Автоматизация процессов управления многорежимными импульсными системами электрического и электромеханического преобразования энергии

Косчинский, Станислав Леонидович

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процессов управления многорежимными импульсными системами электрического и электромеханического преобразования энергии

доктора технических наук: Косчинский, Станислав Леонидович
город: Орел
год: 2006
специальность ВАК РФ: 05.13.06
цена: 450 рублей

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Автоматизация процессов управления многорежимными импульсными системами электрического и электромеханического преобразования энергии»

Автореферат диссертации по теме "Автоматизация процессов управления многорежимными импульсными системами электрического и электромеханического преобразования энергии"

На правах рукописи

КОСЧИНСКИЙ Станислав Леонидович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОРЕЖИМНЫМИ ИМПУЛЬСНЫМИ СИСТЕМАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Орел 2006

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Колоколов Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Феоктистов Валерий Павлович

доктор технических наук, профессор Константинов Игорь Сергеевич

доктор технических наук, профессор Корсунов Николай Иванович

Ведущее предприятие Воронежский государственный

технический университет

Защита состоится 9 2006 г. в

на заседании

диссертационного совета Д212.182.01 Орловского государственного технического университета (302020, г.Орел, Наугорское шоссе, 29). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим высылать ученому секретарю совета Д212.182.01.

Автореферат разослан ^ с о А/ 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.182.01, ___» /

доктор технических наук, профессор /^¡Г^^

А.И. Суздальцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для энергоемких технологических процессов (ТП) в добывающей и перерабатывающей промышленности, в коммунальном хозяйстве, на транспорте, актуальной является проблема повышения эффективности преобразования электрической энергии [Ильинский Н.Ф. 1995, 2003; Браславский И .Я. 1998, 2005; Лезнов Б.С. 1998; Тулупов В.Д. 1994]. Решение указанной проблемы в энергоемких ТП обеспечивается за счет использования импульсных систем преобразования энергии (ИСПЭ) для воздействия на исполнительный механизм (ИМ). При этом для ТП, предполагающих эксплуатацию ИСПЭ в условиях значительного диапазона регулирования с частым изменением режимов функционирования, эффективность использования ИСПЭ определяется, в первую очередь, эффективностью соответствующих процессов управления.

Автоматизированная система управления (АСУ) ИСПЭ представляет собой систему подчиненного регулирования и реализует управление нижних уровней иерархии в структуре АСУ ТП. Проектирование АСУ ТП как системы подчиненного регулирования, как правило, осуществляется по восходящему принципу - от синтеза управления нижних уровней иерархии к управлению верхними уровнями [Слежановский О.В. и соавт. 1970; Фишбейн В.Г. 1972; Вейнгер A.M. и соавт. 1980; Вишневецкий JI.M. и соавт. 1983; Шрейнер Р.Т. 2000; Мазунин В.П. и соавт. 1997, 2006]. При этом показатели эффективности каждого низшего уровня иерархии процессов управления, выступают в качестве ограничений и определяют эффективность более высоких уровней. Повышение эффективности АСУ ТП предполагает системный подход, рассматривающий всю иерархию процессов управления, а не только верхний уровень регулирования собственно технологического параметра ТП.

ловленные пренебрежением быстроизменяющейся компонентой в ионарном процессе ИСПЭ [Middlebrook R.D., Cuk S. 1976-1978; ;hese G. 1981]. Причем, четко сформулировать необходимые условия ватного применения метода "усреднения" в виде ограничения на бы-действие ИСПЭ, соотнесенное к частоте преобразования энергии, ;ставляется затруднительным [Шипилло В.П. 1969; Елисеев В.А. и со-1983; Рудаков В.В. и соавт. 1987; Middlebrook R.D., Cuk S. 1976-1978; ешин В.И. и соавт. 1986], что обуславливает в практическом прило-1и дилемму или медленная и "неэффективная" — или быстрая АСУ [Э с непредсказуемой динамикой при вариации параметров объекта вления и почти неизбежной доводкой параметров АСУ "на объекте" >дом проб и ошибок. Кроме того, ИСПЭ это существенно нелинейные емы переменной структуры, в динамике которых за последние 15 лет шены явления принципиально не объяснимые с позиций "усреднен-1 линеаризованных динамических моделей [Kuroe Y., Hayashi S. 1987-i; Deane J.H.B., Hamil D.C. 1992; Кипнис M.M. 1992; Белов Г.А. 1990; ) кол OB Ю.В. и соавт. 1990-2006; Жусубалиев Ж.Т. и соавт. 1990-2006; irjee S., Chakrabarty К. и соавт. 1996-2006; Tse С.К. и соавт. 1994-i], В первую очередь это касается проблемы возникновения субгармо-:ских и хаотических процессов в динамике ИСПЭ. Отмеченные про-ы обусловлены самой сущностью ИСПЭ и принципиально не могут » исключены путем каких-либо ее структурных изменений, не всту-щих в противоречие с требованием эффективности1. Практическому льзованию результатов исследования нелинейной динамики АСУ 1Э препятствует, в первую очередь, отсутствие их систематизации и лапизации. В подавляющем большинстве существующих работ, поенных исследованию нелинейной динамики АСУ ИСПЭ, содержатся > результаты только качественного характера, либо результаты, полу-[ые численным моделированием конкретных систем и не формализо-[ые до уровня реальных практических приложений. С учетом вышеиз-гнного представляется актуальной проблема формирования современ-методологии анализа и проектирования АСУ ИСПЭ, учитывающей южность возникновения в них недетерминированной динамики.

Другой мотивацией диссертационной работы могут служить возрас-цие требования к функциональности современных АСУ ИСПЭ. На се-[яшний момент времени приобретают актуальность задачи, еще него даже не рассматриваемые при построении АСУ ИСПЭ. Например,

>бходимо отметить, что известны способы исключения субгармонических и хаотиче-процсссов из динамики ИСПЭ за счет существенного снижения их эффективности, на-гр, за счет 50% ограничения рабочего диапазона [Redi R„ Novak I. 1981] или введения жки в цепь обратной связи [Ott Е., Grebogi С., Yorke JA. 1990] иди за счет статизма ре-ювочной характеристики - т.н. релейно-импульсные системы с двойной синхронизаци-олоколов Ю.В. и соавт. 1988; Anunciada A V. 1989].

для ТП производства рулонных материалов — фольги, бумаги; в ТП коммунального хозяйства актуальной является задача управления АСУ ИСПЭ в квазистационарных режимах функционирования, таких как повторный пуск - "подхват" вращающегося электродвигателя ИМ, сохранение основного движения - "удержание" электродвигателя ИМ при кратковременных провалах напряжения питающей сети и др. [Holtz J. и соавт. 1994; Kerk-man R.J. и соавт. 1992]. Решение указанных задач предполагает расширение понятия управления на уровне режима АСУ ИСПЭ и, соответственно, новую формулировку проблемы автоматизации процессов управления, а также обуславливает необходимость построения быстродействующих АСУ ИСПЭ с известной и предсказуемой динамикой [Holtz J. и соавт. 1994].

Объектом исследования являются АСУ импульсными преобразовательными системами.

Предметом исследования являются процессы управления многорежимными импульсными преобразовательными системами на примере ИСПЭ.

♦ провести классификацию и систематизацию процессов управления в стационарных и квазистационарных режимах электроприводов постоянного тока (ЭП ПТ) и асинхронных (АЭП) в составе энергоемких ТП;

♦ на основе классификации разработать концептуальную модель процессов управления унифицированной многорежимной АСУ ИСПЭ;

♦ разработать принципы управления в квазистационарных режимах ИСПЭ;

♦ развить методы анализа АСУ импульсными преобразовательными системами. В частности:

• формализовать метод формирования оператора сдвига по траекториям кусочно-сшитых моделей;

• формализовать методы аналитического поиска периодических процессов, оценки их локальной устойчивости в смысле Ляпунова-Флоке и идентификации бифуркационных состояний;

• разработать метод автоматизированного построения областей существования и устойчивости стационарных процессов в пространстве параметров;

♦ провести бифуркационный анализ нелинейной динамики типовых АСУ ИСПЭ. В частности:

• установить влияние способа и рода модуляции сигнала рассогласования на динамику АСУ;

• установить влияние структуры и параметров типовых регуляторов П-, ПИ-, ПИД- на область устойчивости синхронного к периоду ШИМ стационарного процесса;

• установить влияние специфических особенностей энергетического и : информационного каналов АСУ ИСПЭ (наличие разделительных

фильтров питания в энергетическом канале ИСПЭ, наличие задержки в информационном канала АСУ) на динамику системы;

• провести моделирование АСУ АЭП с векторным управлением и ЭП ПТ в различных эксплуатационных режимах;

♦ разработать метод оптимизации регуляторов нижнего уровня иерархии АСУ, использующий результаты бифуркационного анализа в качестве ограничений. Выполнить оптимизацию регуляторов АСУ многорежимных ЭП ПТ и АЭП с векторным управлением;

♦ разработать практические методы адаптации типовых АСУ ИСПЭ, ставящие своей целью повышение робастности только переходных или только установив шихся процессов, и не использующие прямую идентификацию состояния объекта управления;

♦ на основе результатов работы разработать технические средства конкретных АСУ ИСПЭ и осуществить их промышленное внедрение.

Методы исследования базируются на теории системного анализа и теории автоматического управления и, в частности, теории динамических систем переменной структуры, теории нелинейных колебаний, теории устойчивости и бифуркационного анализа; на различных методах прикладной математики, включающих методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений, матричную алгебру, методы решения систем нелинейных уравнений и нелинейной оптимизации, теорию множеств. Численная реализация математических моделей выполнялась на ЭВМ с помощью разработанных программ. Достоверность полученных в работе результатов, подтверждается экспериментальными исследованиями, которые проводились на разработанных экспериментальных установках. В частности, экспериментальные исследования проводились на установке "Импульсный электропривод постоянного тока 24В-1,5кВт"; на макете-прототипе "Бестрансформаторный многоуровневый преобразователь частоты с векторным управлением для асинхронного электродвигателя 380В-15кВт"; на экспериментальной установке "Резонансный преобразователь напряжения 120кВ-12кВт"; на экспериментальном импульсном повышающем преобразователе постоянного напряжения 75В-50Вт. Кроме того, при проведении экспериментальных исследований использовались серий-

но выпускаемые преобразователи частоты ЗАО "Электротекс" (г.Орел) и ЗАО "Научприбор" (г.Орел).

♦ концептуальную модель процессов управления унифицированной многорежимной ИСПЭ, определяющую системообразующие АСУ ИСПЭ факторы и систематизирующую процессы управления в ней.

♦ принципы управления в квазистационарных режимах ИСПЭ;

♦ алгоритмы бифуркационного анализа стационарных процессов в пространстве параметров АСУ;

♦ результаты бифуркационного анализа динамики АСУ с широтно-импульсной и релейно-импульсной (РИ) модуляцией, включающие:

• выявленные и изученные сценарии потери устойчивости синхронным стационарным процессом, обусловленные способом и родом модуляции сигнала рассогласования, а также типом и параметрами регуляторов АСУ;

♦ метод оптимизации регуляторов нижнего уровня иерархии АСУ импульсными преобразовательными системами, использующий составной интегральный критерий оптимальности относительно глобальной и локальной составляющих переходного процесса, гарантирующий выбор параметров АСУ из области ее локальной устойчивости;

♦ принципы построения адаптивных нелинейных регуляторов на основе нечеткой логики по линейному регулятору-прототипу, повышающие робастность АСУ ИСПЭ в плане показателей качества переходного процесса в условиях нестационарности объекта управления и источника энергии;

♦ метод адаптации статизма релейно-импульсной АСУ ИСПЭ, гарантирующий ее абсолютную устойчивость и нулевую статическую ошибку во всем диапазоне регулирования.

На защиту выносятся:

♦ научные основы и методология анализа и проектирования АСУ ИСПЭ;

♦ концептуальная модель процессов управления унифицированной многорежимной АСУ ИСПЭ;

♦ формализованные принципы управления в квазистационарных режимах ИСПЭ;

♦ результаты моделирования и оптимизации конкретных АСУ ИСПЭ: многорежимных ЭП ПТ, АЭП с векторным управлением.

Практическая значимость.

♦ Сформированная методология анализа и проектирования АСУ ИСПЭ, включающая в себя комплекс средств моделирования, оптимизации и адаптации АСУ ИСПЭ, обеспечивает повышение эффективности АСУ ТП, интегрирующих АСУ ИСПЭ, за счет увеличения их быстродействия, робастности относительно показателей качества переходных и установившихся процессов, функциональности в плане реализации управления в квазистационарных режимах, и надежности (устойчивости) за счет исключения на этапе разработки АСУ возможности возникновения недетерминированных процессов в их динамике.

♦ Формализованные принципы управления и разработанные алгоритмы реализации квазистационарных режимов ИСПЭ повторный пуск -"подхват" и сохранение основного движения — "удержание" электродвигателя ИМ при кратковременных провалах напряжения питающей сети, расширяют функциональность АСУ ИСПЭ и позволяют повысить эффективность ТП за счет сокращения времени простоя оборудования и увеличения его срока службы за счет исключения ударных динамических нагрузок.

♦ Систематизированные и формализованные результаты исследования динамики, оптимизации и адаптации процессов управления конкретных АСУ ИСПЭ обеспечивают проектирование соответствующих систем в составе АСУ ТП, что подтверждается реализацией результатов работы.

Реализация результатов работы. Разработан, изготовлен и испытан опытный образец и подготовлено серийное производство бестрансформаторного многоуровневого преобразователя частоты с векторным управлением для асинхронного электродвигателя 6кВ-1МВт "КАСКАД-5" (ЗАО "Электротекс", г.Орел); реализованы алгоритмы векторного управления в модифицированных преобразователях частоты, поставленных в серийное производство ЗАО "Электротекс" (г.Орел) с 2006 г.; разработан высоковольтный резонансный преобразователь питания рентгеновской трубки 120кВ-12кВт малодозной цифровой рентгеновской установки, который находится в серийном производстве ЗАО "Научприбор", (г.Орел) с 2003 г. Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Диссертационная работа выполнена в рамках НИР, проводившихся Орловским государственным техническим университетом за период с 1994 по 2000 гг.; при реализации НИР "Dynamics Of Complex Electromechanical Energy Conversion Systems" совместно с технологическим университетом г.Труа (Франция) с 2000 по 2004 гг.; при реализации НИР "Pulse Energy

Conversion Systems: Control And Modeling" совместно с университетом г.Реймс (Франция) с 2004 по настоящее время.

Результаты диссертационной работы были поддержаны тремя грантами МО РФ в области транспортных наук (1.4.94 № гос. регистрации 01.9.40 003747, 1.29.97 № гос. регистрации 01.9.70 005909, 16.1.99 № гос. регистрации 01.20.00 10073); грантом МО РФ в области "Автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики и кибернетики" 12/4-98 "Исследование хаоса, бифуркаций и катастроф в импульсных системах автоматического управления" № гос. регистрации 01.20.00 10074; а также грантом Президента РФ МК-8854.2006.8 "Нелинейная динамика и синтез регуляторов импульсных систем преобразования энергии".

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, были доложены на международных конференциях "Электроприводы переменного тока (ЭППТ'05)" (Екатеринбург, 2005); "Силовая электроника и энергоэффективность" (Украина, Алушта, 2004, 2003, 2002 гг.); "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (Украина, Алушта, 2006-1995 гг. ежегодно); "European Power Electronics- Power Electronics and Motion Control" (Slovenia, Portoroz, 2006; Latvia, Riga, 2004; Croatia, Cavtat & Dubrovnik, 2002); IEEE "Power Electronics Specialist Conference" (Germany, Aachen, 2004); "Всероссийский электротехнический конгресс "На рубеже веков: итоги и перспективы"" (Москва-Суздаль, 1999); IFAC "Analysis and Control of Chaotic Systems" (France, Reims, 2006); "Physics and Control" (С.-Петербург, 2003); ИПУ РАН "4-ой Российско-шведской конференции по автоматическому управлению" (Москва, 2001); IF АС Symposium "Nonlinear Control Systems" (С.-Петербург, 2001); "Control of oscillations and chaos" (С.-Петербург, 2000); РАН "Нелинейные науки на рубеже второго тысячелетия" (С.-Петербург, 1999); IEEE workshop "Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications" (Bulgaria, Sofia, 2005; Украина, Львов, 2003; Украина, Форос, 2001); "de Modélisation et Simulation" (France, Troyes, 2001); "Mathematical problems for maintenance and reliability" (France, Bordeaux, 2000); "Maintenance and reliability" (USA, Knoxville, 2000); "Applications of Computer Systems" (Poland, Szczecin, 1998, 1997); "International Conference on Neural Networks and Artificial Intelligence" (Беларусь, Минск, 2003, 2001; Брест, 1999); "Информационные технологии в науке образовании и производстве" (Орел, 2004); "Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии" (Орел, 2004).

