автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование систем позиционирования с цифровой фазовой синхронизацией для дозаторов топлива

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ ИЛЬЯ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С ЦИФРОВОЙ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ ДЛЯ ДОЗАТОРОВ ТОПЛИВА

Специальность 05.09 03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново - 2007

иизоббзэв

003066396

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Ивановский государственный энергетический университет им. В И Ленина" (ИГЭУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, проф.

Фалеев М В

Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф

Староверов Б А. кандидат технических наук, доц Ширяев А Н

Ведущая организация 1 ОАО "НИИЭлектропривод" гор

Иваново

Защита диссертации состоится «26» октября 2007 г. в Ч . часов на заседании специализированного совета Д212.064 02 в Ивановском ордена государственном энергетическом университете по адресу 153003, Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корп. Б , аудитория 237

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) заверенные гербовой печатью, просьба выслать по адресу 153003, , Иваново, ул Рабфаковская, 34, Ученый совет. Факс (8-4932) 38-57-12, e-mail- uch_sovet@ispu.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ

Автореферат разослан " _ ^ р

Актуальность темы Достаточно большие запасы газа, развитые промышленные структуры добычи, переработки и транспортировки природного газа, делают его основным элементом производственно-социальной сферы общества В то же время в связи с непрерывным ростом стоимости энергоресурсов и их транспортировки, невозобновляемостью запасов природного газа важнейшей задачей при проектировании новых, реконструкции и эксплуатации действующих газопроводов является снижение и экономия энергозатрат Это достигается внедрением газоперекачивающих агрегатов (ГПА) нового поколения и повышением эффективности эксплуатации действующих ГПА В то же время решение этой задачи актуально для всех установок, в которых используются конверсионные газотурбинные двигатели, а именно, газоперекачивающие станции, модульно-блочные и стационарные электростанции, приводы гребных винтов и т д

Состояние проблемы Основным направлением решения этой задачи является разработка эффективных систем управления ГПА, одним из важнейших элементов которых являются регуляторы режимов работы газотурбинных установок Задачи управления и регулирования режимов работы газотурбинных установок имеют целый ряд специфических особенностей, к которым относятся необходимость управления одним исполнительным органом - регулирующим клапаном, при одновременном изменении нескольких регулируемых переменных, сильная зависимость параметров газотурбинного двигателя от режима работы, необходимость обеспечения компромисса между быстродействием системы при компенсации возмущений и стабильностью регулирования в установившемся режиме

Подавляющее большинство электроприводов для управления дозаторами подачи жидкого и газообразного топлива в настоящее время выполняются на базе шаговых двигателей Несмотря на кажущую очевидность такого решения, оно имеет ряд существенных недостатков, таких как относительно невысокое быстродействие, определяемое ограниченной приемистостью используемого шагового двигателя, малая точность позиционирования, невысокая стабильность, обусловливаемая использованием регуляторов непрерывного типа, высокое энергопотребление в режиме силового удержания, определяемое низкой частотой коммутации ШИМ и большими токами в обмотках шагового двигателя, низкая помехозащищенность канала передачи управляющего сигнала от системы управления газотурбинной установкой

Большинство из вышеперечисленных недостатков обусловлено использованием в качестве исполнительного элемента шагового двигателя и аналогового регулятора положения дозатора, что делает необходимым применение преобразователей формы представления информации, снижающих точностные показатели системы и стабильность ее характеристик

Целью работы является создание систем позиционирования с высокими динамическими и точностными показателями работы, обеспечивающих надежную работу при эксплуатации в тяжелых условиях, а также, использова.-'4^ ние новых подходов к разработке систем управления дозаторами газоперег<а-"' 5

чивающих агрегатов Одно из перспективных направлений решения этой проблемы заключается в управлении дозаторами ГПА посредством гибридных электроприводов с бесколлекторными двигателями (БКД), базирующихся на принципах цифровой фазовой синхронизации с включением микроконтроллера непосредственно в контур управления для позиционирования дозирующего элемента и расширения функциональных возможностей электропривода

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в

принципах построения прецизионных систем позиционирования на базе гибридных электроприводов, органично сочетающих низкую погрешность преобразования данных, свойственную импульсным системам с широкими возможностями реализации разнообразных законов регулирования, обеспечиваемую цифровыми методами управления,

алгоритмах инвариантного управления БКД, реализуемых только по информации с датчика положения без измерения переменных состояния самого двигателя,

методах и средствах управления гибридными электроприводами с использованием регуляторов на базе нечеткой логики и создании методики их исследования в непрерывной и дискретной областях,

методике организации программного обеспечения, обеспечивающие возможность дистанционной диагностики и модернизации электропривода, выполняемую средствами удаленного доступа

Основные положения, представляемые к защите

1 Положение о необходимости использования принципов цифровой фазовой синхронизации для построения высокоточных систем позиционирования регулирующих подачу топлива силовых агрегатов энергетических установок

2. Методы оптимизации регулировочных характеристик бесколлекторных двигателей, основанные на применении потенциальных и токовых компенсаторов индуктивности статорных обмоток, использующих только информацию о параметрах движения объекта

3 Положение о необходимости использования регуляторов с нечеткой логикой работы в гибридных электроприводах для повышения робастных свойств системы управления, а также создании систем позиционирования, базирующихся на программных алгоритмах или двухконтурных системах с линейным, нечетким и скользящим управлением

4 Результаты теоретического и экспериментального исследования опытных образцов систем позиционирования на базе гибридных электроприводов

Практическая значимость заключается в

разработке аппаратных и программных средств реализации систем позиционирования с синхронными двигателями с постоянными магнитами, предназначенных для управления подачей жидкого и газообразного топлива ГПА

разработке программно-аппаратных средств бессенсорного инвариант-нйго управления бесколлекторными двигателями,

создании быстрых целочисленных алгоритмов нечеткого управления адаптированных для 8-и разрядных микроконтроллеров,

реализации программного комплекса для проектирования, наладки, эксплуатации и модернизации систем позиционирования, а также обеспечивающего оперативную диагностику состояния электропривода и технологического агрегата с возможностью использования средств удаленного доступа Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований, патентами Российской Федерации, внедрением результатов работы на ОАО "Точпри-бор" и ОАО ЭКЗ "Импульс" гор Иваново, ООО "Метротекс" гор Зеленоград, ФГУП ВНИИ "Сигнал" гор Ковров Владимирской обл Перспективность разработанных систем позиционирования подтверждается результатами тестирования опытных образцов на газокомпрессорных станциях Приозерного и Ягельного ЛУПМГ предприятия ОАО "ТюменьТрансГаз"

Апробация работы Основные научные и практические результаты работы были представлены на следующих международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах VII, VIII международных научно-техническая конференция "Компьютерное моделирование 2006(2007)" - С -Петербург, 2006, 2007, международная научно-техническая конференция МК-06ММФ "Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии" - Липецк, 2006, всероссийская научно-техническая конференция "Наука Промышленность Оборона" для студентов, аспирантов и молодых ученых - Новосибирск, 2006, XII международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии" - Томск, 2006, XIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиотехника, электротехника и энергетика" - Москва, МЭИ, 2007, 2-ая Международная конференция "Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании", г Тюмень, 2006, IX - международная научно-техническая конференция "Интеллектуальные системы и компьютерные науки" - Москва, 2006; 1-ой Российской мультиконференции по проблемам управления "Механотроника, автоматизация, управление" (МАУ-2006) - Санкт-Петербург, 2006, X международная научная конференция "Решетниковские чтения" - Красноярск, 2006, международный форум по проблемам науки, техники и образования "III тысячелетие - новый мир", Москва, 2006, V международной конференции "Материалы и технологии XXI века", Пенза, 2007, международная научно-техническая конференция "XIV Бенардосовские чтения", Иваново, 2007.

