Inteligentní pohon šoupátka. Inteligentní řídicí systémy pro elektrické pohony: matematické metody a některé přístupy k jejich implementaci v praxi

Vlastnosti inteligentního elektrického pohonu NA

Pohony jsou navrženy s ohledem na nejnovější pokroky v inteligentní ochraně pohonu a jeho jednotlivých jednotek a také na jejich vzdálenou a místní diagnostiku. Dnes plně splňují všechny moderní požadavky na taková zařízení z většiny odvětví národního hospodářství.

Výkonová část elektropohonu je založena na elektrickém NA pohonu. Další inteligentní funkce jsou zabudovány do inteligentního bloku, který se připojuje k pohonu jako samostatný funkční blok.

Funkce inteligentního pohonu

1. Diagnostika správnosti sledu fází a odstranění jejich nesouladu;
2. Ovládání směru pohybu pohonu bez házení instalačních vodičů;
3. Možnost nastavení provozních režimů pohonu - škubání a držení;
4. Nastavení směru pohybu pohonu v případě ztráty řídicího signálu;
5. Volba způsobu zastavení servomotoru při dosažení koncových poloh - při dosažení koncové polohy nebo při překročení krouticího momentu;
6. Kontrola provozní doby měniče pomocí zdroje „otevřeno-zavřeno“;
7. Kontrola stavu měřicího potenciometru;
8. Automatická kalibrace dráhy pohonu;
9. Výběr odchozích signálů z uvedených typů nebo nastavení vlastních hodnot;
10. Instalace a seřízení "mrtvých zón" pracovního zdvihu pohonu - ochrana proti "efektu kladiva";
11. Nastavení a úprava doby průchodu "mrtvou zónou" - odložení některých signálů na tuto dobu;
12. Výstup signálu o poloze akčního členu po zpracování signálu "porucha";
13. Nastavení a seřízení počátečního a koncového bodu analogového signálu;

Možnosti inteligentního boxu dostupné v nabídce (při použití MCU)

Konstrukce elektrických přípojek, oddělených do samostatné jednotky, se schématy elektrického zapojení nainstalovanými z výroby, neumožňuje pronikání atmosférické vlhkosti a prachu do vnitřku měniče. To zvyšuje životní cyklus pohonu a výkon každé jeho součásti po celou dobu životnosti pohonu.

Schéma zapojení svorkovnice

Schémata zapojení

1. NA 301 (typ zapnuto-vypnuto)
2. NA 302 (typ CPT)
3. NA 303 (typ PCU)

Vysokorychlostní protokol Profibus funguje přes port RS485 ve 2vodičovém schématu zapojení. S vhodným opakovačem (opakovačem) lze propojit až 126 pohonů včetně. Při absenci opakovače (opakovače) lze připojit pouze 32 zařízení.

Přenosová rychlost a délka kabelu.

GSD-FAIL master: instalace programu

Specifikace rozhraní karty Profibus DP

Signály příkazů a zpětné vazby:

• příkazové signály: hodnota polohy (00-FF, 256 kroků)
• signál zpětné vazby: hodnota polohy (00-FF, 256 kroků)

Obecná specifikace Profibus DP:

• komunikační protokoly: Profibus DP odpovídá IEC 61158 a 617
• přenosové médium: kroucená dvoulinka, stíněný měděný kabel, v souladu s EN50170.

Rozhraní Profibus DP: EIA-485 (RS485).

Číslo zařízení: 32 zařízení bez opakovače, 126 zařízení s opakovačem. Pracovní teplota (-10 +70 o С).

Výkres. Elektronická řídicí jednotka pro EP uzavírací a regulační ventily ESD-VT G

V současné době je výrazná potřeba modernizace elektrických pohonů (ED) uzavíracích armatur pro všeobecné průmyslové použití. V roce 2007, pro tyto účely, EleSy vydal sérii elektronických jednotek ESD-VTG (obr. 1), určený k ovládání elektrických pohonů uzavíracími a regulačními ventily různých typů (vratových a klínových ventily, kulové ventily, klapky, atd.).

