Разработка и сравнительное исследование адаптивных систем управления электроприводами с упругими и нелинейными свойствами

Нгуен Кьем Чьен

Электротехнические комплексы и системы

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и сравнительное исследование адаптивных систем управления электроприводами с упругими и нелинейными свойствами

кандидата технических наук: Нгуен Кьем Чьен
город: Санкт-Петербург
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.09.03

Диссертация по электротехнике на тему «Разработка и сравнительное исследование адаптивных систем управления электроприводами с упругими и нелинейными свойствами»

Автореферат диссертации по теме "Разработка и сравнительное исследование адаптивных систем управления электроприводами с упругими и нелинейными свойствами"

005044747

На правах рукописи

Нгуен Кьем Чьен

РАЗРАБОТКА И СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ С УПРУГИМИ И НЕЛИНЕЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ ¿012

Санкт-Петербург - 2012

005044747

Работа выполнена в Санет-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), на кафедре систем автоматического управления

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Путов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ясаков Геннадий Серафимович, Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н. Г. Кузнецова, профессор, заслуженный деятель науки РФ.

доктор технических наук, профессор Бурдаков Сергей Федорович, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор кафедры «Механика и процессы управления».

Ведущая организация — Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики

Защита диссертации состоится « 30 » мая 2012 года в 15:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 27 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.05

М. П. Белов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Теория адаптивных систем возникла в связи с необходимостью решения широкого класса прикладных задач, для которых неприемлемы традиционные методы решения. Качество традиционных методов управления тем выше, чем больше имеется априорной информации о самом объекте и условиях его функционирования. Но на практике довольно трудно создать точное математическое описание объекта управления. Кроме того, характеристики объекта в процессе функционирования могут существенно изменяться. В этих условиях традиционные методы зачастую оказываются неприемлемыми или дают неудовлетворительные результаты. Таким образом, возникает необходимость в построении управляющих систем, не требующих полной априорной информации об объекте и условиях его функционирования. Подобные задачи появляются при создании высокоточных систем наведения, бортовых систем управления и навигации в летательных аппаратах, систем управления различными механическими объектами манипуляционных роботов, металлообрабатывающих станков, антенных установок, подвижных объектов различного назначения и т. д. Эффект приспособления к условиям функционирования в адаптивных системах обеспечивается за счет накопления и обработки информации о поведении объекта в процессе его работы. Это позволяет снизить влияние неопределенности на качество управления, компенсируя недостаток априорной информации ла этапе проектирования. В такой постановке актуальными методами решения задач управления механическими объектами являются адаптивные методы, среди которых беспоисковые аналитические адаптивные системы относятся к интенсивно развиваемому направлению и рассчитаны на реализацию средствами современной вычислительной техники.

В диссертации, задачи, связанные с разработкой эффективных систем автоматического управления объектами с априорно неопределенным и сложным описанием, неполными измерениями, быстро (и в широких пределах) изменяющимися параметрами и внешними возмущениями, решаются в рамках беспоисковых (прямых и непрямых) адаптивных подходов, получивших в последнее время значительное теоретическое и теоретико-прикладное развитие в отечественной и зарубежной научно-технической литературе усилиями многих российских и зарубежных ученых, в числе которых Борцов Ю. А., Земляков С. Д., Мирошник И. В., Петров Б. Н., Полушин И. Г., Поляхов Н. Д., Путов В. В., Санковский Е. А., Солодовников В. В., Срагович В. Г., Тимофеев А. В., Фомин В. Н., Фрадков А. Л., Ядыкин И. Б., Landau Т. D., Lindorff D. Р., Narendra К. S., Ortega R., Slotine J. и др.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование непрямых адаптивных систем с,параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами; проведение сравнительного анализа эффективности работы прямых (с эталонной моделью) и непрямых (с настраиваемой моделью) адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного и переменного тока с упругими и нелинейными свойствами.

В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование общего подхода к построению непрямых адаптивных систем управления нелинейными нестационарными объектами, базирующихся на приближенном описании неопределенных нелинейных объектов дифференциальными уравнениями с мажорирующими функциями в правых частях.

2. Разработка и исследование систем адаптивной идентификации и непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами первого и второго порядков.

3. Разработка и исследование прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической

настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами.

4. Разработка и исследование прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления асинхронными электроприводами с упругими и нелинейными свойствами.

5. Проведение сравнительного анализа эффективности работы прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного и переменного тока с упругими и нелинейными свойствами.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены в рамках применения методов теории устойчивости и диссипативности систем, основанных на функциях Ляпунова; беспоисковых методов синтеза адаптивных систем управления линейными и нелинейными динамическими объектами, базирующихся на их точных и приближенных (с мажорирующими функциями) математических моделях; компьютерных методов исследования на базе стандартных профаммных продуктов. Проверка эффективности полученных теоретических результатов производится в процессе моделирования с помощью среды Ма^аЬ-ЭтиПпк.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методика построения непрямых адаптивных систем управления нелинейными нестационарными объектами с мажорирующими функциями.

2. Системы адаптивной идентификации и непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами первого и второго порядков.

3. Прямые и непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, настраиваемой моделью, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами.

4. Прямые и непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления асинхронными электроприводами с упругими и нелинейными свойствами.

5. Результаты сравнительного исследования эффективности работы прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного и переменного тока с упругими и нелинейными свойствами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Рассмотренная в работе методика построения полных и упрощенных структур параметрических алгоритмов идентификации и непрямого адаптивного управления с параметрически настраиваемыми моделями для нелинейных нестационарных объектов с мажорирующими функциями отличается от известной методики тем, что в ней используются функции нелинейной параметризации, мажорирующие неизвестные нелинейные правые части дифференциальных уравнений управляемого объекта.

2. Разработанные и исследованные системы адаптивной идентификации и непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами первого и второго порядков позволяют исследовать работоспособность и эффективность работы предлагаемых непрямых адаптивных систем.

3. Разработана новая непрямая адаптивная система управления электроприводами постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами и неполными измерениями, характеризующаяся введением наблюдателей и мажорирующих функций, подавляющих влияние нелинейных упругих деформаций с неопределенными параметрами.

4. Впервые разработаны прямые и непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателями для управления асинхронными электроприводами с упругими и нелинейными свойствами, подавляющими влияния нелинейной электромагнитной динамики электроприводов и нелинейных упругих деформаций с неопределенными параметрами.

5. Проведенное сравнительное исследование эффективности работы прямых и непрямых

адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателями для управления электроприводами постоянного и переменного тока с упругими и нелинейными свойствами позволяет обосновать выбор беспоисковых адаптивных регуляторов в задачах подавления упругих колебаний и повышения точности управления.

Достоверность научных и практических результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обусловливается корректным использованием методов исследования; применением современных компьютерных средств и программных комплексов, а также результатами экспериментального исследования построенных в работе аналитических непрямых и прямых адаптивных систем управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом в лабораторных условиях.

Значимость полученных результатов для теории н практики:

Теоретическая значимость работы обусловлена ее новизной и заключается в развитии актуального научного направления, связанного с построением непрямых адаптивных систем управления классом нелинейных объектов. Исследование прямых и непрямых адаптивных алгоритмов для асинхронных электроприводов обеспечивает возможности расширения множества исследуемых объектов, имеющих довольно сложное математическое описание, путем применения приведенной методики построения прямых и непрямых адаптивных систем управления с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями для электромеханических объектов с нелинейными и упругими свойствами.

Практическая ценность результатов работы:

- созданы полезные в инженерном проектировании и легко поддающиеся компьютеризации методики расчета семейства реализуемых аналитических прямых и непрямых адаптивных систем управления электромеханическими объектами с упругими свойствами, применимые в условиях ограниченного объема априорных сведений об объектах (паспортных данных исполнительных электроприводов, неопределенности изменения учитываемой резонансной частоты и массоинерционных параметров), их нелинейности и неполной измеримости;

- разработаны и отлажены на базе пакета МАТЬАВ прямые и непрямые адаптивные системы управления для класса двухмассовых упругих электромеханических объектов, применимые для использования в качестве основы НИОКР и внедрения в конкретные изделия.

Внедрение результатов работы. Теоретические положения, методики расчета и конкретные структуры семейства адаптивных систем использованы в б НИР и НИОКР, выполненных при участии автора в течение 2010 - 2012 г.г., источниками финансирования которых, являлись федеральный бюджет, гранты РФФИ, министерства образования и науки, внебюджетные средства.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе в дисциплине "Методы проектирования систем управления многостепенными механическими объектами с упругими деформациями" магистерской программы "Системы управления и автоматизации промышленных мехатронных комплексов и подвижных объектов".

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на шести международных и всероссийских научно-технических конференциях: XI, XIII конференциях молодых ученных «Навигация и управление движением» (2010, 2011 гг., ФГУП ВНИИ «Электроприбор», г. Санкт-Петербург); VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (14-17 апреля 2009 года-СПб: СПбГУ ИТМО); XIII международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (июнь 2010, г. Санкт Петербург); внутривузовских научно-технических конференциях в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2010 и 2012 гг., а также научных семинарах кафедры САУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе 8 статей (из них 6 статей - в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК) и 6 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций. Кроме того, одна статья принята к опубликованию в издание, входящее в перечень ВАК и находится в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Основный материал диссертации изложен на 147 станицах машинописного текста, включает 97 рисунков и содержит список литературы из 57 наименований, среди которых 50 отечественных и 7 иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена область исследований, сформулированы цель и задачи диссертации, изложены основные результаты, выносимые на защиту, их теоретическая и практическая значимость, отражены сведения о реализации и апробации работы.

В первой главе после краткого введения рассматриваются математические модели нелинейных нестационарных объектов в виде обыкновенных векторных дифференциальных уравнений, описанных в форме Коши. Определяются ограничения, обеспечивающие применимость методов синтеза адаптивных систем, базирующихся на функциях Ляпунова и свойствах асимптотической устойчивости и диссипативности решений, в рамках которых определена постановка задачи синтеза систем адаптивного управления. Построены новые классы полных и упрощенных непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями, основанными на методе мажорирующих функций.