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 25 печатных работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ, 3 свидетельства о регистрации программных продуктов

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения» четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 105 наимено-

вания, и приложений Работа изложена на 158 страницах и содержит 103 рисунка и 4 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи, решение которых необходимо для создания прецизионных систем позиционирования, сформулированы положения научной новизны и практической значимости

В первой главе определены общие требования к системам позиционирования и выявлены основные тенденции их развития

Анализ режимов работы современных технологических агрегатов показывает широкую степень распространения задач позиционирования отдельных механизмов При этом необходимо обеспечить точность позиционирования, приведенную к валу двигателя, равную (0 2-4) угл мин при монотонном характере процессов подхода к заданному положению Рассмотрены особенности применения систем позиционирования при управлении подачей топлива газотурбинных агрегатов и показано, что повышение эффективности управления ими при решении задач энергосбережения и обеспечения высокой надежности достигается использованием мехатронных узлов, интегрирующих в одном блоке дозирующий элемент, приводной двигатель и систему управления

Проведенный анализ способов построения систем позиционирования показал, что реализация такого управления наиболее часто осуществляется посредством дискретных электроприводов с шаговыми двигателями и следящих систем При этом дискретные системы обладают повышенной чувствительностью к скорости изменения входного сигнала, а большинство следящих систем ориентированы на общепромышленное оборудование и характеризуются значительной избыточностью предлагаемых возможностей, а предлагаемый ими набор периферийных устройств далеко не всегда позволяет создавать эффективные средства управления Показано, что наиболее полно требованиям устройств подачи топлива ГПА отвечают бесколлекторные двигатели встраиваемого исполнения

Одним из перспективных способов построения систем позиционирования является использование устройств, в которых импульсное формирование сигнала ошибки по положению вала сочетается с цифровым вычислением сигналов управления БКД, реализуемым включенным в контур синхронизации микроконтроллером (МК), так называемых гибридных электроприводов (ГЭП) Установлено, что такая конфигурация системы не увеличивает погрешности стабилизации параметров движения Из показанной на рис 1 функциональной схемы системы на базе ГЭП следует, что для выполнения позиционирования необходима пачка импульсов, число которых определяет величину перемещения Nz, а частота (fz) - скорость объекта Показано, что эффективность использования систем позиционирования обеспечивается при их интеллектуализации, призванной уменьшить стоимость программного обеспечения и заменить сложную и дорогостоящую механику высокой точности

а) б)

Рис 1 Варианты построения систем позиционирования на базе ГЭП

Во второй главе проведен анализ динамических свойств системы позиционирования Разработана линеаризованная математическая модель БКД, представляемая следующей системой дифференциальных уравнений в относительных единицах

с!Д1 / ч

Де, = Д1„ + та - (ю + Дш) р Ь Д1,

¿А1, / \

Деч =Д1ч +та —-=— +(сон-Дш) р кэ Д1Л +Дю

т с1Д(0 А А

Т —— = Д1„ - Дт т Л

(1)

Бе применение дает результаты в достаточной степени адекватные моделируемому объекту Показано, что динамические свойства БКД существенно зависят от скорости ротора, что обусловлено изменением ортогональности векторов тока статора и магнитного потока. При этом применение традиционных методов устранения этого эффекта, основанные на векторном управлении, связано с неоправданным усложнением системы и ростом требований к возможностям применяемого вычислителя Кроме того, практически невозможно устранить эффект дискретизации измеряемых токов, что существенно увеличивает ошибки координатных преобразований и, как следствие, ухудшает качественные показатели ГЭП Поэтому предлагается устранение размагничивающего тока посредством специальных блоков компенсации Исходя из принципа инвариантности размагничивающего тока, получены следующие выражения расчета компенсирующего воздействия на БКД

е^) = -кэ (ос --— , (2)

Та8 + 1

е^^-кв <ос 1,(8) , (3)

где ис - скорость позиционирования

Выражение (2) реализует функцию потенциального" (рис 2), а (3) - "токового" компенсаторов индуктивности статорных обмоток

В ходе исследований установлено, что разработанные компенсаторы характеризуются относительно низкой чувствительностью к вариации параметров БКД Отклонение степени компенсации от идеального значения, оп-

ределяемое по интегральной оценке размагничивающего тока не превышает (1-2)% при естественном разбросе параметров двигателя в ±10%

Анализ свойств БКД с компенсаторами индуктивности в дискретном представлении выявил неполное устранение намагничивающего тока, что связано с ограничением частотных свойств импульсных систем Показано, что устранение этого недостатка достигается при вычислении прогнозируемого компенсирующего воздействия на следующем такте вычислений

Узел компенсации

1+Tas

1+Tas

еа

kss

1

TraS

М

kss

1

1+Tas

Рис 2 Структурная схема "потенциального" устройства компенсации

1/Та N » 1/s

) *

1/Та

1,

1/Та

li/Tm-kss/Ta

ib

1/Та

— kss/Га

1/S

Xd

1Лан-12Лт

Рис 3 Структурная схема наблюдателя линеаризованного объекта Установлено, что хотя "потенциальные" компенсаторы обеспечивают большую степень подавления размагничивающего тока, их применение с малоинерционными двигателя связано с неизбежными ошибками вычисления производных высокоскоростных процессов В то же время применение токовых компенсаторов всегда связано с наличием свободной составляющей, скорость затухания которой определяется электромагнитной постоянной времени БКД Устранение ошибок координатных преобразований достигается посредством наблюдающих устройств, обеспечивающих вычисление токов в <к}-системе координат по измеряемым параметрам движения ротора Рассмотрены варианты построения редуцированных наблюдающих устройств (РНУ), основанные на разной степени детализации наблюдаемого объекта Один из вариантов такого устройства, построенного при пренебрежении моментом статического сопротивления, показан на рис 3 Однако применение сложных РНУ связано с ростом нагрузки на вычислитель По-

этому разработана наиболее простая схема РНУ, которая получается при его совместном рассмотрении с компенсатором, когда становится справедливым чисто эвристические предположение о нулевом значении размагничивающего тока Показано, что при определенной настройке такое устройство практически полностью соответствует "потенциальному" компенсатору индуктивности статорных обмоток

Необходимые качественные показатели работы ГЭП в динамических режимах достигаются при использовании ПД- регуляторов, применение которых увеличивает погрешность стабилизации параметров движения при наличии внешних помех и вариациях параметров объекта управления. Для преодоления этих недостатков предлагается использование нечетких регуляторов с относительно простьми функциями принадлежности, показанными на рис 4

Рис 4 Форма функций принадлежности нечеткого регулятора и структура нечеткого регулятора

Принято считать, что применение нечетких регуляторов в прецизионных системах достаточно проблематично, что связано с характером изменения их коэффициента передачи от соотношения входных сигналов Однако при близких к нулю входных сигналах в квазиустановившихся режимах характеристика такого регулятора не зависит от режима работы системы управления. На рис 4 показана структура нечеткого регулятора скоростного контура системы позиционирования, в котором выполнение данного условия обеспечивается параллельным включением относительно НР интегрального канала

Характеристики НР определяются видом функций принадлежности, а при выбранной форме допустимым пределами изменения входных сигналов, а также, алгоритмом дефаззификации Рассмотрены алгоритмы дефаззифика-ции по методу "центра тяжести", эквивалентной площади и с применением синглетон-функции При этом установлено, что дефаззификация по методу "центра тяжести" (cog-) связана с наибольшим объемом вычислений, и ее выполнение на 8-ми разрядных МК достаточно затруднительно Поэтому разработаны относительно простые алгоритмы для дефаззификации по методу эквивалентной площади (coa-) и с применением синглетон-функции (sf) Установлено, что применение НР ведет к искажению формы входного сигнала и появлению в ней высокочастотных составляющих при одновременном снижении первой гармоники

Установлено, что нечеткий регулятор является существенно нелинейным звеном, свойства которого зависят от амплитуды входных сигналов и их

соотношения. Вполне очевидно, что исследование СЛУ с нечетким» регуляторами средствами аппарата анализа линейных систем практически невозможно. Однако с учетом инерционности БКД вполне допустимо Применение метода линеаризации Гольдфарба при представлении сигналов в как в непрерывной, так и дискретной форме. На рис.5 представлена расчётная модель гибридного электропривода с нечетким регулятором.

Рис.5. Расчетная модель гибридного ЭП с; нечетким регулятором Проведенный аиализ частотных свойств нечетких регуляторов выявил такую их существенную особенность, как существенное подавление высокочастотного сигнала при больших амплитудах внешнего воздействия. При этом фазовый сдвиг в высокочастотной области не зависит от амплитуды входного сигнала, что свидетельствует о повышении запаса устойчивости системы позиционирования.

Рис. 6. Область частотных характеристик НР с и дефаззификацией. и соа-дефаззификакией (б).

