агрегат

Управление с использованием нечеткой логики

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Электропривод, агрегат, комплекс, нечеткая логика

Алгоритмы управления с использованием нечеткой логики реализуются в системах управления электропривода программным способом. В программируемых контроллерах предусматриваются модули с инструкциями для пользователей, а в промышленных компьютерах — программные средства с набором стандартных ситуаций.
Нечеткая логика используется для замены традиционных алгоритмов управления и совместно с ними. В простейшем случае вместо традиционного регулятора применяется фази-регулятор.
При построении нечеткого регулятора исходят из предположения, что эксперты в состоянии сформировать базу правил в форме
ЕСЛИ <предпосылка> ТО <вывод>
и базу данных с функциями принадлежности для предпосылок ц(е) и выводов ц(и), т.е. определить все необходимые лингвистические правила с лингвистическими переменными и термами.
Терм — основная структурная единица выражения. Этот термин применяется к символическому имени (самоопределенный терм), ссылке на значение счетчика адреса. Символьный терм может содержать от одного до трех символов.
Для решения задачи принятия решения необходима еще определенная инференц-стратегия, т. е. определенный механизм нечетких логических выводов. С помощью этого механизма можно выполнить.
обобщение частичных решений каждого активированного правила базы правил и формирование результирующего нечеткого логического вывода в форме функции принадлежности выходной лингвистической переменной, соответствующей текущему входному сигналу.
Проектирование нечеткого регулятора представляет собой циклически протекающий процесс, который лишь после многих итераций позволяет достигнуть требуемого качества управления. Обобщенная процедура проектирования представлена в виде алгоритма.
Однако, поскольку собственное ядро фази-регулятора (фази-фикация, механизм нечетких логических выводов, дефазифика-ция) не обладает внутренней динамикой, то принципиально невозможно в простейшем случае обеспечить требуемое динамическое поведение регулятора.
Если ставится задача обеспечения любого динамического или нединамического поведения регулятора (например, подобного классическому ПИД-регулятору), то эта задача решается введением в контур управления блока подготовки контролируемых параметров на основе данных измерения сигналов датчиков. Этот блок обеспечивает расчет требуемых параметров на основе измеренной ошибки регулирования (производные, интегралы и т.п.) и является, в отличие от классических регуляторов, не составной частью регулятора, а самостоятельным модулем.
Если некоторые процессы объекта управления плохо поддаются формализации и математическому описанию, то в существующей системе управления используют фази-регулятор параллельно традиционному регулятору.
При использовании методов каскадного управления с классическим регулятором во внутреннем контуре фази-регулятор может быть применен во внешнем контуре.
Методы нечеткой логики успешно используются в адаптивных системах для настройки и коррекции параметров регуляторов в процессе их работы.
Возможны варианты выполнения таких систем. В частности, осуществляется настройка параметров традиционных регуляторов с использованием модулей адаптивной системы, реализованных алгоритмами нечеткой логики. В другом случае перестраиваемый регулятор и модули адаптивной системы реализуются алгоритмами нечеткой логики, чем создаются самоорганизующиеся фази-контрол-леры, которые посредством модификации параметров регулятора оптимальным образом настраиваются на управляемый процесс.
Основой для адаптации фази-контроллера является наблюдение за ошибкой регулирования и (или) выходной величиной объекта управления, из которой формируется значение показателя качества (например, минимума интегральной квадратичной оценки). Стратегия настройки параметров сосредоточена в модуле алгоритма адаптации. Он имеет «интеллект» адаптивного регулятора в форме различных команд установки параметров в зависимости от значения текущего показателя качества. При этом реализация алгоритма адаптации как фази-алгоритма выполняется на основе правил типа ЕСЛИ..., ТО...
Алгоритм адаптации можно применять также к различным компонентам нечеткого регулятора. В простейшем случае достаточно изменения масштаба области значений входных величин для достижения переключения между настройками. Более сложные алгоритмы могут вовлекать в процесс адаптации функции принадлежности или даже базу правил, модифицируя в зависимости от состояния объекта управления форму нечетких множеств, отдельные правила или переключаясь между разными множествами правил.

