Оптимизация позиционных электроприводов автоматизированных систем на основе фаззи-контроллера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Постников, Виктор Геннадьевич

• Постников, Виктор Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Постников, Виктор Геннадьевич

Введение.

Глава 1. Класс позиционных электроприводов с автоматическим управлением перемещением рабочего органа.

1.1 Характеристика выделенной группы позиционных электроприводов.

1.2 Точность и динамические показатели позиционных электроприводов исследуемого класса с традиционным регулированием.

1.3 Выводы по главе.

Глава 2. Оптимизация позиционных электроприводов механических вентилей в автоматизированной системе.

2.1 Методика синтеза фаззи-регулятора положения для позиционного электропривода.

2.2 Алгоритм прямого фаззи-управления положением позиционного электропривода, минимизирующий перерегулирование и ошибку позиционирования.

2.3 Выводы по главе.

Глава 3. Оптимизация позиционных электроприводов с изменяемыми параметрами.

3.1 Синтез фаззи-регулятора, минимизирующего раскачивание груза.

3.2 Адаптивное фаззи-управление в позиционных электроприводах с традиционной структурой.

3.3 Выводы по главе.

Глава 4. Реализация фаззи-регуляторов для позиционных электроприводов рассматриваемого класса.

4.1 Способы реализации фаззи-регуляторов и выбор языка программирования.

4.2 Реализация фаззи-регуляторов на языке высокого уровня С++.

4.3 Загрузка программы реализации фаззи-регуляторов в контроллер.

4.4 Реализация фаззи-регуляторов на фаззи-контроллере.

4.5 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация позиционных электроприводов автоматизированных систем на основе фаззи-контроллера»

В современных технологиях находят всё большее применение интеллектуальные системы управления, среди которых имеют место и системы фаззи-управления (СФУ) верхнего технологического уровня. Достоинство СФУ - возможность для сложных и трудно математически описываемых объектов управления сформулировать на логической основе необходимые алгоритмы управления при многих входных переменных, что позволяет повысить качество автоматизированного технологического процесса многих производственных систем. К данным системам можно отнести некоторые тепловые системы, системы химического и фармацевтического производства, пищевой промышленности, системы газо- и теплоснабжения [23, 24]. В ряде указанных систем общий регулятор технологического процесса с использованием фаззи-управления формирует задание на необходимые перемещения рабочих органов типа регулируемых механических вентилей, осуществляющих дозированную подачу газа, пара, воды и других жидкостей в соответствующих технологических установках. Данные рабочие органы приводятся в движение электроприводами, работающими в режимах позиционирования и являющимися по существу непосредственными регуляторами технологического процесса.

Кроме отмеченного типа рабочих органов в автоматизированных технологических процессах могут использоваться и некоторые подъёмно-транспортные и робототехнические установки, в которых требуемые перемещения должны выполняться соответствующими позиционными электроприводами в автоматическом режиме. Данная группа электроприводов может осуществлять дополнительные операции по короткой транспортировке готовой продукции выделенных тепловых систем или участвовать самостоятельно в других технологических процессах.

От того, насколько качественно данные позиционные электроприводы осуществляют заданные технологическим регулятором перемещения рабочих органов, зависит и качество управляемого технологического процесса. Режим позиционирования должен быть наилучшим для выполнения технологических задач. Колебания и перерегулирование в этом процессе следует устранить, чтобы исключить передозировку вводимых электроприводами вентилей в технологический процесс требуемых порций жидкостей и газов и не допустить проливание жидкостей, перемещаемых электроприводами механизмов транспортного типа. При этом позиционирование должно выполняться с требуемой точностью и с высоким быстродействием, чтобы дозированные перемещения укладывались в технологически заданный временной интервал. Задачу «обеспечить наилучшее выполнение заданного технологическим регулятором перемещения рабочих органов установки, а именно: получить наибольшее быстродействие при отсутствии перерегулирования и в пределах требуемой точности позиционирования» можно считать актуальной задачей оптимизации рассматриваемой группы позиционных электроприводов по технологическому признаку.

