация устройств, использующих в алгоритмах управления методы поиска границ пространства состояний в масштабе реального времени, оказалась не систематизированной из-за огромного количества вариантов и математической неопределённости. Не исследовано сопряжение интервалов управления и регулирования.

Наиболее близким к теме диссертации является прикладное направление развития теории оптимального управления, предложенное акад. Красовским A.A. и др. («физическая теория управления» [39]), ориентированное на комплексное использование математических методов оптимального управления и авторегулирования. Оно нацелено на создание широко тиражируемых систем с реально контролируемыми координатами и учетом свойств объектов, в которых переходные процессы максимально приближены к оптимальным. Одним из этапов развития физической теории управления, используемой при создании регулируемых быстродействующих многоконтурных ЭМС, являются выводы и разработки д.т.н. Мазунина В. П. В них предложены и обоснованы нелинейные системы любого порядка с автоматическим формированием процессов, максимально приближенных к оптимальным по быстродействию, при широком диапазоне задающих воздействий и качественном регулировании. Обоснована физически оптимальная по быстродействию нелинейная базовая модель (НБМ) систем, разработана и развивается методика создания оптимизированных ЭМС при приближенном описании свойств механизмов.

В рамках развития этой методики актуальны дальнейшие разработки, к числу которых относятся: а) снижение погрешности в определении величины параметрических ограничений (аппроксимации их фиксированными параметрами апериодического звена явно недостаточно) — б) обоснование ограничений для систем с многоконтурными объектами, в том числе при перекрёстных и упругих связяхв) выявление нереализуемых процессов на основе анализа исходных данных с исключением несоответствия между исходными ограничениями по данным оборудования и физически реализуемыми ограничениями.

Таким образом, развитие методики создания оптимизированных по быстродействию ЭМС на основе НБМ позволит расширить область их применений для большого числа механизмов.

Объектом исследования являются нелинейные замкнутые многоконтурные электромеханические системы управления со структурой нелинейной базовой модели с ограничением координат в сложных объектах управления, в том числе с упругостью в механизмах.

Цель работы состоит в развитии методики предельно достижимого управления нелинейными быстродействующими электромеханическими системами с определением параметрических и физических ограничений, обусловленных сложной структурой объекта, в том числе упругостью в механизмах.

Основные задачи исследований:

1. Анализ особенностей управления нелинейными быстродействующими многоконтурными электромеханическими системами с устойчивой линейной внутренней частью, относящейся к объекту, и с колебательными механизмами, содержащими упругие связи.

2. Развитие методики расчета характеристик нелинейных звеньев управления в многоконтурных электромеханических системах с учётом линейной внутренней части, описываемой дифференциальным уравнением высокого порядка, в том числе при упругих связях в механизме, с целью повышения их быстродействия при эффективном демпфировании механических колебаний.

3. Развитие структуры нелинейных быстродействующих многоконтурных электромеханических систем управления на основе нелинейной базовой модели с учетом возможных вариантов совокупности физических ограничений и выявлением нереализуемых процессов.

4. Экспериментальное подтверждение результатов разработок и методических рекомендаций.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с привлечением методов теории автоматического регулирования (частотные логарифмические характеристики, интегральные критерии качества процессов), теории колебаний (демпфирование), теории оптимального управления (быстродействие), теории электропривода (многоконтурные замкнутые линейные и нелинейные электромеханические системы). Анализ выполнен с использованием пакетов MathCAD, MatLab. Моделирование ряда реализаций быстродействующего электропривода с привлечением численных методов решения дифференциальных уравнений осуществлено в среде Turbo Pascal. Натурные испытания проведены на стенде электропривода, оборудованного тиристорной системой управления постоянного тока Simoreg 6RA70 фирмы Siemens.

Научная новизна:

1. Развита методика расчета характеристик нелинейных звеньев управления ЭМС 2−4-го порядка с многоконтурной внутренней частью и определением параметрических ограничений, а также областей линейного и нелинейного управления.

2. Разработана методика формирования характеристик управления, обеспечивающая сопряжение линейной и нелинейной областей с определением контурных коэффициентов в объекте по условиям оптимизации демпфирования упругих колебаний.

3. Предложена методика синтеза регулятора ускорения с ограничением задания производной ускорения на основе интегральной оценки процессов при сохранении физически оптимального быстродействия и эффективном демпфировании механических колебаний.

4. Обосновано дополнение функций быстродействующих нелинейных замкнутых многоконтурных электромеханических систем функцией предварительного определения физически достижимых уровней ограничений с целью исключения нереализуемых режимов управления.

Достоверность научных результатов обусловлена использованием апробированных математических методов и подтверждена результатами моделирования конкретных электромеханических систем при различных физических и параметрических ограничениях и вариантах их сочетаний, а также натурными испытаниями.

Практическая ценность работы.

1. Расширена область применения систем на основе нелинейной базовой модели на группы электроприводов с многоконтурной структурой устойчивого (неколебательного) и колебательного объектов.

2. Предложено дополнение многоконтурных электромеханических систем на основе нелинейной базовой модели функциональным блоком предварительной оценки реализуемости исходной совокупности физических и параметрических ограничений с одновременным уточнением порядка систем.

3. Апробировано и рекомендовано применение дополнительного ограничения производной ускорения (динамического момента) в нелинейной системе с упругостью, повышающее качество управления при эффективном демпфировании.