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах университетов ОрелГТУ, ВГТУ (г. Воронеж), технологического университета г. Труа (Франция), университета г. Реймс (Франция).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 75 научных работ, в том числе монография, 24 статьи (из них 12 ста-

тей в Российских рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ и 2 статьи в рецензируемых журналах IEEE) и патент на изобретение. Основное содержание работы изложено в 51 публикациях, список которых приведен в автореферате. Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников из 196 наименований, трех приложений и включает 251 страницы основного текста, содержит 82 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна, выносимые на защиту научные положения и результаты, дана краткая аннотация работы по главам.

В первой главе работы проведен общий анализ принципов построения типовых АСУ ТП, включающих ИСПЭ, с целью выявления системообразующих АСУ факторов и установления внутренней иерархии процессов управления, обусловленных развитием как элементной базы АСУ ТП, так и алгоритмов их управления. Сформулированы и обоснованы цели и решаемые задачи АСУ ИСПЭ в составе АСУ ТП (рис. 1), сформирована концептуальная модель процессов управления ТП с ИСПЭ.

В результате анализа АСУ насосной станцией и АСУ маршрутным электротранспортом установлены системообразующие АСУ ТП с ИСПЭ факторы, включающие:

1. Наличие значительных потоков энергии, необходимых для получения конечного продукта. В этом случае, требование энергетической эффективности является определяющим фактором выбора ИСПЭ в качестве преобразующего звена.

2. Существенная нестационарность объекта управления и источника энергии, обуславливающая необходимость большого диапазона регулирования потока энергии. При этом постулируется сохранение показателей качества АСУ ИСПЭ во всем диапазоне регулирования.

3. Реализация повторно-кратковременного режима эксплуатации, предполагающего дискретный характер воздействия на объект управления. В этом случае длительность переходных процессов регулирования параметров объекта управления АСУ ИСПЭ занимает существенную часть времени протекания ТП.

Установлено, что повышение эффективности АСУ ТП с ИСПЭ может быть достигнуто за счет совершенствования характеристик АСУ ИСПЭ, определяющих системообразующие для АСУ ТП с ИСПЭ факторы. Причем, для современного уровня развития ИСПЭ, характеризующегося унификацией их силовой части, очевидно, что отмеченные системо-

образующие АСУ факторы определяются в первую очередь эффективностью процессов управления ИСПЭ в составе АСУ ТП. В структуре унифицированной АСУ ТП, интегрирующей АСУ ИСПЭ, можно выделить три уровня иерархии процессов управления:

1. Уровень регулирования состояния ТП - верхний уровень иерархии АСУ ТП, обеспечивающий формирование показателей качества ТП, интегрированный контроль состояния, сигнализацию состояния и пр.

2. Уровень регулирования режима АСУ ИСПЭ, определяющий структуру ИСПЭ и законы управления объектом на логическом уровне.

3. Уровень регулирования состояния объекта управления АСУ ИСПЭ - нижний уровень иерархии, непосредственно определяющий параметры процесса преобразования энергии в ИСПЭ.

Декомпозиция задачи

Механизм / ограничения

Этапы достижения цели

экономические

ТП-

АСУ

Последовательность операций ТП"

Операции управления ТП'

технические

Совершенстование процессов управления ТП

подчиненность, устойчивость

Ранжирование, оптимизация, адаптация

Модели объекта управления"

адекватность

Моделирование динамики

Повышение эффективности ТП

Повышение

быстродействия,

точности

Иерархия процессов управления,

оптимальные параметры

"Разнотемповые" процессы, устойчивость, взаимосвязь "показатели качества -параметры управления"

Рис. 1. Декомпозиция задачи повышения эффективности АСУ ТП.

Следствием указанного ранжирования является "разнотемповость" процессов управления АСУ, при которой наиболее динамичные процессы характерны для низшего уровня иерархии АСУ - уровня регуляторов состояния объекта! Специфика АСУ ИСПЭ заключается в ограничении "темпа" (быстродействия) процессов управления низшего уровня иерархии за счет конечной частоты модуляции. Отсутствие формализации указанного ограничения быстродействия АСУ ИСПЭ является сдерживающим фактором для повышения эффективности АСУ ТП, проектируемых в

соответствии с "восходящим" принципом: от низших уровней иерархии — к верхним.

В главе 2 проведена систематизация режимов функционирования АСУ ИСПЭ в составе АСУ ТП и разработаны принципы реализации процессов управления в квазистационарных режимах, представляющих собой переходные режимы, в которых осуществляется управляемый, а не свободный, переход от одной стационарной совокупности переменных состояния объекта управления к другой. Разработаны алгоритмы реализации режимов сохранения основного движения исполнительного механизма -"удержания" и повторного пуска - "подхвата" вращающегося электродвигателя [2], позволяющие повысить функциональность АСУ ИСПЭ и тем самым повысить эффективность АСУ ТП.

В качестве критерия для систематизации режимов АСУ ИСПЭ целесообразно рассматривать направление передачи энергии (от источника энергии к объекту управления или обратное), а также вид управления, реализуемого регуляторами режима АСУ. Формализованным критерием, определяющим направление передачи энергии в ИСПЭ, может служить ее нагрузочная характеристика относительно выходных переменных объекта управления (со(М) для ЭП и ЦТ) для преобразователя напряжения). Причем, в зависимости от направления передачи энергии в ИСПЭ, соответствующая АСУ реализует режим, условно называемый "пуск" или "торможение". В зависимости от стационарности условий функционирования АСУ ИСПЭ и состояния объекта управления, указанные режимы могут быть классифицированы как стационарные и квазистационарные (табл. 1).

Табл.1. Систематизация режимов функционирования АСУ ИСПЭ.

режим АСУ ИСПЭ тип режима управление на уровне регулятора режима

"гтуск" "торможение"

с полным полем с полным полем стационарный стабилизирующее

с ослаблением поля с ослаблением поля стационарный стабилизирующее

повторный ("подхват") с сохранением основного движения ("удержание") квазистационарный следящее

Установлено, что реализация управления в квазистационарных режимах ИСПЭ предполагает разомкнутый внешний контур (верхний уровень иерархии АСУ) регулирования состояния ТП и следящее управление на уровне регуляторов режима АСУ. Причем, в качестве целевой функции для регуляторов режима АСУ может выступать нагрузочная характеристика ИСПЭ или функционал, сформированный на ее основе. Состояние холостого хода доставляет ноль нагрузочной характеристике ИСПЭ и является целевым при реализации следящего управления на уровне регуляторов режима АСУ ИСПЭ. В частности, в работе на примере АСУ АЭГ1

показано, что в основе реализации квазистационарного режима "удержания" лежит концепция об использовании реактивной энергии, накопленной в объекте управления, для покрытия потерь ИСПЭ. При этом длительность процесса удержания будет прямо пропорциональна инерции объекта управления и обратно пропорциональна мощности потерь в ИСПЭ. Целью регуляторов режима АСУ ИСПЭ при "удержании" ИМ является стабилизация напряжения звена постоянного тока ИСПЭ Vdc. При этом компенсация потерь в ИСПЭ и АСУ производится путем регулирования активной составляющей тока нагрузки в функции напряжения звена ПОСТОЯННОГО тока: lliel^fl, 1\ Указанная стратегия

обеспечивает сохранение реактивной энергии звена постоянного тока ИСПЭ за счет "подпитки" энергией объекта управления и одновременно удерживает ИМ в управляемом состоянии. Реализация режима повторного пуска — "подхвата" вращающегося электродвигателя предполагает идентификацию состояния объекта управления. Установлено, что косвенная идентификация состояния объекта управления достигается в точке холостого хода. При этом отсутствует необходимости идентификации текущей нагрузки объекта. В этой связи, алгоритм повторного пуска должен состоять из двух этапов: перевод объекта управления в состояние холостого хода и последующий переход из состояния холостого хода в заданный стационарный режим. В работе показано на примере АСУ АЭП, что перевод объекта управления в состояние холостого хода в режиме повторного пуска вращающегося двигателя может быть выполнен поисковым методом в режиме векторной стабилизации j*PJj = consi, используя функционал от

нагрузочной характеристики ИСПЭ в качестве целевой функции, при максимальном токе нагрузки.

Эффективность реализации процессов управления в квазистационарных режимах АСУ ИСПЭ напрямую определяется эффективностью реализации регуляторов нижнего уровня иерархии АСУ — регуляторов состояния объекта управления, которые должны обеспечивать, с одной стороны, скорость перехода от текущего режима к состоянию холостого хода, а, с другой, функции динамического ограничения переменных состояния объекта. Отмеченные критерии эффективности регуляторов нижнего уровня иерархии АСУ в квазистационарных режимах функционирования, являются актуальными и для других стационарных и переходных режимов ИСПЭ [Волков А.И., 1998, 1999; Мазунин В.П. и соавт. 1997, 2006; Волков A.B., 2003]. При этом проблема построения быстродействующих регуляторов нижнего уровня иерархии в условиях наличия верхнего ограничения быстродействия, обусловленного конечной частотой преобразования энергии, предполагает глубокий анализ динамики АСУ ИСПЭ с использованием адекватных математических моделей.

В главе 3 работы систематизированы, формализованы и алгоритмизированы методы моделирования динамики обобщенной АСУ ИСПЭ [1].

ИСПЭ относятся к так называемым системам переменной структуры [Кунцевич В.М., Чеховой Ю.Н. 1970; Тонкаль В.Е. и соавт. 1989]. Совокупность различных состояний ключевых элементов ИСПЭ определяет совокупность различных конфигураций его непрерывной части. Любая траектория в пространстве состояний АСУ ИСПЭ определена на упорядоченном множестве конфигураций непрерывной части. Указанное упорядоченное множество конфигураций стационарного процесса будем называть символической характеристикой Z этого процесса [Фейгин М.И. 1994]

г,г2...гк... (1)

Будем полагать, что произвольная _/-ая конфигурация непрерывной части ИСПЭ описывается дифференциальным уравнением

Будем также полагать, что у-ая конфигурация непрерывной части присутствует в символической характеристике стационарного процесса под номером к (гк=]). Тогда траектория стационарного процесса (1) на Атом участке определяется частным решением (2) вида

В уравнениях (2) и (3) Хе Я"'1 — вектор переменных состояния АСУ ИСПЭ. Моменты времени, соответствующие переходу траектории стационарного процесса с одной конфигурации на другую ¿о, ... к, ..., будем называть точками коммутации. Точки коммутации определяются как наименьшие корни соответствующих функций коммутации, которые описывают способ модуляции сигнала с выхода регулятора нижнего уровня иерархии АСУ ИСПЭ (регулятора тока для ЭП) ир(г), а также естественную коммутацию неуправляемых ключей силовой части ИСПЭ. В работе рассматриваются АСУ ИСПЭ, реализующие широтно-импульсную (ШИМ) и релейно-импульсную (РИМ) модуляцию. В качестве регуляторов в работе рассматривались П-, ПИ- и ПИД- регуляторы.

Для АСУ ИСПЭ, реализующих ШИМ 1-го рода (ШИМ-1) , по классификации [Кунцевич В.М., Чеховой Ю.Н. 1970; Гелиг А.Х., Чурилов А.Н. 1986], функция коммутации имеет вид .

(2)

(3)

Напротив, для АСУ ИСПЭ с ШИМ 2-го рода (ШИМ-2) и РИМ функция коммутации имеет вид

(5)

Определение момента коммутации & относительно тривиально лишь для выражения (4), поскольку (5) представляет собой неявную относительно tk функцию. В практической реализации ШИМ-2 требует непрерывного сравнения модулируемого сигнала up(t) с опорным сигналом пилообразной или треугольной формы и предполагает аналоговую реализацию модулятора. Напротив, ШИМ-1 ориентирована на реализацию цифровыми микроконтроллерами (сигнальными процессорами), поэтому допускает однократную выборку модулируемого сигнала на периоде ШИМ в момент времени tk.¡.

Стационарный процесс с периодом T=mTs (T¡ — период модуляции) в АСУ ИСПЭ будет характеризоваться повторяющейся последовательностью конфигураций и, соответственно, конечной символической характеристикой. Траектория стационарного процесса с символической характеристикой Z из р конфигураций, периодом T-mT¡ и начальными условиями to, X(t0) может быть найдена припасовыванием частных решений (3) в порядке, определяемом (1) [Кунцевич В.М., Чеховой Ю.Н. 1970; Тонкаль В.Е. и соавт. 1989]

х(т+0=

= FzpOvoC.. Fn {fa fp-. - tP-2 \T+t0- tp_, \

-tolt2-0--,tp-2 -Vз) V»-*P-2)=°-

Уравнение (6) определяет оператор сдвига по фазовым траекториям т.н. точечное отображение АСУ ИСПЭ. Полагая в (6) Х( T+t0)=X(to)=X', можно определить вектор состояния mTs-периодического процесса.

Локальная устойчивость в смысле Ляпунова стационарного процесса может быть оценена по уравнению (6), линеаризованному отггосительно малых отклонений относительно X*. Матрица Якоби J=dX( Т+ to)/dX(to), характеризующая динамику отклонения вектора состояния в окрестности стационарного процесса, может быть вычислена с использованием следующих рекурсивных выражений

<1Х([0) ЭХ(с0) Э*, I ЭХ((0)'

<1Х(10)

ах( О

дг.

¿2__и* Л

Э^й ( Э|

______

ЭЛГ(0 Э*2 I Эг2 I ЭХ(0

¿х(0 ЭР,

¿х(г0) Эг,

ГЭ^Т 1эц ]

ЭХ(г0)'

О ___

* Эг

д^гк ^ "Ъгк тт _

(7)

■к

Собственные числа матрицы Якоби — ],галк(Х), являющиеся корнями ее характеристического уравнения

*(р)=с1е1(./-рЕ) = 0, (8)

носят название мультипликаторов и определяют устойчивость соответствующего Г-периодического процесса с символической характеристикой Z [Неймарк Ю.И. и соавт. 1972; Фейгин М.И. 1994]. Мультипликаторы устойчивого Г-периодического процесса удовлетворяют условию

шах \р,\ < 1.

1 <Кяпк(.ХГ"

(9)

В случае если (9) не выполняется хотя бы для одного мультипликатора, то соответствующий Г-периодический процесс не устойчивый. Пограничная ситуация ^1 = 1, ¡е[ 1, пчпк(Х)] определяет т.н. "гладкую" бифуркацию периодического процесса, а сочетание параметров АСУ ИСПЭ доставляющее указанное равенство называется бифуркационным. Наряду с "гладкими" бифуркациями в АСУ ИСПЭ возможны т.н. С-бифуркации (от слова "сшивание"), обусловленные нарушением области определения периодического процесса, т.е. изменением его символической характеристики X. В диссертационной работе задачи поиска произвольного тТг периодического процесса и оценки его устойчивости формализованы и доведены до практических алгоритмов.

Изучение "гладких" бифуркаций АСУ ИСПЭ в работе проводится в соответствии с общей методологией [Неймарк Ю.И. и соавт. 1972]. В частности, в работе рассмотрены условия существования бифуркации удвоения периода бифуркации Неймарка-Сакера возникновения квазипериодических колебаний и седло-узловой бифуркации

Х(+1)-0. Изучение условий и механизмов возникновения С-бифуркаций в АСУ ИСПЭ в работе проводится в соответствии с методологией [Фейгин М.И. 1994]. Пусть & и ^ символические характеристики стационарного процесса до и после С-бифуркации. Тогда определить тип С-бифуркации возможно по знакам характеристического полинома (8), вычисленного для символических характеристик £ и .2Г. В частности, в работе рассмотрены условия возникновения С-бифуркации простого изменения типа периодического процесса седло-узловой С-бифуркации Ж+(+1к"(+1)<0, С-бифуркации удвоения периода процесса *+(-1);Г(-1)<0- В диссертационной работе отмечено, что в отличие от "гладких" бифуркаций, приведенные определения С-бифуркаций ("простого изменения типа", "седло-узловая", "удвоения периода") не дают полного описания ситуации в динамике системы, а описывают лишь общую "направленность" изменений. В частности, в результате любой из перечисленных С-бифуркаций наряду с изменениями в динамике, следующими из ее названия, возможно возникновение пар периодических процессов одного периода и разных символических характеристик.

