Struktury odpornego sterowania elektrycznego napędu bezpośredniego z wykorzystaniem koncepcji sterowania ślizgowego

Tematyka rozprawy obejmuje rozważania teoretyczne oraz badania symulacyjne i doświadczalne napędów bezpośrednich z silnikami synchronicznymi o wzbudzeniu od magnesów trwałych sterowanych metodą ruchu ślizgowego. W pracy skupiono się na układach regulacji położenia oraz prędkości, przyjmując założenie, że zrealizowana jest wewnętrzna pętla wektorowego sterowania silnika i regulacji składowych wektora prądu. Wykazano, że metoda sterowania ślizgowego dla elektrycznych napędów bezpośrednich umożliwia uzyskanie odporności na zmiany parametrów napędu także dla napędów z dużym momentem tarcia.
Na podstawie rozważań teoretycznych potwierdzonych badaniami symulacyjnymi i laboratoryjnymi sformułowano wniosek, że w przypadku rzeczywistych napędów elektrycznych sterowanych w sposób dyskretny konieczne jest ograniczenie wzmocnienia w pętli regulacji momentu obrotowego. Wynika stąd konieczność zastąpienia w analizowanej strukturze regulacji nieciągłej funkcji sgn() przez ciągłą aproksymację sat(). Przeanalizowane zostały różne realizacje takiej aproksymacji, obejmujące układy o stałej i zmiennej szerokości strefy aproksymacji oraz układy z członem całkującym wewnątrz strefy aproksymacji. Badano również układy z różnymi filtrami wyjściowymi, a także struktury sterowania ślizgowego z obserwatorami.
Szczególnie dużo uwagi poświęcono zastosowaniu metod wnioskowania rozmytego. Przeprowadzona analiza i badania pozwoliły na sformułowanie wniosków dotyczących zasad stosowania tej techniki w połączeniu z regulatorami ślizgowymi. W pracy krytycznie oceniono obecny w piśmiennictwie światowym nurt prac polegających na prostym zastąpieniu ciągłej aproksymacji funkcji sgn() przez jedno- lub dwuwymiarowy układ wnioskowania rozmytego. Wykazano brak istotnych zalet takiego rozwiązania przy jednoczesnym braku reguł doboru bloku wnioskowania rozmytego i trudnej ocenie stabilności. Pozytywnie zweryfikowano natomiast zastosowanie mechanizmu wnioskowania rozmytego jako agregacji regulatorów elementarnych.
Zaproponowano strukturę rozmytego, hybrydowego układu regulacji położenia i prędkości, łączącą metodą logiki rozmytej zmodyfikowany regulator położenia i prędkości o strukturze P-P-I oraz regulator ślizgowy z wyjściowym członem całkującym. Zaletami takiej struktury są: bardzo dobre właściwości dynamiczne i statyczne układu regulacji, przejrzysty zbiór reguł doboru parametrów obu regulatorów, a także prosta implementacja w rzeczywistym układzie sterowania. Wykazano eksperymentalnie, że tak zaproponowany hybrydowy układ regulacji cechuje się również dobrymi właściwościami odporności na zmiany parametrów.
Na potrzeby napędu bezpośredniego mechanizmów o dużym momencie tarcia suchego zaproponowano modyfikacje układu sterowania polegające na zastosowaniu zmiennej szerokości strefy aproksymacji funkcji sgn() wraz z obserwatorem momentu obciążenia oraz na zastosowaniu sektorowego sterowania ślizgowego. Zweryfikowano także zachowanie się w takich warunkach pracy hybrydowego układu regulacji z wnioskowaniem rozmytym.
Zaproponowano nowe rozwiązanie generatora sygnałów wzorcowych pełniącego rolę interpolatora w systemie sterowania układu napędowego. Istotą proponowanego rozwiązania jest zastąpienie typowych obliczeń off-line trajektorii wzorcowej przez obliczany on-line modelowy układ regulacji prędkości i położenia.