Nová řídicí jednotka byla původně vyvinuta pro modernizaci dříve používaných uzavíracích ventilů EP, které mají malý zdroj na části prvků vačkového mechanismu pro seřizování elektromechanických mikrospínačů pojezdu. Mimořádně nepohodlná z hlediska obsluhy je i technologie nastavování a nastavování koncových spínačů, která vyžaduje otevření krytu spínače a také ruční nastavení vaček a šipky ukazatele. Přesnost ladění takových elektronických zařízení je nízká a jejich integrace do moderního systému řízení procesů s digitálními rozhraními je problematická. V modernizovaném elektropohonu je instalována nová řídicí jednotka, která nahrazuje starou. kde:

1. je možné integrovat elektrický pohon do systému řízení procesu přes sériové rozhraní RS-485;
2. při vybavení ES elektronickým snímačem polohy, který zajišťuje vysokou přesnost polohování, je možné rychle různými způsoby nastavit koncové polohy uzavíracího prvku ventilu, včetně bez spouštění motoru a pohybu uzavíracího prvku ventilu ;
3. EP je vybaven elektronickou oboustrannou spojkou omezující točivý moment; tato spojka poskytuje schopnost pracovat "na doraz" s daným momentem, identifikaci hnacího momentu při pohybu na základě hodnot proudů motoru a síťového napětí a také nastavení různých hodnot momentu omezení v závislosti na směru pohybu elektrického pohonu a poloze uzavíracího prvku;
4. jednotka nezávisle poskytuje veškerou potřebnou sadu algoritmů pro ochranu motoru a armatur, čímž eliminuje potřebu instalovat složité externí reléové systémy.

Je třeba poznamenat, že elektronický snímač umožňuje ovládat polohu výstupního článku elektrického pohonu, a to i při absenci napájecího napětí, a pro jeho provoz v tomto režimu není nutná baterie. Nastavení ES na kotvě se provádí bez pronikání do jednotky nastavením parametrů v konfiguračních registrech z místního dispečinku pomocí ovládacích tlačítek nebo infračerveného ovládacího panelu.

Vyvinutý hierarchický systém menu, intuitivní slovní popis parametrů v ruštině, zobrazený na alfanumerickém dvouřádkovém displeji, usnadňují nastavení jako pomocí mobilního telefonu. Elektronická jednotka hlídá vstupní parametry z překročení maximálního limitu a nesprávné reference.

Během procesu uvádění do provozu je možné dodatečně nastavit algoritmus provozu ES, hodnoty limitních hodnot momentu v závislosti na poloze uzavíracího prvku ventilu, blokovat algoritmy vybraných ochran, konfigurovat dálkové ovládání. vstup / výstup podle uživatelem zadaného algoritmu je nutné posunout uzavírací prvek ventilu. Je možné nastavit režimy zastavení při dosažení limitu těsnění nebo cílové koncové polohy a také režim „šokového“ momentu při zahájení otevírání.

Jednotka má systém záznamu událostí, který sleduje a ukládá do energeticky nezávislé paměti povely, poruchy a stavy ES (posledních 300 událostí) s uvedením časové značky jejich vzniku. Informace zaznamenané tímto systémem vám umožní obnovit příčiny problémových situací.

Jednotka má rozhraní RS-485 pracující pod protokolem ModBus RTU. Diskrétní rozhraní umožňuje dávat povely "Zavřít", "Otevřít", "Stop" pomocí signálů s napětím 220 AC nebo 24 DC. Čas spouštěcího signálu se nastavuje v konfiguračních registrech bloku. EA vydává diskrétní signály o poloze ventilu "otevřeno", "zavřeno" atd.

Jako doplněk k elektronickým řídicím jednotkám si spotřebitel může zakoupit infračervené dálkové ovládání pro konfiguraci jednotky a čtení dat v ní uložených: protokol událostí a nastavení. Použití dálkového ovladače s obousměrnou výměnou umožňuje přenos souboru s konfiguračními parametry připraveného na osobním počítači do ES instalovaného v objektu, čímž se zkrátí doba konfigurace. Po načtení deníku událostí jednotky pomocí dálkového ovladače je možné jej vizualizovat na obrazovce počítače pro posouzení činnosti obsluhy a správnosti provozu ES, stavu elektrické sítě atd. Soubor protokolu událostí lze odeslat prostřednictvím osobního počítače připojeného k internetu do servisního oddělení EleSy pro konzultaci problémových situací.

Jako výkonový spínač v jednotce je použit tyristorový regulátor napětí (TRN), který určuje malé rozměry, vysokou spolehlivost a nízkou cenu elektrického pohonu.

