автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка фаззи-управления для силовых следящих электроприводов

ВВЕДЕНИЕ

1. РЕДУКТОРНЫИ СЛЕДЯЩИМ ЭЛЕКТРОПРИВОД КАК ОБЪЕКТ Л] УПРАВЛЕНИЯ

1 Л. Класс тихоходных редукторных СЭП и его особенности

1.2. Фаззи-управление

1.3. Расчетная модель редукторных СЭП с фаззи-управлением

1.4. Выводы

2. МЕТОДИКА СИНТЕЗА ФАЗЗИ-РЕГУЛЯТОРОВ ПОЛОЖЕНИЯ СЭП

2.1. Общие рекомендации построения алгоритма фаззи-управления

2.2. Процедура синтеза фаззи-регуляторов для контура положения СЭП

2.3. Выводы

3. ФАЗЗИ-УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СЭП АНТЕННЫХ УСТАНОВОК

3.1. Режимы работы и параметры СЭП антенных установок

3.2. Стабилизация режимов позиционирования.

3.3. Стабилизация отработки ветровых порывов.

3.4. Выводы

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ФАЗЗИ-РЕГУЛЯТОРОВ ПОЛОЖЕНИЯ СЭП

4.1. Способы реализации алгоритмов фаззи-управления

Среди следящих электроприводов (СЭП) различного исполнения и применения можно выделить группу редукторных СЭП, которые характеризуются мощностью от единиц Вт до десятков кВт, скоростью слежения от одной угловой минуты в секунду до 15-Г20 градусов в сеu и с» "1—' Т/* кунду, резонансной частотой подвижной части 1.5-г5 1 ц. К установкам данной группы относят поворотные антенные установки, радиотелескопы, солнечные печи и гелиостаты с прямым наведением на объект слежения, некоторые типы манипуляторов, роботов и других установок с режимами слежения и позиционирования. При использовании двигателей постоянного тока во многих СЭП данной группы применяется система управления с подчиненным регулированием координат, причем такая структура с регуляторами момента (тока) и скорости может сохраняться и при переходе в настоящее время на вентильные двигатели или частотно-управляемые асинхронные двигатели.

СЭП данной группы достаточно исследованы [4], [14], [7]. Однако задача улучшения динамических и точностных показателей решалась традиционными средствами управления применительно к линейной структуре электропривода и режимам слежения. Но кроме плавного режима слежения в установках рассматриваемой группы существуют режимы отработки больших воздействий: режимы "переброса", "поиска", переключения способа управления, а также режимы отработки резких изменений активного момента нагрузки. Резонансные механические колебания рабочего органа, возникающие в СЭП с низкими рабочими скоростями в режимах больших воздействий, практически не демпфируются электроприводом из-за слабой электромеханической связи. Система управления с типовой структурой не справляется с этими колебаниями. Снизить колебательность при данной структуре можно снизив добротность системы, т. е. коэффициент усиления регулятора положения, но это повышает ошибку слежения.

Известны корректирующие средства, демпфирующие резонансные механические колебания в линейной двухмассовой электромеханической системе (ЭМС) [15], что позволяет снизить колебательность в линейном СЭП без снижения его добротности. Однако линейные корректирующие средства оказываются недостаточно эффективными для рассматриваемого класса СЭП, которые обладают существенными не-линейностями из-за механических люфтов, насыщения регуляторов и силового преобразователя. Данные нелинейности снижают устойчивость СЭП и повышают ошибки в его работе. При этом наиболее неблагоприятное воздействие оказывает люфт редукторных передач. Для его устранения высокоточные СЭП выполняются с люфтовыбирающи-ми устройствами [2], [И]. Однако это весьма усложняет и удорожает конструкцию установки и полностью не устраняет люфт, который с течением времени эксплуатации возрастает.

В связи с этим актуальна задача стабилизации движения во всех режимах и повышения точности нелинейных СЭП при сохранении структуры подчиненного регулирования путем ее дополнения более эффективными специальными управляющими средствами.