W pracy przedstawiono praktyczną kompensację tętnień wytwarzanego momentu elektromagnetycznego poprzez wprowadzenie dodatkowej składowej prądu zadanego. Przeprowadzono także identyfikację częstotliwościową obciążenia mechanicznego. Wyznaczone częstotliwości rezonansowe i antyrezonansowe wykorzystano do syntezy filtru cyfrowego w torze sprzężenia zwrotnego. Opracowano model symulacyjny wiernie odwzorowujący zachowania się rzeczywistego napędu. Szczególną rolę zwrócono na identyfikację i modelowanie tarcia, uwzględnienie opóźnień wnoszonych przez układy sterowania i pomiarów oraz dyskretny charakter układu sterującego. Przeprowadzone badania doświadczalne napędu bezpośredniego z silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych pozwoliły na weryfikację rozważań teoretycznych i badań symulacyjnych

1. Wprowadzenie 5 1.1. Specyfika elektrycznych napędów bezpośrednich 5 1.2. Zastosowanie metody sterowania z ruchem ślizgowym w energoelektronice i napędzie elektrycznym 7 1.3. Cel i zakres pracy 8 2. Sterowanie obiektami w warunkach niepewności 10 2.1. Niepewność modelowania obiektów fizycznych 10 2.2. Przegląd metod sterowania adaptacyjnego 14 2.3. Przegląd metod sterowania odpornego 16 2.4. Dyskretny układ sterowania 18 3. Ciągły ruch ślizgowy 21 3.1. Ruch ślizgowy z nieciągłym prawem sterowania 21 3.1.1. Prawo sterowania w ruchu ślizgowym 21 3.1.2. Dobór sterowania ślizgowego dla serwonapędu 26 3.1.3. Badania symulacyjne sterowania ślizgowego dla serwonapędu 30 3.2. Sterowanie z ruchem ślizgowym i stałą strefą graniczną 39 3.2.1. Strefa graniczna w ruchu ślizgowym 39 3.2.2. Dobór grubości strefy granicznej 41 3.2.3. Wpływ ciągłej aproksymacji prawa sterowania ślizgowego na jakość regulacji 42 3.3. Sterowanie z ruchem ślizgowym i zmienną strefą graniczną 48 3.4. Sterowanie z ruchem ślizgowym i filtracją sygnału sterującego 50 3.5. Sterowanie z ruchem ślizgowym i całkowaniem sygnału sterującego 53 4. Hybrydowy układ sterowania 59 4.1. Odporny regulator położenia i prędkości typu proporcjonalno-całkującego 59 4.1.1. Proporcjonalno-całkujący regulator prędkości 59 4.1.2. Proporcjonalny regulator położenia 64 4.2. Struktura hybrydowego układu regulacji położenia i prędkości 68 4.3. Wyniki badań hybrydowego układu sterowania 71 5. Rozmyty regulator ślizgowy 75 5.1. Regulatory ślizgowe z rozmytą warstwą graniczną 75 5.2. Regulatory ślizgowe z rozmytym prawem sterowania 83 5.3. Wnioskowanie rozmyte jako mechanizm agregacji cząstkowych regulatorów ślizgowych 85 5.4. Wnioskowanie rozmyte jako mechanizm agregacji regulatora ślizgowego i regulatora ciągłego 89 6. Układy sterowania z ruchem ślizgowym dla napędu bezpośredniego z tarciem 92 6.1. Modelowanie i kompensacja tarcia w układach napędów elektrycznych 92 6.1.1. Statyczne i dynamiczne modele tarcia 92 6.1.2. Metody kompensacji tarcia w układach sterowania napędów elektrycznych 96 6.2. Sterowanie ślizgowe z kompensacją i zmienną strefą graniczną dla układu z tarciem 98 6.2.1. Synteza regulatora 98 6.2.2. Badania laboratoryjne 105 6.3. Sterowanie ślizgowe sektorowe dla układu z tarciem 107 6.3.1. Transformacja TP modelu klasy LPV 107 6.3.2. Dekompozycja równań dynamiki obiektu 109 6.3.3. Synteza układu sterowania 111 6.3.4. Badania symulacyjne 112 6.4. Badanie i modyfikacja rozmytego regulatora hybrydowego dla układu z tarciem 114 7. Generowanie trajektorii wzorcowej 121 7.1. Miejsce i rola generatora trajektorii wzorcowej w strukturze sterowania napędu bezpośredniego 121 7.2. Generowanie czasooptymalnej trajektorii wzorcowej 122 7.3. Generator trajektorii wzorcowej z modelem układu regulacji położenia 127 8. Identyfikacja i model matematyczny napędu bezpośredniego 133 8.1. Konstrukcja stanowiska laboratoryjnego 133 8.1.1. Konstrukcja mechaniczna 133 8.1.2. Silnik synchroniczny o magnesach trwałych 134 8.1.3. Zmiana parametrów obciążenia 134 8.2. Model zamkniętego układu regulacji prądu 135 8.2.1. Struktura układu regulacji prądu 135 8.2.2. Model zastępczy zamkniętego układu regulacji prądu 138 8.3. Model wielomasowy układu mechanicznego 141 8.3.1. Identyfikacja modelu wielomasowego 141 8.3.2. Kompensacja wpływu wielomasowego charakteru układu mechanicznego 142 8.4. Identyfikacja i modelowanie momentu tarcia 146 8.4.1. Model symulacyjny układu napędowego z tarciem 146 8.4.2. Metoda identyfikacji momentu tarcia 147 8.4.3. Symulacyjna weryfikacja poprawności działania metody identyfikacji 150 8.4.4. Laboratoryjna identyfikacja modelu tarcia 153 8.5. Identyfikacja i kompensacja tętnień momentu w silniku synchronicznym o magnesach trwałych 154 8.5.1. Model matematyczny tętnień momentu 154 8.5.2. Kompensacja tętnień momentu 155 8.6. Układ sterowania i pomiarów 165 8.6.1. Dyskretny układ pomiaru prędkości 165 8.6.2. Dyskretny układ sterowania 166 9. Podsumowanie 168 9.1. Wnioski ogólne 168 9.2. Wnioski dotyczące dalszych badań 171 Literatura 172 Streszczenie 185