Рассмотрим широкий класс нелинейных нестационарных объектов в виде

х = А(х,0* + ВСМ)и(х>0, 0)

где х = [х1...х„]т - вектор состояния; и ={щ...ит]т - вектор входных воздействий, m<n, t -время; А(х,/)~ л ж и-мерная функциональная матрица с элементами - скалярными функциями ijy(x,i), i,j = Г"; В(х,0- nxm-мерная матрица скалярных функций Ьу(х,1), i = l,n,j = \,т, непрерывных и глобально ограниченных в области Г,:

Г, = {х,t: ||x|j < Т]\т] = const{> 0) или т] = +°з; t > ?0;/0 е Д, u(-) е U } Рассмотрим вначале линеаризованное стационарное приближение объекта (1) в виде

x = A0x+B0u(0; u(/) = uA(0 + u°(0, (2)

где А0, В0 - управляемая пара постоянных неизвестных матриц; и (/) е Rm - программное управление; иА(<)~ искомое непрямое адаптивное управление, подлежащее определению. Тогда для построения непрямых адаптивных систем управления классом линейных стационарных объектов введем векторно-матричное дифференциальное уравнение настраиваемой модели вида

i = AMx + KA(Ox + [B„+KB(i)]u(/), (3)

где xeR" - и-мерный вектор состояния настраиваемой модели (3); КА((), Кв(() - лхи- и пхт-мерные матрицы настраиваемых параметров; введенная в уравнение (3) пара постоянных матриц АМ,ВМ - полностью управляема (Аи - гурвицева) и характеризует желаемые свойства траекторий проектируемой непрямой адаптивной системы, описываемых дифференциальным уравнением эталонной модели вида

xM=AMxM+BMu°(r). (4)

Целью непрямого адаптивного управления объекта (2) является сближение траекторий проектируемой адаптивной системы и траекторий эталонной модели (4), выражаемое предельным

соотношением lim Qe{t) = 0 для целевого функционала вида ße(0 = 0.5eT(i)Pe(f), где e(l) = x(t)-xM(t); матрица Р является единственным, в силу гурвицевости Аи, решением

уравнения Ляпунова вида Aj,P + PAM=-G,P = PT>0;G - произвольная матрица, G = GT > 0.

Кроме того, в рамках рассматриваемой непрямой адаптивной системы должна достигаться и цель адаптивной идентификации, состоящая в асимптотическом сближении траекторий настраиваемой модели (3) с траекториями объекта (2) и, задавая предельное соотношение

lim 0Л0 = 0 для целевого функционала вида Qz(t) = 0.5етРе, где c(t) = x(t)-x(t), определим

вытекающие из поставленных целей алгоритмы настройки в виде матричных дифференциальных уравнений

ЙА(0 = ГаРехт;] Йв(0 = ГвРЕ110т,[

где eft) = xft)-xft) - переменная ошибки идентификации; ГД) Гв -произвольные пхп-и пхт-мерные симметричные (в частности, диагональные) положительно определенные матрицы. Структура непрямого адаптивного закона имеет вид

иА(о=-в;[кА(о*+кв(о«(о]. (6)

где «IX «-мерная матрица =(bJ,Bm)~ Bj, есть псевдообращение прямоугольной их т-мерной матрицы Вм, В^ВМ =Im (здесь \т-единичная матрица порядка т). Введем матричные функции параметрических рассогласований вида

8а (0 = А0 - Аи - К А (0; 5В (0 = В0 - Вм - Кв(,). (7)

В диссертации показано, что тривиальное решение eft) - 0; eft) = 0; бA (I) = 0; 8В = 0 непрямой адаптивной системы (2), (3), (5), (6) экспоненциально устойчиво по переменным ошибок eft), гft) и просто устойчиво (по Ляпунову) по параметрическим рассогласованиям (7), если

выполняются условия согласованности вида ВМВ*(А0 - Ам) = (А0 - Ам); ВМВ+В0 = В0.

Далее в диссертации показано, что регуляризация интегральных алгоритмов (5), например, линейной обратной связью по настраиваемым параметрам, к виду

Ка(0 = ГаРехт-ЛаКа(0;1

Йв(0 = ГвРеи0т-ЛвКв(0,|

где ЛА, Лв - положительно определенные матрицы, обеспечивает экспоненциальную диссипативность (сходимость к некоторым предельным множествам, содержащим тривиальные решения) процессов идентификации и адаптации непрямой системы по всему ансамблю переменных ошибок eft), eft), bA(t), ¿а, которая сохраняется и в условиях флуктуаций параметров неизвестного объекта, т. е. в случае множества линейных нестационарных объектов с ограниченными (по норме) неизвестными матрицами - фунциями времени вида x = A(0*+B(i)u(x,0-

Далее в диссертации снимаются ограничивающие условия линейности и стационарности и для класса нелинейных нестационарых объектов вида (1) рассматривается представление неопределенных правых частей дифференциальных уравнений объекта (1) с помощью функций бесконечного роста, сравнимых с ростом степенных функций переменных состояния объекта. Им сопоставляется класс известных функций бесконечного роста, обладающих мажорирующими свойствами, и излагается способ построения непрямых адаптивных систем с алгоритмами параметрической настройки, названный методом мажорирующих функций. Из-за ограниченности объема в автореферате рассматриваются только способы построения упрощенных непрямых адаптивных систем при введении мажорирующих функций старших или превосходящих степеней роста правых частей математических моделей объектов в структуре адаптивной системы, которые применятся в следующих главах диссертации. При этом непрямая адаптивная система состоит из настраиваемой модели

5 = Амх+Кд(()аЬ§(/,,(х,.)^х+[Ви+Кв(0]и(0 (8)

с алгоритмами настройки вида

RA(i) = rAP«Tdtag{/),(x,)£ - ЛдКд (Г);

йвС0=гвР£«0т - лвкв(0. с = х - х; г=ы

и адаптивной составляющей закона управления, выраженной в виде

иА(0 = -Вм{кА(/)diag(/p (jrr) j^1 х + К B(/)u(/)}, (10)

где Шай/р(хг)}Г=Шае{/р(х1),/р(х2),....../,(*„)} - диагональная функциональная матрица

порядка п, составленная из мажорирующих функций роста старших степеней роста р всех

переменных состояния хг, г = \,п ■

Во второй главе рассматриваются возможности практического применения описанных в первой главе методик построения непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами на примерах объектов первого и второго порядков.

1. Непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами первого порядка. Рассмотрим нелинейный нестационарный объект управления первого порядка, уравнение которого имеет вид

х = а(х, 0* + Ъ{х, <М0; и(0 = (0 + "в (0. (11)

где - переменная состояния объекта; а(х,0.Ь(*»0 - неизвестные параметры;

и0(/), иа{1)еЯ -программное и адаптивное управления соответственно.

Пусть желаемые показатели адаптивной системы управления нелинейным нестационарным объектом первого порядка характеризуются поведением эталонной модели вида *м = ам*м + V0«, гДе о„,6„- постоянные числа, ам <0. Тогда непрямая адаптивная система с параметрически настраиваемой моделью для управления объектом первогопорядм (11) состоит из настраиваемой модели, записанной согласно (3) в виде х =амх + ка(1)х + (кь(1) + Ьы)и(1), адаптивного закона иа(1) = -^[к11(1)х+кь{0т] и алгоритмов параметрической настройки, имеющих вид

ка(1) = 1а£Х-аака(0;\

где ка(1),кь(0 - настраиваемые параметры; уа,а.а,уь,аь - произвольные коэффициенты

параметрической настройки.

2 Непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами второго порядка. Рассмотрим нелинейный нестационарный объект второго порядка с одним входом, описанный в виде

Х = А(Ж,0*+Ь(Х,0[И°(0 + «А(0]. (12>

где X е Я2 - двухмерный вектор переменных состояния нелинейного объекта второго порядка; А(х,0 - 2x2-мерная матрица с элементами = 1,2; Ь(х,0 - двухмерный вектор

скалярных функций 6,(х,г), 1 = 1^2, непрерывных и глобально ограниченных в области Г,, т. е. Л^(х,0||<Р>Р=^(>0), = для любых ж, г из области Г,;

и°(0. «А С) ей1- программное и адаптивное управления соответственно.

Пусть желаемые показатели адаптивной системы управления нелинейным нестационарным объектом второго порядка характеризуются поведением эталонной модели вида х = Амхм+Ьми°(0. где Ам и Ьм - 2x2 и 2х1-мерные постоянные матрицы, пара Аи, Ьм

полностью управляема (Ам - гурвицева).

Построим обобщенную схему непрямой адаптивной системы с параметрически настраиваемой моделью для управления нелинейным нестационарным объектом второго порядка (12), состоящей из настраиваемой модели вида х = Амх + Кд(Ух + [кь(У + Ьм]«(У,

адаптивного закона где Ь+=(ь*ь„ )"'»>;, и алгоритмов

параметрической настройки в виде

КА(0 = 7АР«т-аАКАй;;[

..о

кь(У = уьРЕии-аькь(У, J где xeJ!2 - 2х1-мерный вектор переменных состояния настраиваемой модели; Кk(,ft) -2x2 и 2x1-мерные матрицы настраиваемых параметров; YA>aA>Vb'ab - произвольные коэффициенты параметрической настройки; Eft) = x(t)-x(t) - ошибка идентификации.

В диссертации приведены расчеты и исследование непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями для управления объектами первого и второго порядков на шести примерах (рассмотрены линейные стационарные, нелинейные стационарные и линейные нестационарные объекты). В автореферате приводятся два примера, результаты моделирования которых представлены на рисунках 1 и 2.

