Линейный асинхронный электропривод двойного питания с нечетким регулятором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Кольцова, Вера Владимировна

• Кольцова, Вера Владимировна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кольцова, Вера Владимировна

Введение

1. Анализ систем управления

1.1. Линейные асинхронные электроприводы ф 1.2. Электроприводы двойного питания

1.3. Адаптивные системы

1.4. Электроприводы с нечеткой логикой

2. Математическое описание линейного асинхронного электропривода двойного питания

2.1. Математическое описание линейного асинхронного двигателя с фазным элементом

2.2. Структурная схема линейного асинхронного электропривода двойного питания.

2.3. Синхронный режим

2.4. Асинхронный режим

2.5. Позиционирование фазного элемента 57 2.5. Экспериментальные исследования ЛАД двойного питания.

3. Разработка нечеткой системы управления скоростью фазного элемента линейного асинхронного двигателя.

3.1. Обоснование целесообразности применения системы управления на основе нечеткой логики для линейного асинхронного электропривода.

Алгоритм реализации нечеткого регулятора.

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

Выбор входных и выходных переменных нечеткого регулятора

3.3. Задание лингвистических переменных

3.4. Разработка базы нечетких правил

3.4. Нечеткий вывода

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

3.6. Анализ выбора вида функций принадлежности

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

4.1. Разработка системы позиционирования линейного асинхронного электропривода с фазным элементом

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

4.3. Применение нечетких технологий для управления линейными асинхронными двигателями

4.4. Вопросы практической реализации нечеткого регулятора на базе микроконтроллера МС68НС

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Линейный асинхронный электропривод двойного питания с нечетким регулятором»

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 несимметрию 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 электропривода 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.

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)

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Кольцова, Вера Владимировна

Выводы и результаты:

1. Предложена система управления положением фазного элемента с нечетким регулятором скорости и переменной структурой, позволяющая позиционировать ФЭ со скоростью от 0,05 м/с до 5 м/с, на интервале от 0,05м до 0,5м с ошибкой позиционирования +0,001мм. Электропривод может использоваться в устройствах автоматической подачи заготовок для обработки или сборки.

2. Предложена система управления колебательным движением фазного элемента ЛАД методом амплитудной модуляции токов индуктора. Сигнал задания амплитуды тока индуктора вырабатывается нечетким регулятором скорости. Система обеспечивает управление колебаниями фазного элемента с амплитудой от 0,05м до 0,25м и частотой от 1 рад/с до 10 рад/с (ограничение накладывает конструкция ЛАД, длина индуктора составляет 0,5 м). Можно использовать разработанный электропривод для испытания на прочность электрических кабелей.

3. Для реализации микроконтроллера с нечетким регулятором скорости предложено использовать микроконтроллер МС68НС11 с 16МГц частотой тактовых импульсов, что позволяет реализовать систему управления скорость ФЭ ЛАД с шагом дискретизации по времени до 0,6 мсек. Предложен вариант реализации нечеткого вывода на языке FCL.

Заключение

В диссертационной работе были получены следующие результаты:

1. Проведен анализ научно-технической литературы, который выявил целесообразность решения задачи управления скоростью, позиционированием и демпфированием колебаний фазного элемента линейного асинхронного двигателя с помощью нечеткого регулятора.

2. Разработана и реализована в среде Matlab математическая модель линейного асинхронного двигателя с фазным элементом, учитывающая переходные процессы в двигателе, обусловленные несимметрией магнитной цепи. Проведено сравнение переходных процессов в разработанной модели и в реальном электроприводе. Результаты моделирования скорости в синхронном режиме работы близки к экспериментальным зависимостями. Погрешность экспериментальных и расчетных зависимостей скорости не превышает 5%.

3. Разработана структурная схема и математическая модель системы с нечетким регулятором для управления скоростью, обеспечивающая демпфирование колебаний фазного элемента ЛАД и устойчивость системы при переменной силе сопротивления движению ФЭ.

4. Получены временные диаграммы нарастания и спада скорости ФЭ, перерегулирование менее 1%, статическая ошибка по скорости отсутствует.

5. Предложена структурная схема и математическая модель системы вывода фазного элемента ЛАЭП в заданную область с переменной структурой.

