Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок
Using the method of active successive correction and the ideas of fuzzy control theory, we find the additional contour correcting regulators which suppress the influence of elastic properties of a transmission on the control system dynamics.
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1663 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок / Г.Г. Півняк, О.С. Бешта, В.С. Хілов // Доп. НАН України. — 2007. — N 3. — С. 94-99. — Бібліогр.: 13 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859793849908461568 |
|---|---|
| author | Півняк, Г.Г. Бешта, О.С. Хілов, В.С. |
| author_facet | Півняк, Г.Г. Бешта, О.С. Хілов, В.С. |
| citation_txt | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок / Г.Г. Півняк, О.С. Бешта, В.С. Хілов // Доп. НАН України. — 2007. — N 3. — С. 94-99. — Бібліогр.: 13 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| description | Using the method of active successive correction and the ideas of fuzzy control theory, we find the additional contour correcting regulators which suppress the influence of elastic properties of a transmission on the control system dynamics.
|
| first_indexed | 2025-12-02T12:23:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 622.233.6:-83:68.3
© 2007
Академiк НАН України Г. Г. Пiвняк, О. С. Бешта, В.С. Хiлов
Розвиток методу активної послiдовної корекцiї
з використанням нечiткого керування в системах
регулювання електроприводами складних
електромеханiчних установок
Using the method of active successive correction and the ideas of fuzzy control theory, we find
the additional contour correcting regulators which suppress the influence of elastic properties
of a transmission on the control system dynamics.
Постановка проблеми i зв’язок з науковими i практичними задачами. Технiчним
стандартом привiдних систем з пiдвищеними вимогами до статичних i динамiчних режимiв
керування є загальнопромисловi приводи з активною корекцiєю i двоконтурними система-
ми регулювання по каналах частоти обертання i збудження як двигунiв постiйного, так
i змiнного струмiв [1, 2].
Технологiя керування складними динамiчними об’єктами на основi автоматизованих
електроприводiв постiйного i змiнного струмiв з послiдовною корекцiєю характеристик зай-
має важливе мiсце в сучасному пiдходi до оптимiзацiї динамiчних режимiв роботи машин
i установок [3, 4]. Характерною для таких систем є наявнiсть тиристорного випрямляча для
приводу постiйного струму i транзисторного автономного iнвертора напруги з широтно-iм-
пульсною модуляцiєю для приводу змiнного струму, а також спецiальних трансмiсiй, якi
передають обертовий момент вiд двигуна до робочого органа. При цьому маси i пружностi
окремих ланок механiчної системи можуть бути зосередженими i розподiленими (буровi
верстати, екскаватори, стрiчковi конвеєри, пiднiмальнi установки тощо [5]). Такi об’єкти
керування мають низькi характеристичнi частоти. Привiднi системи постiйного струму че-
рез iнерцiйностi тиристорного перетворювача i якоря двигуна є фiльтрами низької часто-
ти з високою добротнiстю i смугою пропускання до 50 рад/с. Привiднi системи змiнного
струму через меншу механiчну iнерцiю ротора двигуна i бiльшу частоту комутацiї широт-
но-iмпульсного модулятора мають смугу пропускання до 200 рад/с. Тому при модернiзацiї
електроприводу шляхом замiни привiдної системи постiйного струму на систему змiнного
струму iстотно змiнюється динамiка роботи всiєї електромеханiчної установки [6].
Мета дослiджень. На основi використання методу активної послiдовної корекцiї й iдей
нечiткого керування знайдемо додатковi контурнi коригувальнi регулятори, що пригнiчу-
ють вплив пружних властивостей трансмiсiї на динамiку системи регулювання.
Матерiал дослiджень. Додатковi динамiчнi ланки, зумовленi наявнiстю пружних
властивостей трансмiсiї, описуються дрiбно-рацiональними функцiями з високими ступе-
нями [7, 8]. Характеристичнi частоти додаткових передатних функцiй можуть виявитися
менше частоти зрiзу вiдповiдного (оптимiзованого за стандартними критерiями) контура
керування i потрапляють у смугу пропускання. Узагальнена структурна схема об’єкта ке-
рування в цьому випадку мiстить передатнi функцiї компенсованої частини об’єкта керу-
вання (Wokn(p)) i передатнi функцiї некомпенсованої частини об’єкта керування (Wonn(p)),
зумовленi пружними властивостями трансмiсiї.