1.2 1

0.8 0.6 0.4

0.2 0

(

Л С

Рисунок 1 — Переходные процессы непрямой адаптивной системы с параметрически настраиваемой моделью для управления нелинейным стационарным объектом первого порядка х = огафг) + Ьи(1) (кривая 1-при о = -1,6 = 10; кривая 2 - при а = 1, Ь = 10): а - без адаптивного управления; 6-е непрямым адаптивным управлением

*1(0

*l(0 250

200

150

100

-50

/ 1 '•■

1 /Г^ . / : S

JH \ ~ \1

/ !' \ 2; / J-

;

0.8 0.6 0.4 0.2

1.2,3

20 1,С

10 б

20 t,c

Рисунок 2 — Переходные процессы непрямой адаптивной системы с параметрически настраиваемой моделью для управления линейным стационарным объектом второго порядка Х] = х2\ =-"1*1 _°2Х2 + (кривая / - при о, =-1.02, а2 =-2.01, ¿ = 100; кривая 2 —при о, = -0.408, 02 = -0-42, й = 40 , и кривая 3 - при а, =-0.4, а2 =0.02, ¡> = 40): а-без адаптивного управления; б - с непрямым адаптивным управлением Результаты исследования и моделирования подтверждают высокую работоспособность непрямых адаптивных систем в задачах повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

В третьей главе рассматриваются вопросы построения непрямых адаптивных систем управления электроприводами постоянного тока с нелинейными упругими свойствами,

базирующихся на приближенном описании неопределенных нелинейных объектов дифференциальными уравнениями с мажорирующими функциями в правых частях, описанных в первой главе. С использованием пакета МаИаЬ-ЗтиНпк проводится сравнительный анализ непрямых и прямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления рассматриваемыми объектами на примерах двухконтурной и трехконтурной следящих систем. В автореферате в связи с ограниченным объемом рассматривается построение адаптивных систем управления приведенным объектом в виде трехконтурной следящей системы.

1. Математическая модель электропривода постоянного тока с нелинейными упругими свойствами и подчиненным управлением. Рассмотрим электропривод постоянного тока с нелинейными упругими свойствами, где в качестве первого диска (момент инерции J^) принимается исполнительный привод с частью жестко соединенных с ним инерционных звеньев механизма, а второй диск (момент инерции 72) учитывает остальные инерционные части механической конструкции, приведенные к вращению исполнительного привода. Считаем, что диски У] и ,/2 соединены упругой связью с коэффициентом упругости р, имеющей зазор в сочленении, где 5 — угловая величина, равная половине ширины зазора (рисунок 3).

Рисунок 3 - Двухмаееовый нелинейный упругий электромеханический объект с трехконтурным подчиненным

управлением

Примем в качестве исходного электропривод постоянного тока с нелинейными упругими свойствами и зазором, замкнутый по скорости а>| с контурным П-регулятором и являющийся внутренним контуром трехконтурной электромеханической системы, замкнутой по положению 42-

Математическое описание данного объекта представляется системой дифференциальных уравнений четвертого порядка, записанных в так называемой скоростной форме уравнений упругого объекта в следующем виде (контур положения по переменной д2 разомкнут):

¿>2 = •'г'/у! = --/Г'/у +-/ДЛ;

ту = /7(С0, -со2); 4 = ^'н/я ~ке<°1 + куитУ> . (14)

"т =Рт("с -Мл); ис=Рс(»Е-^Сш1);

и% = и° +иА;и° =ип,

где Ш] = ¿¡\, ю2 = ¿12 ~ Узловые скорости первого и второго дисков; - упругий момент, возникающий при деформации в упругой связи при отсутствии зазора; 1Я - ток якоря; £я, /!„ -индуктивность и активное сопротивление якорной цепи двигателя; кт, кс, кп - постоянные коэффициенты передачи датчиков обратных связей по току ДТ, скорости ДС, положению ДП; ке,км - постоянные коэффициенты, определяемые конструктивными данными электрической машины; ку- коэффициент передачи усилителя мощности УМ; ыт,ыс,ып - выходные напряжения контурных регуляторов тока РТ, скорости РС и Положения РП; Рт, Рс -коэффициенты передачи РТ, РС; и0 - известное программное воздействие; мА - адаптивное

управление, подлежащее определению; Мм = км1я - электромагнитный момент электрической машины; ия = куит - напряжение якоря; а /у - упругий момент, описываемый при учете зазора 25 в упругой связи.

В общем случае моменты инерции и коэффициент упругости являются неопределенными, поэтому рассматривается их приближение с некоторыми усредненными значениями:

А = -Ал > = -Аи. Р = Рй ■ Положим а, = ^ ; а2 = р0; а3 = ^¡кы; а4 = ; Ь = ¿;*А:уртРс;

¿»5 ^¿я'^уРАРс "¿я'^ °б = "^уРт^я' • Тогда уравнения линеаризованного объекта

(14) имеют следующий векторно-матричный вид

х = Ах+Ьих; у = стх;

" 0 "1 0 0 "о" "0" V

А = -а2 0 а2 0 ; Ь = 0 ; с = 0 Шу

0 а4 0 0 с со,

0 0 "5 а6. ь 0 1я -

где х - вектор состояния линеаризованного объекта (15); _у = стх - уравнение измерения; с = кг (здесь доступной измерению с помощью датчика скорости ДС считается первая скорость Ш[).

На основе полученного линеаризованного объекта (15) с усредненными параметрами составляются методики расчета модального управления, эталонной модели и наблюдателя состояния (при измерении угловой скорости электропривода) для электропривода постоянного тока с нелинейными упругими свойствами. Эти структуры используются в дальнейших построениях аналитических адаптивных систем.

Модальный регулятор для линеаризованного объекта имеет вид «л=ктх, где ил-

модальное управление; к = [£] к2 ^з ~ вещественный вектор коэффициентов обратных связей, рассчитываемых из условия обеспечения любого наперед заданного желаемого распределения всех корней характеристического уравнения замкнутой системы.

В качестве эталонной модели выбирается замкнутая система линеаризованного объекта с

модальным управлением вида (4), где АМ=А + Ькт; ЬМ=Ь.

Наблюдатель состояния электропривода постоянного тока с нелинейными упругими свойствами для трехкоптурной следящей системы (при измерении первой скорости Щ] расчетного объекта (15)) имеет вид

х = АХ + 1Ст(Х-Х) + Ь«£, (16)

где х = [&2 ту й] /я]т - оценки переменных состояния объекта (15); I =[/) 12 ¡з /4]* - вектор коэффициентов обратных связей наблюдателя (16) по ошибке наблюдения измеряемой угловой скорости СО) (с = £с). На базе полученных структур далее строятся прямая и непрямая беспоисковые адаптивные системы электропривода постоянного тока с упругой связью.

2. Прямая адаптивная система с параметрической настройкой, эталонной моделью и мажорирующими функциями для управления электроприводом постоянного тока с нелинейными упругими свойствами и учетом зазора в упругой связи. Такая система состоит из объекта (15), наблюдателя (16), эталонной модели (4), адаптивного закона вида

иА(0 = кХ(0<11а8{1, ту, 1,1}х + *ь(/)и°(/), (17)

и алгоритмов настройки параметров, выражающихся дифференциальными управлениями вида

[МО = -ТЧЬмГ^сад, ту, 1,1}- Ялкл(г);

1 • п С8'

№(0 = -7ььмрё" (0 - ЛА(0>

где кд(<) — 4x1-мерный вектор настраиваемых коэффициентов; — настраиваемый входной

коэффициент адаптивного закона (17); ё=х-хм - 4х1-мерный вектор ошибок - разностей между переменными состояния наблюдателя и эталонной модели; Р - 4х4-мерная симметричная положительно определенная матрица, единственным образом определенная из уравнения Ляпунова; ук ,ЯА ,уь - положительные коэффициенты усилений настроек.

3. Непрямая адаптивная система с параметрически настраиваемой моделью и мажорирующими функциями для управления электроприводом постоянного тока с нелинейными упругими свойствами и учетом зазора в упругой связи. Для построения непрямого управления используется настраиваемая модель, уравнение которой имеет вид

х = Амх + КА(0а1аё{1,ту,1,1}х+[Ьм + кь(0]и(0, О9)

где х = (ю2 «у ®1 /Я)Т - вектор переменных состояния настраиваемой модели (19); КА((), кь(г) - 4x4- и 4х 1 -мерные матрицы настраиваемых параметров; АМ,ЬМ - 4x4-, 4x1-

мерные постоянные матрицы (Ам - гурвицева) эталонной модели (4).

Непрямая адаптивная система с параметрически настраиваемой моделью и мажорирующими функциями для управления объектом (15) состоит из наблюдателя (16), настраиваемой модели (19), адаптивного закона вида

"А С) =~Ьм{ КА(Г)с11а8{1,ту,1,1}х+кь(0"(0} (20)

и алгоритмов настройки, имеющих вид

Ка(/) = ГаР8*ТйИ8{1.'»у>1>1}-яаКА(0;| (2])

кь(0 = 7ьРе"°Т "^ьО. £ = х-х, ] где £ - 4 х 1 -мерный вектор ошибки идентификации - разностей между переменными состояния

наблюдателя и настраиваемой модели; 1х4-мерный вектор-строка =(ь^,ьи)~ есть псевдообращение прямоугольного 4х1-мерного вектора Ьм; а остальные обозначения аналогичны приведенным выше при исследовании прямого управления.

В среде Ма11аЬ-81шиНпк разработаны программы моделирования построенных адаптивных систем. В диссертации приводятся результаты сравнительного исследования эффективности прямой и непрямой адаптивных систем в решении задач управления в условиях изменения параметров объекта и действия зазора. Результаты представлены на рисунках 4-7. Результаты исследования моделированием показывают, что в адаптивных системах управления с параметрической настройкой не только успешно подавлены упругие колебания, которые возникали в упругом объекте без адаптивного управления, но и повышено быстродействие системы, которое стало сравнимым с быстродействием жесткого объекта.