Объединение бифуркационных для лз7>периодического процесса сочетаний параметров АСУ ИСПЭ по всей совокупности ее параметров определяет бифуркационные поверхности, выступающие в качестве границ области локальной устойчивости указанного процесса Пш. Пространство параметров П АСУ ИСПЭ представляет собой объединение областей локальной устойчивости различных стационарных процессов

Здесь П0, Пчиа5„ Г1сЛао5 — это области, в которых в качестве установившегося процесса выступают, соответственно, состояние равновесия, квазипериодический и хаотический процессы. Глобальная устойчивость (или устойчивость в целом по Ляпунову) для шТ5-периодического процесса будет обеспечиваться в его т.н. области конвергентности

Знак в (11) обозначает операцию логического исключения. В общем случае область конвергентности Пт не совпадает с областью локальной устойчивости лз7>периодического процесса Пт ввиду наличия "перекрытий" областей существования различных стационарных процессов. • Систематизированную информацию о границах областей существования и устойчивости различных стационарных процессов удобно пред-

n=Un*UnoUn^,Un

chaos '

(10)

(11)

ставлять в форме т.н.-бифуркационных диаграмм, являющимися одно-ил и двупараметрическими сечениями пространства П. Определение расположения бифуркационной границы на диаграмме может быть выполнено с использованием численного итерационного метода, примененного к уравнению, описывающему соответствующую границу. Первоначальную информацию о существующих в данной точке Ре П стационарных процессах можно получить в результате изучения квазистационарных последовательностей, полученных итерированием отображения (6) из произвольных начальных условий. В диссертационной работе разработаны унифицированные алгоритмы бифуркационного анализа АСУ ИСПЭ. В качестве примера на рис. 2 приведен алгоритм построения двупараметрической бифуркационной диаграммы.

В главе 4 диссертационной работы приводятся систематизированные качественные и количественные результаты использования сформированной методологии моделирования для исследования динамики широко распространенных АСУ ИСПЭ в типовых АСУ ТП. В частности, рассмотрены АСУ ЭП ПТ независимого и последовательного возбуждения в режимах пуска с полным полем [1, 5, 7, 9, 23, 28-30, 32, 38-41, 46-49], рекупера-тивно-реостатного торможения [1, 7, 8, 26, 27] и импульсного ослабления поля при пуске и торможении [1, 4], а также АСУ АЭП с векторным управлением [3, 6, 10, 15,20]. В результате проведенных исследований установлены характерные сценарии потери устойчивости синхронным к частоте модуляции стационарным процессом, а также установлена взаимосвязь между параметрами объекта управления и регуляторов АСУ с одной стороны и областью устойчивости синхронного процесса с другой. Практическая полезность результатов исследования динамики типовых АСУ ИСПЭ заключается также в полученных приближенных аналитических выражениях [1, 3, 4, 8, 9], описывающих область устойчивости синхронного стационарного процесса. Систематизация результатов исследования динамики вышеперечисленных АСУ ИСПЭ позволила выявить характерные особенности, обусловленные родом модуляции и типом регулятора нижнего уровня иерархии.

Специфика динамики, обусловленная родом импульсной модуляции, наглядно иллюстрируется двупараметрическими бифуркационными диаграммами АСУ ЭП ПТ последовательного возбуждения в режиме пуска с полным полем с П-регулятором тока якоря, представленными на рис. 3. На бифуркационных диаграммах рис. 3 и далее кривые, соответствующие "гладким" бифуркациям, обозначены символом N с индексом "-", "ф", "+", определяющим соответствующую бифуркацию. С-бифуркационные кривые обозначены символом Б и пронумерованы. Области существования тГ5-периодических процессов обозначены на рис. 3 как Пт.

Рис:,2.

. Блок-схема алгоритма построения двупараметрической бифурка-нионной диаграммы. •

:ui—|—i—i—¡и—,—,——i— —,—|—,—,—i—,—,—,—i—

0,6 U«/Gm 0,06 0,6 U</G„_ 0,06

a) 6)

Рис. 3. Двупараметрическая бифуркационная диаграмма ЭП ПТ с ШИМ-1 (а) и ШИМ-2 (б).

Для некоторых из указанных областей на диаграмме приводятся символические характеристики соответствующих процессов. В символической характеристике цифры "1" и "0" соответствуют конфигурации силовой части ЭП, в которой источник энергии подключен к двигателю и отключен от него соответственно. Точки в символической характеристике служат разделителями периодов ШИМ. Область существования хаотических колебаний выделена на рис. 3 серым цветом. По осям на рис. 3 отложены: л — скорость вращения вала двигателя - т.н. "внешний параметр", характеризующий нагрузку ЭП, определяемый внешними для нижнего уровня иерархии АСУ факторами, и изменяющийся в некотором диапазоне по условиям эксплуатации, а также l/G=Uo/Gcin величина, обратная "чувствительности ШИМ" - отношение амплитуды опорного пилообразного напряжения ШИМ Uo к коэффициенту передачи П-регулятора тока

Gem■

Чувствительность ШИМ G определяет полосу пропускания (быстродействие) АСУ ЭП, а для системы с П-регулятором также и статическую точность регулирования. Увеличение G расширяет полосу пропускания АСУ ЭП и уменьшает статизм при использовании П-регулятора. Для обеих систем рис. 3 очевидным фактом является наличие верхнего ограничения на быстродействие, обусловленного необходимостью обеспечения их устойчивости. Причем, характерно, что потеря устойчивости синхронным стационарным процессом при попытке расширения полосы пропускания АСУ происходит через бифуркацию удвоения периода [1, 3, 4-6, 8, 9, 25].

Специфической особенностью ЭП с ШИМ-1 [5] является слабая зависимость размера области устойчивости синхронного стационарного процесса П) ог нагрузки. Бифуркационная граница N. области П1 практически параллельна оси нагрузки на рис. За. Причем, для ЭП независимого

возбуждения и для АЭП отмеченная особенность еще более выражена, чем для рассмотренного в качестве примера ЭП независимого возбуждения. Другой характерной особенностью динамики ЭП с ШИМ-1 с П-регулятором является неоднородная структура области хаотических колебаний [5, 43]. Данная область "разрывается на части" множеством областей, в которых существуют вырожденные периодические процессы (ВПП), т.е. процессы, в символической характеристике которых присутствуют только насыщенные импульсы, характеризующиеся неизменным состоянием силовой части в пределах периода ШИМ. Проведенные исследования позволили установить, что области существования ВПП при определенных условиях могут перекрываться с областью синхронного стационарного процесса, тем самым, уменьшая его область конвергентности [43]. Области существования ВПП представляют собой "узкие клинья", расположенные параллельно оси абсцисс на рис. За и упорядоченные по средней относительной длительности импульса энергии, прикладываемой к двигателю на периоде процесса. В диссертационной работе показано, что в пределах своей области существования все ВПП локально устойчивы и их устойчивость не зависит от чувствительности ШИМ. При этом для произвольной точки внутри области ВПП малые изменения параметров АСУ ИСПЭ не приведут к изменению относительных длительностей импульса энергии, прикладываемой к двигателю на периоде процесса. Напротив, в ответ на изменение параметров АСУ ИСПЭ с ШИМ-1 в области ВПП будет иметь место смещение траектории ВПП относительно уставки регулируемой величины вверх или вниз (до удовлетворения статических показателей качества регулирования). Подобное "регулирование" за счет "избыточного статизма", а не за счет изменения относительной ширины импульсов на периоде процесса, будет осуществляться до тех пор, пока не будут нарушены условия существования ВПП (т.е. пока параметры системы не попадут на границу области существования ВПП) [5]. В подтверждение вышесказанного на рис. 4 для рассматриваемой системы приведены экспериментальные бифуркационная диаграмма и статическая характеристика £ср(п), построенные для сечения 1/0=0,06 [5, 32]. Хаотические колебания на рис. 4 отображаются в виде неупорядоченного множества точек. При сопоставлении рис. 4 и рис. За необходимо принять в расчет нелинейность масштаба по оси абсцисс на рис. 4, а также тот факт, что дискретность изменения скорости при постановке эксперимента не позволила выявить все ВПП, обозначенные на рис. За. На диаграмме рис. 4 достаточно очевидно прослеживается отмеченная специфика регулирования за счет "избыточного статизма" для ВПП Г3 ".0.0.1.", Г2 ".0.1." и Гз ".0.1.1.". Установлено, все ВПП существуют в ограниченной кривыми Ь0 и Ь, подобласти пространства параметров АСУ ИСПЭ (рис. За). В диссерта-

ционной работе получены аналитические выражения для кривых Ьо и Ь1 унифицированной АСУ ИСПЭ с ШИМ-1.

е ,А

80т Ю41

706050 40 30 20

1<>1

500 700 1000

Рис. 4. Экспериментальные бифуркационная диаграмма и статическая характеристика ЭП с ШИМ-1.

Специфической особенностью АСУ ИСПЭ с ШИМ-2 и РИМ, в отличие от аналогичной системы с ШИМ-1, является наличие "гарантированной" области устойчивости синхронного процесса не зависящей от чувствительности ШИМ [1]. На рис. 36 область "гарантированной" устойчивости ограничена сверху кривой Ь]. В работе получено аналитическое выражение для кривой унифицированной АСУ ИСПЭ с ШИМ-2. Причем, доказано, что для кусочно-линейной модели АСУ ИСПЭ с ШИМ-2 (или с РИМ) синхронный стационарный процесс всегда устойчив в диапазоне относительных длительностей импульса энергии, меньших или равных 0,5 [1]. Общей характеристикой АСУ ИСПЭ с П-регулятором и объектом управления 1-го порядка вне зависимости от рода модуляции является преимущественно субкритический характер потери устойчивости синхронным стационарным процессом (рис. 5а, [25]). Следствием отмеченной особенности является наличие зоны перекрытия областей существования синхронного стационарного процесса Г[ и процесса удвоенного периода Г2. Т.е. для подобных АСУ ИСПЭ область локальной устойчивости синхронного стационарного процесса не совпадает с его областью конвергентности, что обязательно должно учитываться при оптимизации параметров АСУ ИСПЭ.

-I

п, мин

а).

б)

Рис. 5. Бифуркации субкритического (а) и суперкритического (б) удвоения периода стационарного процесса в АСУ ИСПЭ.

Очевидно, что наиболее широко распространенным регулятором нижнего уровня иерархии АСУ ИСПЭ является ПИ-регулятор

делить" задачи обеспечения статической точности регулирования и настройки быстродействия АСУ. Динамика типовых АСУ ИСПЭ с ПИ-регулятором в контуре управления нижнего уровня отличается от рассмотренной выше для системы с П-регулятором, хотя отмеченные особенности, обусловленные родом модуляции сигнала рассогласования, сохраняются. В первую очередь отличия в динамике, не зависящие от рода модуляции, проявляются в тенденции к "мягкости" потери устойчивости синхронным стационарным процессом через суперкритическую бифуркацию удвоения периода (рис. 56). Кроме того, ПИ-регулятор существенно влияет на динамику АСУ с ШИМ-1. Это проявляется, во-первых, в вырождении в линии областей существования ВПП (рис. За) при условии гарантированного астатизма в контуре регулирования [4]. Во-вторых, предельно достижимое быстродействие АСУ с ШИМ-1 и ПИ-регулятором выше, чем у аналогичной системы с П-регулятором, что объясняется спецификой реализации модуляции 1-го рода. Поскольку для модуляции 1-го рода используются выборки сигнала рассогласования, то, очевидно, целесообразно повысить "значимость" этих выборок путем использования не только мгновенного, но и опосредованного значений сигнала рассогласования.

Для рассматриваемых в работе АСУ многорежимных ЭП ПТ и АЭП получены систематизированные результаты исследования устойчивости синхронного стационарного процесса при использовании ПИ-регулятора на нижнем уровне иерархии АСУ рис. 6 [1, 3, 4, 6, 8, 9]. На диаграммах (а)-(г) рис. 6 по оси ординат отложена относительная постоянная времени ПИ-регулятора /1=Т/Г5. Линии уровня на диаграммах рис. 6 соответствуют бифуркационным границам, полученным для различных значений нагруз-

обусловлено его возможностью "раз-

ки ЭП. Границы N0,, показанные штриховкой, разделяют области колебательной (ниже и левее) и апериодической (выше и правее) сходимости траекторий в малой окрестности стационарного процесса. Жирными линиями на диаграммах выделено пересечение частных областей устойчивости для различных нагрузок ЭП, определяющее область допустимых значений параметров регулятора нижнего уровня АСУ. На диаграмме АСУ АЭП рис. 6д бифуркационные кривые 1,2,3 соответствуют случаю отсутствия задержки в контуре АСУ (т.н. аналоговая реализация), в то время как кривые 4,5,6 соответствуют АСУ с задержкой на обработку информации в один период модуляции (т.н. цифровая реализация). Причем кривые 1,4 соответствуют идеальной настройке контура регулирования, в то время как кривые 2 и 5 — 50% недооцененной, а кривые 3 и 6 - 100% переоцененной индуктивности рассеяния двигателя. Характерно, что практически во всех рассмотренных случаях (за исключением режима пуска с полным полем ЭП ПТ) в АСУ ЭП с ПИ-регулятором присутствует нижнее ограничение на полосу пропускания в области малых значений чувствительности ШИМ б — малого быстродействия АСУ [1, 4, 8]. Указанное ограничение обусловлено потерей устойчивости АСУ ЭП через бифуркацию Неймарка-Сакера возникновения квазипериодических колебаний (т.н. "биений"). Исследования динамики, подобные вышеприведенным, были проведены в работе для АСУ с повышающим импульсным преобразователем напряжения с ПИ- и ПИД- регуляторами [35, 33, 14].

Для практического использования результатов исследования динамики рассмотренных АСУ ИСПЭ в работе получены аналитические выражения, приближенно описывающие область допустимых значений параметров регулятора нижнего уровня АСУ, которые могут быть использованы при оптимизации ее параметров [1, 3, 4, 8, 9]. При получении указанных аналитических выражений использовалось разложение характеристического полинома (8), составленного для соответствующей бифуркационной границы. Например, для АСУ АЭП с векторным управлением и пространственной модуляцией опорного вектора (разновидность ШИМ-1) выражения аппроксимирующие семейства кривых 1,2,3 и 4,5,6 на рис. 6г имеют вид (12) и (13) соответственно [1,3]

(

(12)

+ 40и3-1)2й>1Т1 соХ +

1+ а4-а

(13)

Здесь оЬп т„ та' — параметры схемы замещения асинхронного двигателя (АД); Хг=Ь/гп а=1-Ьт2А,ЬцЬг), Тг,'=(тЬ/(Гц+кг2гг); со, — частота статорного напряжения; /X/ и ¡1} -относительные коэффициенты, определяющие погрешность задания Тг и аЬ3 в модели регулятора к их истинным значениям в модели АД (идеально точной настройке соответствуют значения ^¡=1 и Д)=/); ¡,ф — уставки проекций тока статора в синхронной системе координат; <3 и [1 с индексами (1- и с[- есть параметры ПИ-регуляторов проекций тока статора.

Максимальная погрешность аналитического описания бифуркационных границ для численных примеров всех рассмотренных в работе АСУ ИСПЭ не превышала 10%.

Наряду с исследованием динамики АСУ ИСПЭ на нижнем уровне иерархии, в главе 4 рассмотрены вопросы интеграции на более высокий уровень процессов управления. В частности, рассмотрены вопросы: использования единого источника энергии конечной мощности несколькими, параллельно включенными ЭП, разделенными пассивными фильтрами [1, 1-9; 26, 38, 46, 49]; изучено влияние погрешностей в наблюдателе по-токосцепления и скольжения на динамику АСУ АЭП с векторным управлением [1, 6]. Достоверность установленных в главе основных теоретических положений подтверждена соответствующими экспериментальными исследованиями. Причем, расхождение бифуркационных значений параметров и характеристик синхронного стационарного процесса (среднего значения и пульсаций), полученных теоретически и экспериментально, не превышала 5%.

Глава 5 диссертационной работы посвящена формированию метода оптимизации параметров регуляторов АСУ ИСПЭ по критерию минимума интеграла квадрата ошибки, заключающегося в раздельной оптимизации показателей качества глобальной (описываемой усредненной моделью ИСПЭ) и локальной (характеризующей поведение в окрестности стационарного процесса и определяемой его мультипликаторами) составляющих переходного процесса, и использующего сформированные аналитические выражения соответствующих экстремалей. В рамках разработанного метода сформирован критерий оптимальности локальной составляющей

О,

Рис. 6. Область устойчивости (показана стрелками) синхронного стационарного процесса: АСУ ЭП ПТ с ШИМ-2 с ПИ-регулятором в режиме пуска с полным полем (а), в режиме рекуперативного торможения (б), в режимах импульсного ослабления поля при пуске (в) и торможении (г); АСУ АЭП с ШИМ-1 (д).