Математические модели и структура систем управления

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Электропривод, агрегат, комплекс

Основываясь на блочно-модульных принципах построения современных компьютерных систем управления электроприводами технологических агрегатов и комплексов (как в части технических средств, так и в части программных и алгоритмических средств) структурную схему системы управления можно представить в виде трехуровневой иерархической схемы.
Нижний уровень (1) содержит взаимосвязанную электромагнитную подсистему ВЭП, входными переменными и, которой являются сигналы управления различными полупроводниковыми преобразователями, а выходными переменными N — электромагнитные моменты (силы) электродвигателей. Второй (2) уровень содержит взаимосвязанную механическую подсистему ВМП, имеющую обратные связи с ВЭП по цепям электромагнитной индукции. Выходными переменными ВМП являются переменные q, характеризующие движения механизмов (линейные и угловые перемещения, скорости, упругие силы и моменты). Подсистемы ВМП и ВЭП, рассматриваемые совместно, образуют взаимосвязанную электромеханическую систему ВЭМС. Третий (3) уровень содержит функциональную подсистему ФП, обеспечивающую формирование показателей качества е технологического процесса. Эти показатели являются выходными переменными технологического объекта ТО. Для каждой из подсистем можно рассматривать соответствующие им регуляторы РВЭП, РВЭМС, РТО, находящиеся в межуровневой подчиненности в комплексе управления КУ взаимосвязаннои системы аналогично тому, как это имеет место в технологическом объекте управления ТОУ. В регуляторы поступают сигналы заданий переменных N3, q3, e3 и измеренные или вычисленные значения переменных. Подсистемы каждого уровня содержат информационные средства ИС и идентификаторы ИД, формирующие необходимую информацию для процесса управления на каждом уровне и в системе управления в целом. В общем случае системы управления каждого уровня представляют собой адаптивные системы, осуществляющие адаптацию через модули адаптивного управления МАУ в соответствии с эталонными моделями процессов управления в электромагнитной, электромеханической системах управления ЭМ ЭСУ, ЭМ ЭМСУ и в системе управления технологическим объектом в целом ЭМ СУТО.
Функции адаптации используются в режимах наладки каждой из подсистем и рабочего функционирования в соответствии с изменением параметров и воздействий. Эталонные модели могут содержать математические описания объекта или системы и обобщенные показатели нормированных динамических характеристик, в соответствии с которыми выполняется автоматическая настройка подсистем и системы управления в целом на оптимальные режимы.
Взаимосвязанные электромагнитные подсистемы. Управление взаимосвязанными электромагнитными переменными имеет место при управлении электродвигателями постоянного и переменного токов, так как необходимо осуществить независимое управление электромагнитным моментом и потоком. Значительно более разнообразными могут быть варианты взаимосвязей в том случае, когда много электродвигателей и управляемых полупроводниковых преобразователей составляют единую сложную систему электропривода технологического комплекса. Применяются системы с параллельным и последовательным включениями управляемых преобразователей и электродвигателей.
Параллельное и последовательное включение управляемых преобразователей применяется для увеличения мощности и реализации двухканального управления. Во втором случае используется включение мощного преобразователя с ограниченным быстродействием совместно с маломощным быстродействующим преобразователем.
Широко распространены системы электроприводов с групповыми источниками питания, например системы для многодвигательных электроприводов переменного и постоянного токов.
В качестве источника питания используется неуправляемый выпрямитель с фильтром. Электроприводы переменного тока управляются от автономных инверторов напряжения, постоянного тока — широтно-импульсных преобразователей. Рекуперация энергии в таких системах происходит с двигателя на двигатель. В случае необходимости рекуперации энергии в сеть применяются инверторы (дополнительно к неуправляемому выпрямителю) или реверсивные выпрямители вместе с фильтрокомпенсирующими устройствами.
При групповом управлении несколькими электродвигателями постоянного тока от общего управляемого преобразователя, кроме одновременного управления скоростью всех электродвигателей путем изменения напряжения якорных цепей, возникает необходимость также и в управлении скоростью отдельных электродвигателей. В этом случае применяют управление электродвигателями по цепям якоря и возбуждения. По цепи якоря осуществляется групповое управление, по цепи возбуждения — автономное. Одновременное управление электродвигателями по двум цепям происходит в замкнутых системах управления.
Существующая взаимосвязь электромагнитных цепей через общую сеть питания не рассматривается при описании различных их видов. Влияние этой взаимосвязи на динамику системы электропривода, как правило, оказывается слабым для промышленных систем, но может оказаться весьма существенным для систем, питание которых осуществляется от автономных источников энергии.