га2(0> рад/с Ф(0,рад

1.2 -

<Р(0

1 v в2(/)

1 x

ш2(0, рад/с

1о51(р(Г),рад х 104

0.5 0

-0.5 -1 -1.5

0.4 0.6

0.8

/,С

со2(/)! ..А.....- 1 .Л ...

\ 1

1 1

(,с

Рисунок 4 - Переходные процессы системы жесткого (слева) и упругого объектов с электроприводом постоянного тока без адаптивного управления (справа) при усредненных постоянных параметрах объекта

<р(0.рзд

0.8 0.6 0.4 0.2

/ 1,2

0.4

0.6 0.8

Рисунок 5 - Переходные процессы следящей системы с подчиненным управлением (слева) и адаптивных (кривая 1 -прямой; кривая 2 - непрямой) систем (справа) управления электроприводом постоянного тока с нелинейными упругими свойствами при усредненных постоянных параметрах

9(0,рад 1.2

0.8 0.6 0.4 0.2

2 \ ..-у ■^Зяг-

/ 4 \

/ ....................

9(0,рад 1.2

0.8 0.6 0.4 0.2

\ 2

0.2 0.4 0.6

0.8

1,С

0.4 0.6

0.8

Рисунок 6 - Переходные процессы адаптивных систем с параметрической настройкой при изменении параметров объекта (кривая 1 - прямая адаптивная система, кривая 2 - непрямая адаптивная система): слева - при изменении коэффициента упругости объекта ( р = р0 / 2); справа - при изменении момента инерции нагрузки (УJ = Jй^2)

9(0. рад 1.2

0.8 0.6 0.4 0.2

9(0.рад . 1.2

0.5

1.5

0.8 0.6 0.4 0.2 О

1 .._

1.5

2 1,0

Рисунок 7 - Переходные процессы угла поворота нагрузки адаптивных систем с параметрической настройкой при наличии нелинейности в виде зазора упругой связи (слева) и постоянного возмущения в моменте /=1 с (справа): кривая I - прямая адаптивная система, кривая 2 - непрямая адаптивная система

Графики подтверждают более высокую эффективность непрямых адаптивных систем по сравнению с прямыми адаптивными системами в задачах подавления упругих колебаний, обеспечения повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

В четвертой главе рассматриваются вопросы построения прямых и непрямых адаптивных систем управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами и векторным управлением. С использованием пакета МаИаЬ-81шиПпк проводится сравнительный анализ эффективности непрямой с настраиваемой моделью и прямой с эталонной моделью адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами.

Рассмотрим электромеханическую систему векторного управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами, стандартная общепринятая структура которой представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Функциональная схема системы векторного управления асинхронным электроприводом с нелинейными

упругими свойствами

Асинхронный электропривод (М) питается от преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения. На входе преобразователя действует

трехфазная система задающих напряжений ЩА,и\В, и\с. Система регулирования выполнена во вращающейся системе координат а~Р при ориентации оси вещественных а вращающейся системы координат а-р по вектору потокосцепления ротора Преобразование координат в прямом канале (ПКП) и в канале обратной связи (ПКО) производится в системе векторного управления. В преобразователе канала обратной связи ПКО сначала трехфазная система синусоидальных величин /ы, ¡гс преобразуется блоком 3/2 в двухфазную систему синусоидальных величин ¡¡х, ¡¡у в неподвижной системе координат х-у, жестко связанной с трехфазной статорной обмоткой, а затем двухфазная система синусоидальных величин г'1дг, ¡¡у преобразуется в проекции /)а, /ф

пространственного вектора блоком на оси вращающейся системы координат а-р,

представляющие собой сигналы постоянного тока, где 9С - мгновенное значение угла поворота системы координат а-р относительно системы х-у, рассчитывающееся из блока «Модель потока». В преобразователе прямого канала ПКП сначала из сигналов постоянного тока ы1а, ищ блоком

■а * *

е1с формируется двухфазная система синусоидальных величин щх, и в неподвижной системе координат х-у, а затем она трансформируется блоком 3/2 в трехфазную систему величин и*А, н'д, Система подчиненного управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами включает в себя внутренние контуры регулирования токов г'1а и /ф с регуляторами РТа и РТр. Внешними по отношению к токовым контурам являются контуры регулирования потокосцепления ротора с регулятором РПт и скорости с регулятором РС. Первый из них замкнут по модулю

(22)

вектора потокосцепления ротора, вычисленному в преобразователе блока «Модель патока», второй - по сигналу скорости с датчика скорости ДС. Потокосцепление ротора у2 сравнивается с сигналом задания Ч/2зги на вх°Де регулятора потока (РПт), а скорость асинхронного электропривода - с сигналом задания Ю1зад на входе регулятора скорости (РС). В качестве регуляторов токов РТа, РТр, потокосцепления РПт и скорости РС применены пропорциональные П-регуляторы.

Математическая модель системы управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами и подчиненным регулированием при ориентации вращающейся системы координат по вектору потокосцепления ротора описывается системой дифференциальных уравнений шестого порядка вида

¿>2 = ^2/у I ™у =/>(ю1-со2);(0| =/Г'[Мд-/у]; у2 =Г2"'[£т;1а-у2];

¡ы =(аЛ17])~1[«1а - Д,(1а +свОэл0Й|Г1(|р -¿„¿¡'«Ы; =(ой|Г,Г1[и1р - Л]/,р -ШоэлОВД^ -¿т£21ш0элЧ'2];

м^ъпр^^щ; "ы = *пРтКг -Ма ]; «ф =УтК-Мф 1;

и0эл =Рл°'1+а>р: <ир = ^т£21л2'1р/Ч'2; «иг = РптГУгзац ~ Апт¥2]; "с = РсКад -^с^Ч]. где \|>2 - проекция пространственного вектора потокосцепления ротора на оси а вращающейся системы координат а —Р; сор — частота роторной ЭДС; рп — число пар полюсов обмотки статора; рла> - угловая скорость ротора в электрических радианах в секунду; со0эл - угловая скорость вращающейся системы координат а-р, равная частоте напряжения питания, в электрических радианах в секунду; Мд - момент асинхронного электропривода; Л;, Л2 - активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора соответственно; Ьт - главная индуктивность намагничивающего контура; Ц, - индуктивности обмоток фаз статора и ротора соответственно; а - коэффициент рассеяния машины, а = 1- 1?т1 7], Г2 - постоянные

времени обмоток статора и ротора соответственно, 7]= ¿¡/Л] и 72=1^1 Я2; Рт>Рпг>Рс ~ коэффициенты передачи регуляторов токов РТа, РТр, потокосцепления РПт и скорости РС соответственно; кТ, кт, - постоянные коэффициенты передачи датчиков обратных связей по токам, потокосцеплению и скорости соответственно; кп - коэффициент передачи звена чистого запаздывания; ы1С1, щр, ит, ис - выходные напряжения контурных регуляторов токов РТа, РТр, потокосцепления РПт и скорости РС соответственно; (озад, Ч'гзад - задающее воздействие

скорости и потокосцепления ротора.

Исходная следящая система является нелинейной, поэтому для последующих расчетов эталонной модели, наблюдателя и модального управления рассмотрим ее линейное приближение, полученное методом разложения правых частей уравнений (22) в ряд Тейлора в окрестности некоторого решения. Выбрав некоторые значения переменных состояния в установившемся режиме переходных процессов О]*, 1(/2*, ца*, г']р * и приняв обозначения

а, =(й,7-,о)-1Апртр,1Г; а2 =-(Л,Г,Г2а)-1(Д1Г2 +к2Ьт + *пРт*Л); а3 = к2Я2; а4 = рп; а5 =(й,Г1Г2о)-1(^2~АпРтРптАотГ2); р6 = (Я,Г,о)"1АпРтРс! «7 = -(ВДа)"'^! + *ПРА+ ^2); я8 =-(едс)"1^п; а9 =-(едо)-'(<:пРтРсАс); «10 = ¿я, 'Ъ.' «11 =~'ТЪ "12 =3/7ПА:2/(2У01);

а, 3 = 1 / У02 ; 014 = Р0 ; 015 = 1 / 1; ^ = °12'!Р ^ А2 = 24*2 ^ ^ = "4'1Р * ^ ¿4 = а5 - °3 ('ф *)2 (4*2 *)~2 ^ Ь5 = 2а3/,р *(ч/2т1 + о4Ш!*; 66 = а9 + о8\|/2 *-а4/1а *;Ь7= а8со, * -едр * '1а *!

&8 = -«4Ш1 * _аЗ'1Р * (¥2*)"'; й9 = а7 - та * (¥г*Г'

получим линеаризованное приближение уравнений (22) с некоторыми параметрами, которое для компактности записано в векторно-матричном виде

х = Ах + Ь(и0+ыА); у = стх;

0 "13 0 0 0 0" "о" "о"

0 "14 0 0 0 0 0

А = 0 0 -"15 0 0 0 ъX °11 0 а10 ъг 0 ;Ь = 0 0 ; с = ¿с 0

0 0 63 »4 я2 Ъь "1 0

0 0 Ьб ь Н ь9_ .а6_ 0

усредненными

(23)

где х = [ю2

со,

У2 '1а Мр]Т;

задающее воздействие; иА - адаптивное

управление.

На основе полученного линеаризованного объекта (23) с усредненными параметрами, так же как и в третьей главе, составляются методики построения прямой и непрямой адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами. В среде МаНаЬ-випиЬпк разработаны программы моделирования построенных адаптивных систем, результаты которых при задающих воздействиях у2зш = 01 вб> юзад =] представлены на рисунках 9 и 10.