переходного процесса АСУ ИСПЭ, представляющий собой аналитическое выражение от коэффициентов характеристического полинома матрицы Якоби стационарного процесса, и позволяющий определить оптимальные параметры без необходимости вычисления соответствующих мультипликаторов или моделирования динамики АСУ ИСПЭ. Для рассматриваемых в работе многорежимных ЭП ПТ и АЭП получены аналитические выражения экстремалей, доставляющих минимум критериям оптимальности глобальной и локальной составляющих переходного процесса.

В частности, задача параметрической оптимизации АСУ ИСПЭ формулируется как задача локализации параметров регуляторов внутри области их допустимых значений, определяемых исходя из требования устойчивости стационарного процесса [1, 24, 42]. При этом, как показано в работе, критерий оптимальности параметров АСУ должен ориентировать, в первую очередь, на достижение требуемых показателей качества переходных процессов. Указанному требованию соответствует, например, интегральный критерий минимума квадрата ошибки (ИКО). Акцент на показатели качества переходных процессов, с одной стороны мотивирован предыдущим анализом, а, с другой, обоснован тем фактом, что в структуре большинства современных АСУ ИСПЭ используются регуляторы, содержащие интегральную компоненту, и, гарантирующие астатизм соответствующих контуров системы по определению.

В переходном процессе АСУ ИСПЭ можно выделить две составляющие "глобальную" и "локальную". Длительность "глобальной" составляющей переходного процесса определяется полосой пропускания АСУ ИСПЭ и очевидно уменьшается с увеличением последней. Увеличение чувствительности ШИМ G, равно как и уменьшение постоянной времени интегратора ПИ-регулятора ц, обуславливают расширение полосы пропускания ЭП и, соответственно, уменьшение длительности "глобальной" составляющей переходного процесса. В то же время, "локальная" составляющая переходного процесса определяется поведением фазовых траекторий в непосредственной окрестности установившегося процесса и может быть качественно и количественно охарактеризована его мультипликаторами. Существующие подходы к оптимизации параметров АСУ ИСПЭ рассматривают только "глобальную" составляющую переходного процесса, определяемую т.н. усредненными малосигнальными математическими моделями АСУ ИСПЭ [Клюев A.C., Колесников A.A., 1982; Ма-зунин В.П. и соавт., 1997, 2006]. При этом адекватность указанных подходов ограничена полосой пропускания замкнутого контура a>c<lA,30Ts)... 1/{5 Т„) [Мелешин В.И. и соавт., 1986; Blasko V. и соавт., 1997] и дополнительно требует введения ограничений (как правило, полученных эмпирически [Brown М., 1994; Dixon L., 1999]) на максимальное значение чувствительности ШИМ. Для преодоления указанного недостат-

ка в работе предложено использовать при оптимизации АСУ ИСПЭ составной критерий оптимальности

^ ИКО ~ htKOl + ^ИК02 > (14)

учитывающий глобальную и локальную составляющие переходного процесса. Оптимизация глобальной составляющей переходного процесса АСУ ИСПЭ, в работе производилась на основе широко используемого на практике метода Кесслера настройки регуляторов на "технический (симметричный) оптимум" [Kessler С., 1954; Слежановский О.В. и соавт. 1970; Вейнгер A.M. и соавт. 1980]. Приближенное значение ИКО для глобальной составляющей переходного процесса при настройке ПИ-регулятора контура АСУ на технический оптимум определяется выражением

(15)

Здесь К— коэффициент передачи постоянной составляющей передаточной функции линеаризованной модели АСУ ИСПЭ. Причем, для ЭП ПТ в режиме хтуска и АЭП без задержки в контуре регулирования выражение (15) является точным.

Традиционное использование настройки на технический/симметричный оптимум предполагает априорное задание полосы пропускания АСУ ИСПЭ сос (ограничение быстродействия АСУ) в явном виде или косвенно, через понятие "некомпенсированной малой постоянной времени". Причем, в практических случаях при задании полосы пропускания АСУ ИСПЭ используют ее эмпирические зависимости от частоты ШИМ. Однако, как следует из результатов гл.4 адекватное определение максимально допустимой полосы пропускания АСУ ИСПЭ в рамках усредненных малосигнальных моделей не представляется возможным. Потеря устойчивости АСУ при достижении критической полосы пропускания (через бифуркацию удвоения периода стационарного процесса) обусловлена нелинейной сущностью ИСПЭ и не "диагностируется" усредненной моделью.

В разработанном методе оптимизации АСУ ИСПЭ обеспечивается естественное ограничение быстродействия через учет в критерии оптимальности (14) "локальной" составляющей переходного процесса. В работе показано, что скорость затухания возмущения в окрестности стационарного процесса тем выше, чем меньше норма соответствующей матрицы Якоби. В этой связи, задача оптимизации локальной составляющей переходного процесса АСУ ИСПЭ формулируется как задача минимизации нормы матрицы Якоби. Аналитическое выражение для ИКО, характеризующего локальную составляющую переходного процесса, имеет вид

Установлено, что эффективной оценкой нормы матрицы Якоби может служить квадратичная форма от вектора ее собственных значений. В работе, разработана практическая аппроксимация квадратичной нормы матрицы Якоби, использующая коэффициенты се характеристического полинома (8) и не требующая вычисления собственных значений

Здесь Spur(J) и det(J) обозначают след и определитель матрицы Якоби соответственно, a C(J) обозначает сумму из числа сочетаний Cr2antp) независимых произведений двух собственных чисел и представляет собой коэффициент характеристического полинома матрицы Якоби при ргапад-2.

В работе получены аналитические выражения для Spur(J), det(7) и C(J) для рассматриваемых модельных ЭП ПТ в различных эксплуатационных режимах и АЭП с векторным управлением.

Эффективность разработанного метода оптимизации в работе подтверждена путем моделирования рассматриваемых АСУ ЭП ПТ и АЭП с параметрами регуляторов, полученными как в соответствии с разработанным методом, так и с использованием классических методов (настройки на технический/симметричный оптимум и методов реакции [Ziegler J.B., Nichols N.B., 1942; Cohen G.H., Coon G.A., 1953; Chien K.L. и соавт., 1952]), а также с параметрами, полученными методом численного перебора с использованием критерия минимума ИКО [42]. Причем, настройка АСУ производилась для наихудших условий функционирования ИСПЭ, а в процессе моделирования оценивались показатели качества переходного процесса 15% изменения уставки для различных значений нагрузки ИСПЭ из ее диапазона (рис. 7). Сравнительный анализ результатов моделирования позволил установить, что:

• кроме разработанного метода лишь методы численного перебора и настройки на технический оптимум (с использованием общепринятых эмпирических допущений) позволили получить параметры АСУ из ее области устойчивости для всех рассматриваемых эксплуатационных режимов модельных ЭП ПТ и АЭП;

• оптимальные значения параметров АСУ, полученные численным перебором, обеспечили превосходство над параметрами, полученными разработанным методом только для конкретных условий функционирова-

\j\2 = max

(17)

|det(/)|rank(y).

ния ИСПЭ, для которых выполнялся перебор. Изменение условий функционирования (нагрузки, источника энергии и пр.) нарушают "оптимальность" параметров, полученных методом перебора (рис. 7). При этом параметры, полученные разработанным методом, обеспечили большую ро-бастность показателей качества переходных процессов к вариации нагрузки ИСПЭ;

• параметры АСУ, полученные вновь разработанным методом одни из лучших для всех рассматриваемых режимов модельных АСУ ИСПЭ. Превосходство разработанного метода над существующими проявилось для АЭП с векторным управлением (где разработанный метод был единственным, обеспечившим технически оптимальное 5% перерегулирование при практически равной среди прочих длительности переходного процесса),

tp, с 1,25

0,2 0,15 0,1 0,05

ЭППТ пуск

ЭППТ торможение

ЭП ПТ пуск ослаб, поля

iHl II

ЭП ПТ торм. АЭП с вект. упр.АЭП с вект. упр. ослаб, поля (без задержки) (с задержкой) 1р-10 1р-10

II:

Ё g ж ьг 3 81 3 А й 3

е i Ч $

; П S ■

а)

а, % 40

зо 20 10

ЭППТ пуск

ЭППТ торможение

6 Sg^

5 ^ s

£ х « a

ЭП ПТ пуск ослаб, пола

е ё s-g

О О Й S.

в а ■ я

У Э к в.

Ё Ё

Я 9 * IX

6 i

н 5 ir*?

\ СГ СП

О ю

S: в. 5 Q

tí ^ О i©

Е w ¡^ «J

S*. s а S>$ g S.

ЭП ПТ торм. АЭП с вект. упр. АЭП с вект. упр. ослаб, поля (без задержки) (с задержкой)

fc í¿ ПС b¿ O \ó

С С "Г -T w ев

HS1

Ё §43

ír¡ о,

® я

ч о.

О i©

h U О о

с >_/ «¡ g-

P>f 5 S-

н s:

¡nüí' s

* a

i i

^ g 8. ч i.

■ O «5

4 04

P * ^ s

*. a

Ё Ё O O

bí

Рис. 7. Диапазон изменения показателей качества переходного процесса АСУ ЭП ПТ при вариации нагрузки для различных настроек регуляторов: (а) - время регулирования; (б) — перерегулирование.

а также для режимов пуска и торможения с импульсным ослаблением поля ЭП ПТ (в которых настройка по рассматриваемому методу обеспечила наивысшее быстродействие, при обеспечении перерегулирования максимально близким к его технически оптимальному значению).

В главе 6 диссертации разрабатываются практические методы адаптации типовых АСУ ИСПЭ, ставящие своей целью повышение робастно-сти только переходных или только установившихся процессов, и не использующие прямую идентификацию состояния объекта управления. В частности, разработан метод адаптации статизма АСУ ЭП с РИМ с двойной синхронизацией [17, 19, 22, 31, 34, 37] (защищен патентом [51]), использующий дополнительный контур адаптации, содержащий идеальный интегратор и ограничитель. В работе определены условия, обеспечение которых гарантирует устойчивость адаптивной АСУ ЭП с РИМ с двойной синхронизацией во всем диапазоне изменения относительной длительности проводящего состояния силового ключа. Использование разработанного метода адаптации статизма АСУ с РИМ, однако, предполагает удлинение "глобальной" составляющей переходного процесса. Эффективность метода подтверждена соответствующими экспериментальными исследованиями [19, 31].

Для решения проблемы робастности АСУ ИСПЭ относительно показателей качества переходных процессов в условиях нестационарности объекта управления, в главе б работы разработаны теоретические основы синтеза адаптивных нелинейных регуляторов на основе нечеткой логики по линейному регулятору-прототипу, выступающему в качестве эталонной модели [11, 16]. При этом обоснована универсальность двухканалыюй структуры нечеткого регулятора (рис. 8а) [11], включающей две независимых нечетких системы (рис. 86), реализуемые по схеме: "фаззификация как фаззи-синглтоны" — "логический вывод с использованием импликации Мамдани" — "дефаззификация как взвешенное среднее". Нелинейность и адаптивность нечеткого регулятора в работе предложено обеспечивать за счет смещения центров функций принадлежности входной величины (рис. 8г), а также путем формирования функциональной зависимости таблицы правил регулятора (рис. 8в) от скорости изменения ошибки регулирования соответственно [11, 16]. При этом показано, что необходимым условием глобальной устойчивости АСУ ИСПЭ с нечетким регулятором является монотонность передаточных функций нечетких систем, определяемых структурой соответствующих таблиц правил. Наличие экстремума в передаточной функции нечеткой системы может рассматриваться как достаточное условие для возникновения нескольких, параллельно существующих стационарных процессов в пространстве параметров АСУ ИСПЭ [35].

Для систематизации процедуры синтеза нечеткого регулятора, в работе предложено использовать предварительно оптимизированный линейный регулятор в качестве прототипа - эталонной модели. Доказано,

что локальное поведение нечеткого регулятора и его линейного прототипа в малой окрестности стационарного процесса (выделенная крестообразная область в таблице правил рис. 8в) в плане устойчивости и показателей качества переходных процессов, полностью совпадает. При этом данный подход позволяет "уменьшить число степеней свободы" при формировании лингвистического описания нечеткого регулятора.

N8 N5 гЕ РЭ РВ N85 N8 N5 7Х. РЭ РВ РВ5

:Ьооос ;Гхххху)С

г) I:, Е, Ц, Б, Б, Е.СЕ С, С, С, С, С. С, С; ¿,сс1

Рис. 8. Структура нечеткого регулятора АСУ ИСПЭ.

Сравнительный анализ эффективности разработанного нечеткого регулятора с его линейным прототипом целесообразно выполнить по показателям качества переходного процесса скачкообразного изменения сопротивления нагрузки импульсного преобразователя (рис. 9). На рис. 9 сплошной линией показаны результаты моделирования, а пунктиром -экспериментальные данные. Нечеткий регулятор демонстрирует практически инвариантность показателей качества переходного процесса относительно изменения напряжения питания и нагрузки преобразователя. Кроме того, в работе проведен сравнительный анализ показателей качества переходных процессов для нечеткого регулятора синтезированного по линейному прототипу с нечеткими регуляторами, синтезированными на основе традиционного лингвистического описания [Терехов В.М. и соавт., 1999, 2001; Тэе С.К. и соавт., 1996; МаПауеШ Р. и соавт., 1997; У^а^ап К. и соавт., 2002]. Установлено, что показатели качества синтезированного по прототипу нечеткого регулятора сопоставимы или превосходят показатели традиционных нечетких регуляторов для различных условий сравнения.

35 30 25 ^ 20

10 -

5 -

О -20

а)

Рис. 9. Зависимости времени регулирования (а) и величины перерегулирования (б) переходного процесса изменения нагрузки преобразователя от величины входного напряжения. Диаграммы 3,4 - сброс нагрузки; 5,6 — наброс нагрузки; 3,5 — линейный регулятор; 4,6 - нечеткий регулятор.

Глава 7 посвящена реализации основных результатов работы при создании высоковольтного бестрансформаторного асинхронного электропривода с векторным управлением КАСКАД-5 6кВ-1МВт. Формализованы цель и задачи, решаемые АСУ. Синтезирована распределенная структура АСУ. Описана структура локальной сети АСУ. С использованием сформированной в диссертации методологии анализа и проектирования АСУ ИСГТЭ, разработана математическая модель, а также синтезированы регуляторы нижнего и среднего уровня иерархии АСУ ИСПЭ (регуляторы состояния двигателя и регуляторы режима электропривода). Проведено математическое моделирование, экспериментальные исследования на установке-прототипе, а также испытания опытного образца.' Степень соот-

25 30 35 40 45 50 55 60

ветствйя результатов математического моделирования и экспериментальных исследований оценивалась по реализации квазистационарных режимов "подхват" и "удержание" АСУ КАСКАД-5 (рис. 10). При этом расхождение теоретических и экспериментальных результатов составило менее 15% для установившихся процессов и менее 25% для переходных процессов функционирования АСУ.

I ».с 7.076 0 ».с 5-54

а) б)

Рис. 10. Экспериментальные диаграмма "удержания" АЭП при кратковременных провалах напряжения питающей сети (а) и диаграмма повторного пуска АЭП на вращающийся с частотой/г~30 Гц двигатель (б). Масштабы:/, 1ч-60 Гц; и, и -Л 1-400 В; г, и ¡2 1-50 А.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В работе решена актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в повышении эффективности АСУ ТП, включающих АСУ ИСПЭ в качестве локальной подсистемы, путем разработки научных основ и методологии анализа и проектирования многорежимных АСУ ИСПЭ, состоящей из комплекса средств моделирования, оптимизации и адаптации, и позволяющей увеличить быстродействие АСУ ИСПЭ, их ро-бастность относительно показателей качества переходных и установившихся процессов, функциональность в плане реализации управления в квазистационарных режимах, и надежность за счет исключения на этапе разработки АСУ возможности возникновения недетерминированных (субгармонических и хаотических) процессов в их динамике.

Основные выводы и результаты диссертационной работы можно обобщить следующим образом:

1. Разработана концептуальная модель процессов управления ТП с ИСПЭ, заключающаяся в установленных системообразующих АСУ факторах и сформированной иерархической структуре процессов управления АСУ. В структуре унифицированной АСУ ТП, интегрирующей АСУ ИСПЭ, можно выделить три уровня иерархии процессов управления: уровень регулирования состояния ТП; уровень регулирования режима АСУ

ИСПЭ;' уровень : регулирования- 'состояния - объекта управления АСУ ИСПЭ. ■ ■■■ ■• • ■ -

" Формирование концептуальной Модели позволило определить критерий эффективности АСУ ИСПЭ, как совокупность ее функциональности в плане номенклатуры реализуемых режимов и показателей качества; их реализации. ■ ' - ..