В настоящее время получил распространение и развивается новый нетрадиционный способ управления, основанный на фаззи-логике. Такой способ управления имеет дело не с отдельными числовыми данными, а с числовыми массивами - фаззи-множествами, что делает систему «робастной» (малочувствительной к изменениям параметров). Фаззи-управление позволяет реализовать практически любой, в том числе и нелинейный алгоритм, который может потребоваться для стабилизации системы при больших воздействиях.

В области электропривода большое количество работ посвящено адаптивным фаззи-регуляторам [17] , [22] или применению фаззи-логики для адаптации традиционных регуляторов в условиях изменения параметров установки [21] или при возмущающих воздействиях

23]. При этом рассматриваемая ЭМС содержит двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, система управления строится по принципу подчиненного регулирования с контурами тока и скорости. Механическая часть представлена одномассовой расчетной моделью. Наиболее близкая по теме работа [13] посвящена стабилизации движения тихоходных электроприводов. Механическая часть представлена двухмассовой расчетной моделью, однако, модель ЭМС упрощена, влияние нелинейностей не рассматривалось.

В рассмотренных работах не было исследовано применение фаз-зи-управления для выделенной группы редукторных СЭП с полной структурой подчиненного регулирования и с учетом всех режимов работы СЭП.

Целью работы является методическая разработка фаззи-регуляторов для системы управления редукторных следящих электроприводов с подчиненным регулированием координат для повышения стабильности движения и снижения ошибок во всех режимах работы.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- обоснование обобщенной расчетной модели СЭП рассматриваемого класса;

- разработка методики построения фаззи-регуляторов в контуре положения СЭП;

- определение алгоритма фаззи-регулятора для стабилизации режимов позиционирования и отработки резких изменений активного ветрового момента нагрузки для СЭП антенных установок;

- реализация разработанного алгоритма фаззи-регулятора.

4.3. Выводы для СЭП антенных установок обоснована целесообразность программного способа реализации фаззи-регулятора; для исследуемого класса СЭП предложен вариант программной реализации корректирующего фаззи-регулятора, предполагающий использование управляющей ЭВМ и дополняющий основное программное управление; исследования влияния дискретности датчика положения на эффективность фаззи-регулятора показали, что при частоте съема информации с датчика положения 400 ГЦ и дискретности по уровню 0.7-7-2.5" для СЭП выделенного класса фаззи-коррекция остается эффективной; тестирование показало корректность реализации и достаточное для тихоходных редукторных СЭП быстродействие разработанного программного фаззи-регулятора и практическую возможность его применения для стабилизации режимов отработки больших воздействий тихоходных СЭП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведено исследование фаззи-управления в редуктор-ных следящих электроприводах (СЭП) со структурой подчиненного регулирования для повышения точности и стабилизации движения во всех возможных режимах СЭП. Данный класс электроприводов характерен для антенных установок различного назначения и для других установок с аналогичными режимами работы. Получены нижеследующие основные результаты работы.

1. Для рассматриваемого класса двухдвигательных редукторных СЭП обоснована справедливость расчетной двухмассовой модели с упругим звеном и результирующим кинематическим люфтом для исследований режимов больших воздействий. Обоснована необходимость применения корректирующего устройства для получения в таких СЭП высоких точностных и динамических показателей.

2. На основе анализа особенностей фаззи-управления обоснована целесообразность применения фаззи-регулятора в контуре положения СЭП исследуемого класса для повышения его динамических и точностных показателей.

3. Разработана методика синтеза дополнительных фаззи-регуляторов в контуре положения нелинейных тихоходных СЭП, позволяющих снижать колебательность движения привода в режимах отработки больших воздействий, а также компенсировать статическую ошибку.

4. На основании разработанной методики получен алгоритм дополнительного фаззи-регулятора для класса СЭП антенных установок с диаметром зеркала 12-г64 м, рабочей скоростью 1ч-187с и кинематическим люфтом 1.7-;-3.5', позволяющего в 2-А10 раз повысить добротность по ускорению, а также значительно стабилизировать движение СЭП с пропорционально-интегральным регулятором по

126 ложения. Разработан алгоритм фаззи-компенсации для СЭП с пропорциональным регулятором положения, позволяющий скомпенсировать статическую ошибку и значительно ускорить процесс позиционирования.

