Аналіз і синтез електромеханічних систем, які описуються дробовими інтегрально-диференційними ланками

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-прикладної проблеми – аналізу і синтезу електромеханічних систем, в склад яких входять інтегро-диференційні ланки дробового порядку, для покращення їх стійкості та робастності, шляхом розроблення алгоритмів функціонування дробових регуляторів та їх апаратної реалізації. На основі перетворення Оусталоупа розроблено програмне забезпечення для аналізу і синтезу для електромеханічних систем за використання операторів Лапласа дробового порядку, яке у порівнянні з пакетом NINTEGER дозволяє забезпечити аналогічну точність, але реалізується не тільки в середовищі MATLAB/Simulink, але і в програмному середовищі MATLAB. Таким чином, структура апроксимуючої передавальної функції, отримана за такого перетворення, і її параметри відображаються в пам’яті MATLAB, що спрощує їх перегляд, дослідження і перевірку. Розроблено програмне забезпечення, що за використання методу рою частинок дозволяє реалізувати самоналагодження електромеханічних систем шляхом їх ідентифікації, апроксимації дробовими моделями і синтезу регулятора дробового порядку за бажаною якістю перехідного процесу, який запропоновано задавати точками перехідної функції бажаної дробової форми, або характерними точками перехідної функції бажаної дробової форми. Рекомендовано застосування двох бажаних дробових форм, за умови що для форми №1 q = 0,9 ÷ 1,3, а для форми №2 q = 0,1 ÷ 2, що дозволяє розширити гамму можливих налаштувань дробових регуляторів при синтезі контурів електромеханічних систем і таким чином підвищує ефективність синтезованих ЕМС. Розроблено алгоритм налагодження ПІД-регулятора шляхом порівняння перехідної характеристики електромеханічної системи з бажаною за використання методу рою частинок. Завдяки цьому даний алгоритм може бути використаний в режимі самоналагодження системи автоматичного керування та її ідентифікації за умови невизначеності параметрів об’єкта керування. Розроблений ПIλДμ-регулятор реалізовано як опцію в програмованому логічному контролері перетворювача частоти MFC710, що дозволяє керувати координатами електропривода (частотою обертання) або технологічними параметрами (температурою, тиском тощо) з можливістю його використання у режимі самоналагодження. Диссертация посвящена решению важной научно-прикладной проблемы – анализа и синтеза электромеханических систем, в состав которых входят интегро-дифференциальные звена дробного порядка, для улучшения их устойчивости и робастности, путем разработки алгоритмов функционирования дробных регуляторов и их аппаратной реализации. Для электромеханических систем на основе преобразования Оусталоупа разработано программное обеспечение для их анализа и синтеза при использовании операторов Лапласа дробного порядка, что по сравнению с пакетом NINTEGER позволяет обеспечить аналогичную точность, но реализуется не только в среде MATLAB / Simulink но и в программной среде MATLAB, то есть структура аппроксимирующей ПФ, полученной при таком преобразовании, и ее параметры отображаются в памяти MATLAB, что упрощает их просмотр, исследования и проверку. Разработано программное обеспечение, позволяющее реализовать за использование метода роя частиц самоналадку электромеханических систем путем их идентификации, аппроксимации дробными моделями и синтеза регулятора дробного порядка с желаемым качеством переходного процесса, который предложено задавать точками переходной функции желаемой дробной формы, или характерными точками переходной функции желаемой дробной формы. Рекомендовано применение двух желаемых дробных форм, при условии что для формы №1 q = 0,9 ÷ 1,3, а для формы №2 q = 0,1 ÷ 2, что позволяет расширить гамму возможных настроек дробных регуляторов при синтезе контуров электромеханических систем и тем самым повышает эффективность синтезированных электромеханических систем. Разработана методика синтеза систем автоматического управления на основе дробного характеристического полинома пригодна для выбора параметров как дробных, так и целочисленных регуляторов, которые являются частным случаем дробных, позволяет обеспечивать желаемое качество переходного процесса, но структура дробного регулятора зависит от передаточной функции объекта управления. Разработано алгоритм настройки ПИД-регулятора путем сравнения переходной характеристики электромеханической системы с желаемой за использования метода роя частиц, благодаря чему данный алгоритм может быть использован в режиме самонастройки системы автоматического управления и ее идентификации при неопределенности параметров объекта управления. Разработанный ПIλДμ-регулятор реализовано как опцию в программируемом логическом контроллере преобразователя частоты ПЧ MFC710, что позволяет управлять координатами электропривода (частотой вращения) или технологическими параметрами (температурой, давлением и т.п.) с возможностью его использования в режиме настройки. Испытания опции ПЧ MFC 710 с ПIλДμ-регулятором дробного порядка в системе управления скорости за использование стенда подтвердили ее эффективность с точки зрения расширения регулирующих возможностей такого регулятора по сравнению с классическим ПИД-регулятором для систем ПЧ-АД. Возможность регулирования Дμ-составной регулятора обеспечивает эффект фильтрации переменной составляющей на выходе регулятора скорости, то есть к уменьшению пульсаций момента АД. Подход к синтезу за использование дробного характеристического полинома позволяет получить структуру и параметры дробного регулятора в результате относительно простых расчетов. Дробный регулятор, синтезированный для системы ПЧ-АД, описанного как объект управления ПФ по результатам экспериментальных исследований и входного задания на 1200 об. / мин., удовлетворительно работает и на других заданных скоростях. Проведенные исследования различных вариантов параметрического синтеза ПIλДμ-регулятора дробного порядка скорости для ПЧ-АД за использование методов интеллектуального управления, в частности генетического алгоритма, показали полную работоспособность такого подхода. ПIλДμ-регуляторы синтезированные интеллектуальными методами для ПЧ-АД, описанного как объект управления ПФ по результатам экспериментальных исследований и входного задания на 1200 об. / мин., удовлетворительно работают и на других заданных скоростях. The thesis is devoted to solving of a topical scientific and applied problem, i.e. the analysis and synthesis of electromechanical systems which include integral-differential fractional order units in order to improve their stability and robustness by developing algorithms of fractional controllers functioning and their hardware implementation. On the basis of Oustaloup transformation there has been developed software for analysis and synthesis of electromechanical systems by applying fractional order Laplace operators, which ensures the same accuracy in comparison with NINTEGER package, but is implemented not only within the MATLAB/Simulink but also in MATLAB software environment. Thus, the structure of approximating transfer function obtained by such transformation and its settings are displayed in MATLAB memory, facilitating their viewing, research and verification. There has also been developed software that enables self-tuning of electromechanical systems by means of using particle swarm optimization method through their identification, approximation by fractional models and synthesis of fractional order controller for the desired quality of the transition process, which has been proposed to be set by the points of transition functions of desired fractional form or by characteristic points of the transition function of desired fractional form. Application of two desired fractional forms has been recommended on condition that q = 0,9 ÷ 1,3 for Form №1, and q = 0,1 ÷ 2 for Form №2, thus extending the range of possible settings of fractional controllers with the synthesis of electromechanical systems loops and increasing the efficiency of synthesized electromechanical systems. The algorithm for PIλDμ-controller tuning has been developed through comparison of transition function of electromechanical system with the desired one by using particle swarm optimization method, due to which this algorithm can be used in self-tuning mode of automatic control system and its identification under uncertainty of control object parameters. The designed PIλDμ-controller has been implemented as an option in the programmable logic controller of MFC710 frequency converter, which enables control of the electric drive coordinates (rotation speed) or technological parameters (temperature, pressure, etc.) with the possibility of its application in the self-tuning mode.