Нечеткий регулятор асинхронный двигатель

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ НА ПРИМЕРЕ УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Читать статью полностью

Ссылка для цитирования: Демидова Г.Л., Кузин А.Ю., Лукичев Д.В. Особенности применения нечетких регуляторов на примере управления скоростью вращения электродвигателя постоянного тока // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 5. С. 872–878. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-5-872-878

Предпосылкой к использованию методов интеллектуального управления, в том числе алгоритмов нечеткой (фаззи-) логики, служит происходящее во всех отраслях промышленности усложнение технических систем, параметры которых в процессе эксплуатации могут изменяться в довольно широких пределах. В работе приводится сравнительный анализ основных типов нечетких регуляторов прямого действия на примере системы управления скоростью вращения двигателя в электроприводе постоянного тока. Показаны характерные особенности построения данных типов нечетких регуляторов, с помощью имитационного моделирования приводится их сравнение с традиционным ПИ-регулятором, в том числе и в условиях неопределенности, выраженной в изменении приведенного момента инерции вала двигателя. В результате делается вывод о целесообразности использования нечеткого регулятора ПИД-типа. Приведенные в работе характерные особенности нечетких регуляторов могут быть обобщены как на более сложные системы управления электроприводами, так и на другие нелинейные системы, где требуется поддержание какого-либо параметра в заданном диапазоне.

Ключевые слова: двигатель постоянного тока, ПИД-регулятор, нечеткая логика, нечеткий регулятор, робастность

Благодарности. Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01).

1. Ang K.H., Chong G., Li Y. PID control system analysis, design, and technology // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2005. V. 13. N 4. P. 559–576. doi: 10.1109/TCST.2005.847331
2. Quevedo J., Escobet T. Digital control: past, present and future of PID control // Proc. IFAC Workshop. Terrassa, Spain, 2000.
3. Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum settings for automatic controllers // Trans. ASME. 1942. V. 64. P. 759–768.
4. Демидова Г.Л., Ловлин С.Ю., Цветкова М.Х. Синтез следящего электропривода азимутальной оси телескопа с эталонной моделью в контуре положения // Вестник ИГЭУ. 2011. № 2. С. 77–81.
5. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления / Под ред. Н.Д. Егупова. 2-е изд. М.: МГТУ, 2002. 744 с.
6. Гостев В.И. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления. Киев: Радиоаматор, 2008. 972 с.
7. Sheng O., Haishan L., Guoying L., Guohui Z., Xing Z., Qingzhen W. A fuzzy PI speed controller based on feedback compensation strategy for PMSM // International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2015. V. 6. N 5. P. 49–54.
8. Амосов О.С., Амосова Л.Н., Иванов С.Н. Синтез оптимальных систем управления электромеханическим теплогенерирующим комплексом с использованием нечетких систем // Информатика и системы управления. 2009. № 1(19). С. 73–83.
9. Хижняков Ю.Н., Южаков А.А. Нейро-нечеткий регулятор напряжения объекта управления // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54. № 12. C. 51–56.
10. Усольцев А.А., Смирнов Н.А. Нечеткий регулятор в системе управления следящим электроприводом с ограничением по скорости // Вестник ИГЭУ. 2011. № 3. С. 27–32.
11. Лукичев Д.В., Демидова Г.Л. Нечеткая система управления позиционным следящим электроприводом опорно-поворотных устройств с нежесткими осями // Вестник ИГЭУ. 2013. № 6. С. 60–64.
12. Куприянчик Д.В., Денисов К.М., Лукичев Д.В., Жданов И.Н. Аппаратная реализация алгоритмов нечеткой логики в структуре учебного лабораторного комплекса // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2006. № 33. С. 169–173.
13. Derugo P., Szabat K. Implementation of the low computational cost fuzzy PID controller for two-mass drive system // Proc. 16th Int. Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition (PEMC). Antalya, Turkey, 2014. P. 564–568. doi: 10.1109/EPEPEMC.2014.6980554
14. Kaminski M., Szabat K. Neuro-fuzzy state space controller for drive with elastic joint // Proc. 11th IEEE Int. Conf. on Power Electronics and Drive Systems. Sydney, Australia, 2015. P. 373–378. doi: 10.1109/PEDS.2015.7203559
15. Lukichev D.V., Demidova G.L, Brock S. Fuzzy adaptive PID control for two-mass servo-drive system with elasticity and friction // Proc. 2nd IEEE Int. Conf. on Cybernetics (CYBCONF). Gdynia, Poland, 2015. P. 443–448. doi: 10.1109/CYBConf.2015.7175975
16. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 2001. 704 с.
17. Усков А.А. Системы с нечеткими моделями объектов управления. Смоленск, 2013. 153 с.