1.5

0.5

I /

г >

ч ? 1

¡1 /

ш2 (0, рад/с 1.2

0.1

0.2 0.3 а

0.4

0.5

Л с

Рисунок 9 - Переходные процессы угловой скорости второго диска при усредненных постоянных параметрах (а) и изменении коэффициента упругости (б) (кривая 1 - жесткий объект, кривая 2 - упругий объект без адаптивного управления, кривая 3 - прямая адаптивная система, кривая 4 - непрямая адаптивная система)

со2(0,рад/с _ ш2(0,рад/с

1.21-------! 1.2Г

1 0.8

0.6

'А //

¡1 II

II 1

и и '/

2 ,1

/ 1

0.05

0.1

0.15

0.2 Лс

0.05

0.1

0.15

0.2

Рисунок 10 - Переходные процессы адаптивных систем управления при наличии нелинейности в виде зазора упругой связи (слева) и постоянного возмущения в моменте / - 0.1 с (справа): кривая I - прямая адаптивная система, кривая 2 - непрямая

адаптивная система

Результаты моделирования показывают, что в адаптивных системах управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами, имеющим более сложное математическое описание, чем электроприводы постоянного тока, успешно подавлены упругие колебания, которые возникали в упругом объекте, повышены быстродействие и точность управления, так же как и в адаптивных системах управления данным объектом с электроприводом постоянного тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью и задачами диссертации получены основные результаты работы, заключающиеся в следующем:

1. Построены системы адаптивной идентификации и непрямого адаптивного управления с параметрической настройкой для класса линейных конечномерных объектов с неизвестными, но постоянными параметрами и приведены методы регуляризации интегральных законов настройки в условиях, когда неизвестные параметры линейных объектов неизвестным образом функционируют во времени с ограниченными скоростями.

2. Разработана методика построения новых классов полных непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями, основанных на методе мажорирующих функций. Рассмотрены способы построения упрощенных адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями и мажорирующими функциями, когда в структуре адаптивной системы, удерживаются только мажорирующие функции старших или превосходящих степеней роста правых частей математических моделей объектов.

3. Разработаны непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой для управления нелинейными нестационарными объектами первого и второго порядков. С использованием пакета МаЙаЬ - ЭитшИпк разработаны программы моделирования таких систем, результаты исследований по которым подтверждают высокую работоспособность непрямых адаптивных систем в задачах обеспечения повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

4. Разработаны прямые и непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателями для управления электроприводом постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами. В Ма11аЬ - 81шиНпк разработаны соответствующие программы моделирования для широкого спектра прикладных задач. Результаты исследований по разработанным программам подтверждают работоспособность адаптивных систем и более высокую эффективность непрямых адаптивных систем по сравнению с прямыми адаптивными системами в задачах подавления упругих колебаний, достижения повышенных быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

5. Разработана математическая модель асинхронного электропривода с упругими и нелинейными свойствами при ориентации вращающейся системы координат по вектору потокосцепления ротора.

6. По принципу подчиненного управления составлены расчетные уравнения электромеханических следящих систем с асинхронным электроприводом при учете зазоров в упругих связях.

7. В МаЙаЬ - БипиНпк разработаны модели прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателями для управления асинхронным электроприводом с упругими и нелинейными свойствами. Результаты исследований подтверждают работоспособность адаптивных систем и более высокую эффективность непрямых адаптивных систем по сравнению с прямыми адаптивными системами в задачах подавления упругих колебаний, достижения повышенных быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

Все решенные задачи направлены на практическое применение полученных в диссертационной работе результатов в задачах разработки нового поколения беспоисковых адаптивных регуляторов, обеспечивающих значительное повышение устойчивости, точности и быстродействия реальных промышленных электромеханических систем.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьп, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. H. К. Чьей, В. В. Путов, В. Н. Шелудько, Е. В. Белградская. Непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления линейными стационарными объектами // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2011. - Вып.7. - С.71-80.

2. Nguyen Kiem Chien, Viktor V. Putov, Viktor N. Sheludko, Anastasiia D. Stotchaia. The indirect adaptive control systems with parametrically customized models for control of nonlinear non-stationary objects // Template and guidelines for Proceedings of the IEEE North West Russia Section v2. СПб.: 20П.-С.35М2.

3. H. К. Чьен, В. В. Путов, В. Н. Шелудько. Сравнительное исследование непрямых и прямых адаптивных систем с параметрической настройкой и мажорирующими функциями для управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2012. - Вып.2. - С.58-65.

4. Н. К. Чьен, В. В. Путов, В. Н. Шелудько, С. Г. Герман-Галкин. Сравнительное исследование прямой и непрямой адаптивных систем управления асинхронным электроприводом с нелинейными упругими свойствами // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2012. - Вып.5. - С.82-86.

5. Н. К. Чьен, С. В. Гаврилов, Ч. С. Киен, Д. К. Фыонг. Компьютерная технология построения управления мехатронными системами // «Естественные и технические науки», № 1. Изд-во: «Компания Спутник +», 2006. С. 207-212.

6. Н. К. Чьен, С. В. Гаврилов, Д. К. Фыонг. Исследование прямой беспоисковой адаптивной системы с сигнальной настройкой для управления автономным электрогидравлическим следящим приводом (АЭГСП) // «Естественные и технические науки», № 1. Изд-во: «Компания Спутник+», 2007. С. 97-102.

7. Nguyen Kiem Chien, Viktor V. Putov, Viktor N. Sheludko, Anastasiia D. Stotchaia, Vladimir V. Lebedev. Direct and indirect adaptive control systems of induction electric drive with elastic and nonlinear properties // Template and guidelines for Proceedings of the IEEE North West Russia Section vl. СПб.: 2012 (в печати).

В других изданиях:

8. Н. К. Чьен, В. В. Путов, В. В. Лебедев, Ч. А. Зунг, В. Я. Короп. Нейронечеткая система управления трехмассовыми нелинейными упругими электромеханическими объектами // Известия государственного электротехнического университета, Серия «Автоматизация и управление». -СПб., 2007. - Вып.1. - С.20-26.

9. Н. К. Чьен, В. П. Казаков, Е. В. Белградская, X. М. Тханг. Непрямые адаптивные системы управления двухмассовым упругим электромеханическим объектом с параметрически настраиваемыми моделями // XIII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением». 15-18 марта 2011 г. СПб.:2011.

10. Н. К. Чьен, В. Н. Шелудько, А. С. Пекаровский, Е. В. Белградская. Адаптивные системы управления объектами первого и второго порядков с применением гауссовых функций // Международный сборник научных трудов «Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах» 2011 год, г. Магнитогорск.

11. Н. К. Чьен, В. К. Фыонг, В. Н. Шелудько, В. П. Казаков. Разработка прямых систем с применением нейронных сетей для управления трехмассовым упругим электромеханическим объектом // Материалы конференции «Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям». 23-25 июня 2010, Санкт-Петербург. С. 64-67.

12. Н. К. Чьен, В. К. Фыонг. Нейронечеткое управление электромеханическами объектами с упругими связями // Материалы конференции «VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых». 14-17 апреля 2009 года, Санкт-Петербург. С. 93-98.

13. Н. К. Чьен, В. К. Фыонг, Д. В. Ба. Прямые адаптивные системы управления линейными объектами первого порядка с применением нейронных сетей // Материалы конференции «63-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета». 26 января - 6 февраля 2010, Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». С. 179-184.

14. Н. К. Чьен, В. П. Казаков, А. С. Пекаровский, В. К. Фыонг. Разработка адаптивных аналитических и интеллектуальных систем управления упругим электромеханическим объектом И XI конференция молодых ученых «Навигация и управление движением». 15-18 марта 2010 г. СП6..-2010.

15. Н. К. Чьен, В. П. Казаков, А. С. Пекаровский, В. К. Фыонг. Разработка систем управления двухкоординатным роботом-манипулятором и механическим объектом в двухосном кардановом подвесе // XI конференция молодых ученых «Навигация и управление движением». 15-18 марта 2010 г. СПб. :2010.

Подписано в печать 23.04.12. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 44.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Нгуен Кьем Чьен

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩИЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ НЕПРЯМЫХ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫМИ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ С МАЖОРИРУЮЩИМИ ФУНКЦИЯМИ.

1.1. Предварительные замечания.

1.1.1. Беспоисковый конечномерный непрерывный детерминистский подход.

1.1.2. Укрупненная классификация беспоисковых адаптивных систем.

1.1.3. Современное состояние беспоисковых адаптивных систем

1.2. Математические модели нелинейных нестационарных объектов и постановка задач адаптивного управления.

1.3. Системы адаптивной идентификации с алгоритмами параметрической настройки.

1.3.1. Полные системы адаптивной идентификации с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями.

1.3.2. Упрощенные системы адаптивной идентификации с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями роста старших степеней.

1.4. Непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления линейными стационарными объектами

1.5. Адаптивные системы непрямого управления нелинейными нестационарными объектами общего вида с алгоритмами параметрической настройки и мажорирующими функциями.

1.5.1. Полная структура с непрямым адаптивным управлением и алгоритмами параметрической настройки с мажорирующими функциями.

1.5.2. Упрощенная структура с непрямым адаптивным управлением и алгоритмами параметрической настройки с мажорирующими функциями.

1.6. Выводы по первой главе.

2. НЕПРЯМЫЕ АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫМИ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЯДКОВ С ПАРАМЕТРИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМЫМИ МОДЕЛЯМИ

2.1. Разработка систем адаптивной идентификации и непрямых адаптивных систем с алгоритмами параметрической настройки для управления нелинейными нестационарными объектами первого порядка.

2.1.1. Разработка системы адаптивной идентификации с алгоритмами параметрической настройки для нелинейных нестационарных объектов первого порядка.

2.1.2. Разработка непрямых адаптивных систем с алгоритмами параметрической настройки для управления нелинейными нестационарными объектами первого порядка.

2.2. Разработка систем адаптивной идентификации и непрямых адаптивных систем с алгоритмами параметрической настройки для управления нелинейными нестационарными объектами второго порядка.

2.2.1. Разработка системы адаптивной идентификации с алгоритмами параметрической настройки для нелинейных нестационарных объектов второго порядка.

2.2.2. Разработка непрямых адаптивных систем с алгоритмами параметрической настройки для управления нелинейными нестационарными объектами второго порядка.