Сравнение областей частотных характеристик НР с 5 (-де фазз и ф и к а-цией и соа-дефаззификацией (рис. 6) свидетельствует о существенном отличии их свойств. Проведенные исследования электропривода с НР показали существенное расширение зоны его устойчивой работы при снижении чувст-айТельности качественные показателей к вир нациям параметров- приводных двигателей. Выявлены области предпочтительного использования НР с разными алгоритмами дефаззификации. Показано, что э Г-дефаззи фи каторы рациональнее использовать в системах, работающих при переменных внешних воздействиях, так как они характеризуются большим быстродействием при изменении задающих сигналов. В тоже время в системах стабилизации, к ко-

торым можно отнести устройства управления дозаторами ГПА, более предпочтительно применение соа-дефаззификаторов, обеспечивающих меньшую чувствительность системы к воздействию возмущающих факторов

Анализ возможностей реализации позиционирования в ГЭП показал, что относительно момента нагрузки БКД такая система является статической, то есть имеет ошибку позиционирования, определяемую внешним возмущением Дополнительная угловая ошибка возникает и при движении с постоянной скоростью, что порождает определенные риски при использовании предлагаемой системы в устройствах контурного управления Погрешность позиционирования может быть снижена за счет применения ПИД-регулятора При этом передаточная функция системы по ошибке Н2(\у) определяется выражением вида

Н2(*) =-р-—--^- , (4)

W2 +

XV

где •ш =

1-х 1 + г

■ переменная билинейного преобразования

Характер функции Нг^) указывает на отсутствие установившейся погрешности позиционирования

Несмотря на хорошие качественные показатели, программный способ позиционирования не лишен ряда недостатков, к которым относятся возможность появления ошибок позиционирования из-за срывов синхронизации ГЭП, неконтролируемые самим приводом процессы разгона и торможения, что требует формирования тахограмм этих процессов внешними средствами управления высокого уровня, достаточно высокое влияние помех в канале измерения положения вала двигателя

Существенно снизить эти требования позволяет использование задат-чика интенсивности (ЗИ), включенного на выходе задающего устройства Фазовые траектории процесса позиционирования, представленные на рис. 8 (линия ПУ), демонстрируют эффективное снижение скорости при подходе к точке позиционирования Однако в этом случае необходимо вычисление с большой точностью пути торможения Для расширения функциональных возможностей привода предлагается использование дополнительного контура управления, замкнутого непосредственно по положению вала двигателя. При использованной идеологии построения ГЭП такая модернизация не требует дополнительных аппаратных затрат, а реализуется только совершенствованием программных средств системы управления

ИЭ

Х2

<8Ъ

Кр ъ X

/ -* 2-1

эп —» \У0(р)

ИКр '»<г-1)!

ИЭ

Хс

1/р

Рис 7 Схема с элементами дискретизации Функциональная схема такого способа управления системой позицио-

нирования представлена на рис 7 Анализ такой системы показывает, что относительно задающего сигнала электропривод имеет второй порядок аста-тизма даже при использовании ПД-регулятора положения Применение ПИД-регулятора в системе, придает ей третий порядок астатизма, что компенсирует возмущения, обусловленные вынужденными ускорениями вала

Анализ систем с линейным регулятором (ЛР) позиционирования свидетельствует о ее относительно невысоком быстродействии Показано, что эффективным средством уменьшения времени позиционирования является использование в контуре управления нечеткого регулятора (НР) Фазовая диаграмма позиционирования электропривода с нечетким регулятором положения, показанная на рис 8, свидетельствует о двукратном увеличении ускорения вала при его приближении к точке позиционирования, что существенно повышает быстродействие системы позиционирования

V

05 0,4 03 02 0,1 0

Рис 8 Фазовые диаграммы при разных способах позиционирования

В общем, стоит отметить, что использование нечетких регуляторов для управления скоростью и положением вала может существенно повысить технико-экономические показатели электропривода В то же время такая структура системы позволяет трактовать ее как некоторую нейро-фаззи-сеть, что создает предпосылки для создания автоматически обучаемых систем, в которых обучение проводится через внешний, по отношению к контроллера электропривода, компьютер.

В третьей главе рассмотрены вопросы аппаратной и программной реализации гибридных систем позиционирования Применение микроконтроллеров семейства "Motor Control" в системах с СКВТ наталкивается на ряд сложностей, связанных с ориентированностью этого класса МК на использование в системах векторного управления с оптическими датчиками положения

Высокая универсальность системы позиционирования достигается при их реализации на базе конфигурируемых систем на кристалле (КСНК), предоставляющих широкие возможности по максимальной эффективности сочетания программных и аппаратных средств в составе регулятора Поэтому предлагается использования в качестве базового элемента системы позиционирования КСНК фирмы "Tnscend С" В состав КСНК входит 8-ми разрядное

ОБР

илат

ЯР!

гч Дискретные входы/выходы

со о Импульсная синхронизация

О $

2-канала Р\УМ

о о со С) ООБ РРЭ

Программное управление

Аналоговое управление

Логическое управление

Частотное управление

процессорное ядро ТигЬо-52, что могло бы привести к ограничению возможностей электропривода Однако в противовес известным системам, КСНК функционирует во взаимодействии с импульсными блоками, когда процессорное ядро, хоть и играет управляющую роль, но в большей мере, является лишь средством, обеспечивающим необходимые интерфейсы связи Именно поэтому того запаса по производительности, который есть на сегодня, вполне достаточно, чтобы соответствовать потребностям ГЭП

Функциональная схема системы позиционирования БКД (М) и датчиком положения (BZ) (рис 9) использует для организации взаимодействия с

объектом управления интерфейс квадратурного генератора (БОБ), фазового дискриминатора (РРО) с цифровым фильтром и широтно-импульс-ный модулятор (РЭДМ), реализующий векторную ШИМ с компенсаций зоны нечувствительности силового модуля (РМ)

„ п „ т„„т, Последовательный ка-

Рис 9 Система позиционирования на КСНК _

нал обеспечивает

встраиваемость ГЭП в локальные сети управления технологическими агрегатами Установлено, что минимизация погрешности измерения положения достигается применением квадратурного генератора, построенного на базе прямого цифрового синтеза (БОБ) питающих напряжений СКВТ, что позволяет минимизировать аддитивные составляющие в иу выходном сигнале даже при относительно невысокой дискретизации возбуждающих сигналов, и нелинейного цифрового фильтра, повышающего устойчивость измерительного канала Показано, что для расширения области допустимых скоростей позиционирования целесообразно применение векторной ШИМ, обеспечивающей увеличение амплитуды напряжения, подаваемого на двигатель

Проведен анализ методов реализации нечетких регуляторов на базе 8-ми разрядного процессорного ядра КСНК. Рассмотрены вопросы обеспечения точности дефаззификации при сохранении малых времен дискретизации процесса управления Показана и проверена на опытных образцах возможность выполнения дефаззификации для используемого процессорного ядра без потери точности вычислений Установлено, что основные временные затраты приходятся на операции многоразрядного деления Для снижения этих затрат разработаны адаптивные алгоритмы, автоматически изменяющие разрядность выполняемых операций в зависимости от величины аргументов Эффективным средством сокращения времени вычислений является использование эузВЗР-блока, организованного средствами СБЬ-матрицы КСНК

5

(рис 10) При использовании контроллера прямого доступа к памяти зуэОБР-блок выполняет необходимые операции только за время, необходимое на обмен данными между ним и процессорным ядром

Конфигурация системы такова, что она позволяет изменять структуру и параметры блока управления непосредственно через локальную сеть, что обеспечивает программную поддержку всего жизненного цикла изделия и хорошо вписывается в современные тенденции внедрения САЬБ-технологий

В четвертой главе представлены результаты экспериментального тестирования позиционного ГЭП и рассмотрены вопросы комплексного обеспечения жизненного цикла системы на базе САЬБ-технологий

Разработаны методики оценки точностных показателей ГЭП, анализа спектров ошибки и частотных свойств системы Установлено, что применение НР существенно повышает быстродействие электропривода и улучшает траекторию подхода к точке позиционирования, практически полностью устраняя перерегулирование (рис 11) Последнее особенно важно для приводов дозирующих устройств ГПА, так как уменьшает турбулентность газового потока в переходных режимах Установлено, что по большинству технико-экономических показателей разработанный электропривод существенно превосходит аналогичные по назначению изделия

450,0 300 0 150,0 0,0

1 21 41 61 81 101 121

Рис 11 График изменения скорости при позиционировании

Важным элементом, обеспечивающим конкурентоспособность и эффективное использование новой техники, является ее "открытость" и возможность посредством современных информационных технологий дистанционного изменения состава аппаратных средств, их конфигурации, пара-

Рис 10 Аппаратный sysDSP-блок

метров и структуры регулятора по локальной сети управления ГПА, не прибегая к использованию специализированных средств отладки Это достигается переназначением банков памяти, предоставляемых КСНК, и применением специального загрузчика, автономного по отношению к программным средствам контроллера электропривода Представлен комплекс программных средств конфигурирования и тестирования СБЬ КСНК, для разработки программного обеспечения контроллера, его адаптации к условиям эксплуатации, диагностирования состояния ГЭП и его модернизации, в том числе, и с использованием средств удаленного доступа, что особенно важно для приводов дозирующих устройств ГПА, размещенных в удаленных и труднодоступных регионах