Для данных электроприводов находят применение типовые структуры системы управления с традиционными регуляторами в простейшем варианте и без обратной связи по положению. Однако при повышенном требовании к качеству процесса для более точного позиционирования используется и обратная связь по положению. Традиционные структуры не всегда в состоянии качественно выполнить требуемое позиционирование в условиях особенностей данных электроприводов - нелинейного и значительного реактивного момента сопротивления с повышенным моментом трогания, а также возможной гибкой подвески рабочего органа и изменений моментов нагрузки и инерции . При ПД-регуляторе может оставаться существенная ошибка позиционирования, а при ПИ-регуляторе теряется быстродействие и имеет место перерегулирование. Адаптивное управление с традиционными регуляторами применительно к ПЭП с изменяемыми моментами нагрузки и инерции и с маятниковой подвеской рабочего органа может оказаться весьма сложным по алгоритму и трудно стабилизируемым [7]. В настоящее время имеется множество работ в основном зарубежных авторов по системам фаззи-управления верхнего (технологического) уровня в бытовой технике, в ряде различных технических установок. Имеются работы и по фаззи-управлению нижнего уровня применительно к электроприводам. Наиболее близкими к теме данной диссертации являются работы по применению фаззи-управления в следящем электроприводе для некоторых установок [1, 5]. Но в этих работах фаззи-регулятор является только дополнительным корректирующим средством для вспомогательных режимов, а главная задача управления режимом слежения возлагается на традиционные регуляторы.

Представляется, что сформулированную выше задачу оптимизации для выделенных электроприводов более эффективно можно решать на основе прямого фаззи-управления в контуре положения, позволяющего достаточно просто на логическом уровне получить необходимый для оптимизации алгоритм. Коль скоро для верхнего уровня управления рассматриваемых технологических установок используется фаззи-контроллер, то оказывается практически целесообразным с целью получения единообразной элементной базы управления возложить на этот контроллер и задачу нижнего уровня управления для позиционных электроприводов. Таким образом, задачу оптимизации выделенной группы позиционных электроприводов по технологическому признаку и на основе фаззи-контроллера можно считать актуальной.

Цель диссертационной работы - разработать на основе многоканального фаззи-контроллера оптимизацию позиционных электроприводов, работающих в ряде автоматизированных технологических процессов.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1) Анализ особенностей выделенной группы позиционных электроприводов (ПЭП) и составление их расчетных моделей;

2) Разработка метода построения алгоритма фаззи-регулятора положения для рассматриваемых ПЭП;

3) Оптимизация режима позиционирования электропривода механизмов типа вентилей трубопровода на основе фаззи-контроллера;

4) Оптимизация режима позиционирования электропривода механизмов перемещения с изменяемыми параметрами подвижной части;

5) Реализация оптимизированных регуляторов положения на основе фаззи-контроллера.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Постников, Виктор Геннадьевич

4.5. Выводы по главе 4

1. Показана целесообразность (по единообразию элементной базы и по упрощению программирования) реализации фаззи-регуляторов, оптимизирующих рассмотренные позиционные электроприводы, и технологического фаззи-регулятора на одном общем фаззи-контроллере.

2. Выбор фаззи-контроллера Quantum с использованием программирования в среде Concept упрощает перевод разработанных с помощью моделирования алгоритмов в рабочую программу их реализации на фаззи-контроллере.

3. Разработанные на языке С++ две программы реализации алгоритмов фаззи-регуляторов позволяют использовать в качестве элементной базы их реализации большинство современных контроллеров.

4. Разработанные два варианта программы дефаззификации по методу Mamdani для оболочки Concept позволяют сопоставлять алгоритмы, полученные моделированием в оболочке Simulink с реальной реализацией их на фаззи-контроллере.

5. Проверка разработанных алгоритмов фаззи-регуляторов, оптимизирующих рассмотренные режимы позиционирования как методом моделирования, так и в реальном времени на действующем фаззи-контроллере Quantum показывают достаточную точность их совпадения.

Заключение.

Проведенное исследование показало, что прямое фаззи-управление положением с разработанными алгоритмами для электроприводов выделенного класса оказывается эффективным средством оптимизации в направлении повышения качества позиционирования в автоматизированных технологических системах.

1. Предложена методика синтеза фаззи-регулятора положения для оптимизации позиционных электроприводов рассматриваемых типов.

2. Для электроприводов механизма вентиля с повышенными значениями момента сопротивления и момента трогания оптимизированный объединенный фаззи-регулятор положения обеспечивает при плавном без перерегулирования процессе позиционирования и без снижения быстродействия практически нулевую ошибку остановки рабочего органа.