Jednotka jako součást tyristorového asynchronního elektrického pohonu plní následující funkce: y ochrana proti zkratovým proudům; y omezení proudů motoru na maximální přípustnou úroveň; y tepelná ochrana motoru proti přetížení; y vytváření impulsů startovacího momentu nutných k překonání sil suchého tření, zaseknutí atd.; y omezení momentu pohybu, které zabraňuje selhání mechanických prvků elektrického pohonu; y pracují na důrazu s udržením daného okamžiku.

Splnění těchto požadavků v systému TRN-IM je komplikováno polořízeným charakterem tyristorů, nesinusovým zkreslením tvaru statorových proudů motoru a chybějícími metodami řízení točivého momentu úpravou úhlu otevření tyristoru. .

V EP lze použít různé typy převodovek. Požadavky na omezení momentu elektrického pohonu jsou splněny s ohledem na vlastnosti převodovky a především je třeba vzít v úvahu převodový poměr pro moment Km. Studie ukázaly, že koeficient Km v převodovkách se výrazně liší v závislosti na provozním režimu. Například pro převodovku s převodovým poměrem Kp = 220, použitou v elektrickém pohonu šoupátek, se hodnoty mění následovně: y práce na doraz při rozjezdu s rázovým působením momentu: Km = 0,8 kp; y práce na dorazu při rozběhu s plynulým působením momentu: Km = 0,65 Kr; y pohybová práce: Km = 0,9 Kr × f (Mc), kde Mc je moment odporu; y přechod z jízdního režimu do provozního režimu na doraz: Km = 0,95Kr.

Řídicí algoritmus EP by tedy měl brát v úvahu nelineární povahu svých prvků (IM, TRN, reduktor). Vzhledem k tomu, že koeficient Km pro různé převodovky může mít určité rozdíly (vzhledem k nedokonalosti výrobních technologií jeho prvků), je nutné počítat s možností vhodného přizpůsobení řídicího systému. K vyřešení tohoto problému se při vytváření elektronické řídicí jednotky použije algoritmus znázorněný na Obr. 3 jako graf. Uzly grafu znázorňují logické režimy činnosti řídicího systému v podobě některých pevných stavů, kde je vlastní logika práce, model procesu a kritéria pro dosažení stanoveného cíle režimu. Čáry grafu ukazují podmínky a směry přechodů, když v systému nastanou události, které určují změnu režimu. Symboly událostí na šipkách:

1. pohybový příkaz;
2. přítomnost fázového zkratu;
3. přítomnost lineárního zkratu;
4. časovač testu fázového zkratu;
5. lineární časovač testu zkratu;
6. žádný časovač pohybu;
7. dokončení procedury rázového momentu;
8. počet pokusů o aplikaci rázového momentu je roven nule;
9. překročení okamžiku pohybu;
10. rychlost motoru je více než polovina jmenovité;
11. příkaz k zastavení, dosažení cílové polohy;
12. žádný časovač pohybu.

Splnění požadavků na ochranu proti zkratovým proudům se provádí přiváděním předběžných zkušebních impulsů do tyristorů s velkými úhly otevření φ (170 ° pro detekci fázového zkratu a 120 ° pro lineární). Na konci testu dojde k zastavovacímu momentu nastavenému při startu, v tomto případě je úhel otevření tyristorů vytvořen v souladu se zadaným omezením momentu a aktuálním síťovým napětím. Při absenci pohybu se řízení přenese na algoritmus "Shock", který generuje momentový impuls díky nulovému úhlu otevření tyristorů s řízením počtu spuštění tohoto algoritmu a následným návratem k předchozímu otevření. úhel tyristorů. Na začátku pohybu směřuje úhel otevření tyristorů k minimální hodnotě (algoritmus "Pohyb") a výpočet zatěžovacího momentu se provádí jako tabulková funkce síťového napětí, proudu motoru a účiníku. V tomto režimu motor pracuje na lineární části mechanické charakteristiky a poskytuje otáčky blízké jmenovitým. Pokud točivý moment překročí nastavenou hodnotu, přejde řízení na algoritmus "Stop" se skokovou změnou úhlu otevření tyristorů, což vede ke snížení otáček, "uvolnění" převodovky a možnosti řízení podle do tabulky, která "formuje" točivý moment při startu. Pokud se během stanovené doby pohyb elektropohonu neobnoví, je vygenerován alarm o překročení zatěžovacího momentu a motor se vypne.