2. Разработаны принципы управления в квазистационарных режимах ИСПЭ, заключающиеся в спецификации регуляторов режима и регуляторов состояния АСУ ИСПЭ и позволившие разработать алгоритмы практической реализации режимов сохранения основного движения двигателя исполнительного механизма - "удержания" и повторного пуска — "подхвата" вращающегося электродвигателя, в свою очередь, позволяющих повысить функциональность АСУ ИСПЭ и тем самым повысить эффективность АСУ ТП, включающей в себя АСУ ИСПЭ в качестве локальной подсистемы.

3. Системно выполнен бифуркационный анализ динамики АСУ ИСПЭ с ШИМ и РИ модуляцией при вариации параметров объекта управления и регулятора. Изучены сценарии потери устойчивости синхронным к периоду ШИМ стационарным процессом через бифуркации удвоения периода и Неймарка-Сакера в указанных системах. Установлены механизмы реализации указанных сценариев и причинно-следственные связи между ними и способом модуляции сигнала рассогласования, а также структурой и параметрами регуляторов состояния объекта управления. Указанные результаты носят фундаментальный характер, подтверждены соответствующими экспериментальными исследованиями и являются основой для синтеза, оптимизации и адаптации процессов управления АСУ ИСПЭ.

Кроме того, в работе с единых методологических позиций изучены типы и характер бифуркаций синхронного к периоду ШИМ стационарного процесса в трехмерном пространстве параметров ПИ-регулятора и объекта управления для импульсных ЭП ПТ в режимах пуска и торможения с полным и ослабленным полем и АЭП с векторным управлением. Результаты исследования динамики импульсных ЭП ПТ в режимах пуска и торможения с полным и ослабленным полем и АЭП с векторным управлением систематизированы в виде аналитических ограничений на область устойчивости синхронного к периоду ШИМ стационарного процесса. Формирование указанных ограничений производилось путем декомпозиции аналитического уравнения, описывающего соответствующую бифуркационную границу. Использование полученных ограничений позволяет формализовать процедуру синтеза ПИ-регуляторов, гарантирующих устойчивость указанных систем на этапе их проектирования и, тем самым, избавиться от необходимости экспериментальной доводки регуляторов "на объекте".

4. Разработан метод оптимизации параметров регуляторов АСУ ИСПЭ по критерию минимума интеграла квадрата ошибки, заключающийся в раздельной оптимизации показателей качества глобальной (описываемой усредненной моделью ИСПЭ) и локальной (характеризующей поведение в окрестности стационарного процесса и определяемой его мультипликаторами) составляющих переходного процесса, и использующий сформированные аналитические выражения соответствующих экстремалей.

5. Разработаны принципы синтеза адаптивных нелинейных регуляторов на основе нечеткой логики по линейному регулятору-прототипу. Разработан метод адаптации статизма релейно-импульсной АСУ (защищен патентом), с использованием дополнительного контура, содержащего идеальный интегратор и ограничитель, сохраняющий быстродействие системы и гарантирующий ее устойчивость во всем диапазоне изменения относительной длительности проводящего состояния ключа. Использование разработанных методов позволяет повысить робастность АСУ ИСПЭ относительно показателей качества стационарного или переходных процессов без необходимости идентификации состояния объекта управления.

Результаты работы использованы при создании бестрансформаторного многоуровневого преобразователя частоты с векторным управлением для асинхронного электродвигателя 6кВ-1МВт "КАСКАД-5" (ЗАО "Элек-тротекс", г.Орел); при реализации алгоритмов векторного управления модифицированных преобразователей частоты, поставленных в серийное производство ЗАО "Электротекс" (г.Орел) с 2006 г.; при создании высоковольтного резонансного преобразователя питания рентгеновской трубки 120кВ-12кВт малодозной цифровой рентгеновской установки, который находится в серийном производстве ЗАО "Научприбор", (г.Орел) с 2003 г. Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Динамика и синтез регуляторов тока импульсных автоматизированных электроприводов. М.: Машиностроение-1, 2006, 98с. (участие 70 с.)

2. Косчинский С.Л. Спецификация и формализация процессов управления асинхронного электропривода в составе АСУ ТП. //Мехатроника, Автоматизация, Управление. - 2006. - №6. — С.35-40.

3. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Нелинейная динамика и синтез регуляторов тока асинхронного электропривода с векторным управлением. //Электротехника. -2006.-№7.-С.7-12. (участие 4 с.)

4. Косчинский С.Л. Динамика и синтез регуляторов импульсных электроприводов постоянного тока в режимах импульсного ослабления поля. //Мехатроника, Автоматизация, Управление. -2006.1,-С.8-17.

5. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Вырожденные периодические процессы в динамике электропривода постоянного тока. //Электричество. — 2005. — №11. — С.41-50. (участие 9 с.)

6. Колоколов Ю.В., Косчинский C.JT. Механизмы потери устойчивости стационарными процессами в асинхронном электроприводе с векторным управлением. //Электротехника. - 2005. - №9. - С.33-38. (участие 4 с.)

7. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Тугарев A.C., Беляев A.B. Исследование динамики электроприводов постоянного тока с импульсным регулированием, взаимодействующим через общую сеть по схеме "тяга-торможение". //Вестник ВЭлНИИ, Новочеркасск - 2005. -№2(49), - С. 91-106. (участие 5 с.)

8. Косчинский C.JI. Динамика и синтез регуляторов импульсных электроприводов постоянного тока в режиме электрического торможения. //Мехатроника, Автоматизация, Управление - 2005. — №4. — С.2-11.

9. Косчинский С.Л. Динамика и синтез регуляторов импульсных электроприводов постоянного тока в режиме пуска с полным полем. //Мехатроника, Автоматизация, Управление. -2005.-№2.-С.18-28.

10. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Механизмы потери устойчивости стационарными процессами в асинхронном электроприводе с векторным управлением. /Материалы 13 международной НТ конференции "Электроприводы переменного тока (ЭГШТ'05)". - 15-18 марта 2005. - Екатеринбург, Россия. - С.148-151. (участие 3 с.)

11. Косчинский С.Л., Ретинский С.Н. Синтез регуляторов на основе нечеткой логики импульсных преобразователей постоянного напряжения. //Известия ОрелГТУ. Серия Машиностроение. Приборостроение. 2005. —№2. — С.45-49. (участие 3 с.)

12. Косчинский С.Л. Высоковольтный резонансный преобразователь напряжения с частотным управлением. //Известия ОрелГТУ. Серия Машиностроение. Приборостроение. 2005. -№1. - С.56-58.

13. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Моновская A.B. Идентификация и прогнозирование динамики импульсных систем в режиме реального времени: фрактальный подход. //Контроль и диагностика. - 2004. - №10. - С.25-32. (участие 4 с.)

14.Косчинский С.Л., Романов A.B., Ретинский С.Н. Экспериментальное моделирование импульсного преобразователя напряжения в различных эксплуатационных режимах. //Материалы Всероссийской научной конференции "Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии". - Орел, ОрелГТУ. - 2004. - С.106-109. (участие 2 с.)

15. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Бифуркационные явления в динамике асинхронного электропривода с векторным управлением. //Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и эффективность". - Киев.-2004.-T.3.-C.128-131. (участие 3 с.)

16. Косчинский С.Л., Ретинский С.Н., Романов A.B. Исследование динамики импульсных преобразовательных систем с адаптивными регуляторами на основе нечеткой логики. //Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и эффективность". - Киев.-2004.-Т.3.-С.3-6. (участие 2 с.)

17. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Динамика и адаптация релейно-импульсных регуляторов тока. //Электричество,—№6,—2004.-C.33-43. (участие 8 с.)

18. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Моновская A.B. Алгоритм идентификации и прогнозирования аварийной ситуации в импульсном преобразователе напряжения. //Мехатроника, автоматизация, управление.-2004.-№3.-С.2-8. (участие 4 с.)

' 19. Косчинский С.Л., Багров В.В., Тей Д.О. Экспериментальные исследования адаптивного релейно-импульсного регулятора. //Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина, Харьков. -2003. - №5. - С.30-31. (участие 1 с.)

20. Косчинский С.Л., Есин Е.А., Ставцев A.B. Сравнительный анализ эффективности алгоритмов модуляции в электроприводе переменного тока с автономным инвертором напряжения. //Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и эффективность", Киее.-2003-Ч.4.~С.60-63. (участие 2 с.)

21. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Шолоник А.П. Динамика импульсного понижающего преобразователя напряжения в режиме прерывистых токов. //Электричество.- №9.-2003.-С.40-53. (участие 7 с.)

22. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Динамика безгиетерезисных и гистерезисных релейно-импульсных регуляторов тока. //Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и эффективность", Киев. -2002.- Ч.З.-С.85-90. (участие 4 с.)

23.Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Багров В.В., Шолоник А.П., Шафрайчук A.A. Некоторые подходы к формированию современной методологии проектирования автоматизированных тяговых электроприводов постоянного тока. Часть 5. Оценка адекватности бифуркационного подхода к анализу динамики импульсных электроприводов постоянного тока. //Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина, Харьков. -2002. - №4,5. — С.45-49. (участие 2 с.)

24. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Багров В.В. Некоторые подходы к формированию современной методологии проектирования автоматизированных тяговых электроприводов постоянного тока. Часть 4. Параметрическая оптимизация импульсных САР электроприводов постоянного тока. //Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина, Харьков. -2000. --NM.-C.3-8. (участие 3 с.)

25. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. К вопросу о бифуркациях стационарных движений в импульсных системах автоматического регулирования. //Автоматика и телемеханика. —2000. -№5 - С.185-189. (участие 4 с.)

26. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Тугарев A.C. Подходы к проектированию автоматизированных тяговых электроприводов постоянного тока. Часть 3. Взаимодействие импульсных систем преобразования энергии через контактную сеть. //Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина, Харьков. — 1999.-№4. — С.16-18. (участие 1,5 с.)

27.Бабковский А. Г., Жусубалиев Ж. Т., Колоколов Ю. В., Косчинский С.Л. Некоторые подходы к формированию современной методологии проектирования автоматизированных тяговых электроприводов постоянного тока. Часть 2. Исследование динамики автоматизированных тяговых электроприводов городского электрического транспорта в режиме рекуперативного торможения. //Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина, Харьков. — 1998,-№4.-С. 16-24. (участие 6 с.)

28. Бабковский А.Г., Жусубалиев Ж.Т., Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Пянаев C.B., Рудаков В.Н. Недетерминированные режимы в динамике автоматизированных тяговых электроприводов. //Информационно-управляющие системы на ж.-д. транспорте. Украина,Харьков-1997.-№4 -С.25-30. (участие 2,5 с.)

29. Бабковский А.Г., Жусубалиев Ж.Т., Кирсанов Д.Ю., Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Некоторые подходы к формированию современной методологии проектирования автоматизированных тяговых электроприводов постоянного тока. Часть 1.

, . Исследование электромеханического преобразования энергии на транспорте с использованием отображения Пуанкаре. //Информационно-управляющие системы на ж.-д. транспорте, Украина, Харьков. -1997.—№1 - С.16-26. (участие 8 с.) . -

30. Бабковский Л.Г., Кирсанов Д.Ю., Косчинский С.Л. Белоусов С.М. К вопросу об оптимизации параметров тиристорных электроприводов постоянного тока с учетом их электромагнитной совместимости с контактной сетью. //Сборник научных трудов ученых Орловской области. Выпуск 3. Орел: ОрелГТУ.-1997.- С.267-275. (участие 7 с.)

31. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Теу D.O., Zaytoon J., Hamzaoui A. Dynamics of hysteresis regulator with clocked commutation in application to dc/dc and dc/ac energy conversion. //Proc. lsl IF AC Con. "Analysis and Control of Chaotic Systems", Reims, France. -June 28-30 2006. (CD-ROM), (участие 30%.)

32.Kolokolov Y.V., Koschinsky S.L., Bagrov V.V. Experimental Dynamics of Electromechanical Pulse Energy Conversion Systems. //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement.-Vol.55.-No. 1.-2006-PP.35-43. (участие 6 с.)

33.Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Romanov A.V. Experimental Research of the Pulse System Stability and Robustness. //Proc. 3rd IEEE workshop "Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications (IDAACS'05)", Sofia, Bulgaria. -Sept. 5-7 2005. -PP.624-627. (участие 2,5 с.)

34.Kolokolov Yu.V,, ICoschinsky S.L., Bagrov V.V. Adaptation and Transient Stability of Current Regulator with Hysteresis Control and Clocked Commutation. //Proc. Con. "European Power Electronics- Power Electronics and Motion Control (EPE-PEMC'04)".- Sept. 9-11 2004. - Riga, Latvia (CD-ROM), (участие 60%.)

35.Kolokolov Yu., Koschinsky S.L., Hamzaoui A. Comparative Study of the Dynamics and Overall Performance of Boost Converter with Conventional and Fuzzy Control in Application to PFC. //Proc. IEEE "Power Electronics Specicalist Conference (PESC'04)"-June 20-25,2004, Aachen, Germany. - PP.2165-2171. (участие 5 с.)

36.Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Sholonik A.P., Ustinov P.S. Symbolic Models Based Identification of Pulse System Dynamics. //Proc. Con. "International conference on neural networks and artificial intelligence (ICNNAI'2003)". Belarus, Minsk-November 12-14,2003- PP.215-219. (участие 2 с.)

37. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Hatziadoniu C., Galanos G. Dynamics of current regulator with hysteresis control and clocked commutation in application to power electronic systems. //Proc. Int. Con. "PIIYSics and CONtrol (PHYSCON'03)", Eds. A.L.Fradkov & A.N.Churilov, St.-Petersburg, Russia.-August 20-23, 2003, vol.4. -PP.1165-1169. (участие 3 с.)

38. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Adjallah K.H. Dynamics of Pulse-Width Modulated DC Motor Drive with LC-filter at Power Input Port. //Proc. Con. "European Power Electronics- Power Electronics and Motion Control (EPE-PEMC'02)"- 9-11 Sept. 2002. -Cavtat & Dubrovnic, Croatia (CD-ROM) (участие 60%.)

39.Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Adjallah K.H. Bifurcation Based Approach to Condition Monitoring: Application to Pulse Energy Conversion Systems. //OPSEARCII, Special Issue - Part.2.-Vol.39.-No.l.-February 2002.-PP.1-13. (участие 6 с.)

40. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Adjallah K.H. Data Acquisition Aspects in Experimental Research of Electromechanical Systems Dynamics. //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement.-Vol.S 1 .-No. 1 .-February 2002. - PP.107-114. (участие 5 с.)

41. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Kovrizhkin S.V. Identification of Pulse Synchronization Phenomena in the Dynamics of Energy Conversion System. //Proc. Con. "International Conference on Neural Networks and Artificial Intelligence (ICNNAI'2001)". Belarus, Minsk.-October 2-5,2001,- PP.59-65. (участие 4 с.)

42. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Bagrov V.V., Adjallah K.H. Parametric Optimiza-

tion of Pulse Energy Conversion Systems on the Base of Bifurcation Approach. //Proc. Con. "International Conference on Neural Networks and Artificial Intelligence (ICNNAI'2001)". Belarus, Minsk.-October 2-5,2001- PP.50-55. (участие 3 с.)

43.Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L. Anomalous Bifurcations in the Dynamics of DC Electric Drive With Pulse-Width Modulation. //Proc. 5th IF AC Symposium "NOnlinear COntrol Systems (NOLCOS'Ol)" , Russia, Saint-Petersburg. -July 4-6, 2001.-Vol. 4-PP.1246-1251. (участие 4 с.)

44.Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Adjallah K.H. Etude experimentale et modélisation des vibrations mécaniques des systems electromecaniques de conversion d'energie. //Proc. 3rd Con. "de Modélisation et SIMulation (MOSIM'Ol)", France, Troyes. - 25-27 April 2001. - PP.999-1002. (участие 2 с.)

45. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Adjallah K.H. The Mathematical Problems of Forecasting Adequacy of Emergency Situations in the Dynamics of the Pulse Energy Conversion Systems when Using Bifurcation Approach. //Proc. Con. "Mathematical problems for maintenance and reliability (MMR'2000)", France, Bordeaux. -July 2000. — PP.603-606. (участие 2 с.)

46. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Kovrizhkin S.V. Quasiperiodic Oscillations in the dynamics of Electromechanical Pulse Energy Conversion Systems. //Proc. IEEE Con. "Control of oscillations and chaos (COC'2000)", Russia, Saint-Petersburg.-July 2000.-Vol.3 — PP.546-547. (участие 1 с.)

47.Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Bykovsky V.V., Adjallah K.H. Experimental Study of the Adequacy of Bifurcation Approach to Emergencies Forecasting in Dynamics of Pulse Energy. Conversion Systems. //Proc. "Maintenance and reliability conference (MARCON'2000)", USA, Knoxville. -May 2000.-PP. 18.01-18.12. (участие 8 с.)

48. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L. The Regularities of the Development of the Nonlinear Dynamics of the Control Systems with Pulse-Width Modulation. //Proc. Con. "International Conference on Neural Networks and Artificial Intelligence (ICNNAI'99)". Belarus, Minsk.-October, 1999.-PP.85-92. (участие 5 с.)

49. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Kovrizhkin S.V. Specific simulation of the dynamics of the d.c. electric drive with pulse-width modulation. //Proc. 5"1 Int. Con. "Applications of Computer Systems" Szczecin - Poland. -November 1998- PP.481-486. (участие 4 с.)

50. Babkovsky A. G., Zhusubaliev Zh. T., Kolokolov Yu. V., Koschinsky S.L., Pinaev S. V., Rudakov V. N. Simulating of Electromagnetic Effect of Urban Electronic Vehicles on Environment. //Proc. 4th Int. Con. "Applications of Computer Systems" Szczecin -Poland. -November 1997. - PP.481-486. (участие 2 с.)

51. Патент РФ №2256286. Способ импульсного регулирования электродвигателя постоянного тока. /Косчинский С.Л., Колоколов Ю.В., Багров В.В. - заяв. №2003133615, приоритет от 18.11.03. Решение о выдаче. 10.07.05. (участие 60%)

Лицензия ИД №00670 от 05.01.2000 Подписано в печать 01.09.2006 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ 7939.

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ОрелГТУ 302030, г.Орел, ул. Московская, 65.

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Косчинский, Станислав Леонидович

1. Введение.

2. Спецификация задач управления унифицированной ИСПЭ в составе АСУ ТП

2.1. Анализ типовых структур и принципов построения АСУ ИСПЭ в составе АСУ ТП.

2.1.1. АСУ насосной станции.

2.1.2. АСУ маршрутного электротранспорта.

2.2. Концептуальная модель процессов управления АСУ ИСПЭ в составе АСУ ТП.

2.3. Основные результаты главы 2.

2.4. Выводы по главе 2.

3. Разработка принципов управления ИСПЭ в квазистационарных режимах.

3.1. Систематизация режимов АСУ ИСПЭ в составе АСУ ТП.

3.2. Разработка принципов реализации квазистационарных режимов АСУ ИСПЭ.

3.2.1. Общие положения.

3.2.2. Режим сохранения основного движения - "удержание" двигателя исполнительного механизма.

3.2.3. Режим повторного пуска - "подхват" вращающегося двигателя.

3.3. Основные результаты главы 3.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Формирование методологии моделирования динамики АСУ ИСПЭ.

4.1. Кусочно-сшитые математические модели АСУ ИСПЭ.

4.2. Локальная устойчивость периодических процессов. Гладкие и негладкие бифуркации.

4.3. Глобальная устойчивость стационарных процессов. Область конвергентности. Бифуркационные диаграммы.

4.4. Аспекты практической реализации математических моделей АСУ ИСПЭ.

4.5. Результаты главы 4.

4.6. Выводы по главе 4.

5. Моделирование динамики многорежимных АСУ ИСПЭ.

5.1. Бифуркационное поведение АСУ ИСПЭ, обусловленное родом модуляции сигнала рассогласования.

5.1.1. АСУ с ШИМ 1-го и 2-го родов.

5.1.2. АСУ с релейно-импульсной модуляцией.

5.1.3. Экспериментальная верификация степени достоверности полученных теоретических результатов.

5.1.3.1. Описание установки.

5.1.3.2. Идентификация параметров экспериментальной установки.

5.1.3.3. Количественная оценка соответствия теоретических и экспериментальных результатов моделирования динамики АСУ ИСПЭ.

5.2. Динамика автоматизированных электроприводов с импульсными системами регулирования тока двигателя в различных эксплуатационных режимах.

5.2.1. Динамика импульсного электропривода постоянного тока.

5.2.1.1. Режим пуска с полным полем.

5.2.1.2. Режимы электрического торможения с полным полем.

5.2.1.3. Режимы пуска и торможения с ослаблением поля двигателя.

5.2.2. Динамика асинхронного электропривода с векторным управлением.

5.2.2.1. Влияние наблюдателя потокосцепления на динамику асинхронного электропривода.

5.2.2.2. Механизмы потери устойчивости стационарными процессами асинхронного электропривода с векторным управлением.

5.3. Основные результаты главы 5.

5.4. Выводы по главе 5.

6. Оптимизация параметров АСУ ИСПЭ.

6.1. Постановка задачи оптимизации АСУ ИСПЭ. Критерии оптимальности.

6.2. Разработка метода аналитической оптимизации регуляторов нижнего уровня АСУ ИСПЭ с использованием функциональных ограничений на область устойчивости.

6.2.1. Усредненные малосигнальные модели АСУ ИСПЭ.

6.2.2. Оптимизация "глобальной" составляющей переходного процесса АСУ ИСПЭ.

6.2.3. Оптимизация "локальной" составляющей переходного процесса АСУ ИСПЭ.

6.3. Оценка эффективности разработанного метода аналитической оптимизации АСУ ИСПЭ.

6.4. Основные результаты главы 6.

6.5. Выводы по главе 6.

7. Адаптация процессов управления многорежимных АСУ ИСПЭ.

7.1. Адаптивные регуляторы на основе нечеткой логики АСУ ИСПЭ.

7.1.1. Типовая структура "нечеткой" системы.

7.1.2. Принципы построения "нечетких" регуляторов АСУ ИСПЭ.

7.1.3. Синтез "нечетких" регуляторов АСУ ИСПЭ. Оценка эффективности разработанного подхода.

7.1.4. Аспекты формирования таблицы правил нечеткого регулятора.

7.2. Адаптация гистерезисных РИ регуляторов.

7.3. Основные результаты главы 7.

7.4. Выводы по главе 7.

8. Автоматизация процессов управления асинхронного ЭП с векторным управлением на базе многоуровневого преобразователя частоты КАСКАД-5-6кВ-1МВт.

8.1. Общее описание АЭП КАСКАД-5.

8.2. Логическая структура АСУ АЭП КАСКАД-5. Формализация алгоритма модуляции потока энергии.

8.3. Оценка эффективности АСУ АЭП КАСКАД-5 в квазистационарных режимах.

8.3.1. Экспериментальные исследования динамики АСУ АЭП КАСКАД-5 в квазистационарных режимах.

8.4. Основные результаты главы 8.

8.5. Выводы по главе 8.

Введение 2006 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Косчинский, Станислав Леонидович

Актуальность темы. Для энергоемких технологических процессов (ТП) в добывающей и перерабатывающей промышленности, в коммунальном хозяйстве, на транспорте, актуальной является проблема повышения эффективности преобразования электрической энергии [36, 35, 17, 114, 87]. Решение указанной проблемы в энергоемких ТП обеспечивается за счет использования импульсных систем преобразования энергии (ИСПЭ) для воздействия на исполнительный механизм (ИМ). При этом для ТП, предполагающих эксплуатацию ИСПЭ в условиях значительного диапазона регулирования с частым изменением режимов функционирования, эффективность использования ИСПЭ определяется, в первую очередь, эффективностью соответствующих процессов управления.

Автоматизированная система управления (АСУ) ИСПЭ представляет собой систему подчиненного регулирования и реализует управление нижних уровней иерархии в структуре АСУ ТП. Проектирование АСУ ТП как системы подчиненного регулирования, как правило, осуществляется по восходящему принципу - от синтеза управления нижних уровней иерархии к управлению верхними уровнями [86, 120, 19]. При этом показатели эффективности каждого низшего уровня иерархии процессов управления, выступают в качестве ограничений и определяют эффективность более высоких уровней. Повышение эффективности АСУ ТП предполагает системный подход, рассматривающий всю иерархию процессов управления, а не только верхний уровень регулирования собственно технологического параметра ТП.

Совершенствование современных АСУ ИСПЭ предполагает увеличение их быстродействия, точности, надежности. Особенно остро отмеченные проблемы стоят для относительно мощных ИСПЭ (сотни кВт - единицы МВт), характеризующихся относительно низкими частотами коммутации, а также для высоковольтных ИСПЭ, для которых решение проблемы электрической изоляции является определяющим и ограничивающим фактором в плане совершенствования их быстродействия и надежности. Решение обозначенных проблем для современных АСУ ИСПЭ предполагает глубокое понимание динамических процессов, протекающих в таких системах. Однако, широко распространенная на сегодняшний момент времени методология анализа и синтеза АСУ ИСПЭ, использует т.н. метод "усреднения" динамических процессов [16; 178, 189], разработанный в 60х-70х годах двадцатого века. Данная методология имеет естественные ограничения ее применения, обусловленные пренебрежением быст-роизменяющейся компонентой в стационарном процессе ИСПЭ [178, 189]. Причем, четко сформулировать необходимые условия адекватного применения метода "усреднения" в виде ограничения на быстродействие ИСПЭ, соотнесенное к частоте преобразования энергии, представляется затруднительным [122, 106, 104, 178, 189], что обуславливает в практическом приложении дилемму или медленная и "неэффективная" - или быстрая АСУ ИСПЭ с непредсказуемой динамикой при вариации параметров объекта управления и почти неизбежной доводкой параметров АСУ "на объекте" методом проб и ошибок. Кроме того, ИСПЭ это существенно нелинейные системы переменной структуры, в динамике которых за последние 15 лет выявлены явления принципиально не объяснимые с позиций "усредненных" линеаризованных динамических моделей [168, 113, 42, 41, 132, 163, 158, 150, 176, 188, 146, 10, 127]. В первую очередь это касается проблемы возникновения субгармонических и хаотических процессов в динамике ИСПЭ. Отмеченные процессы обусловлены самой сущностью ИСПЭ и принципиально не могут быть исключены путем каких-либо ее структурных изменений, не вступающих в противоречие с требованием эффективности1. Практическому использованию результатов исследования нелинейной динамики АСУ ИСПЭ препятствует, в первую очередь, отсутствие их сис

1 Необходимо отметить, что известны способы исключения субгармонических и хаотических процессов из динамики ИСПЭ за счет существенного снижения их эффективности, например, за счет 50% ограничения рабочего диапазона [183] или введения задержки в цепь обратной связи [180] или за счет статизма регулировочной характеристики - т н релейно-импульсные системы с двойной синхронизацией [5, 125] тематизации и формализации. В подавляющем большинстве существующих работ, посвященных исследованию нелинейной динамики АСУ ИСПЭ, содержатся либо результаты только качественного характера, либо результаты, полученные численным моделированием конкретных систем и не формализованные до уровня реальных практических приложений. С учетом вышеизложенного представляется актуальной проблема формирования современной методологии анализа и проектирования АСУ ИСПЭ, учитывающей возможность возникновения в них недетерминированной динамики.

Другой мотивацией диссертационной работы могут служить возрастающие требования к функциональности современных АСУ ИСПЭ. При этом приобретают актуальность задачи, еще недавно даже не рассматриваемые при построении АСУ ИСПЭ. Например, для ТП производства рулонных материалов -фольги, бумаги; в ТП коммунального хозяйства актуальной является задача управления АСУ ИСПЭ в квазистационарных режимах функционирования [144, 185], таких как повторный пуск - "мягкий подхват" вращающегося электродвигателя ИМ, сохранение основного движения - "удержание" электродвигателя ИМ при кратковременных провалах напряжения питающей сети и др. Решение указанных задач предполагает новую формулировку проблемы автоматизации процессов управления АСУ ИСПЭ, а также обуславливает необходимость построения быстродействующих АСУ ИСПЭ с известной и предсказуемой динамикой [144].

Объектом исследования являются АСУ импульсными преобразовательными системами.

Цель работы заключается в разработке научных основ анализа и проектирования АСУ импульсными преобразовательными системами и формировании методологии проектирования АСУ ИСПЭ, позволяющих увеличить быстродействие, робастность, функциональность управления указанных систем и исключить возможность возникновения недетерминированных (субгармонических и хаотических) процессов в их динамике. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач: провести классификацию и систематизацию процессов управления в стационарных и квазистационарных режимах электроприводов постоянного тока (ЭП ПТ) и асинхронных (АЭП) в составе энергоемких ТП; на основе классификации разработать концептуальную модель процессов управления унифицированной многорежимной АСУ ИСПЭ; разработать принципы управления в квазистационарных режимах ИСПЭ; развить методы анализа АСУ импульсными преобразовательными системами. В частности:

• формализовать метод формирования оператора сдвига по траекториям кусочно-сшитых моделей;

• разработать метод автоматизированного построения областей существования и устойчивости стационарных процессов в пространстве параметров; провести бифуркационный анализ нелинейной динамики типовых АСУ ИСПЭ. В частности:

• установить влияние способа и рода модуляции сигнала рассогласования на динамику АСУ;

• установить влияние структуры и параметров типовых регуляторов П-, ГТИ-, ПИД- на область устойчивости синхронного к периоду ШИМ стационарного процесса;

• установить влияние специфических особенностей энергетического и информационного каналов АСУ ИСПЭ (наличие разделительных фильтров питания в энергетическом канале ИСПЭ, наличие задержки в информационном канала АСУ) на динамику системы; • провести моделирование АСУ АЭП с векторным управлением и ЭП ПТ в различных эксплуатационных режимах; разработать метод оптимизации регуляторов нижнего уровня иерархии АСУ, использующий результаты бифуркационного анализа в качестве ограничений. Выполнить оптимизацию регуляторов АСУ многорежимных ЭП ПТ и АЭП с векторным управлением; разработать практические методы адаптации типовых АСУ ИСПЭ, ставящие своей целью повышение робастности только переходных или только установившихся процессов, и не использующие прямую идентификацию состояния объекта управления; на основе результатов работы разработать технические средства конкретных АСУ ИСПЭ и осуществить их промышленное внедрение.

Методы исследования базируются на теории системного анализа и теории автоматического управления и, в частности, теории динамических систем переменной структуры, теории нелинейных колебаний, теории устойчивости и бифуркационного анализа; на различных методах прикладной математики включающих методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений, матричную алгебру, методы решения систем нелинейных уравнений и нелинейной оптимизации, теорию множеств. Численная реализация математических моделей выполнялась на ЭВМ с помощью разработанных программ. Достоверность полученных в работе результатов, подтверждается экспериментальными исследованиями, которые проводились на разработанных экспериментальных установках. В частности, экспериментальные исследования проводились на установке "Импульсный электропривод постоянного тока 24В-1,5кВт"; на макете-прототипе "Бестрансформаторный многоуровневый преобразователь частоты с векторным управлением для асинхронного электродвигателя 380В-15кВт"; на экспериментальной установке "Резонансный преобразователь напряжения 120кВ-12кВт"; на экспериментальном импульсном повышающем преобразователе постоянного напряжения 75В-50Вт. Кроме того, при проведении экспериментальных исследований использовались серийно выпускаемые преобразователи частоты ЗАО "ЭЛЕКТРОТЕКС" (г.Орел) и ЗАО "Научприбор" (г.Орел).

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработанных научных основах анализа и проектирования АСУ импульсными преобразовательными системами и сформированной на их базе методологии проектирования АСУ ИСПЭ, включающих: концептуальную модель процессов управления унифицированной многорежимной ИСПЭ, определяющую системообразующие АСУ ИСПЭ факторы и систематизирующую процессы управления в ней; принципы управления в квазистационарных режимах ИСПЭ; алгоритмы бифуркационного анализа стационарных процессов в пространстве параметров АСУ; результаты бифуркационного анализа динамики АСУ с широтно-импульсной и релейно-импульсной (РИ) модуляцией, включающие:

• области гарантированной устойчивости в пространстве параметров и аналитические аппроксимации границ указанных областей для АСУ АЭП с векторным управлением и ЭП ПТ в различных эксплуатационных режимах; метод оптимизации регуляторов нижнего уровня иерархии АСУ импульсными преобразовательными системами, использующий составной интегральный критерий оптимальности относительно глобальной и локальной составляющих переходного процесса, гарантирующий выбор параметров АСУ из области ее локальной устойчивости; принципы построения адаптивных нелинейных регуляторов на основе нечеткой логики по линейному регулятору-прототипу, повышающие робаст-ность АСУ ИСПЭ в плане показателей качества переходного процесса в условиях нестационарности объекта управления и источника энергии; метод адаптации статизма релейно-импульсной АСУ ИСПЭ, гарантирующий ее абсолютную устойчивость и нулевую статическую ошибку во всем диапазоне регулирования.

На защиту выносятся: научные основы и методология анализа и проектирования АСУ ИСПЭ; концептуальная модель процессов управления унифицированной многорежимной АСУ ИСПЭ; формализованные принципы управления в квазистационарных режимах ИСПЭ; результаты моделирования и оптимизации конкретных АСУ ИСПЭ: многорежимных ЭП ПТ, АЭП с векторным управлением.