Рис 12 Структура дистанционной настройки электропривода

На рис 12 представлена перспективная структура системы дистанционной настройки системы позиционирования на базе КСНК, включающий в себя элементы локальной сети управления ГПА (МУК и МЭТ) и систему настройки электропривода, которая взаимодействует непосредственно с системой программирования и конфигурации КСНК и визуальной системой моделирования, предназначенной для оптимизации характеристик привода по объектно-ориентированной модели

В заключении подведены итоги работы По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы

1 Установлено, что высокие точностные характеристики систем позиционирования дозирующих устройств ГПА обеспечиваются при использовании мехатронных узлов, интегрирующих приводной механизм, БКД и систему управления, построенную на принципах фазовой синхронизации с микроконтроллером, непосредственно включенным в контур управления

2 Разработанная модель БКД в малых отклонениях позволяет с достаточной точностью оценивать свойства системы, как в непрерывной, так и в дискретной области

3 Установлено, что инвариантность регулировочных характеристик бесколлекторного двигателя достигается посредством потенциальных или токовых компенсирующих устройств, обеспечивающих минимизацию тока

подмагничивания Показано, что потенциальная компенсация не снижает запасы устойчивости системы

4 Показано, что реализация токовой компенсации возможна без применения дополнительных измерительных преобразователей посредством наблюдающих устройств, оценивающих скорость и сигналы управления БКД Установлено, что применение токовой компенсации может существенно влиять на динамические свойства системы управления

5 Показано, что эффективность эксплуатации и робастность свойств систем позиционирования может быть достигнута при "интеллектуализации" используемых регуляторов на базе нечеткой логики

6 Установлено, что использование нечеткого управления увеличивает область устойчивой работы системы позиционирования Проведенный анализ частотных свойств нечетких регуляторов с разными алгоритмами дефаз-зификации выявил предпочтительные их области применения

7. Установлено, что оптимальная конфигурация контроллера системы позиционирования обеспечивается при использовании конфигурируемых систем на кристалле

8 Установлено, что конкурентоспособность и эффективность эксплуатации систем позиционирования дозирующих устройств ГПА достигается посредством комплекса программных средств, обеспечивающего поддержку жизненного цикла, построенного с использование современных технологий и средств удаленного доступа

9. Показано, что разработанные принципы построения систем позиционирования позволяют создавать устройства управления дозаторами ГПА, существенно превышающие по своим технико-экономическим и эксплуатационным показателям существующие системы При этом получено увеличение точности позиционирования в 2 раза, быстродействия на 20% и полосы пропускания на 25%. Установлено, что предлагаемые мехатронные узлы обеспечивают снижение потребляемой мощности на 70% в квазиустановив-шихся и на 20% в динамических режимах электропривода

В приложениях приведены дополнительные материалы, акты внедрения и испытания результатов работы

Основные публикации по теме диссертации

1 Николаев И Б Координация движения агрегатов многодвигательных поточных линий / Фалеев М В , Николаев И Б , Кашин А В //Изв ВУЗов Технология текстильной промышленности, №3, 2007 - с 38-43

2 Николаев И Б Электропривод/Фалеев М В , Николаев И Б, Самок С Г //Патент РФ №2302073, опубл БИ №18,2007

3 Николаев И Б Синхронно-синфазный электропривод/Фадеев М В, Николаев И Б., Самок С Г, Кашин А В // Пол решение о выдаче патента РФ по заявке № 2006111901/09 12952

4 Николаев И Б Пакет программ автоматизации исследования режимов работы гибридного электропривода "ОеБЩпОС у! 0"/ Фалеев М В, Николаев И Б , Самок С Г //ФГУП "Всероссийский научно-технический информационный центр"№50200501625, 01 12 2005

5 Николаев И Б Разработка систем позиционирования на базе астатических дискретных электроприводов/ Фалеев М В., Николаев И Б //Радиотехника, электротехника и энергетика//Двеыадцатая междунар н-т конф студентов и аспирантов М МЭИ, 2006, Т.2 - с 133-135

6 Николаев И Б Электроприводы дозаторов для газотурбинных агрегатов/ Фалеев М В, Николаев И Б //Современные промышленные технологии/Материалы Всероссийской н-т конференции V ВНТК - Нижн Новгород ННИМЦ "Диалог", 2006 - с 2-6

7 Николаев И Б Синхронно-синфазные электроприводы для прецизионной ориентации положения управляемых объектов/ Фалеев М В , Николаев И Б , Самок С Г //Труды VII Всероссийской научно-технической конференции "Наука Промышленность Оборона" (Новосибирск, 19-21 апреля 2006 г) -Новосибирск НГТУ, 2006 с 43-47

8 Николаев И Б Концепция реализации САЬБ-технологий при проектировании электроприводов для систем программного управления/ Фалеев М В , Николаев И Б, Самок С Г //Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии/Сб трудов МНТК, посвященной 50-летию ЛГТУ Часть 2 - Липецк ЛГТУ, 2006 -с 181-185

9 Николаев И Б Принципы построения систем позиционирования на базе импульсно-фазовых электроприводов/Современные промышленные технологии/ Фалеев М В Николаев И Б Самок С Г //Материалы Всероссийской н-т конференции VI ВНТК -Нижн Новгород ННИМЦ "Диалог", 2006 - с 2-6

10 Николаев И Б Программный комплекс имитационного моделирования импульсно-фазовых электроприводов переменного тока/ Фалеев М В. Николаев И Б //Компьютерное моделирование 2006 Труды международной научно-технической конференции - СПб Изд-во Политехи ун-та, 2006 - с 53-57

11 Николаев И Б Импульсно-фазовые электроприводы с цифровым управлением/Николаев И Б , Фалеев М В , Фалеева Н В //Техника и технология, №4(16), 2006 -с 58-64

12 Николаев И Б Синхронно-синфазные электроприводы переменного тока с цифровым импульсным управлением/ Современные техника и технологии СТТ2006/Николаев И Б, Фалеев МВ , Самок С Г //12-ая международная научно-практическая конференции студентов и молодых ученых Том 1 -Томск ТПУ, 2006 - с 276-278

13 Николаев И Б Многоцелевые импульсно-фазовые электроприводы с цифровым управлением/Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях/Фалеев М.В, Николаев И Б, Кашин А В //Труды III Всероссийской научно-практической конференции "АЭПЭ-2006" - Новокузнецк Изд-во СибГИУ, 2006 - с 32-37

14 Николаев И Б Пакет программ для конфигурирования цифровых электроприводов переменного тока с импульсным управлением (РЬавЬтЮа уЗ 2)/Фалеев М В , Самок С Г., Николаев И Б //Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006613224 зарегистрированный в Реестре программ для ЭВМ 13 09 2006

15 Николаев И Б Управление дозаторами газоперекачивающих агрегатов/Фалеев М.В , Кашин А В , Николаев И Б //Вестник ИГЭУ, 2006, вып 3 -Иваново Изд-во ИГЭУ, 2006 - с 30-31

16. Николаев И Б Электромеханотронные электроприводы для стабилизации скорости и позиционирования/Фалеев М В , Николаев И Б //Материалы 1-ой Российской мультиконференции по проблемам управления Механотроии-ка, автоматизация, управление - СПб, 2006-с 149-152

17 Николаев И Б Программный модуль исследования цифровых систем фазовой синхронизации "ЫеБеагсЬРЬЬ у2 1 "/Фалеев МВ, Николаев И Б -Свидетельство об отраслевой регистрации в ОФАП ФАО №6919 от 26 09 06

18 Николаев И Б Объектно-ориентированное моделирование импульсно-фазовых приводов рулевых механизмов летательных аппаратов/ Фалеев М В , Николаев И Б // Материалы X международной н-т конференции "Решетни-ковские чтения" - Красноярск 2006 - с 274-275

19 Николаев И Б Использование импульсно-цифровых принципов построения систем управления/ Фалеев М В, Николаев И Б //Материалы VII Международной н-т. Конференции "Новые информационные технологии и системы" - Пенза, ПГУ, 2006 с 149-153

20 Николаев И Б Мехатронные импульсно-цифровые электроприводы робототехнических комплексов/Фалеев М В , Николаев И Б , Самок С Г //Труды Х-международной н-п конференции "Современные технологии в машиностроении" (МКК-136-16) - Пенза- 2006 - с 142-144

21 Николаев И Б Повышение эффективности эксплуатации гибридных электроприводов на базе САЬЗ-технологий/ Николаев И Б , Поклад П М, Фалеев М В //Тезисы докладов XII международной н-т конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" - М Издательский дом МЭИ, 2007 - т 2, с 134-136

22 Николаев И Б Синхронно-синфазные электроприводы многофункциональных робототехнических комплексов/ Фалеев М В, Николаев И Б // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования Том 2 - М Академия наук о Земле, 2006 - с 84-86

23 Николаев И Б Гибридные позиционно-силовые системы управления манипуляторами/ Фалеев М В , Николаев И Б , Самок С Г //Сборник статей V международной н-т конференции "Материалы и технологии XXI века - Пенза 2007-с 163-165

24 Николаев И Б Модернизированный электропривод регулирования подачи топлива/ Николаев И Б //Состояние и перспективы развития электротех-нологии//Перспективы и состояние развития электротехнологии т 2 - Иваново, ГОУ ВПО ИГЭУ, 2007 - 167 с

25 Николаев И.Б Визуальный комплекс моделирования гибридных электроприводов/ Фалеев МВ, Николаев ИБ, Самок С Г //"Компьютерное моделирование 2007"/ Труды международной научно-технической конференции-СПб Изд-во Политехи Ун-та, 2007 с 68-71.