2.3. Выводы по второй главе.

3. РАЗРАБОТКА И СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С УПРУГИМИ И НЕЛИНЕЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ.

3.1. Математические модели электропривода постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами и подчиненным управлением

3.1.1. Типовая следящая система с подчиненным управлением и электроприводом постоянного тока с упругими и нелинейными 98 свойствами.

3.1.1.1. Расчет трехконтурной электромеханической следящей системы.

3.1.1.2. Расчет двухконтурной электромеханической следящей системы.

3.1.2. Идентификатор состояния (наблюдатель) электропривода постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами.

3.1.3. Эталонная модель электропривода постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами.

3.1.4. Исследование характеристик следящей системы с жестким и упругим объектом, с постоянными параметрами и подчиненным управлением.

3.2. Разработка и исследование адаптивных систем управления электроприводом постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами и мажорирующими функциями.

3.2.1. Базовые структуры прямых адаптивных систем с эталонной моделью и мажорирующими функциями для управления нелинейными нестационарными объектами.

3.2.2. Прямое адаптивное управление с параметрической настройкой и мажорирующими функциями для электропривода постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами.

3.2.3. Непрямое адаптивное управление с параметрически настраиваемой моделью и мажорирующими функциями для электропривода постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами

3.3. Моделирование и сравнение прямой и непрямой адаптивных систем с параметрической настройкой и мажорирующими функциями для управления электроприводом постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами. Результаты моделирования.

3.3.1. Расчет, построение и моделирование адаптивных систем с параметрической настройкой и мажорирующими функциями для управления электроприводом постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами третьего порядка в виде двухконтурной следящей системы.

3.3.2. Расчет, построение и моделирование адаптивных систем с параметрической настройкой и мажорирующими функциями для управления электроприводом постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами четвертого порядка в виде трехконтурной следящей системы.

3.4. Выводы по третьей главе.

4. РАЗРАБОТКА И СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С УПРУГИМИ И НЕЛИНЕЙНЫМИ СВОЙСТВАМИ

4.1. Математические модели асинхронного электропривода с упругими и нелинейными свойствами.

4.1.1. Следящая система с подчиненным управлением жестким объектом с исполнительным асинхронным электроприводом.

4.1.2. Следящая система с подчиненным управлением асинхронным электроприводом с упругими и нелинейными свойствами

4.2. Исследование характеристик следящей системы с подчиненным управлением для жесткого и упругого объекта с исполнительным асинхронным электроприводом при постоянных параметрах

4.3. Эталонная модель и наблюдатель состояния асинхронного электропривода с упругими и нелинейными свойствами.

4.3.1. Эталонная модель асинхронного электропривода с упругими и нелинейными свойствами.

4.3.2. Идентификатор состояния (наблюдатель) асинхронного электропривода с упругими и нелинейными свойствами.

4.4. Адаптивные системы с параметрической настройкой, наблюдателем и мажорирующими функциями для управления асинхронным электроприводом с упругими и нелинейными свойствами.

4.4.1. Прямая адаптивная система с параметрической настройкой, наблюдателем и мажорирующими функциями для управления асинхронным электроприводом с упругими и нелинейными свойствами

4.4.2. Непрямая адаптивная система с параметрической настройкой, наблюдателем и мажорирующими функциями для управления асинхронным электроприводом с упругими и нелинейными свойствами.

4.4.3. Результаты моделирования.

4.5. Выводы по четвертой главе.

Введение 2012 год, диссертация по электротехнике, Нгуен Кьем Чьен

Актуальность темы и подход к ее решению. Теория адаптивных систем возникла в связи с необходимостью решения широкого класса прикладных задач, для которых неприемлемы традиционные методы. Качество традиционных методов управления тем выше, чем больше имеется априорной информации о самом объекте и условиях его функционирования. Но на практике достаточно трудно обеспечить точное математическое описание объекта управления. Кроме того, характеристики объекта в процессе функционирования могут существенно изменяться. В этих условиях традиционные методы зачастую оказываются неприемлемыми или дают неудовлетворительные результаты. Так возникла необходимость в построении управляющих систем, не требующих полной априорной информации об объекте и условиях его функционирования. Подобные задачи появляются при создании высокоточных систем наведения, бортовых систем управления и навигации в летательных аппаратах, систем управления многими механическими устройствами (роботами, манипуляторами) и т. д. Эффект приспособления к условиям функционирования в адаптивных системах обеспечивается за счет накопления и обработки информации о поведении объекта в процессе его работы. Это позволяет снизить влияние неопределенности на качество управления, компенсируя недостаток априорной информации на этапе проектирования. В такой постановке одним из признанных методов решения задач управления механическими объектами являются адаптивные методы, в рамках которых беспоисковые (аналитические) адаптивные системы относятся к интенсивно развиваемому направлению и принципиально рассчитаны на реализацию средствами современной вычислительной техники в темпе текущего времени.

В настоящее время задачи управления многостепенными взаимосвязанными нелинейными электромеханическими объектами с протяженной геометрией и упругими деформациями, обеспечивающие повышение эффективности функционирования мехатронных промышленных комплексов и подвижных объектов, занимают одно из передовых мест по числу применений для высокотехнологичных и прецизионных установок в промышленности. К таким меха-тронным комплексам как объектам управления относятся конструкции высокоточных металлорежущих станков, экстремальных роботов-манипуляторов, быстроходных наземных и морских подвижных объектов, высокоманевренных летательных аппаратов, испытательных стендов, мобильных установок аэродромного обслуживания и т. д. При этом в условиях, когда возможности современного конструирования и применения новейших материалов с целью достижения высокой точности и высокой производительности сложных электромеханических объектов исчерпываются, дальнейшее повышение их эффективности может быть достигнуто только методами и средствами более сложного управления, и в последнее время на этом пути все чаще применяют аналитические адаптивные системы управления. Таким образом, задачи повышения динамической точности и быстродействия функционирования сложных механических объектов решаются созданием адекватных таким задачам более эффективных систем управления их движением, и этот путь не имеет альтернативы. Это позволяет говорить о том, что развитие высоких технологий и техники новых поколений выдвигает задачи создания так называемых мехатронных комплексов, объединяющих в одно взаимоувязанное целое теоретические, проектные и конструкторские решения в области точной механики и электроники, управления и автоматизации, информатики и вычислительной техники.

В свою очередь, в области адаптивного управления в последние годы резко возрос интерес к разработке адаптивных систем, специализированных для класса многостепенных механических объектов, к динамической точности пространственного движения которых предъявляются повышенные требования. Кроме того, остается актуальным решение очень важной в технике задачи принудительного гашения упругих колебаний, вызывающих разрушительные явления в механических объектах и препятствующих попыткам реализовать в них управление с предельным быстродействием, определяемым ресурсом исполнительных приводов.

Упругие деформации звеньев механических конструкций и передач являются одним из доминирующих факторов, препятствующих повышению эффективности управляемых механических объектов, подлежащих подавлению средствами управления. В многостепенных механических объектах с собственными частотами, лежащими в полосе пропускания исполнительных приводов, определяемой их предельно возможным быстродействием, упругие колебания возбуждаются при любой попытке реализовать это предельное быстродействие в управлении, что приводит к снижению качественных показателей объектов, повышенному износу, поломкам и авариям промышленного оборудования, тормозит рост его производительности. В силу приблизительно одинаковых требований к прочностным характеристикам механических конструкций объектов в самых различных областях техники значения низших собственных частот упругих колебаний в них всегда находятся в одних и тех же пределах (2-15 Гц) независимо от масштабов (массогабаритных показателей) исполнения объектов, и опасность возбуждения упругих колебаний препятствует любым попыткам реализовать потенциально весьма высокие предельные возможности быстродействия собственно исполнительных электрических или гидравлических приводов механизмов степеней подвижности управляемых объектов [4, 5, 20, 44]. Однако построение подавляющего большинства современных систем автоматического управления движением базируется на традиционной для техники управления последних десятилетий идеологии так называемого подчиненного управления, основным вычислительным электронным модулем реализации которого является операционный усилитель. Так, предельно возможное в рамках широко распространенного в технике метода подчиненного управления быстродействие, отвечающее идеализированному представлению одной степени подвижности объекта в виде жестко присоединенной к исполнительному приводу нагрузки с неизменной инерционной характеристикой, соответствует полосе пропускания следящей системы до 100-250 рад/с, т.е. 16-40 Гц [38]. Таким образом, при наличии упругих деформаций с частотами, лежащими в пределах 2-15 Гц, реальное быстродействие систем должно быть снижено многократно, что приводит к значительному недоиспользованию потенциальных возможностей современных исполнительных приводов. Очевидно также, что снижение быстродействия систем не решает проблему устойчивости к возникновению упругих колебаний, так как последние могут беспрепятственно возбуждаться под действием ударной нагрузки [4]. С другой стороны, вынужденное снижение быстродействия (добротности) следящих систем с подчиненным управлением в такой значительной степени ухудшает реакцию систем на возмущения, что приводит к большим динамическим ошибкам («провалам») этих систем в режимах стабилизированного наведения. Таким образом, сами современные электрические (и гидравлические) приводы создают необходимые предпосылки для совершенствования систем управления, исполнительным ядром которых они являются.

Другой необходимой предпосылкой создания более совершенных систем автоматического управления подвижными механическими объектами является идущий в настоящее время поистине революционный переход от реализуемой в течение предшествующих десятилетий аналоговой элементной базы электронных блоков бортовых систем управления к современной высокопроизводительной вычислительной микроконтроллерной технике бортового применения. Это создает условия для такого же кардинального пересмотра традиционных методов построения систем управления подвижными объектами и перехода к более современным методам управления. Привлечение же современной высокопроизводительной вычислительной техники только для реализации довольно простых традиционных линейных средств подчиненного управления такими механическими объектами и игнорирование действительной сложности их динамики является ничем не оправданным недоиспользованием потенциальных возможностей современной бортовой вычислительной техники.