6. Получены временные диаграммы изменения перемещения фазного элемента с ошибкой позиционирования менее 0,001мм.

7. Разработана система управления колебательным движением фазного элемента ЛАД методом амплитудной модуляции токов индуктора. Сигнал задания амплитуды токов индуктора вырабатывается нечетким регулятором скорости.

8. Временные характеристики изменения скорости и положения фазного элемента электропривода колебательного движения на базе линейного асинхронного двигателя при амплитудной модуляции токов индуктора близки (погрешность менее 15%) к заданным скорости и перемещению.

9. Предложено реализовать нечеткий регулятор на базе микроконтроллера МС68НС11 с нечетким ядром семейства Motorola. Разработана программа реализации фаззи- ядра на языке нечеткого управления FCL.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кольцова, Вера Владимировна, 2005 год

1. Веселовский О.Н. Линейные асинхронные двигатели/ О.Н. Веселовский, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 256.: ил.

2. Анненков А.Н., Медведев В.А. Анализ использования линейных приводов в устройствах автоматической подачи. Межвузовский сборник научных трудов. Системы управления и электроприводы роботов ВПИ 1989г. с. 147-150

3. Соколов М.М., Сорокин Л.К. Электропривод с линейными асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. 136 с.:ил.

4. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Без-редукторный электропривод. 1988.- 208с.: ил.

5. Свечарник Д.В. Линейный электропривод. М: Энергия, 1974.-123с. :ил.

6. Петленко Б.И. Линейный электропривод и тенденции его развития// Электричество. 1981, № 9. с. 43-47.

7. Ямамура С. Теория линейных асинхронных двигателей: Пер с англ.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1983. 180 е.: ил.

8. Гурницкий В.Н. Линейный управляющий электродвигатель: Монография. Ставрополь: Ставропольский сельскохозяйственный институт. 1992. 319 с Линейные электродвигатели общепромышленного назначения. Прспект Минвуз СССр. Новосибирск: НЭТИ, 1976г

9. Вольдек. А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974.

10. Сарапулов Ф.Н., Бегалов В.А. и др. ЛАД с короткозамкнутыми стержнями// Электричество. 1982. № 2.

11. Медведев В.А. Двухкоординатный линейный асинхронный электропривод.: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.,1993. — 20 с.

12. Шиянов А.И., Медведев В.А. и др. Линейный асинхронный частотно-токовый привод манипулятора для перемещения заготовок// Современные проблемы электромеханики: Тез. докл. Всес. Научно.-техн. кон. — М., 1989.-Ч.2.-С97-98.

13. Шиянов А.И., Медведев В.А. и др. система управления манипулятором для однопозиционной сборки узлов. Воронеж, 1990. -15с. Деп. В Информэ-лектро 28.06.90., №82-эт90.

14. Управления линейным асинхронным двигателем с двойным вторичным элементом. Воронеж, 1993.-18с. Деп в ВИНИТИ 12.03.93, № 604- В 93.

15. Медведев В.А. Применение линейных асинхронных электроприводов в составе ГАП// Опыт разработки и внедрение в производство роботов и ГПС: Тез. докл. научн.техн. конф.-Воронеж, 1987.- с. 33-34.

16. Dr. G. W. McLean " Progress in the development of electric linear drives intended for technological applications"// "IEE PROCEEDINGS", May 1998r.

17. Dr. G. W. McLean " Review of recent progress in linear motors"// "IEE PROCEEDINGS", November 1998 r.

18. Маклер A.K. Линейный электропривод подъемно-транспортных машин// Электротехника. 1976. № 8. с. 24-27.

19. Линейные электродвигатели: современное состояние и перспективы// РЖ ВИНИТИ Электрические машины и трансформаторы. 1986, № 10. с. 9-24.

20. Сергеев А.А. Линейный асинхронный привод транспортного робота. Межвузовский сборник научных трудов. Системы управления и электроприводы роботов ВПИ 1989г. (007 С409) с. 79

21. Луковников В.И. Электропривод колебательного движения.- М.: Энерго-атомиздат, 1984. с. 152.: ил

22. Аипов Р.С. Линейный электропривод колебательного движения. Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 1994. 77 с.