Информация 2001-2021 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Источник

Линейный асинхронный электропривод двойного питания с нечетким регулятором Кольцова Вера Владимировна

Содержание к диссертации

1. Анализ систем управления 8

1.1. Линейные асинхронные электроприводы 8

1.2. Электроприводы двойного питания 19

1.3. Адаптивные системы 23

1.4. Электроприводы с нечеткой логикой 30

2. Математическое описание линейного асинхронного электропривода двойного питания 37

2.1. Математическое описание линейного асинхронного двигателя с фазным элементом 37

2.3. Синхронный режим 48

2.4. Асинхронный режим 54

Читайте также:  Снегоуборщики с двигателем subaru

2.5. Позиционирование фазного элемента 57

2.5. Экспериментальные исследования ЛАД двойного питания. 61

3.1. Обоснование целесообразности применения системы управления на основе нечеткой логики для линейного асинхронного электропривода. Алгоритм реализации нечеткого регулятора. 69

3.2. Разработка структурной схемы линейного асинхронного электропривода с нечетким регулятором.

Выбор входных и выходных переменных нечеткого регулятора 73

3.3. Задание лингвистических переменных 78

3.4. Разработка базы нечетких правил 83

3.4. Нечеткий вывода 87

3.5. Нечеткая модель управления линейным асинхронным электроприводом в среде MATLAB с применением пакета прикладных программ Simulink и Fuzzy Logic Toolbox 94

3.6. Анализ выбора вида функций принадлежности 104

4. Вопросы практического применения линейного асинхронного двигателя с нечетким регулятором скорости 119

4.1. Разработка системы позиционирования линейного асинхронного электропривода с фазным элементом 119

4.2. Разработка электропривода колебательного движения на базе линейного асинхронного двигателя с фазным элементом 128

4.3. Применение нечетких технологий для управления линейными асинхронными двигателями 137

4.4. Вопросы практической реализации нечеткого регулятора на базе микроконтроллера МС68НС11 141

4.5. Реализация программы нечеткого управления линейным асинхронным электроприводом на языке FCL 145

Список литературы 154

Тема диссертационной работы «Линейный асинхронный электропривод двойного питания с нечетким регулятором».

В настоящее время интенсивное развитие цифровой техники (микропроцессоров, управляющих ЭВМ, логических котроллеров) дает возможность построения новых адаптивных электроприводов на основе технологий искусственного интеллекта, имитирующих функции человека-оператора. Наибольшее распространение среди них получили технологии нечеткого управления. Фаззи-технологии представляют собой простой и эффективный метод решения задач управления, базирующийся на интуитивно-эмпирическом описании свойств сложных неопределенных и нестационарных объектов. К таким объектам можно отнести линейные асинхронные двигатели, особенностью которых является разомкнутость магнитной цепи. Линейные двигатели представляют собой сложную систему, в которой присутствует момент неопределенности, и параметры могут подвергаться сложно прогнозируемым изменениям.

Указанные трудности, тем не менее, не снижают научного и практического интереса к двигателям возвратно-поступательного движения, так как линейные двигатели способны дать непосредственное прямолинейное движение без кинематических преобразователей вида движения.