НИКОЛАЕВ ИЛЬЯ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С ЦИФРОВОЙ ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ ДЛЯ ДОЗАТОРОВ ТОПЛИВА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001 г Подписано в печать 11 09 2007 Формат 60x84 1/16 Печать плоская Уел печ л 1,16 Тираж 100 экз Заказ № 146 ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им В И Ленина» 153003, Иваново, ул Рабфаковская, 34 Отпечатано в РИО ИГЭУ

Введение.

Глава 1. Анализ систем позиционирования.

1.1. Системы управления силовыми агрегатами.

1.2. Обзор мехатронных систем позиционирования.

1.3. Анализ методов интеллектуализации управления.

1.4. Гибридный электропривод как система позиционирования.

1.4.1. Структура системы управления с микроконтроллером.

1.4.2. Анализ вариантов пострдегшя систем позиционирования.

Выводы.

Глава 2. Исследование динамики систем позиционирования.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Расчетная схема БКД.

2.3. Инвариантное управление БКД.

2.3.1. Общие положения.

2.3.2. Оценка чувствительности компенсаторов.

2.3.3. Импульсные частотные характеристики БКД.

2.3.4. Оценка предельных возможностей компенсаторов.

2.4. Восстановление переменных состояния БКД.

2.4.1. Базовый вариант наблюдателя.

2.4.2. Наблюдатель с восстановлением момента.

2.4.3. Наблюдатель при компенсации тока ¡а.

2.5. Исследование системы с нечеткими регуляторами.

2.5.1. Статические характеристики нечетких регуляторов.

2.5.2. Исследование частотных свойств нечетких регуляторов.

2.5.2.1. Методика определения частотных свойств НР.

2.5.2.2. Нечеткий регулятор с соа-дефаззификатором.

2.5.2.3. Нечеткий регулятор, с зР-дефаззификатором.

2.6. Анализ динамических свойств электропривода с НР.

2.7 Исследование режимов позиционирования гибридного ЭП.

Выводы.

Глава 3. Разработка программно-аппаратных средств систем позиционирования.

3.1. Общая постановка задачи.

3.2. Аппаратные средства мехатронных систем позиционирования.

3.2.1. Узел формирования сигнала обратной связи.

3.2.2. Векторная широтно-импульсная модуляция.

3.2.3. Аппаратный зузББР-блок КСНК.

3.3. Разработка программных средств контроллера.

3.3.1. Задатчики интенсивности.

3.3.2. Нечеткие регуляторы.!.

3.3.3. Следящие регуляторы позиционирования.

Выводы.

Глава 4. Разработка средств для исследования и эксплуатации ГЭП.

4.1. Круг задач обеспечения жизненного цикла системы позиционирования.

4.2. Экспериментальное исследование систем позиционирования.

4.2.1. Методика измерения параметров движения.

4.2.2. Исследование квазиустановившихся режимов ГЭП.

4.2.3. Исследование динамических режимов ГЭП.

4.3. Программный комплекс поддержки жизненного цикла изделия.

Выводы.

Актуальность темы. Достаточно большие запасы, развитые промышленные структуры добычи, переработки и транспортировки природного газа, делают его основным элементом производственно-социальной сферы общества. В то же время в связи с непрерывным ростом стоимости энергоресурсов, увеличением стоимости их транспортировки важнейшей задачей при проектировании новых, реконструкции и эксплуатации действующих газопроводов является снижение и экономия энергозатрат. Это достигается внедрением газоперекачивающих агрегатов (ГПА) нового поколения и повышением эффективности эксплуатации действующих ГПА. В то же время решение этой задачи актуально для всех установок, в которых используются конверсионные газотурбинные двигатели, а именно, газоперекачивающие станции, модульно-блочные и стационарные электростанции, приводы гребных винтов и т. д. [37].

Транспортировка природного газа невозможна без эффективной работы газоперекачивающих агрегатов. Только в условиях Западной Сибири насчитывается более одной тысячи единиц ГПА различного типа, мощности и конструкции. Основными направлениями развития и оптимизации работы агрегатного парка является повышение надежности; экономичности; ремонтопригодности; а также увеличение ресурса. Принципиальные возможности совершенствования эксплуатации и ремонта агрегатов основаны на решении теоретических и практических задач анализа надежности и безотккзности сложных технических систем. Современная техника требует создание универсальных методов достоверной оценки работоспособности оборудования, как в текущий момент, так и в прошлых и будущих промежутках времени. Поэтому разработка эффективных методов контроля технологических параметров ГПА связанных с выявлением неисправностей на ранней стадии их возникновения и определение остаточного ресурса является приоритетным направлением в газовой промышленности.

Основным направлением решения этой задачи является разработка эффективных систем управления газоперекачивающих агрегатов, одним из важнейших элементов которых является регуляторы режимов работы газотурбинных установок. Задачи управления и регулирования режимов работы газотурбинных установок имеют целый ряд специфических особенностей, которые ограничивают применение стандартных программ ПИД-регуляторов и требуют разработки специализированных решений. К этим особенностям относятся:

•необходимость управления одним исполнительным органом - регулирующим клапаном, при одновременном изменении нескольких регулируемых параметров,

•сильная зависимость параметров газотурбинного двигателя от режима его работы, 1

•необходимость обеспечения компромисса между быстродействием системы при компенсации возмущений и стабильностью регулирования в установившемся режиме.

Большинство электроприводов для управления дозаторами подачи жидкого и газообразного топлива выполняются на базе шаговых двигателей (ШД), обеспечивающих позиционирование и силовое удержание дозирующего элемента в положении, определяемом режимом работы ГПА. Несмотря на кажущую очевидность и простоту такого технического решения, оно имеет ряд существенных недостатков, а именно: »

•относительно невысокое быстродействие, определяемое ограниченной приемистостью используемого ШД;

•малая точность позиционирования, затрудняющая реализацию оптимальных режимов работы ГПА;

• невысокая стабильность, обусловливаемая использованием регуляторов непрерывного типа;

•высокое энергопотребление в режиме силового удержания, определяемое низкой частотой коммутации ШИМ и большими токами в обмотках ШД,

•низкая помехозащищенность канала передачи управляющего сигнала от системы управления газотурбинной установкой,

•недостаточный объем телеметрической информации об условиях работы механизма дозатора, передаваемой в систему управления ГПА.

Большинство из вышеперечисленных недостатков обусловлено применением в качестве исполнительного элемента шагового двигателя и аналогового регулятора положения дозатора, что делает необходимым применение преобразователей формы представления информации, снижающих точностные показатели работы системы и стабильность ее характеристик.

Целью работы является создание систем позиционирования с высокими динамическими и точностными показателями работы, обеспечивающих надежную работу при эксплуатации в тяжелых климатических условиях, а также, использование новых подходов к разработке систем управления дозаторами газоперекачивающих агрегатов. Одно из перспективных направлений решения этой проблемы заключается в управлении дозаторами ГПА посредством гибридных электроприводов с бесколлекторными двигателями (БКД), базирующихся на принципах цифровой фазовой синхронизации с включением микроконтроллера непосредственно в контур управления для позиционирования дозирующего элемента и расширения функциональных возможностей электропривода.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в: принципах построения прецизионных систем позиционирования на базе гибридных электроприводов, органично сочетающих низкую погрешность преобразования данных, свойственную импульсным системам с широкими возможностями реализации разнообразных законов регулирования, обеспечиваемую цифровыми методами управления; алгоритмах инвариантного управления БКД, реализуемых только по информации с датчика положения без измерения переменных состояния самого двигателя; 1 методах и средствах управления гибридными электроприводами с использованием регуляторов на базе нечеткой логики и создании методики их исследования в непрерывной и дискретной областях; методике организации программного обеспечения, обеспечивающие возможность дистанционной диагностики и модернизации электропривода, выполняемую средствами удаленного доступа.