Практическая значимость.

Сформированная методология анализа и проектирования АСУ ИСПЭ, включающая в себя комплекс средств моделирования, оптимизации и адаптации АСУ ИСПЭ, обеспечивает повышение эффективности АСУ ТП, интегрирующих АСУ ИСПЭ, за счет увеличения их быстродействия, робастности относительно показателей качества переходных и установившихся процессов, функциональности в плане реализации управления в квазистационарных режимах, и надежности (устойчивости) за счет исключения на этапе разработки АСУ возможности возникновения недетерминированных процессов в их динамике.

Формализованные принципы управления и разработанные алгоритмы реализации квазистационарных режимов ИСПЭ повторный пуск - "подхват" и сохранение основного движения - "удержание" электродвигателя ИМ при кратковременных провалах напряжения питающей сети, расширяют функциональность АСУ ИСПЭ и позволяют повысить эффективность ТП за счет сокращения времени простоя оборудования и увеличения его срока службы за счет исключения ударных динамических нагрузок. ♦ Систематизированные и формализованные результаты исследования динамики, оптимизации и адаптации процессов управления конкретных АСУ ИСПЭ обеспечивают проектирование соответствующих систем в составе АСУ ТП, что подтверждается реализацией результатов работы.

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, были доложены на международных конференциях "Электроприводы переменного тока (ЭППТ'05)" (Екатеринбург, 2005); "Силовая электроника и энергоэффективность" (Украина, Алушта, 2004, 2003, 2002 гг.); "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (Украина, Алушта, 2006-1995 гг. ежегодно); "European Power Electronics- Power Electronics and Motion Control" (Slovenia, Portoroz, 2006; Latvia, Riga, 2004; Croatia, Cavtat & Dubrovnik, 2002); IEEE "Power Electronics Specialist Conference" (Germany, Aachen, 2004); "Всероссийский электротехнический конгресс "На рубеже веков: итоги и перспективы"" (Москва-Суздаль, 1999); IF AC "Analysis and Control of Chaotic Systems" (France, Reims, 2006); "Physics and Control" (С.-Петербург, 2003); ИПУ РАН "4-ой Российско-шведской конференции по автоматическому управлению" (Москва, 2001); 1FAC Symposium "Nonlinear Control Systems" (С.-Петербург, 2001); "Control of oscillations and chaos" (С.-Петербург, 2000); РАН "Нелинейные науки на рубеже второго тысячелетия" (С.-Петербург, 1999); IEEE workshop "Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications" (Bulgaria, Sofia, 2005; Украина, Львов, 2003; Украина, Форос, 2001); "de Modelisation et Simulation" (France, Troyes, 2001); "Mathematical problems for maintenance and reliability" (France, Bordeaux, 2000); "Maintenance and reliability" (USA, Knoxville, 2000); "Applications of Computer Systems" (Poland, Szczecin, 1998, 1997); "International Conference on Neural Networks and Artificial Intelligence" (Беларусь, Минск, 2003, 2001; Брест, 1999); "Информационные технологии в науке образовании и производстве" (Орел, 2004); "Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии" (Орел, 2004).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 75 научных работ, в том числе монография, 24 статьи (из них 12 статей в Российских рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ и 2 статьи в рецензируемых журналах 1ЕЕЕ) и патент на изобретение. Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников из 196 наименований, пяти приложений и включает 251 страницы основного текста, содержит 82 рисунка и 14 таблиц.

Заключение диссертация на тему "Автоматизация процессов управления многорежимными импульсными системами электрического и электромеханического преобразования энергии"

Результаты работы использованы при создании бестрансформаторного многоуровневого преобразователя частоты с векторным управлением для асинхронного электродвигателя 6кВ-1МВт "КАСКАД-5" (ЗАО "ЭЛЕКТРОТЕКС", г.Орел); при реализации алгоритмов векторного управления модифицированных преобразователей частоты, поставленных в серийное производство ЗАО "ЭЛЕКТРОТЕКС" (г.Орел) с 2006 г.; при создании высоковольтного резонансного преобразователя питания рентгеновской трубки 120кВ-12кВт малодозной цифровой рентгеновской установки, который находится в серийном производстве ЗАО "Научприбор", (г.Орел) с 2003 г. Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.

9. Заключение

В работе решена актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в повышении эффективности АСУ ТП, включающих АСУ ИСПЭ в качестве локальной подсистемы, путем разработки научных основ и методологии анализа и проектирования многорежимных АСУ ИСПЭ, состоящей из комплекса средств моделирования, оптимизации и адаптации, и позволяющей увеличить быстродействие АСУ ИСПЭ, их робастность относительно показателей качества переходных и установившихся процессов, функциональность в плане реализации управления в квазистационарных режимах, и надежность за счет исключения на этапе разработки АСУ возможности возникновения недетерминированных (субгармонических и хаотических) процессов в их динамике.

Библиография Косчинский, Станислав Леонидович, диссертация по теме Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

1. Андерс В.И., Коськин О.А., Карапетян А.К. Исследование систем управления в тиристорно-импульсных тяговых приводах городского электрического транспорта. //Энергетика и транспорт. - 1991. - №5. - С.65-77.

2. Анищенко B.C. Сложные колебания в простых системах: Механизмы возникновения, и структура динамического хаоса в радиофизических системах. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.

3. А.с. 395296 СССР. Устройство для регулирования тока тяговых электродвигателей. /А.П. Зайцев, В.А. Подлягин, В.М. Шадт и др. — Опубл. 28.08.73. Бюл. №35.

4. А.с. 481476 Устройство для релейного регулирования тока электродвигателя. /А.П. Зайцев, В.А. Подлягин, Ю.В., Колоколов и др. — Опубл. 25.08.75. Бюл.№ 31.

5. А.с. 1413697 СССР. Электропривод постоянного тока. /Ю.В. Колоколов, А.И. Конев— Опубл. 30.07.88., Бюл. №28.

6. А.с. 1533904 СССР. Устройство для регулирования тока тягового электродвигателя постоянного тока транспортного средства. /Ю.В. Колоколов, А.А. Кукин, Ж.Т. Жусубалиев. Опубл. 07.01.90., Бюл.№1.

7. Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. М.: Энергоиздат, 1982.

8. Атанс М.Ф., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968.-764 с.

9. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982, 392 с.

10. З.Белов Г.А., Мочалов М.Ю. Синтез оптимальных систем управления импульсными стабилизаторами напряжения на основе квадратичного критерия качества. //Электричество, 2001, №4, с. 37-42.

11. Н.Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. С.Пб.: Академия, 2004, 575 с.

12. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М.: Энергия, 1974.255 с.

13. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1963,412 с.

14. Браславский И.Я. О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов. //Электротехника, 1998, №8, с.2-6.

15. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Ведение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1976.-384 с.

16. Вишневецкий Л.М., Дубинский Г.Н., Левин Л.Г., Рабинович В.Б. Электроприводы в АСУ ТП. М.: Энергоатомиздат, 1983, 144 с.

17. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. М.: Наука, 1988. 552 с.

18. Гелиг А.Х., Чурилов А.Н. Периодические режимы в широтно-импульсных системах. //АиТ. 1986. № 11. С. 37-44.

19. Герман-Галкин С.Г., Лебедев В.Д., Марков Б.А., Чичерин Н.И. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. -Л.:Энергоатомиздат, 248 с.

20. Голуб Дж., Лоун Ван Ч. Матричные вычисления. М.: Мир, 1999. 548 с.

21. Гришанин Ю.С., Мелешин В.И. Анализ структурных схем и переходных процессов в источниках вторичного электропитания с ШИМ-2. //Электронная техника в автоматике. Под. ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1986, вып. 17, с. 58-70.

22. Деммель Д. Вычислительная линейная алгебра. М.: Мир, 2001. 430 с.

23. Денисов К.М., Толмачев В.А. Проблемы реализации микропроцессорных систем управления источников тока программируемой формы. //Изв. ВУЗов Приборостроение, 2000, т.43, №1-2, с.75-80.

24. Деннис -мл. Дж., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.; Мир, 1988. - 440 с.

25. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 832 с.

26. Егоров Д. Автоматизированная система мониторинга и управления водоза-боным узлом. //Современные технологии автоматизации, 2000, №4, с.26-31.

27. Ембулаев Ю., Волковой М., Матушкин Н., Чернышов О., Калачев А., Фи-личкин О., Южаков А. АСУ ТП очистки сточных вод. //Современные технологии автоматизации, 1999, №2, с.46-51.

28. Электротехническая промышленность. Серия: Тяговое и подъемно-транспортное электрооборудование, 1975. Вып. 2(35). С. 3-5.

29. Зубков Ю.А., Миледин В.К., Скибинский В.А. Опыт разработки тягового электропривода для четырехосных и сочлененных трамвайных вагонов с ТИСУ. //Электротехника, 1993, №8, с. 28-30.

30. Икрамов X. Д. Несимметричная проблема собственных значений. Численные методы. М.: Наука, 1991. 240 с.

31. Ильинский Н.Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода. //Электричество, 2003, №2, с.2-7.

32. Ильинский Н.Ф. Электропривод и энергосбережение. //Электротехника, 1995, №9, с.24-27.

33. Интеллектуальные системы автоматического управления /Под. ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 576 с.

34. Капитанова Л., Локотков А., Туганов Б. АСУ ТП канализационных насосных станций водоочистных сооружений. //Современные технологии автоматизации, 1998, №1, с.60-63.

35. Каретный О.Я., Кипнис М.М. Периодические режимы работы широтно-импульсных систем управления. I. //АиТ 1987. № 11. С. 46-54.

36. Карлов Б.И., Есин Е.А., Косчинский С.Л. Наблюдатели потока статора для систем бездатчикового векторного управления. //Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и эффективность". Ки-ев.-2004.-Т.2.-С.69-72.

37. Кипнис М.М. Символическая и хаотическая динамика широтно-импульсных систем управления. //ДАН. 1992. 342 (2). С. 273-276.

38. Кипнис М.М. Хаотические явления в детерминированной одномерной ши-ротно-импульсной системе управления. //Изв. РАН. Техн. кибернетика. 1992. № 1, С. 108-112.

39. Клюев А.С., Колесников А.А. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию. М.: Энергоиздат, 1982. - 240 с.

40. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для ВУЗов. -СПб.: Энергоатомиздат, 2000.-496 с.

41. Козлов А. Эффективность применения частотно-регулируемого электропривода на канализационных насосных станциях. //Современные технологии автоматизации, 2005, №3, с.82-85.

42. Козлов М., Чистяков А. Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами. //Современные технологии автоматизации, 2001, №1, с.76-82.

43. Колоколов Ю.В. Формирование принципов построения релейно-импульсных регуляторов тока тяговых двигателей постоянного тока. Электричество, 1990. №9. С. 35-43.

44. Колоколов Ю.В., Жусубалиев Ж.Т., Коваленко Ю.И., Кукин А.А. Анализ способов автоматического регулирования тягового и тормозного токов на высокоскоростном электропоезде ЭР200. Вестник ВНИИ ЖТ, 1989. №5. С. 19-23.

45. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Бифуркационные явления в динамике асинхронного электропривода с векторным управлением. Техническая электродинамика, спец. выпуск "Силовая электроника и энергоэффективность", Киев, 2004, т.З, с.128-131.

46. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Вырожденные периодические процессы в динамике электропривода постоянного тока. //Электричество. 2005. №11. С.41-50.

47. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л. Динамика безгистерезисных и гистере-зисных релейно-импульсных регуляторов тока. //Техническая электродинамика, тематический выпуск "Силовая электроника и эффективность", Киев.2002 Ч.З.-С.85-90.

48. Колоколов Ю.В., Косчинский C.JI. Динамика и адаптация релейно-импульсных регуляторов тока. //Электричество-№6.-2004.-С.33-43.

49. Колоколов Ю.В., Косчинский C.JI. К вопросу о бифуркациях стационарных движений в импульсных системах автоматического регулирования. //Автоматика и телемеханика. 2000. - №5. - С.185-189.

50. Колоколов Ю.В., Косчинский C.JI. Механизмы потери устойчивости стационарными процессами в асинхронном электроприводе с векторным управлением. //Электротехника. 2005.- №9. - С.33-38.

51. Колоколов Ю.В., Косчинский C.J1. Нелинейная динамика и синтез регуляторов тока асинхронного электропривода с векторным управлением. //Электротехника. 2006. - №7. - С.7-12.

52. Колоколов Ю.В., Косчинский C.J1. Динамика и синтез регуляторов тока импульсных автоматизированных электроприводов. М.Машиностроение-1, 2006,98 с.

53. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Моновская А.В. Алгоритм идентификации и прогнозирования аварийной ситуации в импульсном преобразователе напряжения. // Мехатроника, автоматизация, управление.-2004.-№3.-С.2-8.

54. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Моновская А.В. Идентификация и прогнозирование динамики импульсных систем в режиме реального времени: фрактальный подход. // Контроль и диагностика. 2004. - №10. - С.25-32.

55. Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Шолоник А.П. Динамика импульсного понижающего преобразователя напряжения в режиме прерывистых токов. // Электричество-№9.-2003-С.40-53.

56. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. Учебник для вузов. 3-у изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа. 2001 - 327с.

57. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.; Наука, 1978. 832 с.

58. Корытин A.M., Петров Н.К., Радимов С.Н., Шапарев Н.К. Автоматизация типовых технологических процессов и установок. Учебник для ВУЗов. М.: Энергоатомиздат, 1988, 432 с.

59. Корягина Е.Е., Коськин О.А. Электрооборудование трамваев и троллейбусов. Учебник для техникумов городского транспорта. М.Транспорт, 1982. -296с.

60. Косчинский С.Л. Динамика и синтез регуляторов импульсных электроприводов постоянного тока в режиме пуска с полным полем. //Мехатроника, автоматизация, управление, 2005, №2, с. 18-28.

61. Косчинский С.Л. Динамика и синтез регуляторов импульсных электроприводов постоянного тока в режиме электрического торможения. //Мехатроника, автоматизация, управление, 2005, №4, с.2-11.

62. Косчинский С.Л. Динамика и синтез регуляторов импульсных электроприводов постоянного тока в режимах импульсного ослабления поля. //Мехатроника, автоматизация, управление, 2006, №1, с.8-17.

63. Косчинский С.Л. Спецификация и формализация процессов управления асинхронного электропривода в составе АСУ ТП. //Мехатроника, автоматизация, управление, 2006, №6, с.35-40.

64. Косчинский С.Л. Высоковольтный резонансный преобразователь напряжения с частотным управлением. //Известия ОрелГТУ. Серия Машиностроение. Приборостроение. 2005, №1, с.56-58.

65. Косчинский С.Л., Багров В.В., Тей Д.О. Экспериментальные исследования адаптивного релейно-импульсного регулятора. // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина, Харьков. -2003. №5. - С.30-31.

66. Косчинский С.Л., Обрусник Г.В., Шолоник А.П. Некоторые проблемы моделирования вторичных источников питания автономных систем. //Информационно-управляющие системы на ж.-д. транспорте. Украина, Харьков. 1999. №4-С.91-93.

67. Косчинский С.Л., Ретинский С.Н. Синтез регуляторов на основе нечеткой логики импульсных преобразователей постоянного напряжения. //Известия ОрелГТУ. Серия Машиностроение. Приборостроение. 2005. №2. - С.45-49.

68. Коськин О.А., Карапетян А.К. Влияние входного фильтра на устойчивость к автоколебаниям тягового привода с ТИСУ. //Научные труды МЭИ, 1987, №136, с.30-35.

69. Крассовский А.А. Справочник по теории автоматического управления. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 712 с.

70. Куделько А.Р. Автоматизированный частотно-регулируемый электропривод с асинхронными двигателями. Владивосток: Издательство Дальневосточного университета, 1991.- 195 с.

71. Кулесский Р.А., Демидов С.В., Гусев А.С., Мазунин В.П. Выбор алгоритмов управления в тиристорном электроприводе постоянного тока. //Электротехника. 1986. №10, С. 57-59.

72. Кунцевич В.М., Чеховой Ю.Н. Нелинейные системы управления с частотно-и широтно- импульсной модуляцией. Киев: Технжа, 1970. 340 с.

73. Лебедев Е.Д., Неймарк В.Е., Пистрак М.Я., Слежановский О.В. Управление вентильными электроприводами постоянного тока. М.: Энергия, 1970. -200с.

74. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. М.: ИК Ягорба-Биоинформсервис, 1998. 180 с.

75. Мазунин В.П. Проблемы оптимального управления электроприводами. //Электротехника, 1997, №4, с. 1-6.

76. Мазунин В.П., Двойников Д.А. Особенности анализа переходных процессов в оптимизированных по быстродействию нелинейных системах управления электроприводами. //Электротехника, 2006, №7, с.2-7.