В диссертации, задачи, связанные с разработкой эффективных систем автоматического управления классом объектов с многорезонансными нелинейными упругими деформациями, априорно неопределенным и сложным описанием, неполными измерениями, быстро и в широких пределах изменяющимися параметрами и внешними возмущениями, являются актуальными и решаются в данной работе в рамках беспоискового (аналитического) адаптивных подходов, получивших в последнее время значительное теоретическое и теоретико-прикладное развитие в отечественной и зарубежной научно-технической литературе усилиями многих российских и зарубежных ученых, в числе которых в библиографии к диссертации названы Андриевский Б.Р., Борцов Ю.А., Буков В.Н., Бураков М.В., Вукобратович М., Ефимов Д.В., Заде Д., Земляков С.Д., Коновалов A.C., Кофман А., Лохин В.М., Макаров И.М., Манько C.B., Ми-рошник И.В., Никифоров В.О., Овсепян Ф.А., Петров Б.Н., Полушин И.Г., По-ляхов Н.Д., Путов В.В., Рутковский В.Ю., Санковский Е.А., Солодовников В.В., Срагович В.Г., Стоцкий A.A., Терехов В.А., Тимофеев A.B., Тюкин И.Ю., Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Шрамко Л.С., Шумский В.М., Ядыкин И.Б., Якубович В.А., Buckley J.J., Carrol R.L., Hayashi Y., Jang J.-S., Kasabov N., Kim J., Landau T.D., Lee G., Lin C.-T., Lindorff D.P., Narendra K.S., Ortega R., Slotine J., Sugeno M., Takagi T., Teshnehlab M., Valavani L.S., Watanabe K., Yager R.R.

Однако известные беспоисковые схемы адаптивного управления нелинейными и в общем случае нестационарными объектами допускают такой уровень неопределенности правых частей описывающих их дифференциальных уравнений, когда они известны с точностью до постоянных или изменяющихся во времени неизвестных параметров, причем в первом, стационарном, случае обеспечивается асимптотическая устойчивость, а во втором, нестационарном -диссипативность адаптивных систем, а вид нелинейных правых частей с точностью до неизвестных параметров полностью воспроизводится в построении беспоисковых адаптивных алгоритмов. В опубликованных последнее время работах В.В. Путова [27, 28, 29, 31, 34] ставится задача управления нелинейными и нестационарными объектами в условиях гораздо большей их неопределенности, чем параметрическая. Такая неопределенность, когда неизвестны не только параметры, но и само строение правых частей дифференциальных уравнений объектов, в [34] названа функционально-параметрической неопределенностью, и требование асимптотической устойчивости адаптивных систем управления такими объектами всюду заменяется требованием их диссипативности. В этом новом подходе выдвигается некоторый класс считающихся известными функций, которые связаны с неизвестными правыми частями дифференциальных уравнений нелинейных объектов некоторыми оценочными (мажорирующими) соотношениями, и в построении адаптивных систем участвуют не сами функции правых частей уравнений нелинейных объектов, которые считаются неизвестными, а эти оценочные функции, названные автором подхода мажорирующими функциями, и решение проблемы определяется выбором класса достаточно простых и легко реализуемых мажорирующих функций, более или менее близко оценивающих нелинейное строение неизвестных объектов [23, 34].

В [30] рассмотрены теоретические вопросы построения нового класса приближенных беспоисковых адаптивных систем управления нелинейными нестационарными объектами с параметрической и функциональной неопределенностью, основанных на использовании некоторых мажорирующих приближений неизвестного нелинейного описания объекта, причем рассматриваются прямые адаптивные системы с эталонными моделями. Поэтому в этой диссертации предлагается рассматривать непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями и мажорирующими функциями. Также в этой диссертации, полученные теоретические результаты систематически применяются к разработке непрямых адаптивных систем управления нелинейными нестационарными объектами первого, второго порядков и двухмассовыми упругими электромеханическими объектами с неопределенным описанием и не полными измерениями переменных состояния. И следует, рассматривается сопоставление их эффективность работы с работой прямых адаптивных систем с эталонными моделями и мажорирующими функциями для управления указанными объектами.

Цель и задачи работы. Разработка и исследование непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами; проведение сравнительного анализа эффективности работы прямых (с эталонной моделью) и непрямых (с настраиваемой моделью) адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного и переменного тока с упругими и нелинейными свойствами.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

2. Исследование и разработка систем адаптивной идентификации и непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами первого и второго порядков.

3. Исследование и разработка прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами.

4. Исследование и разработка прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления асинхронными электроприводами с упругими и нелинейными свойствами.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены в рамках применения методов теории устойчивости и диссипативности систем, основанных на функциях Ляпунова; беспоисковых методов синтеза адаптивных систем управления линейными и нелинейными динамическими объектами, базирующихся на их точных и приближенных (с мажорирующими функциями) математических моделях; компьютерных методов исследования на базе стандартных программных продуктов. Проверка эффективности полученных теоретических результатов производится в процессе моделирования с помощью среды Ма1;1аЬ-81.ти1тк.

Научные результаты, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, вытекающие из поставленной цели и решения сформулированных задач:

3. Непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, настраиваемой моделью, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

2. Разработанные и исследованные системы адаптивной идентификации и непрямые адаптивные системы с параметрически настраиваемыми моделями для управления нелинейными нестационарными объектами первого и второго порядков позволяют исследовать эффективность работы предлагаемых непрямых адаптивных систем.

3. Разработан новый класс упрощенных непрямых адаптивных систем управления электроприводами постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами и неполными измерениями, характеризующийся введением наблюдателей и мажорирующих функций, подавляющих влияние нелинейных упругих деформаций и неопределенности параметров.

4. Впервые разработаны прямые и непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления асинхронными электроприводами с упругими и нелинейными свойствами, отличающимися тем, что они имеют более сложное математическое описание и схемное построение, чем электроприводы постоянного тока.

5. Проведенное сравнительное исследование эффективности работы прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления электроприводами постоянного и переменного тока с упругими и нелинейными свойствами позволяет обосновать выбор беспоисковых адаптивных регуляторов в задачах подавления упругих колебаний и повышения точности управления.

Достоверность научных и практических результатов. До'стоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обусловливается корректным использованием методов исследования; применением современных компьютерных средств и программных комплексов, а также результатами экспериментального исследования построенных в работе аналитических непрямых и прямых адаптивных систем управления двухмассовым нелинейным упругим электромеханическим объектом в лабораторных условиях.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что:

- созданы полезные в инженерном проектировании и легко поддающиеся компьютеризации методики расчета семейства реализуемых аналитических прямых и непрямых адаптивных систем управления электромеханическими объектами, применимые в условиях ограниченного объема априорных сведений об объектах (паспортных данных исполнительных электроприводов, неопределенности изменения учитываемой резонансной частоты и массоинерционных параметров), их нелинейности и неполной измеримости;

- разработаны и отлажены на базе пакета МАТЬАВ прямые и непрямые адаптивные системы управления для класса двухмассовых упругих электромеханических объектов, применимые для использования в качестве основы НИ-ОКР и внедрения в конкретные изделия.

Внедрение результатов работы. Теоретические положения, методики расчета и конкретные структуры семейства адаптивных систем использованы в НИОКР «Теоретические основы технологий безопасности движения подвижных объектов» (2006 - 2007 г.г.). Шифр - ФИЕТ/САУ-77. Источник финансирования -федеральный бюджет.

Заключение диссертация на тему "Разработка и сравнительное исследование адаптивных систем управления электроприводами с упругими и нелинейными свойствами"

4.5. Выводы по четвертой главе

В четвертой главе работы решены следующие задачи:

1. Рассмотрена математическая модель асинхронного электропривода с упругими и нелинейными свойствами при ориентации вращающейся системы координат по вектору потокосцепления ротора.

2. Составлены по принципу подчиненного управления расчетные уравнения электромеханических следящих систем с асинхронным электроприводом при учете зазоров в упругих связях. Эти уравнения приняты в качестве исходной расчетной модели упругого электромеханического объекта с усредненными параметрами для дальнейших построений прямых и непрямых адаптивных структур управления.

3. На основе приведенных расчетных моделей исходного упругого объекта с усредненными параметрами приведены расчеты наблюдателя (по измерению угловой скорости электропривода) и эталонной модели для асинхронного электропривода с упругими и нелинейными свойствами. Эти структуры служат для дальнейшего построения прямых и непрямых аналитических адаптивных систем.

4. В МаЙаЬ - БтиНпк разработаны прямые и непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателями для управления асинхронным электроприводом с упругими и нелинейными свойствами. Результаты исследований по разработанным программам подтверждают работоспособность адаптивных систем и более высокую эффективность непрямых адаптивных систем по сравнению с прямыми адаптивными системами в задачах подавления упругих колебаний, обеспечения повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью и задачами диссертации проведены теоретические и экспериментальные исследования. Основные результаты работы заключаются в следующем:

2. Разработана методика построения новых классов полных непрямых адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями, основанных на методе мажорирующих функций. Рассмотрены способы построения упрощенных адаптивных систем с параметрически настраиваемыми моделями и мажорирующими функциями, когда в структуре адаптивной системы удерживаются только мажорирующие функции старших или превосходящих степеней роста правых частей математических моделей объектов.