94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №3
У дослiджуваних привiдних системах контур регулювання кожного параметра (коор-
динати) мiстить, як правило, не тiльки одну “велику” сталу часу, що компенсується дiєю
регулятора, але i дрiбно-рацiональну функцiю iз сталими часу, якi цiлком порiвнюються
з “великою”. Це значно ускладнює синтез системи i не дозволяє застосовувати однотипнi
алгоритми керування, якi використовуються в загальнопромисловому приводi.
Об’єкт керування структурно розподiлений на двi ланки — компенсовану i некомпен-
совану класичним регулятором. Компенсована частина вибирається у виглядi динамiчної
ланки не вище другого порядку з однiєю явно вираженою “великою” постiйною часу. Про-
цеси в контурi добре корегуються класичним регулятором з ПIД — характеристикою або
похiдними вiд цiєї характеристики (ПI, ПД, П, I).
Закони керування дослiджуваними приводами визначаються технологiчними особливос-
тями з урахуванням накладених обмежень на параметри електричної i механiчної частин
привiдної системи. Обмеження накладаються на параметри потоку механiчної енергiї, ве-
личини прискорень i ривкiв, що допускаються трансмiсiєю, перевантажувальну здатнiсть
двигуна, його припустимий рiвень нагрiвання i т. д. Цi фактори у сукупностi з видом збу-
рення визначають припустимi закони змiни всiх координат системи приводу. Класичнi алго-
ритми функцiонування регуляторiв визначаються шляхом послiдовної корекцiї динамiчних
характеристик кожного контура, починаючи вiд найбiльш швидкодiючого — внутрiшнього
m = 1, до зовнiшнього контура m = n з мiнiмальною швидкодiєю. Пiд оптимiзацiєю розу-
мiється зведення динамiчних параметрiв замкнутого контура у вiдповiдностi до обмежень,
що накладаються, на якiсть перехiдного процесу.
Узагальнена передатна функцiя об’єкта оптимiзованого контура при зроблених припу-
щеннях зводиться до вигляду
Won(p) = Wokn(p)Wonn(p) =
2ξ′nT ′
np + 1
T 2
np2 + 2ξnTnp + 1
∑
amnpm
∑
bmnpm
,
де Tn, T ′
n — сталi часу; ξn,ξ′n — коефiцiєнти демпфування; amn, bmn — коефiцiєнти полiномiв.
В останньому рiвняннi динамiчна ланка Wokn(p) вiдповiдає ланкам, дiя яких компенсу-
ється класичним регулятором. Друга динамiчна ланка Wonn(p) представлена дрiбно-рацiо-
нальним виразом, дiя якої через складнiсть алгоритму компенсацiї не може бути подавлена
класичним ПIД-регулятором. Якщо вiднести сталi часу дрiбно-рацiональних передатних
функцiй до малих некомпенсованих сталих часу контура регулювання, то його швидкодiя
iстотно зменшиться. Ця обставина негативно позначиться на швидкодiї всiєї системи керу-
вання. Вибором малої некомпенсованої постiйної часу оптимiзованого контура керування
визначається припустима межа швидкодiї контура.
Для пригнiчення пружних коливань трансмiсiї можна вмикати додатковi регулюючi лан-
ки паралельно основним регуляторам (розподiленi додатковi класичнi регулятори) або пере-
рахувати дiю паралельних додаткових регуляторiв на вхiд напiвпровiдникового перетворю-
вача — вихiд регулятора струму (зосереджений додатковий класичний регулятор). Останнє
переважнiше, оскiльки коригувальний вплив подається на самий швидкодiючий контур.
Алгоритми роботи регуляторiв при такому способi пригнiчення коливальних процесiв
у системi керування, визначаємо в такий спосiб. Для компенсацiї додаткових передатних
функцiй послiдовно класичному регулятору вмикається додатковий регулятор з передатною
функцiєю
Wn(p) =
∑
bmnpm
∑
amnpm
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №3 95
або паралельно кожному основному класичному регулятору необхiдно вмикати додатковий
регулятор з передатною функцiєю
W ′
n(p) =
1
pσnWokn(p)
∑
(bmn − amn)pm
∑
anmpm
,
де σn — сумарна мала постiйна часу контура керування.
Якщо звести дiї всiх додаткових регуляторiв на вихiд внутрiшнього регулятора, то за-
мiсть n приєднаних паралельно кожному регулятору можемо отримати еквiвалентний ре-
гулятор, що має передатну функцiю вигляду
W ′′
n (p) =
1
pσnWokn(p)
∑
(bmn − amn)pm
∑
anmpm
1
∏
k=n−1
(
1
pσkWokk(p)
∑
bnkp
n
∑
ankpn
)
.