Распространенным принципом построения систем управления электроприводов, в том числе и линейных, является принцип подчиненного управления, использующий стандартные настройки контуров регулирования на основе математического представления двигателя, как объекта управления, стандартными звеньями (колебательным, апериодическим). Но описание линейных асинхронных двигателей упрощенно, без учета переходных процессов, происходящих в двигателе, не дает верного представления о характере движения подвижного элемента, так как линейный асинхронный двигатель имеет несим метрию магнитной цепи. Кроме того, при питании обмоток индуктора возникают колебания подвижного элемента, которые необходимо демпфировать.

Разработка классической адаптивной системы управления ЛАД, рассматриваемого в работе, на основе полной динамической модели двигателя сложная задача, так как при движении вторичного элемента возникает переменная сила одностороннего магнитного притяжения. Подобные задачи управления трудно или просто не возможно решить классическими методами из-за большой сложности их математических моделей. Для управления подобными сложными объектами целесообразно применять нечеткую логику.

Нечеткие технологии охватили широкий круг задач, в которых они, по сравнению с традиционными технологиями, способны предложить более эффективное и рациональное решение. Применение алгоритмов на базе нечеткой логики делает возможным управление сложными нелинейными объектами. Потому использование нечетких технологий для управления линейным асинхронным электродвигателем с фазным элементом является актуальной и современной задачей.

Работа выполнена в рамках НИР ВГТУ по госбюджетным темам №ГБ96.09 «Разработка и исследование средств робототехники», и №ГБ04.09 «Исследование и разработка методов проектирования средств автоматизации и роботизации технологических процессов».

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка системы управления линейным асинхронным двигателем двойного питания с нечетким регулятором, обеспечивающей регулирование скорости, перемещения и демпфирование колебаний фазного элемента.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ систем управления линейных асинхронных электроприводов, систем управления асинхронных приводов двойного питания, адаптивных систем управления электроприводов и систем управления на основе нечетких технологий.

2. Разработать математическую модель линейного асинхронного двигателя с фазным элементом, учитывающую переходные процессы в двигателе и несимметрию взаимных индуктивностей между фазами обмоток индуктора и фазного элемента.

3. Разработать структуру и математическую модель системы управления скоростью фазного элемента линейного асинхронного двигателя с нечетким регулятором; определить входные и выходные переменные нечеткого регулятора; выбрать функции принадлежности для каждой переменной.

4. Разработать структуру и математическую модель системы позиционирования и демпфирования колебаний фазного элемента линейного асинхронного двигателя с нечетким регулятором.

5. Исследовать основные характеристики линейного асинхронного электропривода с нечетким регулятором.

6. Провести анализ возможности практического применения разработанной нечеткой системы управления линейным асинхронным двигателем.

Для достижения поставленных задач использовались методы математического и системного анализа, а так же методы, основанные на теории нечетких множеств. Для моделирования линейного асинхронного электропривода использовался пакет специализированных программных средств Matlab 6.5. (демонстрационная версия).

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Метод управления линейным асинхронным двигателем на базе нечеткий логики.

2. Разработана структурная схема системы управления с нечетким регулятором, обеспечивающая регулирование скорости демпфирование колебаний фазного элемента линейного асинхронного двигателя

3. Предложены структурная схема и математическая модель линейного асинхронного электропривода с переменной структурой, обеспечивающие позиционирование фазного элемента.

4. Разработана структура и математическая модель линейного асинхронного электропривода колебательного движения с нечетким регулятором и амплитудной модуляцией токов индуктора.

Разработанная система управления линейного асинхронного электропри ч вода с нечетким регулятором может использоваться для управления низкоскоростными линейными асинхронными двигателями. При этом появляется возможность модернизировать электропривод с минимальными затратами без замены силового оборудования, путем введения в систему нечеткого регулятора, взамен классического или дополнительно к нему. Нечеткий регулятор предложено реализовать на базе микроконтроллера МС68НС11 с нечетким ядром семейства Motorola.