3. Разработаны непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой для управления нелинейными нестационарными объектами первого и второго порядков. С использованием пакета МаЙаЬ - БнгшНпк разработаны программы моделирования таких систем, результаты исследований по которым подтверждают высокую работоспособность непрямых адаптивных систем в задачах обеспечения повышения быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

4. Разработаны прямые и непрямые адаптивные системы с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателями для управления электроприводом постоянного тока с упругими и нелинейными свойствами. В Ма^аЬ - БтиНпк разработаны соответствующие программы моделирования для широкого спектра прикладных задач. Результаты исследований по разработанным программам подтверждают работоспособность адаптивных систем и более высокую эффективность непрямых адаптивных систем по сравнению с прямыми адаптивными системами в задачах подавления упругих колебаний, достижения повышенных быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

7. В Ма^аЬ - 81шиНпк разработаны модели прямых и непрямых адаптивных систем с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателями для управления асинхронным электроприводом с упругими и нелинейными свойствами. Результаты исследований подтверждают работоспособность адаптивных систем и более высокую эффективность непрямых адаптивных систем по сравнению с прямыми адаптивными системами в задачах подавления упругих колебаний, достижения повышенных быстродействия и точности управления в условиях параметрической и функциональной неопределенности.

Библиография Нгуен Кьем Чьен, диссертация по теме Электротехнические комплексы и системы

1. Андреев, Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами Текст. / Ю.Н. Андреев. М.: Наука, 1976. - 424 с.

2. Андриевский, Б.Р. Алгоритмы скоростного градиента в задачах управления и адаптации Текст. / Б.Р. Андриевский, A.A. Стоцкий, A.JI Фрадков // Автоматика и телемеханика. 1988. - №12. - С.3-39.

3. Андриевский, Б.Р. Избранные главы теории автоматического управления Текст. / Б.Р. Андриевский, A.JI. Фрадков. СПб.: Наука, 1999. - 450 с.

4. Болотин, В.В. Динамическая устойчивость упругих систем Текст. / В.В. Болотин. -М.: Гостехиздат, 1956.

5. Борцов, Ю.А. Автоматизированный электропривод с упругими связями Текст. / Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский. СПб.: Энергоатомиздат, 1992. -216 с.

6. Борцов, Ю.А. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением Текст. / Ю.А. Борцов, Н.Д. Поляхов, В.В. Путов. Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 216 с.

7. Бурдаков С.Ф. Управление колебаниями в кинематических механизмах. Учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008. -106 с.

8. Емельянов, C.B. Бинарные системы автоматического управления Текст. / C.B. Емельянов. М.: МНИИПУ, 1984.-314 с.

9. Земляков, С.Д. Условия функционирования многомерной самонастраивающейся системы управления с эталонной моделью при постоянно действующих параметрических возмущениях Текст. / С.Д. Земляков, В.Ю. Рутков-ский // ДАН СССР. 1978. - Т.241, №2. - С.ЗО 1-304.

10. Зубов, В.И. Аналитическая динамика системы тел Текст. / В.И. Зубов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1983.-344 с.

11. Зубов, В.И. Динамика управляемых систем Текст. / В.И. Зубов. М.: Высшая школа, 1982.-288 с.

12. Зубов, В.И. Лекции по теории управления Текст. / В.И. Зубов. М.: Наука, 1975.-496 с.

13. Коськин, Ю.П., Путов В.В. Проблемы и перспективы развития электроме-ханотроники Текст. / Ю.П. Коськин, В.В. Путов // Мехатроника. 2000. -№5. - С.5-9.

14. Кузовков, Н.Г. Модальное управление и наблюдающие устройства Текст. / Н.Г. Кузовков. -М.: Машиностроение, 1976. 184 с.

15. Кунцевич, В.М. Синтез систем автоматического управления с помощью функций Ляпунова Текст. / В.М. Кунцевич, М.М. Лычак. М: Наука, 1977. -280 с.

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

17. Меркин, Д. Р. Введение в теорию устойчивости движения Текст. / Д.Р. Меркин. -М.: Наука, 1976.-320 с.

18. Мирошник, И.В. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами Текст. /И.В. Мирошник, В.О. Никифоров, А.Л. Фрадков. СПб.: Наука, 2000. - 550 с.

19. Пановко, Я.Г. Введение в теорию механических колебаний Текст. / Я.Г. Пановко. М.: Наука, 1980. - 280 с.

20. Петров, Б.Н. Адаптивное координатно-параметрическое управление нестационарными объектами Текст. / Б.Н. Петров, В.Ю. Рутковский, С.Д. Земляков. М.: Наука, 1980. - 224 с.

21. Петров Б.Н. Принципы построения и проектирования самонастраивающихся систем управления Текст. / Б.Н. Петров, В.Ю. Рутковский, И.Н. Крутова и др. М.: Машиностроение, 1972. - 260 с.

22. Полушин, И.Г. Построение алгоритмов адаптивного управления нелинейным многостепенным механическими объектом: Дисс. к-та техн. наук Текст. / И.Г. Полушин. СПб.: СПбГЭТУ, 1995. - 174 с.

23. Поляхов, Н.Д. Адаптация и идентификация автоматических систем: Учебн. пособие Текст. / Н.Д. Поляхов, В.В. Путов. Л.: ЛЭТИ, 1984. - 80 с.

24. Понтрягин, Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения Текст. / Л.С. Понтрягин. М.: Наука, 1982. - 332 с.

25. Попов, В.М. Гиперустойчивость автоматических систем Текст. / В.М. Попов. М.: Наука, 1970. - 456 с.

26. Путов, В.В. Адаптивное и модальное управление механическими объектами с упругими деформациями: Учебн. пособие Текст. / В.В. Путов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2002. - 112 с.

27. Путов, В.В. Адаптивное управление динамикой сложных мехатронных систем Текст. / В.В. Путов // Мехатроника. 2000. - №1. - С.20-26.

28. Путов, В.В. Адаптивное управление динамическими объектами: беспоисковые системы с эталонными моделями: Учебн. пособие Текст. /В.В. Путов. -СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. 92 с.

29. Путов, В.В. Адаптивные и модальные системы управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами Текст. / В.В. Путов, В.Н. Шелудько. СПб.: Изд-во «Элмор», 2007. - 243 с.

30. Путов, В.В. Адаптивные системы с алгоритмами настройки высшего порядка вуправлении нелинейными объектами Текст. /В.В. Путов // Структуры сложных систем и алгоритмы управления: Сб. науч. статей. Л.: Изд-во ЛГУ, 1990. - Вып.8. - С.147-159.

31. Путов, В.В. Адаптивные системы управления нелинейными механическими объектами с многорезонансными упругими деформациями Текст. /В.В. Пуtob, B.H. Шелудько // Мехатроника. 2001. - №3. - С. 11-19.

32. Путов, В.В. Методы построения адаптивных систем управления нелинейными нестационарными динамическими объектами с функционально-параметрической неопределенностью: Дисс. д-ра техн. наук Текст. / В.В. Путов. СПб.: СПбГЭТУ, 1993. - 590 с.

33. Путов, В.В. Развитие беспоисковых адаптивных методов и их приложения к задачам управления сложными механическими объектами Текст. /В.В. Путов // Авиакосмическое приборостроение. 2003. - №5. - С.3-8.

34. Санковский, Е.А. Вопросы построения оптимальных самонастраивающихся систем управления Текст. / Е.А. Санковский, В.Д. Громыко, Н.М. Слукин. Минск: МВЗРУ, 1971.-240 с.

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

36. Солодовников, В.В. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями Текст. / В.В. Солодовников, Л.С. Шрамко. М.: Машиностроение, 1972. - 270 с.

37. Справочник по теории автоматического управления Текст. / Под ред. А.А. Красовского. М: Наука, 1987. - 712 с.

38. Срагович, В.Г. Адаптивное управление Текст. / В.Г. Срагович. М.: Наука, 1981.-384 с.

39. Тимофеев, А.В. Адаптивные робототехнические комплексы Текст. / А.В. Тимофеев. Д.: Машиностроение, 1988. - 332 с.

40. Тимофеев, А.В. Построение адаптивных систем управления программным движением Текст. / А.В. Тимофеев. Д.: Энергия, 1980. - 88 с.

41. Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле Текст. / С.П. Тимошенко, Д.Х. Янг, У. Уивер. М.: Машиностроение, 1985. - 472 с.

42. Фомин, В.Н. Адаптивное управление динамическими объектами Текст. / В.Н. Фомин, А.Л. Фрадков, В.А. Якубович. М.: Наука, 1981. - 448 с.

43. Фрадков, А.Л. Адаптивное управление в сложных системах: беспоисковые методы Текст. / А.Л. Фрадков. М.: Наука, 1990. - 296 с.

44. Фурасов, В.Д. Устойчивость и стабилизация дискретных процессов. М.: Наука, 1982. 192 с.

45. Ядыкин, И.Б. Адаптивное управление непрерывными технологическими процессами Текст. / И.Б. Ядыкин, В.М. Шумский, Ф.А. Овсепян. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

46. Landau, T.D. Adaptive control systems: the Model Reference approach / T.D. Landau. N.Y.: Marcel Dekktr, 1979. - 406 p.

47. Lindorff, D.P. Survey of adaptive control using Lyapunov design / D.P. Lindorff, R.L. Carrol // Int.J.Contr. 1973. - Vol.18, №5.

48. Ljung, L. System identification: Theory for the user / L. Ljung. N.J.: Prentice-Hall International, Inc., 1987.

49. Narendra, K.S. Direct and indirect adaptive control / K.S. Narendra, L.S. Vala-vani // Automatica. 1979. - Vol.15, №6. - P.653-664.

50. Narendra, K.S. New adaptive law for robust adaptation without persistens exitation / K.S. Narendra, A.M. Annaswany // IEEE Trans. Aut. Control. 1987. - №2. - P. 134-145.

51. Ortega, R. Robustness of Adaptive Controllers a Survey / R. Ortega, Y. Tang // Automatica. - 1989. - Vol.25, №5. -P.651-677.

52. Slotine, J. Composite Adaptive Control of Robot Manipulators / J. Slotine, W. Li // Automatica. 1989. - Vol.25, №4. - P.509-519.

53. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием Текст. / Г.Г. Соколовский. -М.: Academa, 2006. 265 с.

54. Кузовков Н. Т. Теория автоматического регулирования, основанная на частотных методах/ Н. Т. Кузовков. М.: Оборонгиз, 1960. - 444 с.

Похожие работы

Электротехника
05.09.00