Вiн охоплює паралельно класичнi регулятори. Але при цьому алгоритм роботи одного ре-
гулятора стає бiльш складним, нiж алгоритм роботи кожного регулятора окремо.
Всi алгоритми корекцiї динамiчних процесiв мiстять похiднi не нижче другого ступеня
вiд сигналу неузгодженостi, що при наявностi шумiв негативно вплине на працездатнiсть
такої компенсацiї. Крiм того, змiна параметрiв об’єкта керування приводить до нестабiль-
ностi характеристичних частот додаткових динамiчних ланок, тому можливе настроювання
алгоритмiв корекцiї тiльки в однiй робочiй точцi контурiв. Змiна кiлькостi приєднаних мас
приводить не до компенсацiї пружних коливань додатковими коригувальними ланками, а до
збiльшеної коливальностi системи керування. Тому алгоритми корекцiї динамiки повиннi
мати властивостi адаптацiї до змiнних параметрiв об’єкта керування.
У зв’язку з викладеним вирiшуємо проблему компенсацiї пружних коливань у системах
регулювання з послiдовною корекцiєю шляхом застосування принципiв нечiткого керування
складними об’єктами, до яких вiдносимо й електроприводи при наявностi пружних зв’яз-
кiв у трансмiсiї. Це дозволяє зберiгати вiдомi переваги систем з послiдовною корекцiєю
динамiчних параметрiв [9].
Пiдхiд на основi теорiї нечiтких множин має характернi вiдмiннi риси: на додаток до
числових змiнних використовуються нечiткi величини, так званi лiнгвiстичнi змiннi. Простi
вiдносини мiж змiнними описуються за допомогою нечiтких висловлень. Складнi вiдносини
описуються нечiткими алгоритмами [10]. Такий пiдхiд дає наближенi, але в той же час
ефективнi способи описання поведiнки складних систем.
Для збереження переваг систем керування з активною послiдовною корекцiєю пара-
лельно з класичними регуляторами вмикаємо нечiткий регулятор, функцiї якого поляга-
ють в пригнiченнi коливань, що виникають у системi керування через пружнi коливання
в трансмiсiї (рис. 1).
Для пригнiчення пружних коливань трансмiсiї в контурах керування передбачаємо не
тiльки сигнал, пропорцiйний неузгодженостi мiж завданням i дiйсним значенням контро-
льованої величини, а також швидкiсть змiни й iнтеграл вiд вiдзначеної неузгодженостi, що
вiдповiдає нечiткому регулятору з динамiчною ПIД-характеристикою. Структура нечiткого
регулятора передбачає вибiр вхiдних функцiй належностi, правила обробки термiв, пере-
творення вихiдного сигналу.
Синтез нечiткого регулятора рацiонально робити в два етапи. На першому етапi робимо
вибiр кiлькостi функцiй належностi на основi кластерного аналiзу вектора вхiдного сигналу
96 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №3
Рис. 1. Система керування з зосередженою обчислювальною потужнiстю нечiткого регулятора
(FRn, . . . , FR1 — контурнi нечiткi регулятори, дiя яких приведена на вхiд напiвпровiдникового перетво-
рювача)
нечiткого регулятора. На другому етапi на основi алгоритмiв адаптивних нейронних мереж
знаходимо правила обробки термiв.
Процес стрибкоподiбного збiльшення частоти обертання двигуна вiд нульового значення
до номiнального рiвня, реверса швидкостi вiд номiнального позитивного до номiнального
негативного рiвня, а потiм у зворотному напрямку, дозволяє створити найбiльш характерну
вибiрку даних змiнних сигналiв на входi i виходi нечiткого регулятора, яку використовуємо
для тренування функцiй належностi i правил обробки термiв. Ця вибiрка значень сигналiв
на входi i виходi нечiткого регулятора доповнюється сигналами при цих же режимах роботи,
але при стрибкоподiбнiй змiнi моменту опору на валу двигуна.