Основные положения, представляемые к защите

1. Положение о необходимости использования принципов цифровой фазовой синхронизации для построения высокоточных систем позиционирования ре) гулирующих подачу топлива силовых агрегатов энергетических установок.

2. Методы оптимизации регулировочных характеристик бесколлекторных двигателей, основанные на применении потенциальных и токовых компенсаторов индуктивности статорных обмоток использующих только информацию о параметрах движения объекта.

3. Положение о необходимости использования регуляторов с нечеткой логикой работы в гибридных электроприводах для повышения робастных свойств системы управления, а также создании систем позиционирования, базирующихся на программных алгоритмах или двухконтурных системах с линейным, нечетким и скользящим управлением.

4. Результаты теоретического и экспериментального исследования опытных образцов систем позиционирования на базе гибридных электроприводов.

Практическая значимость заключается в: разработке аппаратных и программных средств реализации систем позиционирования с синхронными двигателями с постоянными магнитами, предназначенных для управления подачей жидкого и газообразного топлива ГПА; разработке программно-аппаратных средств бессенсорного инвариантного управления бесколлекторными двигателями; создании быстрых целочисленных алгоритмов нечеткого управления, адаптированных для 8-и разрядных микроконтроллеров; реализации программного комплекса для проектирования, наладки, эксплуатации и модернизации систем позиционирования, а также обеспечивающего оперативную диагностику состояния электропривода и технологического агрегата с возможностью использования средств удаленного доступа.

Разработанные принципы управления положением объекта могут успешно использоваться в системах дистанционного регулирования подачи топлива разнообразных энергетических агрегатов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований, патентами Российской Федерации, внедрением результатов работы на ОАО "Точприбор" и ОАО ЭКЗ "Импульс" гор. Иваново, ООО "Метротекс" гор. Зеленоград. Перспективность разработанных систем позиционирования подтверждается результатами тестирования опытных образцов на газокомпрессорных станциях Приозерного и Ягельного ЛУПМГ предприятия ОАО "ТюменьТрансГаз".

Выводы

По представленным материалам можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика и программные средства исследования точностных показателей систем позиционирования, позволяющая оценить не только качественные характеристики электропривода, но и провести диагностику всего оборудования, эксплуатируемого совместно с ГЭП.

2. Предложенный способ и техническая реализация гибридного электропривода позволяет обеспечить диапазон регулирования частоты вращения БКД в диапазоне до 16000:1. При этом минимальная частота вращения вала составляет 0.125 об/мин.

3. Электропривод обеспечивает регулирование частоты вращения с точностными показателями (погрешностью стабилизации скорости и положения, коэф1 фициентом неравномерности) соответствующим ГОСТ 27803 "Электроприводы регулируемые для станкостроения и робототехники".

4. Разработанные средства формирования переходных процессов в электроприводе обеспечивают апериодический характер изменения скорости во всем диапазоне её регулирования.

5. Показано, что разработанные принципы построения систем позиционирования позволяют создавать устройства управления дозаторами ГПА, существенно превышающие по своим технико-экономическим и эксплуатационным показателям существующие системы. При этом получено увеличение точности позицио нирования в 2 раза, быстродействие на 20% и полосы пропускание на 25%. Установлено, что предлагаемые мехатронные узлы обеспечивают снижение потребляемой мощности на 70% в квазиустановившихся режимах электропривода и на 20% в динамических режимах его работы.

6. Установлено, что эффективная поддержка жизненного цикла систем позиционирования дозирующих устройств ГПА достигается посредством комплекса программных средств, обеспечивающих проектирование, конфигурирование, ввод в эксплуатацию и модернизацию рассматриваемого класса систем с использование современных технологий и средств удаленного доступа.

Заключение

Повышение эффективности современного высокотехнологичного производства неразрывно связано с широким использованием мехатронных устройств, как 1 основного средства формирования траекторий движения исполнительных элементов технологических агрегатов и робототехнических комплексов, используемых в приборостроении, станкостроении, системах вооружения. Решение этой задачи невозможно без разработки интеллектуальных систем управления в максимальной степени адаптированных к условиям их эксплуатации.

В работе рассмотрены вопросы создания интеллектуальных систем позиционирования, сочетание в которых импульсных и цифровых методов управления обеспечивает высокую точность стабилизации параметров движения и робастные свойства, столь необходимые технологическим агрегатам, эксплуатируемых с достаточно сложными и в слабой степени детерминированными установками, к которым относятся устройства управления подачей жидкого и газообразного топлива, используемыми в конверсионных газотурбинных двигателях на газоперекачивающем оборудовании.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Установлено, что высокие точностные характеристики систем позиционирования дозирующих устройств ГПА обеспечиваются использованием мехатронных узлов, интегрирующих приводной механизм, БКД и систему управления, построенную на принципах фазовой синхронизации с микроконтроллером, непосредственно включенным в контур управления.

2. Разработанная модель БКД в малых отклонениях позволяет с достаточной точностью оценивать динамические свойства системы, как в непрерывной, так и в дискретной области.

3. Установлено, что инвариантность регулировочных характеристик БКД достигается посредством потенциальных или токовых компенсаторов, обеспечивающих минимизацию тока подмагничивания. Показано, что потенциальная ком

1 145 пенсация не снижает запасы устойчивости системы.

4. Показано, что реализация1 токовой компенсации возможна без помощи дополнительных измерительных преобразователей. Для получения информации о токах статорных обмоток целесообразно использование наблюдающих устройств. Установлено, что применение токовой компенсации может существенно влиять на динамические свойства системы управления.

5. Показано, что эффективность эксплуатации и робастность свойств систем позиционирования может быть достигнута при "интеллектуализации" используемых регуляторов на базе нечеткой логики. Установлено, что использование нечеткого управления увеличивает область устойчивой работы системы позиционирования. Проведенный анализ частотных свойств нечетких регуляторов с разными алгоритмами дефаззификации выявил предпочтительные их области применения.

6. Показано, что оптимальная конфигурация контроллера системы позиционирования достигается при использовании конфигурируемых систем на кристалле.

7. Показано, что разработанные принципы построения систем позиционирования позволяют создавать устройства управления дозаторами ГПА, существенно превышающие по своим технико-экономическим и эксплуатационным показателям существующие системы. При'этом получено увеличение точности позиционирований в 2 раза, быстродействие на 20% и полосы пропускание на 25%. Установлено, что предлагаемые мехатронные узлы обеспечивают снижение потребляемой мощности на 70% в квазиустановившихся режимах электропривода и на 20% в динамических режимах его работы.

8. Установлено, что эффективная поддержка жизненного цикла систем позиционирования дозирующих устройств ГПА достигается посредством комплекса программных средств, обеспечивающих проектирование, конфигурирование, ввод в эксплуатацию и модернизацию рассматриваемого класса систем с использование современных технологий и средств удаленного доступа.

1. A.c.l 107241 (СССР) Электропривод/ P.M. Трахтенберг, МБ. Фалеев, Опубл. В БИ №29,1984.

2. Аидрущук В.В. Цифровые системы измерения параметров движения механизмов в машиностроении/ Андрущук В.В. СПб.: Политехника, 1992.-237с

3. Архангельский А. Я. Программирование в Delphi-4/ Архангельский А. Я. М.: ЗАО "Изд-во БИНОМ", 1999. - 768 с.

4. Архангельский В.И Системы фуцци-управления/ Архангельский В.И., Богатенко.И.Н., Грабовский Г.Г. -Киев: Техника, 1997. -208 с.

5. Беленький Ю.М. Опыт разработки и применения бесконтактных момент-ных приводов/ Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. JL: ЛДНТП,1987.-24с.

6. Беленький Ю.М. Выбор и программирование параметров бесконтактного моментного привода/ Беленький Ю.М., Микеров А.Г.-Л.:ЛДНТП, 1990.- 24с.

7. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления/ Бесекер-ский В.А., Попов В.М. М.: Энергия, 2006 г. - 670 с.

8. Бубнов A.B. Способ коррекции электроприводов с фазовой синхронизацией/ Бубнов A.B. //Изв. ВУЗов. Электромеханика, №4, 2005 с.56-60

9. Бычков М.Б. Современные электронные компоненты электропривода/ Бычков М.Б., Ремизевич Т.А. Электронные компоненты, №6,2002 - С.84-90.

10. Гаврилов С.В Компьютерная технология построения управления механо-тронными объектами/ Гаврилов C.B., Кьен Ч.С., Фыонг Д.К., Чьен Н.Л//Естественные и технические науки, №1, 2006. с. 207-212.