Взаимосвязанные механические подсистемы. Агрегаты и комплексы, предназначенные для обработки и перемещений ленточных материалов, роботы, манипуляторы, металлообрабатывающие станки, прессы и другие объекты имеют взаимосвязанные многомассовые механические подсистемы, управление которыми осуществляется многодвигательными электроприводами. Если исходить из предположения, что взаимосвязь механической и электромагнитной подсистем слаба (по существу, это предположение связано с оценкой влияния обратных связей по ЭДС двигателей на динамику сепаратных систем управления), то механическая подсистема может рассматриваться независимо от электромагнитной подсистемы.
Если в многомассовой упругой механической подсистеме, управление которой осуществляется многодвигательными электроприводами, в явном виде отсутствуют звенья с распределенными параметрами, то механическая подсистема может быть представлена в виде многих элементов с сосредоточенными массами, соединенных между собой безмассовыми упругими связями. Под действием нескольких входных переменных ВМП совершает основное движение и колебательные движения относительно основного.
Колебания ВМП всегда являются затухающими из-за влияния восстанавливающих сил системы, поэтому математическое описание ВМП следует выполнять с учетом этих сил. Однако делать это можно только для простых случаев или после упрощения исходной модели системы, поскольку полная математическая модель ВМП может оказаться сложной и обращение с нею в задачах анализа и синтеза взаимосвязанных систем управления становится невозможным. Поэтому целесообразно вначале составить детализированное математическое описание ВМП без учета демпфирующих сил, упростить его так, чтобы с достаточной точностью отразить динамические свойства системы в заданных полосах частот сепаратных подсистем, а затем в упрощенных моделях учесть силы демпфирования.
К механическим системам с сосредоточенными параметрами могут быть приведены и системы с распределенными параметрами.
При исследовании ВМП возникают задачи:
определения структуры механической модели ВМП, обеспечивающей при т входных и г выходных переменных оптимальное решение задачи управления ВЭМС;
анализа и синтеза ВМП, в соответствии с которыми на стадии проектирования находят такие сочетания инерционно-жесткост-ных и демпфирующих параметров, которые обеспечивали бы малую интенсивность колебаний механизма в заданных полосах частот сепаратных подсистем управления.
Рассмотрим наиболее общий вариант ВМП, при котором отдельные элементы системы имеют несколько степеней свободы. Такая подсистема имеется у манипуляторов, экскаваторов, козловых кранов.
Определив передаточные матрицы механической системы, следует упростить их, исключив из рассмотрения все члены, соответствующие значениям частот собственных колебаний, значительно превышающих верхнюю границу полосы пропускания сепаратных систем управления. В первую очередь это относится к полюсам передаточных функций. Достаточно иметь два или три члена рассматриваемых произведений, соответствующих минимальным частотам колебаний для того, чтобы получить математическое описание ВМП, близкое к реальному. Нули передаточных функций следует ограничивать предельными значениями частот, но при этом надо иметь в виду, что значения минимальных частот колебаний, определяющих нули передаточных функций, могут быть меньше минимальных частот колебаний, определяющих полюса, и эквивалентирование следует выполнять с определенной осторожностью.
Приведенные коэффициенты демпфирования в передаточных функциях обычно бывает сложно рассчитывать, поэтому пользуются их приближенными оценками. Но это не вносит существенных погрешностей в динамические модели механических систем, так как значения этих коэффициентов очень малы и пределы их изменений для однородных сред также малы. Например, при деформациях металлических конструкций приводов коэффициенты демпфирования находятся в пределах 0,02...0,07. Поэтому, приняв средние значения этих коэффициентов, можно выполнить теоретические исследования, а далее для реальных конструкций уточнить их значения по результатам экспериментальных исследований.
Таким образом для механической подсистемы произвольного вида, применив уравнения Лагранжа, можно получить систему дифференциальных уравнений и механические модели. В соответствии с этим можно определить динамические свойства подсистемы с учетом обратных связей по механическим переменным.
На рис. показаны механические модели многомассовых подсистем с контурами регулирования обобщенных координат и упругих сил для цепочной, разветвленной и разветвленно-кольцевой структур.
В сложных многомассовых механических подсистемах применением электроприводных узлов добиваются новых соотношений параметров и обеспечивают активное влияние на колебания звеньев системы. На этой базе сложилось новое направление в теоретической и прикладной механике, называемое активной или адаптивной механикой.
Функциональные подсистемы. Математическое описание функциональных подсистем содержит описания физических процессов, характерных для конкретной технологии. Часто эти описания включают в себя имперические формулы с разнообразными значениями коэффициентов, зависящими от многих факторов, важных для конкретной технологии.
Управление технологическими переменными диктует необходимость управления механическими переменными, а через них и электромагнитными переменными. В соответствии с этим устанавливаются виды оценок показателей качества управления переменными каждого уровня.
В наиболее общем виде описание каждой из подсистем может быть выполнено в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений где А(х, t), B{x, t), D(x, t) — матрицы состояния, управления и возмущения соответственно; С — масштабная матрица; х, и, /, у — векторы переменных состояния, управления, возмущения и измеряемых переменных соответственно.