Читайте также:  Пропала мощность 406 двигатель

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры робототехнических систем в дисциплине «Моделирование и исследование роботов и РТС»; и в производственный процесс ООО НПП «СпецЭлектроМон-тажАвтоматика», что подтверждается соответствующими актами (см. Приложение)

Электроприводы с нечеткой логикой

Перспективным направлением в построении адаптивных систем управления электроприводами является применение технологии, основанных на нечеткой логике [43,54,55]. Первой публикацией по теории нечетких множеств, принято считать работу профессора Университета Беркли Лотфи Заде, 1965г [56]. Первые реализации нечетких моделей в промышленности относятся к середине 1970-х годов. В этот период Э. Мамдани использовал нечеткую логику для управления парогенератором. Решение этой задачи было сопряжено с целым рядом трудностей вычислительного характера. Предложенный Мамдани алгоритм, основанный на нечетком логическом выводе, позволил избежать чрезмерно большого объема вычислений. В этот же период нечеткие модели были применены при управлении печью для обжига цемента.

Появление микропроцессоров и микроконтроллеров инициировало резкое увеличение количества бытовых приборов и промышленных установок с алгоритмами управления на базе нечеткой логики. В настоящее время лидером по производству устройств и механизмов на основе нечетких технологий является Япония. Основными причинами, обеспечивающими популярность нечеткой логики являются: во-первых, возможность разработки быстрого прототипа технических устройств с последующим усложнением его функциональности; во-вторых, нечеткая логическая модель более проста для понимания, чем аналогичная математическая модель на основе дифференциальных или разностных уравнений, и наконец, нечеткие модели оказываются более простыми по аппаратной реализации по сравнению с классическими алгоритмами управления техническими системами [57].

В статье [59] предложено использовать нечеткий регулятор параллельно с типовым пропорциональным или пропорционально-интегральным регулятором, возлагая задачу устранения колебаний рабочего органа тихоходного электропривода в режимах отработки скачка задающего угла и резких возмущений по моменту нагрузки при наличии зазоров и упругости в кинематической цепи при сохранении точности в рабочих режимах линеаризованного следящего электропривода (СЭП). Предлагаемая методика построения HP предполагает определение двух входных переменных из сигнала датчика рассогласования и нахождения алгоритма HP как Fuzzy-функции этих входных переменных.

Структурная схема линейного асинхронного электропривода двойного питания

С помощью трехфазного регулятора тока и транзисторного инвертора с промежуточным звеном постоянного тока РИТ в обмотках индуктора формируются фазные токи, пропорциональные сигналам задания.

Напряжение, необходимое для формирования фазных токов электродвигателя, получают выпрямлением трехфазной системы линейных напряжений (220 В). На выходе выпрямителя включены емкостные фильтры. Резистор ограничивает величину зарядного тока. К транзисторным инверторам силовое питание подводится через контактор.

Транзисторный инвертор представляет собой трехфазную мостовую схему с питанием от звена постоянного тока, защищенную от сверхтоков коротких замыканий в аварийных режимах (например, при отказах силовых транзисторов, коротких замыканиях в цепях двигателя) с помощью быстродействующего ключа. Каждая фаза моста содержит по два силовых прерывателя (рис.2.16), которые поочередно подключают выводы обмотки асинхронного двигателя к положительному или отрицательному полюсу звена постоянного тока. Переключение происходит с частотой около 3 кГц, управление последовательностью переключений прерывателей осуществляется сигналами от регулятора тока.

Совокупность НО, ФИУ и датчика тока ДТ фазы, сигнал которого пропускается через ФСУ, выполненное в виде фильтра второго порядка, образует своеобразный автогенератор. Частота его генерации совпадает с частотой, на которой ФСУ создает фазовый сдвиг в 90 электрических градусов (2 кГц). На частотах низких по сравнению с частотой генерации, обратная связь в рассмотренном контуре отрицательная, благодаря чему поддерживается равенство заданного и фактического токов.

Измерение тока в фазе осуществляется с помощью датчика, построенного на принципе магнитного компаратора, состоящего из импульсного усилителя с нуль органом на входе и измерительного трансформатора.