11. Гайдай Г.И. Способы улучшения статических и динамических характеристик бесконтактного моментного привода.// Автоматизированный электропривод/ Гайдай Г.И., Микеров А.Г., Яковлев A.B. -М.:Энергоатомиздат, 1990.-175-179с.

12. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0/ Герман-Галкин С.Г. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

13. ГОСТ 27803 "Электроприводы регулируемые для станкостроения и робототехники".

14. Дианов A.A. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом/ Дианов A.A. Электронные компоненты, №8, 2002 - С. 101106.

15. Доманов В.И. Следящие электроприводы с БДПТ и векторным управлением./ Доманов В.И., Нашатыркин Е.М.// Проблемы управления промышленнымиэлектромеханическими системами -JL: ВННИГ, 1989. с. 117-118.

16. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения/ Дьяконов В.П. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 800 с.

17. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO/ Дьяконов В.П. -М.: "CK Пресс", 1997.-336 с.

18. Заде JI.A. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений/ Заде JI.A. М.:Мир, 1976. 304 с.

19. Ивайкин В. Использование скользящих режимов в регулировании/ Ивай-кин В. //Современные технологии и автоматизация.- №1, 2006. с.90-96.

20. Израэлсон Дж. Прецизионное формирование формы синусоидального сигнала на DDS-структурах/Израэлсон Дж./ZChipNews. №6(109), 2006. - С. 4-9.

21. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления/ Козаченко В.Ф. — М.:Эком., 1997. 688 с.

22. Козаченко В.Ф. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instrumenst TMS32x24x для высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами/ Козаченко В.Ф., Грибачев С.А. // CHIP NEWS. — 1998. — № 1112. —С. 2-6.

23. Козаченко В.Ф. Новые D'SP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices ADMC300/330 для высокопроизводительных систем векторного управления электроприводами переменного тока/ Козаченко В.Ф., Соловьев A.A. // CHIP NEWS. — 1998. —№5. —С. 16-21.

24. Костин Г.Ю. Микроконтроллеры фирмы MOTOROLA/Костин Г.Ю. -М.: Высш. шк., 1998. 36 с.

25. Краснов Д.В. Проблема создания высокоточных электроприводов/ Краснов Д.В., Калачев Ю.Н., Онищенко Г.Б.//Всероссийский электротехнический конгресс ВЭЛК-2005. Материалы конгресса. М.: 2005, с.138-139

26. Кузовков Н.Т. Системы стабилизации летательных аппаратов/ Кузовков Н.Т. М.: Высш. школа, 1976. - 304 с.

27. Лебедев A.M. Следящие электроприводы станков с ЧПУ/ Лебедев A.M. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 223 с.

28. Лихоманов A.M. Синтез дискретных систем на основе частотного подхода к решению обратных задач динамики/ Лихоманов A.M., Панин С.Ю., Писанов Л.Ю., Толбанов B.C. // Изв. ВУЗов. Электромеханика, №4, 2005 с.

29. Лолита В.А. Экстремальная робототехника и мехатроника. Состояние иперспективы развития/ Лолита В.А., Юрьевич Е.И. // Материалы 1-й Российскоймультиконференции по проблемам управления. Мехатроника, автоматизация,1управление. СПб, 2006. с. 30-37.

30. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления/Под ред. Р.Д.Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 744 с.

31. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов/ Михайлов О.П. М.: Машиностроение, 1990. - 304 с.

32. Мисраханов М.Ш. Инвариантное управление многомерными системами. Алгебраический подход/ Мисраханов М.Ш. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 238 с.

33. Н. Обухов Высокопроизводительные встраиваемые системы управлениядвигателями на базе сигнального микроконтроллера TMS320F241./ Н. Обухов, В.

34. Горбунов, П. Чуев, А. Анучин. // Chip news. 2000. - Май. - С. 28-32.

35. Николаев И.Б. Импульсно-фазовые электроприводы с цифровым управлением/ Николаев И.Б., Фалеев М.В., Фалеева Н.В. //Техника и технология,4(16), 2006.-с. 58-64.

36. Однокристальные микроЗВМ/А.В. Боборыкин, Г.П. Липовецкий, Г.В. Литвинский и др. Минск: МИКАП, 1994. 400 с.

37. Оптимизация и повышение энергоэффективности электроприводных КС МГТШварц Г.Р., Голубовский A.B., Мигачева Л.А., Рассказов Ф.Н./Газовая промышленность, №121,2005.

38. Подураев Ю.В. Фундаментальные и прикладные проблемы развития ме-хатроники/ Подураев Ю.В. //Материалы 1-й Российской мультиконференции по проблемам управления. Мехатроника, автоматизация, управление. СПб, 2006. с. 40-47.

39. Полещук В.И. Многоконтурный скоростной и позиционный электропривод с .подчиненным инвариантным регулированием./ Полещук В.И. //Электричество.-1996.-№2.-С.42-47.

40. Попов Б.Н. Микропроцессорное управление двухфазным бесконтактным двигателем постоянного тока/ Попов Б.Н., Макаров М.А. // Электротехника. -1996.-№1.-С.2-6.

41. Потапенко Е.М. Робастное управление электроприводом с вентильным двигателем./ Потапенко Е.М., Корельский Д.В., Васильева Е.В. // Радюелек-трошка, шформатика, управлшня. 2000. - №1. - С. 1.

42. Программное управление, станками и промышленными роботами/В.Л. Косовский, А.Н. Ковшов и др. М.: Высш. Школа., 1989. - 272 с.

43. Руссов В.А. Спектральная вибродиагностика/ Руссов В.А. Пермь: "Вибро-Центр", 1996.- 173 с.

44. Сафронов Ю.М. Электроприводы промышленных роботов./ Сафронов Ю.М. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 176 с.

45. Сениченков Ю.Б. Численное моделирование гибридных систем./ Сени-ченков Ю.Б. СПб.:Изд-во СПбГТУ, 2004.-206 с.

46. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразовател^ми/О.В. Слежановский, Л.Х. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с.

47. Современные методы идентификации/Под ред. П.Эйкхоффа.-М.:Мир, 1983 .-406с.

48. Солдатов В.В. Применение регуляторов переменной структуры для управления объектами в переходных и установившихся режимах/ Солдатов В.В. Литвинов М.М. //Естественные и технические науки, №1, 2006. с. 201-206.

49. Сосонкин B.J1. Микропроцессорные системы числового управления станками/ Сосонкин B.J1. М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

50. Староверов Б. А. Высокоточный электропривод с частотно-модулирующим датчиком скоросФи/Староверов Б.А., Терехов В.Г.Юлектроме-ханика.-19'85.-№3-с.52-56.

51. Тарарыкин C.B. Системы координирующего управления взаимосвязными электроприводами/ Тарарыкин C.B., Тютиков В.В.//Иван. гос. энерг. ун-т. Иваново, 2000.-212 с.

52. Теличко А.Я. Исследование синусоидального и параболического законов позиционирования/ Терехов В.М. //Изв. ВУЗов. Электромеханика, №3, 2005 с.

53. Терехов В.М. Системы управления электроприводами/ Терехов В.М. -М.: Издательский центр "Академия", 2005. 304 с.

54. Трахтенберг P.M. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением/Трахтенберг P.M. M.: Энергоиздат, 1982.-168с.

55. Три поколения приводов переменного тока для зенитных корабельных комплексов ПВО/ Е.А.Дронов, Б.В.Новоселов, В.Г.Зезин и др.//Оборонная техни-ка.-2006,№8. с.32-44.

56. Тютиков В.В. Развитие теории модального управления для решения задач автоматизации технологических объектов/ Тютиков В.В.//Автореферат на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. Иваново, РИО ГОУ ВПО ИГЭУ, 2006. - 32 с.

57. Фалеев М.В. Микропроцессорные импульсно-фазовые электроприводы информационно-измерительных систем/ Фалеев М.В.//Автореферат на соиск. уч. ст. докт. тёхн. наук. Иваново: ИГЭУ, 1998. - 32 с.

58. Фалеев М.В. Управление Дозаторами газоперекачивающих агрегатов/ Фалеев М.В., Кашин A.B., Николаев И.Б. //Вестник ИГЭУ, 2006, вып. 3. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2006. - с. 30-31.

59. Фалеев М.В., Киселев A.A. Синхронно-синфазный электропривод для технологических агрегатов непрерывного действия/ Фалеев М.В., Киселев A.A. //Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 1996, №5, С.82.87.