77. Майстренко В.Л., Майстренко Ю.Л., Сушко И.М. Бифуркационные явления в генераторах с линиями задержки. //Радиотехника и электроника. 1994. № 8-9, С. 1367-1380.

78. Маркин В.В., Миледин В.К., Скибинский В.А., Хоменко С.В. Опыт разработки тягового электрических приводов троллейбусного транспорта. //Электротехника, 1993, №8, с. 21-24.

79. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1989. - 224 с.

80. Некрасов В.И. Импульсное управление тяговыми двигателями электрического подвижного состава постоянного тока. Л.; ЛИИЖТ, 1972.

81. Патент РФ №2256286, per. 10.07.05. Способ импульсного регулирования электродвигателя постоянного тока. //Косчинский С.Л., Колоколов Ю.В., Багров В.В.

82. Петров Ю.П. Оптимальное управление электрическим приводом с учетом ограничений по нагреву. Л.: Энергия. Ленингр. отделение, 1971.- 143 с.

83. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1998.- 172 с.

84. Проектирование электроприводов. //A.M. Вейнгер и др. Свердловск: Средне-Уральское издательство, 1980.

85. Пясик М., Толстов Е., Случак И. Системы автоматического ведения поезда. //Современные технологии автоматизации, 2000, №4, с.60-69.

86. Ранькис И.Я. Оптимизация параметров тиристорных систем импульсногорегулирования тягового электропривода. Рига, Зинатия, 1985. 183 с.

87. Ранькис И.Я., Эглитис М.Ф. Экономия электроэнергии при импульсном регулировании тяговых двигателей электропоездов постоянного тока. //Сборник трудов МИИТ, 1989, №795, с. 80-89.

88. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1986. - 349 с.

89. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. -М.; Транспорт, 1983,- 328 с.

90. Ротанов Н.А., Курбасов А.С., Быков Ю.Г., Литовченко В.В. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями /Под. ред. Н.А. Рота-нова. М: Транспорт, 1991. - 336с.

91. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 136 с.

92. Северне Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М.:Энергоатомиздат, 1988. -294 с.

93. Справочник по автоматизированному электроприводу. /Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинявского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

94. Суслов Б.Е. Комплекты преобразовательного оборудования серии "МЭРА".//Электротехника, 1995, №9,с.48-51.

95. Терехов В.М. Фаззи-логика в электротехнике. //Электротехника. 2000. № 11. С. 59-64.

96. Терехов В.М., Владимирова Е.С. Некоторые аспекты применения фаззи-управления в электроприводах. //Электричество, 1999, №9, с.34-38.

97. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрических железных дорог. Теория работы электрооборудования, электрические схемы и аппараты. М.: Транспорт, 1969. - 408 с.

98. Тонкаль В.Е., Руденко B.C., Жуйков В.Я. и др. Вентильные преобразователи переменной структуры. /Под. ред. А.К. Шидловского. Киев: Наук, думка, 1989.-336 с.

99. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические электроприводы с дискретным управлением. -М.:Энергоиздат, 1982. 168 с.

100. Трахтман JI.M. Устойчивость системы широтно-импульсного управления тяговыми двигателями. //Электричество, 1976, №12, с.70-74.

101. Тулупов В.Д. Эффективность электроподвижного состава с импульсным управлением. //Железнодорожный транспорт, 1994, №3, с.46-55; №4, с.49-58.

102. Тучин Б.А., Вейцман Л.Ю. Тяговое электрооборудование скоростного электропоезда ЭР200. //Электротехника, 1979. №2. С. 18-22.

103. Уилкинсон Дж. X. Алгебраическая проблема собственных значений. -М.: Наука, 1970.-564 с.

104. Уилкинсон, Райнш. Справочник алгоритмов на языке Алгол. М.: Машиностроение, 1976.-389 с.

105. Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов: Учеб. пособие. -Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. 328 с.

106. Фейгин М.И. Вынужденные колебания систем с разрывными нелинейно-стями. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит, 1994. -288 с.

107. Фишбейн В.Г. Расчет систем подчиненного регулирования вентильного электропривода постоянного тока. М.: Энергия, 1972. - 136 с.

108. Цыпкин Я.З. Теория релейных систем автоматического регулирования. -М.: Гостехиздат, 1955.

109. Шипилло В.П. Автоматизированный вентильный электропривод. М.: Энергия, 1969. 400 с.

110. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УрО РАН, 2000.

111. Adragna С. Offline flyback converters design methodology with the L6590 family. STMicroelectronics, 2000, AN 1262, http://www.st.com.

112. Anunciada A.V., Silva M.M. A new current mode control process and applications. //Proc. IEEE Power Electron. Specialists Con. (PESC'89), 1989, pp. 683694.

113. Banerjee S., Karthik M.S., Yuan G., Yorke J.A. Bifurcations in one-dimentional piecewise smooth maps Theory and applications in switching circuits. //IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 47, 2000, No 3, pp.389-394.

114. Blasko V., Kaura V., Niewiadomski W. Sampling of discontinuous voltage and current signals in electric drives a system approach. //IEEE IAS Annual Meeting, New Orleans, Oct. 5-9, 1997.

115. Bose B.K. An Adaptive hysteresis-band control technique of a voltage fed PWM inverter for machine drive system. //IEEE Trans. Ind. Electron., vol.37, no.5, 1990, pp.402-408.

116. Briz del Blanco F., Degner M.W., and Lorenz R.D. Dynamic analysis of current regulators for AC motors using complex vectors. //IEEE Trans. Ind. Appli-cat., vol.35, no.6, 1999, pp. 1424-1432.

117. Brown M. Very wide input voltage range, off-line flyback switching power supply. Motorola, Inc., 1994, AN1327/D, http://www.onsemi.com.

118. Chen J.H., Chau K.T., Chan C.C. Chaos in voltage-mode controlled dc drive system. //Int. J. Electron., Vol.86, No 7, 1999, pp.857-874.

119. Chen C.-L., Wang S.-N., Hsieh C.-T., Chang F.-Y. Theoretical analysis of a fuzzy-logic controller with unequally spaced triangular membership functions. I I Fuzzy Sets Syst., no. 101, pp.87-108, 1999.

120. Chien K.L., Hrones J. A., Reswick J.B. On the automatic control of generalized passive systems. //Trans. ASME, vol.74, 1952, pp.175.

121. Cohen G.H., Coon G.A. Theoretical consideration of retarded control. //Trans. ASME, vol.75, 1953, pp.827-834.

122. Cupertino F., Lattanzi A., Salvatore L. A new fuzzy logic-based controller design method for DC and AC impressed-voltage drives. //IEEE Trans. Power Electron., 2000, vol.15, no.6, pp.974-982.

123. Design guidelines for off-line flyback converters using Fairchild power switch (FPS™). Fairchild Semiconductor Corp., 2003, AN-4137 rev. 1.2.0, http://www.fairchildsemi.com.

124. Design guidelines for off-line forward converters using Fairchild power switch (FPS™). Fairchild Semiconductor Corp., 2003, AN-4134 rev.1.0.0, http://www.fairchildsemi.com.

125. Dixon L. Average current mode control of switching power supplies. Unitrode (Texas Instruments, Inc.), 1999, U-140, http://www.ti.com.

126. Erickson R.W. Fundamentals of Power Electronics. Kluwer Academic Publishers, 1999.

127. Harnefors L., Nee H.-P. Model-based current control of AC machines using the internal model control method //IEEE Trans. Ind. Applicat. 1998. Vol.34. No.l. Pp.133-141.

128. Harnefors L., Pietilainen K., Gertmar L. Torque-maximizing field-weakening control: design, analysis, and parameter selection. //IEEE Trans. Ind. Electron., 2001, vol.48, no.l, pp. 161-168.

129. Holtz J. Pulsewidth modulation for electronic power conversion. //Proc. IEEE, Aug. 1994, vol. 82, pp. 1192-1214.

130. Holtz J., Lotzkat W. Controlled AC drives with ride-through capability at power interruption. //IEEE Trans. Ind. Applicat., 1994, vol.30, no.5, pp. 12751283.

131. Holtz J., Quan J., Schmitt G., Pontt J., Rodriguez J., Newman P., Miranda H. Design of fast and robust current regulators for high power drives based on complex state variables. //IEEE IAS Annual Meeting, Salt-Lake City, 2003.

132. Iu H.H.C., Zhou Y., Tse C.K. Fast-scale instability in a PFC boost converter under average current-mode control. // Int. J. Circ. Theor. Appl., vol. 31, pp. 611624,2003.

133. Jiang J., Holtz J. An efficient braking method for controlled AC drives with a diode rectifier front end. //IEEE Trans. Ind. Applicat., 2001, vol.37, no.5, pp. 1299-1307.

134. Kazmierkowski M.P., Malesani L. Current control techniques for three-phase voltage source PWM converters: a survey //IEEE Trans. Ind. Electron. 1998. Vol.45. No.5. Pp.691-703.

135. Kolokolov Yu.V. Koschinsky S.L., Adjallah K.H. Bifurcation based approach to condition monitoring: application to pulse energy conversion systems. //OPSEARCH, Special Issue.- Part.2.-Vol.39.-No.l.-February 2002.-PP.1-13.

136. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L. Anomalous bifurcations and subharmonic resonanses in the dynamics of DC electric drive with pulse-width modulation. //Proc. 5lh IF AC symposium NOLCOS 2001. Vol. 4, P. 1246-1251.

137. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Adjallah K.H. Data acquisition aspects in experimental research of electromechanical systems dynamics. //IEEE Trans. In-strum. Meas.-Vol.51.--No. 1.--February 2002. -PP. 107-114.

138. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Adjallah K.H. Dynamics of pulse-width modulated dc motor drive with LC-filter at power input port. //Proc. EPE "Power electronics and motion control (EPE-PEMC'02)" Con., 2002.

139. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Bagrov V.V. Experimental dynamics of electromechanical pulse energy conversion system. //IEEE Trans. Instrum. Meas. Vol.55. No. 1.2006. PP.3 5-43.

140. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Kovrizhkin S.V. On modeling piece-wiseconnected systems. // Proc. 5th Int. Con. "Pattern Recognition and Information Processing (PRIP'99)" Minsk Szczecin, Belarus - Poland, 1999. Vol. 2. - PP. 392-396.

141. Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Kovrizhkin S.V. Quasiperiodic oscillations in the dynamics of electromechanical pulse energy conversion systems. //Proc. "Control of oscillations and chaos (COC'OO)" Con., 2000, Vol.3, pp.546547.

142. Koschinsky S.L., Sholonik A.P., Ustinov P.S. Symbolic models of pulse energy conversion systems dynamics. // Int. Scientific Journal of Computing. -Vol.2(l).-2003.

143. Koudriavtsev O., Wang S., Konishi Y., Nakaoka M. A novel pulse-density-modulated high-frequency inverter for silient-discharge-type ozonizer. //IEEE Trans. Ind. Applicat., vol.38, no.2, 2002, pp.369-378.

144. Kuroe Y., Hayashi S. Analysis of bifurcation in power electronic induction motor drive systems. //Proc. IEEE "Power Electron. Specialists Con. (PESC'89)", 1989, pp.923-930.

145. Lee D.-C., Sul S.-K., Park M.H. High performance current regulator for a field-oriented controlled induction motor drive //Proc. IEEE IAS Annual Meeting. 1992. Vol.1. Pp.538-544.

146. Lei W.H., Man Т.К. A general approach for optimizing dynamic response for buck converter. ON Semiconductor (Motorola, Inc.), 2004, AND8143/D rev.O, http://www.onsemi.com.

147. Lepka J., Stekl P. 3-phase AC induction motor vector control using DSP 56F80x. Freescale Semiconductor Inc., 2002, AN1930/D rev.O, http://www.freescale.com.

148. Malesani L., Rosselto L., Tomasin P., Zuccato A. Digital adaptive hystereses control with clocked commutation and wide operation range. //IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 32, no. 2, 1996, pp. 316-325.

149. Mann G.K.I., Ни B.-H., Gosine R.G. Analysis of direct action fuzzy PID controller structures. HIEEE Trans. Syst. Man Cyber. B, vol.29, no.3, pp.371-388, Jun.1999.

150. Marlin Т.Е. Process control. 2nd ed. McGraw-Hill, 2000. 1056 p.

151. Mattavelli P., Rossetto L., Spiazzi G., Tenti P. General-purpose fuzzy controller for dc-dc converters. //IEEE Trans. Power Electron., vol.12, no.l, pp.79-85, Jan. 1997.

152. Mazumder S.K., Nayfeh A.H., Borojevich D.A. Theoretical and experimental investigation of the fast-and slow- scale instabilities of a dc-dc converter. //IEEE Trans. Power Electron., vol. 16, no. 2, pp.201 -216, 2001.

153. Middlebrook R.D. Design techniques for preventing input filter oscillations in switched-mode regulators. //Proc. 5th Power Conversion Con., 1978.

154. Middlebrook R.D., Cuk S. A general unified approach to modeling switching converter power stages. //Proc. IEEE "Power Electron. Specialists Con. (PESC76)", 1976, pp. 18-34.

155. Novotny D.W. and Lipo T.A. Vector control and dynamics of AC drives. Clarendon press, Oxford, 1997.

156. Ott E., Grebogi C., Yorke J. Controlling chaos. //Physical Review Lett., vol.64, no.l 1, 1990, pp.1196-1199.

157. Oyama K., Shinorama K. Small-signal stability analysis of vector control system of induction motor without speed sensor using synchronous current regulator. //IEEE Trans. Ind. Applicat. 2000. Vol.36. No.6. Pp. 1669-1675.

158. Raviraj V.S.C., Sen P.C. Comparative study of proportional-integral, sliding mode, and fuzzy logic controllers for power converters. HIEEE Trans. Ind. Applicat., vol.33, no.2, pp.518-524, Mar./Apr. 1997.

159. Redl R., Novak I. Instabilities in current-mode controlled switching voltage regulators. //Proc. IEEE "Power Electron. Specialists Con. (PESC'81)", 1981, pp. 17-28.

160. Riese M., Bechtler J. Stability analysis of digital current vector control of ac-machines. //Proc. EPE "Power electronics and applications (EPE-PEA'01)" Con., 2001.

161. Seibel B.I., Kerkman R.J., Leggate D. Inverter control during overload and following power interruption. //IEEE Trans. Ind. Applicat., 1992, vol.28., no.3, pp.567-573.

162. So W.-C., Tse C.K., Lee Y.-S. Development of a Fuzzy Logic Controller for DC/DC Converters: Design, Computer Simulation, and Experimental Evaluation. //IEEE Trans. Power Electron., vol. 11, no. 1, January, 1996, pp.24-32.

163. Sokal N.O. System oscillations from negative input resistance at power input port of switching-mode regulator, amplifier, dc/dc converter, or dc/ac inverter. //Proc. "Power Electron. Specialists Con. (PESC'73)", 1973, pp.138-140.

164. Siito Z., Nagy I. Bifurcation phenomena in three-phase space vector modulated converters. //Proc. EPE "Power Electron, and Motion Control Con. (EPE-PEMC'03)", 2002 (CD-ROM).

165. Verghese G., Mukherji U. Extended averaging and control procedures. // Proc. "Power Electron. Specialists Con. (PESC'81)", 1981, pp.329-336.

166. Viswanatan K., Srinivasan D., Oruganti R. A universal fuzzy controller for a non-linear power electronic converter. IIIEEE, 2002, pp.46-51.

167. Wang L.-X. A course in fuzzy systems and control. Prentice Hall PTR, 1997.

168. Xu X., Nowotny D.W. Selection of the flux reference for induction machinedrives in the field weakening region. //IEEE Trans. Ind. Applicat., 1992, vol.28, no.6, pp.1353-1358.

169. Yang S.-M., Lee C.-H. A deadbeat current controller for field oriented induction motor drives. //IEEE Trans. Power Electron., vol.17, no.5, 2002, pp.772-778.

170. Ying H. Fuzzy control and modeling: analytical foundations and applications. IEEE Press, N.-Y., 2000.

171. Zhou K., Wang D. Relationship between space-vector modulation and three-phase carrier-based PWM: a comprehensive analysis. //IEEE Trans. Ind. Electron., vol.49, no.l, 2002, pp. 186-196.

172. Ziegler J.B., Nichols N.B. Optimum settings for automatic controllers. //Trans. ASME, vol.64, 1942, pp.759-768.

173. Вывод 8 микросхемы DA1 подключить к цепи +5V

174. Выводы 14 микросхем DDI DD4 подключить к цепи +15V

175. Вывод 5 микросхемы DA1 выводы микросхем DD1 DD4 подключить подключить к цепи "PWRGND"к)ВД

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00