5. Для предложенного алгоритма фаззи-управления на языке Си была разработана программа реализации фаззи-регулятора, которую можно встраивать в существующую систему управления на базе ЭВМ. Тестирование программного фаззи-регулятора показало корректность реализации и достаточное для тихоходных редукторных СЭП быстродействие программного фаззи-регулятора и возможность его практического применения.

6. Модернизация системы управления на основе фаззи-регулятора окажется для определенного класса электроприводов эффективной не только технически, но и экономически, так как может быть выполнена путем дополнения существующего программного управления и не потребует замены силового электромеханического оборудования.

1. Байсалов ЭА. Исследование способов повышения точности следя-ш;их электроприводов радиотелескопов с возмуш;ающими воздействиями по нагрузке. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1976.

2. Белянский П.В., Сергеев Б.Г. Управление наземными антеннами и радиотелескопами. М.: Советское радио, 1980. 280с.

3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. -767 с.

4. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.; Энергоатомиздат. Санкт-Петербург, отд-е, 1992. -288с.

5. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.

6. Кузьмин В.Б., Травкин СИ. Теория нечетких множеств в задачах управления и принципах устройства нечетких процессоров. Обзор зарубежной литературы. Автоматика и телемеханика, 1992, 11, с.3-6.

7. Овсянников E.H. Исследование и разработка следящего электропривода гелиоустановки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МЭИ, 1981. - 20с.

8. Панов E.H., Терехов В.М. Выбор параметров следящего электропривода постоянного тока с цифровым управлением. Электротехника, 11, 1985, с. 2-4.

9. Полипас С. Синтез пропорционально-дифференциального нечеткого регулятора электропривода. Chip News, №1, 1999, с. 43-45.

10. Соколов П.В. Разработка и исследование адаптивных электромеханических систем с использованием теории нечетких множеств. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 1997.

11. Терехов В.М. Многодвигательный следящий электропривод в режиме компенсации люфтов. Электротехника, №10, 1981.

12. Терехов В.М. Непрерывные и цифровые системы управления скоростью и положением электроприводов. М.: МЭИ, 1996.

13. Терехов В.М., Барышников А.С. Стабилизация движения тихоходных электроприводов на основе Fuzzy-логики. Электричество, №8, 1996.

14. Терехов В.М., Клюев О.Л., Новиков В.А. Принципы построения и оптимизации высокоточных следящих электроприводов с регулярными и стохастическими возмущениями. Электротехническая промышленность, электропривод, 1981, вып. 1, с. 16-19.

15. Терехов В.М., Петухова Г А. Демпфирующие средства в следящих электроприводах. Тр. Моск. Энерг. Ин-та, 1981, вып 520.

16. F. Н. F. Leung, L. К. Wong, Р. К. S. Таш, Н. Н. Lam. Application of fuzzy logic control to regulated switching converters, 1996.

17. Kosc P., Profumo F. Adaptive fuzzy logic control for DC motors speed-loop, 1992. Conf. Rec. Electric drive and Power Electronic, Kosice. 289-296.

18. L.A. Zadeh. Fuzzy Sets. Information and Control, 1965, s. 338-353.

19. Mamdani, E. H., Application of fuzzy algorithms for control of a simple dynamic plant, 1974. Proc. IEEE. 121. 1585-1588.129

20. M. Sc. EE. Daniel Gariylio, Fuzzy-Logik in der Praxis, Elecnronik 20/1991, s.63-75.

21. Q. P. Ha, M. Negnevitsky, F. Palis. Cascade Pl-controUers with fuzzy tuning, 1997.

22. Stronach AF., Vas P., Lees P. The application of self-turning digital controllers in variable-speed drives. 'Power Electronics and Variable-Speed Drives', 26-28 October 1994, Conference Publication No. 399.

23. W. G. da Silva, P. P. Acarnley. Fuzzy logic controlled DC motor drive in the presense of load disturbance, 1997.