3. Позиционный электропривод механизма с маятниковой подвеской рабочего органа с фаззи-регулятором положения с составленным оптимальным алгоритмом позволяет осуществить заданный режим позиционирования с устранением раскачивания груза, с большими быстродействием и точностью остановки по сравнению с традиционным управлением.

4. Разработанная программа реализации процедуры дефаззификации для контроллера позволяет адекватно сопоставлять отработку алгоритмов на реальном контроллере и моделированием в оболочке Matlab-Simulink.

5. Реализация разработанных алгоритмов совместно с технологическим алгоритмом на одном фаззи-контроллере унифицирует элементную базу системы управления и упростит ее модернизацию.

6. Работоспособность синтезированных фаззи-регуляторов, оптимизирующих процесс позиционирования, проверена их тестированием в реальном времени как с использованием специальных тестовых программных оболочек, так и непосредственно на реальном контроллере Quantum.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Постников, Виктор Геннадьевич, 2007 год

1. Владимирова Е.С. Синтез фаззи-регуляторов положения в следящих и позиционных электроприводах.// Электротехника. -2000. -№ 9.

2. Гафиятуллин Р.Х., Хусаинов Р.З. Чайчук А.Я. Применение фаззи-регулятора в следящем электроприводе // 3 Международная конференция по автоматизированному электроприводу: Тез. докл. Нижний Новгород, 2001г.

3. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс СПб: Питер, 2000.

4. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

5. Конакова Е.С. Разработка фаззи-управления для силовых следящих электроприводов: автореферат диссертации -М.: 2001г.

6. Дэвид Дж. Круглински Основы Visual С++ -М.: Издательский отдел "Русская Редакция" ТОО "Channel Trading Ltd.", 1997. -696 е.: ил.

7. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение 1976.-184с.

8. Масандилов Л.Б. Электропривод подъемных кранов. М.: Изд-во МЭИ. 1998.

9. Нетушил А.В. Теория автоматического управления. -«Высшая школа», 1967.

10. Постников В.Г. Построение алгоритма фаззи-управления для позиционного электропривода. // Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 679, М.: Издательство МЭИ, 2003.

11. П.Постников В.Г. Фаззи-регулятор электропривода механизма перемещения груза на маятниковой подвесе. // Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 680, -М.: Издательство МЭИ, 2004.

12. Постников В.Г. Реализация алгоритмов систем управления позиционных электроприводов на фаззи-контроллере. // Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 681, М.: Издательство МЭИ, 2005

13. Терехов В.М. Фаззи-логика в электротехнике.// Электричество. -2000. -№ И.

14. Терехов В.М., Владимирова Е.С. Некоторые аспекты применения фаззи-управления в электроприводах.// Электричество. -1999, -№ 9.

15. Терехов В.М. Алгоритмы фаззи-регуляторов в электротехнических системах.// Электричество. -2001. -№ 12.

16. Терехов В.М., Барышников А.С. Стабилизация движения тихоходных электроприводов на основе Fuzzy-логики // Электропривод.-1996.

17. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений М.: Издательский центр "Академия", 2005.-304с.

18. Усынин Ю.С. Системы управления электроприводов: Учеб. пособие. -2-е изд., испр. и доп. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 328с.

19. Фурсов Е.А. Электропривод и системы управления: Тр. МЭИ(ТУ). Вып. 678. -М.Издательство МЭИ, 2002. -96с.

20. Т. Hollstein Rapid-Prototyping von anwendungs-spezifischen Fuzzy Controllern mit Fild Programmable Gate Arrays. Fuzzy Logik. Springer-Verlay Berlin. 1994.

21. Daniel Gariglia Fuzzy in der Praxis, Elektronik 20/1991

22. Omron Digital-Fuzzy processor-controller-series, FP-3000 User's Manual. 1991 Omron Tateisi Electronics Corporation. Japan.

23. F.Schmidt Wissensbasierte Automatisierung eines Verdampfers fur die Herstellung von Fruchtsaftkonzentrat. Fuzzy-Logik, theorie und Praxis, Springer-Verlay, Berlin, 1994.

24. H. Heider, V.Tryba Energiesparen durch einen adaptiven Fuzzy-Regler fur Heizungsanlayen. Fuzzy-Logik, Theorie und Praxis, Springer-Verlay, Berlin, 1994.120