Аналоговый выходной сигнал по скорости, сформированный ФСОС, получается из промежуточных сигналов перемещения, полученных непосредственно после преобразования фазового сдвига ФВ в код в формирователе частоты вращения (счетчик импульсов). Фазовый сдвиг выходного напряжения фазовращателя относительно питающего напряжения пропорционален углу поворота ротора ФВ относительно исходного положения, при котором эти фазы совпадали. Приращение фазы выходного сигнала пропорционально приращению угла поворота ФВ за это же время. Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП преобразует цифровой код перемещения за период входной частоты ФВ в напряжение, величина и знак которого характеризуют величину и знак скорости вращения ротора фазовращателя. Для получения переходного процесса по скорости этот сигнал подается на осциллограф.

Нечеткая модель управления линейным асинхронным электроприводом в среде MATLAB с применением пакета прикладных программ Simulink и Fuzzy Logic Toolbox

Как видно из рис. 3.21, 3.22, при использовании в качестве функций принадлежности гауссовых функций, скорость фазного элемента линейно нарастает при этом отсутствует перерегулирование и статическая ошибка, время регулирование такое же как и при использовании треугольных функций принадлежности. Таким образом, использование в качестве функций принадлежности гауссовых функций принадлежности позволяет получить лучшие переходные процессы в линейном асинхронном двигателе, чем при использовании треугольных функций принадлежности.

Но практическая реализация нечеткого регулятора на базе гауссовых функций принадлежности очень трудоемка и требует использования нестандартных дорогих контроллеров. Экономически выгодней использовать стандартные контроллеры.

В настоящее время корпорация Motorola inc. занимается практической реализацией микроконтроллеров на базе нечеткой логики. С начала 90-х годов эта компания сотрудничает с ведущими мировыми производителями программного обеспечения и является производителем целого ряда оболочек разработки цифровых нечетких систем. Наиболее сложные оболочки представляют разработчикам целый спектр специализированных средств, необходимый для разработки, практической реализации, отладки и анализа систем управления на основе нечетких алгоритмов обработки информации. Основной задачей всех платформ разработки является генерация программных кодов, позволяющих реализовать нечеткое корректирующее устройство на выбранной аппаратной платформе.

Читайте также:  Ремонт автомобилей на парковке

В основе микропроцессорных систем на основе нечетких технологий лежит программное ядро, функцией которого является реализация нечетких алгоритмов обработки информации: фаззификация, логические заключения, дефаз-зификация. Нечеткое ядро позволяет осуществить преобразование вектора входных переменных в вектор выходных переменных. Практическая реализация нечетких алгоритмов регулирования подразумевает объединение ядра с базой знаний, выраженной в форме информации о входных и выходных переменных, их функциях принадлежности и правилах системы.

Компания Motorola использует несколько основных платформ для реализации нечетких систем: МС68НС05, МС68НС11, МС68НС12, МС68НС16, МС68К. Для каждой из представленных серий разработана своя структура нечеткого ядра, но формат представления базы знаний остается неизменным, что позволяет осуществлять перенос и адаптацию нечетких модулей с одной платформы на другую. Структура баз знаний, заложенных в основу нечетких модулей, представляет собой набор параметров, для хранения которых в памяти микроконтроллера резервируется область. Эту область памяти можно условно разделить на три части: блок хранения входных функций принадлежности, блок хранения выходных функций принадлежности и блок хранения базы нечетких правил.

В одной из самых распространенных платформ реализации нечетких систем управления микроконтроллере МС68НС11 входные функции описываются в виде трапецеидальных функций принадлежности, а выходные функции в виде синглетонов. Структура блока логических заключений нечеткого ядра оперирует с правилами, построенными на базе логического оператора «И», используя метод логических заключений min/max. Четкая информация на выходе фаззи-ядра является результатом работы блока дефаззификации, функционирующего по методу центра тяжести [43].