23. Лаугис Ю.Я., Тулдава Т.Ю. Тихоходный линейный асинхронный электропривод с импульсным датчиком скорости. Труды Таллиннского политехнического института. Автоматизированные магнитогидродинамические и линейные электроприводы. Ротапринт ТПИ, 1981. с. 97-107

24. Тулдава Т.Ю. Позиционный линейный асинхронный электропривод с импульсным датчиком обратной связи. Труды Таллиннского политехническогоинститута. Автоматизированные магнитогидродинамические и линейные электропривды. Ротапринт ТПИ, 1981 с. 107-115

25. Аруссо А.К. О работе линейного асинхронного электропривода на низких скоростях. Труды Таллиннского политехнического института. Автоматизированные магнитогидродинамические и линейные электропривды. Ротапринт ТПИ, 1982 с. 115-119

26. Ивоботенко Б.А. Линейный шаговый электропривод// Тр. МЭИ. 1972. Вып. 149.

27. Чиликин М.Г. и др. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. Пособие для вузов.- М.: Энергия, 1979.-616с.: ил.

28. Ботвинник М.М. Шакарян Ю.Г. Управляемые машины переменного тока. М.: Наука, 1969. 798с.: ил.

29. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. М: Энерго-атомиздат, 1984. - 192

30. Макаров И.В. Основы автоматизированного управления производством./ Уч. пособие для вузов. М.: Высшая школа. 1983. 540.: ил

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

32. Дацковский Л.Х. и др. Подчиненное регулирование параметров «непосредственные преобразователь частоты — асинхронный двигатель»/ Электротехническая промышленность. Электропривод, 1974, №1, с. 10-13.

33. Дацковский Л.Х. Тарасенко Л.М. Подчиненное регулирование параметров в машине двойного питания Электротехническая промышленность. Электропривод, 1974, №6, с. 10-14.

34. Титов В.Г. Автономный генератор по схеме двойного питания. / Электротехника. 1998. № 8, с. 31-34.

35. Загорский А.В. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Принципы управления //Всероссийский научно-технический семинар "Современные энергосберегающие технологии" (Орел, 16-18 мая 2001), С. 1-6.

36. Волков В.Д. Полузаков А.В. Управление асинхронным электроприводом двухконтурной системе. / Электротехника. 1998. № 8, с. 70-73.

37. Волков В.Д., Полуказаков А.В. Управление линейным асинхронным элек троприводом в двухконтурной системе Сборник научных трудов Электротехнические комплексы и системы управления, ВГТУ 2002 с. 70

38. Онищенко Г.Б. Автоматизированный электропривод промышленных уста новок.- М: РАСН, 2001.-520с.: ил.

39. Сандлер А.С. Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. 384 е.: ил.

40. Богаченко Д.Д., КеримбаевА.А. Коррекция автоколебаний в системе преобразователь частоты — асинхронный двигатель/ Электротехника. 1994. № 10, с 25-27.

41. Башарин А.В. Новиков В.А. Управление электроприводами. -Д.: Энерго-издат, 1982.

42. ВороновА.А. Основы теории автоматического управления: Особые линейные и нелинейные системы М., 1981

43. Зайцев А.И., Сташнев B.JI., Бурковский А.В. Нечеткое управление сложными технологическими системами и комплексами: Монография. Воронеж: Воронеж. Гос. тех. Ун-т, 2003. 255 с.

44. Растригин JI.A. Адаптация сложных систем .-Рига: Зинатне, 1981. -375с.

45. Бессекерский В.А. Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования М.: Наука.-1996.

46. Основы теории автоматического управления: Особые линейные и нелинейные системы. М., 1981

47. Воронов А.А. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М., 1975

48. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах.- М.: наука, 1968.-399с.

49. Ильин О.П. Панасюк В.И. и др. Структуры систем управления автоматизированными электроприводами. Минск: Наука и техника. 1978

50. Солодовников В.В. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями. М.,1972

51. А.С. 452803. МКИ6 G05B 11/01. Устройство управление позиционным электроприводом 1974. 5с.