60. Фалеев М.В. Использование импульсно-цифровых принципов построения систем управления/ Фалеев М.В., Николаев И.Б. //Материалы VII Международной н-т. Конференции "Новые информационные технологии и системы". Пенза, ПТУ, 2006. с.149-153.

61. Фалеев М.В. Объектно-ориентированное моделирование импульсно-фа-зовых приводов рулевых механизмов летательных аппаратов/ Фалеев М.В., Николаев И.Б. // Материалы X международной н-т конференции "Решетниковские чтения". Красноярск: 2006. - с.274-275.

62. Фалеев М.В. Программный модуль исследования цифровых систем фазовой синхронизации "ResearchPLL v2.1 "./Фалеев М.В., Николаев И;Б.// Свидетельство об отраслевой регистрации в ОФАП ФАО №6919 от 26.09.06.

63. Фалеев М.В. Электроприводы дозаторов для газотурбинных агрегатов/ Современные промышленные технологии/Фалеев М.В., Николаев И.Б. //Материалы Всероссийской н-т. конференции V ВНТК. Нижн. Новгород: ННИМЦ "Диалог", 2006. - с. 2-6.

64. Фалеев М.В. Пакет программ автоматизации исследования режимов работы импульсно-фазового электропривода "Вез1§пВС у1.0"/Фалеев М.В., Николаев И.Б., Самок С.Г.//ФГУП "Всероссийский научно-технический информационный центр" №50200501625, 01.12.2005.

65. Фалеев М.В. Синхронно-синфазные электроприводы для прецизионной ориентации положения управляемых объектов/ Фалеев М.В., Николаев И.Б., Самок С.Г.//Труды VII Всероссийской научно-технической конференции "Наука.

66. Промышленность. Оборона" (Новосибирск, 19-21 апреля 2006 г.) Новосибирск: НГТУ, 2006. с.403-407.

67. Федоров С.М. Автоматические системы с цифровыми управляющимимашинами/Федоров С.М., Литвинов А.П.- M.-JL: Энергия, 1965.-224с.

68. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями/С.Г.

69. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков, Р.И. Чичерин. Л.: Энергоатомиздат, 1986.-248 с.

70. Цыпкин ЯЗ. Теория линейных импульсных систем/ Цыпкин Я.З. М.: Физматгиз, 1963.-968с.

71. Челазнов A.A. Использование регулируемого электропривода в транспорте газа/ Челазнов A.A., Герасенков A.A., Даки Н.В., Вели кий С.Н. ПГазовая промышленность, 2005, №11, С-44-48.

72. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений./ Черных И.В. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 496 с.

73. Шварц Г.Р. Оптимизация и повышение энергоэффективности электроприводных КС МГ./ Шварц Г.Р., Голубовский A.B., Мигачева Л.А., Рассказов Ф.Н. //Газовая промышленность. 2005, №121, С.32-36.

74. Щелкунов H.H. Микропроцессорные средства и системы/ Щелкунов H.H., Дианов А.П. -М.: Радио и связь, 1989.-289 с.

75. A.M. Trzynadlowski. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate/ A.M. Trzynadlowski, R.L. Kirlin, S.F. Legowski //IEEE Transactions on Industrioal Electronics, vol. 44, no. 2, 1997. p. 173-181,.

76. D.H. Kim. Full Digital Controller of Permanent Magnet AC Servo Motor for Industrial Robot and CNC Machine Tool/ D.H. Kim, J.H. Kang, S. Kim // IECON-94 -1994-V.3 -P. 61-67.

77. T. Takeshita. Sensorless Brushless DC Motor Drive with EMF Constant Identifier/ T. Takeshita, N. Matsui // IECON-94.-1994.-V.1-P.8-13.

78. S. Bolognani. DSP-based Extended Kaiman Filter Estimation of Speed and Rotor Position of a PM Synchronous Motor/ S. Bolognani, R. Oboe, M. Zigliotto // IECON-94. 1994.-Vol.3, №3.-P.85-90.

79. Yoon-Ho Kim. High Performance IPMSM Drives without Rotational Position Sensors Using Reduced- Order EKF/ Yoon-Ho Kim,Yoon-Sang Kook // IEEE Trans, on Energy Conversion.-1999. Vol.14, №4. - P. 868 - 873.

80. L., .Salvatore. Adaptive Position Control of PMSM Drive. / L. Salvatore, S. Stasi // IECON-94. 1994. - V. 3. - P. 78-84.

81. K.W. Lim. A Position Observer for Permanent Magnet Synchronous Motor Drive./ K.W. Lim, K.S. Low, M.F. Rahnan // IECON-94. 1994. - V. 3. - P. 49-61.

82. A. Kaddouri. Adaptive Nonlinear Control for Speed Regulation of a Permanent Magnet Synchronous Motor./ A. Kaddouri, O.Achrif, H. Le-Huy // IECON-99. SP-4.

83. Jong Sun Ko A Study on Adaptive Load Torque Observer for Robust Precision Position Control of BLDC Motor/ Jong Sun Ko, Sung Koo Youn, Bimal K. Bose// IECON-99. PE-16.

84. J-J Chen. Reduced Order Control of Permanent Magnet Synchronous Motors./ J-J Chen, K-P Chin // IECON-99. SP-7.

85. J. Solsona. A Nonlinear Reduced Order Observer for Permanent Magnet Synchronous Motors./ J. Solsona, M. I. Valla, C. Muravchik // IECON-94. -1994 V. 1. - P. 32-37.

86. A. Glumineau. Robust Control of a Brushless Servo Motor via Sliding Mode Techniques./ A. Glumineau, M. Hami, C.Lanier, C. H. Moog // Int. J. Control. 1993. -Mol.58. - №5. - P. 979-990.

87. O.S. Bogosyan A Sliding Mode Position Controller for a Nonlinear Time-Varying Motion Control System./ O.S. Bogosyan, M. Gokasan, E.M. Jafarov // IECON-99. MT-4.

88. Y. S. Lu Design of a Global Sliding Mode Controller for a Motor Drive with Bounded Control./ Y. S. Lu, J. S. Chen// Int. J. Control. 1995. - Vol.62, №5. - P. 10011019.

89. L. Zhong A Direct Torque Controller for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives./L. Zhong, M. Rahman, W. Hu, K. Lim // IEEE Trans, on Energy Conversion. 1999. - Vol. 14, №3. - P. 637 -643.

90. M.F. Rahman Voltage Switching Tables for DTC Controlled Interior Permanent Magnet Motor./ M.F. Rahman, L. Zhong // IECON-99. PE-20.

91. M.F. Rahman. Comparison of Torque Responses of the Interior Permanent Magnet Motor under PWM Current and Direct Torque Controls./ M.F. Rahman, L.1. Zhong I IIECON-99. PE-20.

92. T.Aihara Sensorless Torque Control of Salient Pole Synchronous Motor at Zero- Speed Operation./ T.Aihara, A. Toba, T. Yanase, A Mashimo, K. Endo // IEEE Trans, on Power Electronics. Vol. 14, №1. 1999.

93. K. Rajashekara Sensorless Control of Permanent Magnet AC Motors./ K. Ra-jashekara, A. Kawamura//IECON-94.- 1994.-V.3.-P.106-111.

94. J. Hu New Integration Algorithms for Estimating Motor Flux over a Wide Speed Range./ J. Hu, B. WuII IEEE Trans, on Power Electronics. 1998. - Vol. 13, №5. - P. 969 - 978.

95. Der-Fa Chen Design and Implementation for a Novel Matrix PMSM Drive System./ Der-Fa Chen, Tian-Hua Liu // IECON-99. PE-16.

96. Faa-Jeng Lin A Robust PM> Synchronous Motor Drive with Adaptive Uncertainty Observer./ Faa-Jeng Lin, Yueh-Shan LinII IEEE Trans. On Energy Conversion. -1999. Vol. 14, №4. - P. 959 - 995.

97. U. Shnaible Dynamic Motor Parameter Identification for High Speed Flux Weakening Operation of Brushless Permanent Magnet Synchronous Motor./ U. Shnaible, B. Szabados// IEEE Trans. On Energy Conversion. 1999. - Vol. 14, №3.- P. 486 - 493.

98. R. Marino Nonlinear Adaptive Control of Permanent Magnet Synchronous Motor./ R. Marino, S Peresada, P. Tomei// Automatica. 1995. - Vol. 31, №11. - P. 1595-1604.

99. Zadeh L.A. Fuzzy Sets as a Basis or a Theory of Possibility/Zadeh L.A. //Fuzzy Sets and System. 1978. - Vol.1, №1.

100. Using Precision Synthesis to Design with the XtremeDSP Slice in Virtex-4, http://www.mentor.com/products/fpgapld/techpubs/index.cfm