Каскадное (подчиненное) и модальное управление

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Электропривод, агрегат, комплекс

Разработку алгоритмов управления электроприводами технологических объектов разного производственного назначения выполняют, как правило, с учетом двух важнейших оценок качества — быстродействия (с учетом ограничений на потребляемую мощность) и связанной с ним производительности, а также интегральной квадратичной оценки ошибок управления и связанного с ней качества технологического процесса. Достижение положительных результатов по второй оценке предопределяет (с учетом энергетических ресурсов) положительный результат и по первой оценке.
В работе дан анализ методов синтеза оптимальных алгоритмов управления локальными и взаимосвязанными системами, и с позиции синергетической теории управления разработаны новые подходы к синтезу регуляторов в соответствии с оптимизирующими функционалами вида.
С единых позиций синтезируются алгоритмы управления локальными и взаимосвязанными объектами в режимах малых и больших отклонений переменных. На основе процедур агрегирования (получение из исходной модели эквивалентной ей модели с меньшим количеством переменных) и аттрактации (организации притягивающих множеств в фазовом пространстве) синтезируются алгоритмы управления, соответствующие функционалу и обеспечивающие оптимальность по быстродействию и точности.
В теории и практике управления взаимосвязанными электромеханическими системами сложилось направление, в котором формальные процедуры оптимального синтеза одномерных или многомерных регуляторов по тем или иным критериям используются редко. Чаще стремятся получить нормированные динамические процессы на основе типовых алгоритмов управления при малых и больших изменениях переменных, учитывая совокупность физических особенностей технических средств, на базе которых реализуется электромеханическая система.
Для автономных систем при малых изменениях переменных к ним относятся широко известные в методах каскадного (подчиненного) управления настройки контуров регулирования на «оптимум по модулю» (ОМ) и «симметричный оптимум» (СО), а в методах модального управления — стандартные распределения корней характеристических полиномов. Такая настройка соответствует стабилизирующим и следящим (контурным) режимам работы систем, а также режимам параболических, треугольных и трапецеидальных движений, характерных для больших изменений переменных и соответствующих пусковым, тормозным, циклическим, программно-логическим режимам работы систем электроприводов.
Последнее реализуется формированием соответствующих программных заданий на входы систем управления с использованием или без использования ограничений переменных регуляторов. Оптимизация динамических процессов при больших изменениях переменных осуществляется при условии оптимизации динамических процессов при малых изменениях переменных.
В унифицированных системах автоматизированных электроприводов, представляемых на рынок различными фирмами в виде управляемых преобразователей или комплектных ЭП, предусматривается, как правило, раздельное регулирование электромагнитного момента и тока двигателя. В частотно-регулируемых электроприводах переменного тока осуществляют регулирование модуля потока статора или ротора. В любых случаях структуры контуров регулирования электромагнитных переменных являются закрытыми для пользователя и возможна только настройка параметров в режиме самонастройки или в результате ввода в систему информации о параметрах используемого электродвигателя.
Поскольку включение электропривода в сеть и его работа при наличии только электромагнитных контуров невозможны, в основном электронном блоке контроллера привода предусматривается установка регулятора скорости, структура и параметры которого могут меняться. По отношению к контуру регулирования электромагнитного момента регулятор скорости включается и по структуре каскадного управления. Его же реализация, как и реализация регуляторов других механических переменных (положения, натяжения и др.), а также технологических переменных, может производиться методами каскадного и модального управления. Для этого, как правило, используют дополнительные интеллектуальные технологические модули.