В среде MATLAB имеется возможность создания модели нечеткого регулятора (нечеткого ядра) на основе трапециидальных входных функций принадлежности и выходных функций принадлежности в виде синглетонов. Путем моделирования появляется возможность откорректировать выбранные множества для функций принадлежности и получить результат нечеткого вывода, аналогичный результату нечеткого вывода микроконтроллера.

Разработка электропривода колебательного движения на базе линейного асинхронного двигателя с фазным элементом

Каждое уравнение системы (4.12) моделируется отдельной подсистемой, в которой с помощью блоков функций и линий изображается последовательность алгебраических операций. В результате на выходе системы получаем электромагнитной усилие F ЛАД, интегрирование которого с учетом массы дает скорость подвижного элемента.

Модель ЛАД на основе системы (4.12) или, используя уравнения (2.1-2.8), позволяет учесть динамические характеристики ЛАД на стадии проектирования электропривода и максимально приблизить Simulink-модель к реальному двигателю.

В диссертации уже говорилось о целесообразности использования нечетких технологий для управления линейными асинхронными двигателями. Совместное использование прикладных пактов Simulink и Fuzzy Logic Toolbox позволяют разрабатывать электроприводы с нечеткими регуляторами.

Нечеткие логические управляющие устройства характеризуются входными и выходными переменными и базой лингвистических правил, определяющей стратегию регулирования двигателя. Традиционно в качестве входных переманенных выбирают ошибку и производную от ошибки контролируемых параметров. В качестве выходной переменной выбирают управляющее воздействие, это может быть управляющее напряжение или ток. В диссертации в качестве выходной переменной выбрано «усилие», которое связывает две управляющие величины амплитуду и начальный сдвиг фаз тока, так как питание двигателя осуществляется от источников тока. Очень часто в качестве выходной переменной выбирают приращение напряжения управления преобразователем. Разработанная в работе база правил универсальна, она подходит для различных ЛАД так как позволяет учесть переменную силу сопротивления и демфировать колебания подвижного элемента.

Моделирование двигателя в среде Matlab позволяет выбрать входные и выходные переменные HP, определить диапазоны изменения лингвистических переменных и разбить диапазоны на множества. С применением пакета Fuzzy Logic Toolbox осуществляется моделирование и отладка нечеткого регулятора. Совместное использование Simulink и Fuzzy Logic Toolbox позволяет получить динамические характеристики ЛАД и осуществить окончательную, тонкую настойку HP. Затем возможна непосредственная реализация фаззи-регулятора на микроконтроллере и введение HP в систему управления двигателем.

Фаззи-регулятор может использоваться в системе самостоятельно или дополнительно к существующему классическому регулятору 59. При этом появляется возможность модернизировать существующий электропривод с минимальными затратами времени и денежных средств [81].

Описанную методику моделирования низкоскоростных линейных асинхронных двигателей с использованием дифференциальных уравнений в приложении Simulink и нечеткого регулятора в приложении Fuzzy Logic Toolbox среды Matlab предложено использовать для проектирования нечетких систем управления линейными асинхронными двигателями на ООО НИИ «СпецЭлек-троМонтажАвтоматика», что позволило сократить временные и трудовые затраты на разработку нечетких систем управления линейными двигателями.4.3.

Основными критериями оценки программной реализации нечеткого ядра являются скорость обработки входной информации и требования, предъявляемые к объемам памяти выбранного микроконтроллера [43,69,79].

Разработанный нечеткий модуль подставляет собой систему с двумя входами (ошибка-пять, ускорение-три трапециидальных функций принадлежности каждая) и одним выходом (семь функций принадлежности в виде синглето-нов). При этом трапециидальная функция принадлежности в памяти контроллера представлена четырьмя Байтами информации, а каждая выходная функция принадлежности (синглетон) задается в базе знаний одним Байтом.

На основании вышеперечисленных данных составим таблицу (табл. 4.2) требований объема физической памяти контроллера необходимого для полной реализации разработанного нечеткого модуля.

Источник