52. А.С. 528542. МКИ6 G05B 11/01. Устройство управление позиционным электроприводом 1976. 5с.

53. А.С. 798708. МКИ6 G05B 13/04. Устройство для адаптивного управления позиционным электроприводом 1981. 5с.

54. Сухарев И.А. Бурковский В.Л. Современный подход к построению оптимальных систем управления технологическими процессами// Электомеханиче-ские устройства и системы. Межвуз. сб. Воронеж, 2002.-е. 116-121

55. Гриняев С.С. Нечеткая логика в системах управления http ://ne w. computerra.ru/offl ine/2001/415/13052/

56. Л. Заде Сравнение возможностей логики антонимов и нечеткой логики при решении практических задач . М.: «Мир», 1970. - 265 с.

57. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH. СПб.: БВХ-Петербург, 2003.-736.: ил.

58. Ющенко А.С., Киселев Д.В. Система нечеткого управления поведением мобильных роботов

59. Медведев В.А., А.И. Шиянов. Математическое описание переходных процессов в линейных асинхронных двигателях с фазным и двойным вторичнымиэлементами. Воронеж, гос. техн. ун-т. Воронеж, 1989. 17 с. Деп. в Информэлек-тро 29.12.89. №268, т. 89.

60. Медведев В.А., Шиянов А.И. Анализ влияния несимметрии линейной асинхронной машины на динамику движения фазного элемента // Изв. вузов. Электромеханика. 1995. № 5-6. С. 109-113.

61. Соколова Е.М. Мищинский Ю.А. Расчет параметров частотно управляемых линейных асинхронных двигателей/ Электротехника. 1998. № 5, с. 29-33.

62. Келим Ю.М. Типовые элементы системы автоматического управления./ учеб. пособие для студ. учереж. среднего проф. образования. М.: Фо-рум:Инфра-М. 2002. 384с.: ил.

63. Гультяев А.Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс. СПб: Питер, 2000. 432 с.

64. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин М.: Высш. шк., 2001.

65. Остриров В.Н. Носач С.В. Объектно-ориентированный частотно-регулируемый асинхронный электропривод на современной элементной базе/ Электротехника. 1995. № 11, с. 26-29.

66. Заде Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: «Мир», 1976. - 165 е.

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

68. Терехов В.М., Барышников А.С. Стабилизация движения тихоходных электроприводов на основе Риггу-логики.//Электротехника. 1996. № 8. с. 6164.

69. Владимирова Е.С. Синтез фаззи-регуляторов для позиционных и следящих электроприводов.//Электротехника. 2000. № 9. с. 9-14.

70. Чермалых А.В. Кузнецов В.В. Фаззи- управление асинхронным электроприводом с тиристорным регулятором тока ротора и задающей моде-лью.//Электротехника. 2004. № 3. с. 12-17.Нечеткая логика в Матлабе

71. Владимирова Е.С. Синтез фаззи-регуляторов для позиционных и следящих электроприводов.//Электротехника. 2000. № 9. с. 9-14.

72. Письменный Д.Т. Конспект лекций по высшей математике: Полный курс.-2-е изданий .-М.: Айрис-пресс, 2004.-608.:ил.-(Высшее образование)

73. Babuska R. Construction of Fuzzy Systems Interplay between Precision and Transparency. Proc. Of the European Symposium on Intelligent Techniques, Germany, Aachen, 2000.- P.445-452.

74. Fuzzy Logic Toolbox. User's Guide, Version 2. The Math Works, Inc., 1999.

75. Прикладные нечеткие системы /Асаи К., Ватада Д., Иваи С. и др. /Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено. М.: Мир, 1993. 368 с.

76. Чермалых А.В. Кузнецов В.В. Фаззи- управление асинхронным электроприводом с тиристорным регулятором тока ротора и задающей моде-лью./Электротехника. 2004. №3.- с. 12-17.

77. Нечеткая логика в Матлабе http://www.fuzzyfly.chat.ru/index.htm

78. МС68НС11 and М68НС12 RESOURCES http://www.coe.montana.edu/ee/cady/ee3 61 /he 11 lnks.htm http://www.mrrobot.com

79. Free Fuzzy Logic Library http://www.iec.ch/ или http://www.ansi.org