4. Результаты представлены в форме положений и рекомендаций, которые могут использоваться в инженерных методиках проектирования и настройке электроприводов при пуско-наладочных работах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Развитие методики расчёта нелинейных характеристик звеньев управления в быстродействующих системах с многоконтурным объектом с заданными показателями устойчивости, реализацией сопряжения линейной и нелинейной областей управления.

2. Обоснование методики реализации максимального быстродействия систем при увеличении линейной области управления с целью эффективного демпфирования механических колебаний.

3. Методика ввода дополнительного ограничения производной ускорения в объекте нелинейной системы с упругостью с целью повышения качества управления при эффективном демпфировании.

4. Развитие методики определения достижимых (реализуемых) уровней физических и параметрических ограничений, в том числе с колебательным объектом (упругостью) в системе.

Апробация работы.

Основные положения данной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции по механике и процессам управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин (Курган, 2003 г.) — II Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии», (Темиртау, 2003 г.) — четырнадцатой и пятнадцатой научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, 2007, 2012 г. г.) — XXXVIII Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (Миасс, 2008 г.) — 47-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Нижний Новгород, 2008 г.) — всероссийской научной конференции молодых ученых «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ.» (Новосибирск, 2009 г.) — VII Международной Научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», (Омск, 2009 г.) — 6-й Международной научно-технической интернет-конференции «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. С415-технологии в энергетике» (Пермь, 2012 г.), а также российских научно-технических конференциях, проводимых ФГБУН Институтом машиноведения УрО РАН в 2007;2012 г. г.

Публикации. По результатам исследований и материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения, включает в себя 129 страниц машинописного текста, 30 иллюстраций и 79 наименований цитированной литературы.

4.6. Выводы по главе 4.

1. Моделирование систем с неколебательным объектом невысокого порядка с использованием апериодического звена применимо для подтверждения работоспособности варианта структуры — выполнения алгоритма управления и оценки времени попадания в пределы допустимого отклонения от задания по выходной координате. Завершающая часть процесса может оцениваться только качественно, в рамках сохранения устойчивости.

2. В более сложных системах (4-го порядка) способ представления внутренней части не имеет решающего значения, на первый план выдвигаются оценки точности формирования сигналов управления, в связи с чем для практики производные выше 3-й не представляют большого интереса за исключением случаев, когда возможны неустранимые колебания из-за неучтённых (возможных) ограничений во внутренней части системы.

3. Результатами математического моделирования систем с колебательным объектом подтверждено оптимальное демпфирование упругих колебаний в приводе механизма как с одним внутренним контуром, так и с двумя контурами, что характерно для режимов работы НБМ при действии ограничений, причём с регулятором скорости его эффективность повышается.

4. Из анализа переходных процессов управления в двухконтурной системе регулирования скорости с параметрами оптимального демпфирования следует, что при высоких требованиях к быстродействию и качеству управления в системе требуется оперативная перестройка параметров (Те, кру) внутреннего контура ускорения (см. (2.34)). Подтверждено, что возможно управление и без перестройки контура ускорения с выбором параметров на основе принципа диакоптики (2.35) при удовлетворительном качестве демпфирования.

5. Анализ данных, полученных при моделировании процессов «в большом» пластометрической установки с учетом условий демпфирования и заданными ограничениями, показал, что увеличенное параметрическое ограничение привело к следующему: физическое ограничение момента достигается только во внешнем контуре, во внутреннем ограничение производной момента не достигается. Поскольку коэффициент усиления РС по условиям управления выше, чем по условиям демпфирования, реализация перехода скачком от характеристики управления к характеристике регулирования позволяет сохранить исходное быстродействие.

6. Кроме того, введение при управлении дополнительного ограничения (йт/сИ), перестраиваемого в зависимости от величины интегральной оценки, приводит к дальнейшему уменьшению перерегулирования (ш). При этом фактическое время переходного процесса не больше расчетного при отклонении скорости (х) на 2−5% от заданной в конце процесса. Ввод дополнительного ограничения благоприятно сказывается на динамике привода при управлении: снижаются нагрузки на валу двигателя в пределах допустимых и присходит формирование переходных процессов, близких к физически оптимальным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе исследована актуальная задача оптимизации по быстродействию электромеханических системах с учетом ограничений в объекте управления. При этом был получен ряд новых научных и практически значимых результатов:

1. В рамках совершенствования нелинейных систем (НБМ) для различных вариантов сочетания физических (амплитудных) ограничений разработана методика определения достижимых уровней физических ограничений с использованием алгоритма для формирования физически осуществимых процессов и определения объективной оценки времени оптимальных процессов.

2. Выполненный анализ устойчивой многоконтурной линейной (неколебательной) внутренней части системы, относящейся к объекту, позволил обосновать ее аппроксимацию апериодическим звеном с эквивалентной постоянной времени Тэ, определяемой на основе интегральной оценки процессов.

3. С целью достижения максимального быстродействия и повышения точности формирования управляющих воздействий методика расчета нелинейных характеристик звеньев управления дополнена учётом свойств неколебательной линейной внутренней части, описываемой дифференциальным уравнением высокого (более второго) порядка.

4. Проведенный анализ колебаний в механизмах с упругими связями позволил аналитически определить «в малом» контурные коэффициенты усиления регуляторов скорости и ускорения для эффективного демпфирования с определением границы линейной и нелинейной областей управления.

5. Методика расчета характеристик нелинейных звеньев управления дополнена учетом свойств колебательного объекта с определением расчётных пределов достижимого быстродействия и демпфирующих регуляторов.

6. Получено подтверждение результатов разработок моделированием процессов на ПЭВМ и натурными испытаниями на действующих электроприводах.