Вихiдною iнформацiєю для кластеризацiї є матриця спостережень вхiдних сигналiв не-
чiткого регулятора D, що формується за даними осцилограми кривих на входi нечiткого
регулятора
D =
E(t1)
dE
dt
∣
∣
∣
∣
t1
∫
E · dt
∣
∣
∣
∣
t1
E(t2)
dE
dt
∣
∣
∣
∣
t2
∫
E · dt
∣
∣
∣
∣
t2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E(tn)
dE
dt
∣
∣
∣
∣
tn
∫
E · dt
∣
∣
∣
∣
tn
,
де E(t) — помилка на входi регулятора.
Цi ж сигнали можна обчислити аналiтично, користуючись знайденою динамiчною мо-
деллю контура керування.
Кожний рядок матрицi D являє собою значення трьох ознак одного з об’єктiв клас-
теризацiї для кожного регулятора, вiдповiдно пропорцiйної, диференцiйної й iнтегральної
частин. Задача кластеризацiї полягає у розбивцi об’єктiв, якi знаходяться в D матрицi, на
кiлька пiдмножин (кластерiв), у яких об’єкти бiльш схожi мiж собою, нiж з об’єктами з iн-
ших кластерiв. У метричному просторi “схожiсть” визначається через вiдстань. Вiдстань
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №3 97
розраховується мiж вихiдними об’єктами (рядками матрицi D), а також вiд цих об’єктiв до
прототипу кластерiв. У розглянутому випадку координати прототипiв заздалегiдь невiдо-
мi — вони знаходяться одночасно з розбивкою даних на кластери.
Для знаходження кiлькостi кластерiв використовуємо метод субтрактивної кластериза-
цiї, алгоритм роботи якого викладено в [11].
Визначившись з кiлькiстю кластерiв для вхiдних змiнних, переходимо до другого етапу
синтезу нечiткого регулятора, для чого використовуємо можливостi навчання нейронних
штучних мереж з метою знаходження вихiдних функцiй належностi i взаємного розташу-
вання як вхiдних, так i вихiдних функцiй належностi.
База правил знаходиться за вихiдними функцiями належностей з використанням апа-
рату гiбридних мереж, у яких висновки робляться на основi нечiткої логiки, але вiдпо-
вiднi функцiї належностi налагоджуються на пiдставi алгоритмiв нейронних мереж [12].
Такi системи навчання використовують множину вхiдних i вихiдних значень i розподiля-
ють функцiї належностi вiдповiдно до вектора даних D. Параметри функцiй належностi
змiнюються вiдповiдно до наданих для навчання сигналiв. Для навчання взятi алгоритми
зворотного поширення [13], а також комбiнацiя цих алгоритмiв з методом оцiнки найменших
квадратiв. Цi алгоритми дозволяють ефективно навчатися нейро-нечiткому регулятору вiд
набору даних на його входi i виходi.
Таким чином, проведенi дослiдження дозволили виявити такi закономiрностi.
1. Ефективне пригнiчення дiї динамiчних ланок, зумовлених впливом трансмiсiї в си-
стемах з активною послiдовною корекцiєю, можливе шляхом застосування поряд iз класич-
ними регуляторами додаткових нечiтких регуляторiв.
2. Нечiткi коригуючi регулятори вводяться в тi контури керування, де власнi частоти
додаткових ланок виявляються менше частоти зрiзу контура.
3. Кiлькiсть функцiй належностi нечiткого регулятора визначається на основi кластер-
ного аналiзу матрицi спостережень вхiдних сигналiв, а база правил знаходиться шляхом
використання апарата нейронних гiбридних мереж, у яких висновки робляться на основi
нечiткої логiки, а вiдповiднi функцiї належностi налагоджуються на пiдставi алгоритмiв
нейронних мереж.
4. В алгоритмах роботи нечiткого коригувального регулятора струму i швидкостi досить
обмежитися двома складовими — пропорцiйною i диференцiальною, оскiльки змiнна скла-
дова вiд iнтеграла неузгодженостi повторює iз зсувом на 180◦ диференцiальну складову.
5. Аналiз перехiдних процесiв свiдчить про те, що включення нечiткого регулятора па-
ралельно класичному приводить не тiльки до збiльшення швидкодiї контурiв, але i до збiль-
шення перерегулювання порiвняно з настроюванням на модульний оптимум. Крiм збiльшен-
ня перерегулювання, спостерiгається збiльшення коливальностi. Для усунення цих негатив-
них явищ збiльшується коефiцiєнт настроювання контура вiд значення a = 2, що повинно
бути для модульного оптимуму, до значення a = 3, що зменшує швидкодiю системи ке-
рування практично до значення настроювання на модульний оптимум. Одночасно iстотно
зменшується перерегулювання i коливальнiсть контура керування до значень, менших, нiж
при настроюваннi на модульний оптимум.