Декомпозиция взаимосвязанных систем

Дата публикации: 18.03.2010
Метки: Электропривод, агрегат, комплекс

Методы оптимизации автономных систем можно органично перенести и на взаимосвязанные системы, но при этом одновременно следует решать задачу декомпозиции взаимосвязанной системы.
При использовании ИКО во взаимосвязанных системах минимизация матрицы / приводит к реализации условия, что соответствует декомпозиции системы, т. е. превращению взаимосвязанных сепаратных систем в квазиавтономные системы. Исключение для электромеханических систем составляют системы электрической синхронизации, в которых предусматривается применение перекрестных связей для синхронизации движений механизмов при действии возмущений.
Декомпозиция взаимосвязанной электромеханической системы может быть формально обеспечена применением многомерного регулятора, синтезируемого методами модального управления. Но более приемлемой является динамическая декомпозиция, обеспечиваемая, выражаясь языком синергетической теории управления, организацией притягивающих множеств в фазовом пространстве переменных. В электромеханических системах т притягивающих множеств могут быть образованы в т сепаратных системах, синтез алгоритмов управления которыми выполняется не только по фазовым, но и по обобщенным переменным, существенно влияющим на динамику системы. Такими переменными являются частоты коммутации широтно-импульсных модуляторов управляемых полупроводниковых преобразователей, собственные частоты колебаний механизмов, полосы пропускания или частоты среза сепаратных систем.
Положительные результаты данного подхода в электромеханических системах определяются следующим:
условие регулирования электромагнитных и механических переменных, как правило, диктуется регулированием технологических переменных. Их виды, методы оптимизации и возможности хорошо известны из исследований автономных систем и они составляют основу сепаратных систем;
развитие управляемых полупроводниковых преобразователей идет по пути широкого применения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с частотами коммутации до 10... 15 кГц, что создает потенциальные возможности для расширения полос пропускания систем;
тенденция к упрощению механических передач, переходу к без-редукторным электроприводам и механотронным модулям приводит к существенному повышению собственных частот колебаний механической подсистемы, а следовательно, к расширению полос пропускания систем управления.
На каждом уровне взаимосвязанной системы управления синтез алгоритмов управления может быть выполнен автономно с учетом представления математической модели нижнего уровня в эквивалентном упрощенном виде аналогично тому, как это делается при синтезе контуров регулирования автономных систем каскадного (подчиненного) управления.
Оптимизация взаимосвязанной системы по ИКО с использованием редуцированных «наблюдателей» и многомерных регуляторов, содержащих элементы собственных каналов и перекрестных связей (в виде регуляторов состояния или модальных регуляторов одновременно), приводит к декомпозиции системы. Это может быть учтено при синтезе алгоритмов управления с использованием в этом синтезе не только параметров регуляторов, но и параметров объектов управления.
Варьирование в широких пределах частот среза сепаратных систем за счет применения соответствующих технических средств позволяет установить границы в соотношении параметров матриц, представляющих собой математическое описание прямых и перекрестных связей объекта управления, при которых выполняется декомпозиция системы управления и сепаратные системы можно рассматривать квазиавтономными.
Особым и распространенным случаем взаимосвязей электромеханических систем являются взаимосвязи через технологические агрегаты, которые объединяются упругим обрабатываемым материалом. Это характерно для станов холодной прокатки, бумагоделательных машин, кордных линий и других объектов. В таких системах условие декомпозиции может быть установлено из анализа соотношений собственных частот упругих колебаний механической подсистемы
Взаимосвязь сепаратных систем управления агрегатами осуществляется по цепям нагрузки и управления для задания общей скорости и соотношения скоростей агрегатов. Последнее выполняется технологическим программируемым микроконтроллером КТ. Блоки управления БУ1, БУ2 содержат все компоненты комплектных электроприводов, включая датчики.
Использование изложенных выше приемов декомпозиции систем и типовых алгоритмов управления дает возможность адаптивных настроек сепаратных систем и взаимосвязанных систем управления в целом в режимах наладки и рабочего функционирования.