1. Управление вентильными электроприводами постоянного тока / Е. Д. Лебедев, В. Е. Неймарк,
М.Я. Пистрак, О.В. Слежановский. – Москва: Энергия, 1970. – 200 с.
2. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобра-
зователями частоты / О.В. Слежановский, Л.Х. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. – Москва: Энер-
гоатомиздат, 1983. – 256 с.
98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №3
3. Хилов В.С., Бешта А.С., Заика В.Т. Опыт применения частотно-управляемых приводов в буровых
станках карьеров Украины // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2004. – № 10. –
С. 285–289.
4. Pivnyak G., Beshta A., Khilov V. AC drive system for actuator’s power control. XIII Intern. Symp. on
Theoretical Electrical Engineering ISTET’05. – Lviv, 2005. – P. 368–370.
5. Хилов В.С., Плахотник В.В. Оценка собственных частот буровой штанги при нестационарных ре-
жимах // Сб. научн. тр. НГУ. – 2004. – 4, № 19. –С. 145–150.
6. Хилов В.С. Изменение динамики привода вращателя бурового станка при применении приводной
системы переменного тока // Вестн. КТУ. Разработка рудных месторождений. – 2006. – № 1(90). –
С. 180–184.
7. Привiдна система спусково-пiдйомних операцiй бурового верстату / Г. Г. Пiвняк, О.С. Бешта,
В.С. Хилов, В.С. Федорейко // Вiсн. Нац. техн. ун-ту “Харкiвський полiтехнiчний iнститут”. – 2005. –
№ 45. – С. 223–225.
8. Khilov V. Application of computer-aided drives in new generation boring rigs for open pit’s in Ukraine //
Наук. вiсник НГУ. – 2006. – № 5. – С. 72–76.
9. Терехов В.М. Алгоритмы фаззи-регуляторов в электротехнических системах // Электричество. –
2001. – № 12. – С. 55–63.
10. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенного реше-
ния. – Москва: Мир, 1976. – 165 с.
11. Yager R., Filev D. Essentials of fuzzy modelling and control. – New York: Wiley, 1984. – 387 p.
12. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. – Санкт-Петербург: БХВ-
Петербург, 2003. – 736 с.
13. Медведев В.С., Потемкин В.Г. Нейронные сети MATLAB 6. – Москва: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. –
496 с.
Надiйшло до редакцiї 25.09.2006Нацiональний гiрничий унiверситет,
Днiпропетровськ
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №3 99
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1663 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-02T12:23:50Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Півняк, Г.Г. Бешта, О.С. Хілов, В.С. 2008-09-01T14:32:37Z 2008-09-01T14:32:37Z 2007 Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок / Г.Г. Півняк, О.С. Бешта, В.С. Хілов // Доп. НАН України. — 2007. — N 3. — С. 94-99. — Бібліогр.: 13 назв. — укp. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1663 622.233.6:-83:68.3 Using the method of active successive correction and the ideas of fuzzy control theory, we find the additional contour correcting regulators which suppress the influence of elastic properties of a transmission on the control system dynamics. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Енергетика Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок Article published earlier |
| spellingShingle | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок Півняк, Г.Г. Бешта, О.С. Хілов, В.С. Енергетика |
| title | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок |
| title_full | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок |
| title_fullStr | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок |
| title_full_unstemmed | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок |
| title_short | Розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок |
| title_sort | розвиток методу активної послідовної корекції з використанням нечіткого керування в системах регулювання електроприводами складних електромеханічних установок |
| topic | Енергетика |
| topic_facet | Енергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1663 |
| work_keys_str_mv | AT pívnâkgg rozvitokmetoduaktivnoíposlídovnoíkorekcíízvikoristannâmnečítkogokeruvannâvsistemahregulûvannâelektroprivodamiskladnihelektromehaníčnihustanovok AT beštaos rozvitokmetoduaktivnoíposlídovnoíkorekcíízvikoristannâmnečítkogokeruvannâvsistemahregulûvannâelektroprivodamiskladnihelektromehaníčnihustanovok AT hílovvs rozvitokmetoduaktivnoíposlídovnoíkorekcíízvikoristannâmnečítkogokeruvannâvsistemahregulûvannâelektroprivodamiskladnihelektromehaníčnihustanovok |