Na závěr nutno podotknout, že pro podrobnější prostudování možností takového elektronického podpisu je možné získat na stránkách www.elesy.ru softwarový simulátor EP uzavíracích armatur s elektronickou řídicí jednotkou ESDVTG. Tento softwarový produkt je nejbližším možným modelem skutečné elektronické desky s řídicí jednotkou ESD-VTG. Existují také simulátory pro další elektronické řídicí jednotky vyráběné společností EleSy. Tento model je založen na: y reálném softwaru nahraném do elektronické jednotky ESD-VTG; y soustavy diferenciálních rovnic pro modelování činnosti třífázového asynchronního motoru s rotorem nakrátko; y principy činnosti TRN pro třífázovou zátěž bez nulového výkonu; y možnost vytvoření "virtuální" kontroly nad sériovým rozhraním. Pomocí navrženého simulátoru má uživatel možnost simulovat činnost ES uzavíracích armatur (s přihlédnutím k zátěžovému diagramu, stavu elektrické sítě, provedeným připojením k rozhraní a výkonovým částem jednotka atd.).

Výkres. Elektronická řídicí jednotka pro EP uzavírací a regulační ventily ESD-VT G

V současné době je výrazná potřeba modernizace elektrických pohonů (ED) uzavíracích armatur pro všeobecné průmyslové použití. V roce 2007, pro tyto účely, EleSy vydal sérii elektronických jednotek ESD-VTG (obr. 1), určený k ovládání elektrických pohonů uzavíracími a regulačními ventily různých typů (vratových a klínových ventily, kulové ventily, klapky, atd.).

Nová řídicí jednotka byla původně vyvinuta pro modernizaci dříve používaných uzavíracích ventilů EP, které mají malý zdroj na části prvků vačkového mechanismu pro seřizování elektromechanických mikrospínačů pojezdu. Mimořádně nepohodlná z hlediska obsluhy je i technologie nastavování a nastavování koncových spínačů, která vyžaduje otevření krytu spínače a také ruční nastavení vaček a šipky ukazatele. Přesnost ladění takových elektronických zařízení je nízká a jejich integrace do moderního systému řízení procesů s digitálními rozhraními je problematická. V modernizovaném elektropohonu je instalována nová řídicí jednotka, která nahrazuje starou. kde:

1. je možné integrovat elektrický pohon do systému řízení procesu přes sériové rozhraní RS-485;
2. při vybavení ES elektronickým snímačem polohy, který zajišťuje vysokou přesnost polohování, je možné rychle různými způsoby nastavit koncové polohy uzavíracího prvku ventilu, včetně bez spouštění motoru a pohybu uzavíracího prvku ventilu ;
3. EP je vybaven elektronickou oboustrannou spojkou omezující točivý moment; tato spojka poskytuje schopnost pracovat "na doraz" s daným momentem, identifikaci hnacího momentu při pohybu na základě hodnot proudů motoru a síťového napětí a také nastavení různých hodnot momentu omezení v závislosti na směru pohybu elektrického pohonu a poloze uzavíracího prvku;
4. jednotka nezávisle poskytuje veškerou potřebnou sadu algoritmů pro ochranu motoru a armatur, čímž eliminuje potřebu instalovat složité externí reléové systémy.

Je třeba poznamenat, že elektronický snímač umožňuje ovládat polohu výstupního článku elektrického pohonu, a to i při absenci napájecího napětí, a pro jeho provoz v tomto režimu není nutná baterie. Nastavení ES na kotvě se provádí bez pronikání do jednotky nastavením parametrů v konfiguračních registrech z místního dispečinku pomocí ovládacích tlačítek nebo infračerveného ovládacího panelu.

Vyvinutý hierarchický systém menu, intuitivní slovní popis parametrů v ruštině, zobrazený na alfanumerickém dvouřádkovém displeji, usnadňují nastavení jako pomocí mobilního telefonu. Elektronická jednotka hlídá vstupní parametry z překročení maximálního limitu a nesprávné reference.

Během procesu uvádění do provozu je možné dodatečně nastavit algoritmus provozu ES, hodnoty limitních hodnot momentu v závislosti na poloze uzavíracího prvku ventilu, blokovat algoritmy vybraných ochran, konfigurovat dálkové ovládání. vstup / výstup podle uživatelem zadaného algoritmu je nutné posunout uzavírací prvek ventilu. Je možné nastavit režimy zastavení při dosažení limitu těsnění nebo cílové koncové polohy a také režim „šokového“ momentu při zahájení otevírání.

Jednotka má systém záznamu událostí, který sleduje a ukládá do energeticky nezávislé paměti povely, poruchy a stavy ES (posledních 300 událostí) s uvedením časové značky jejich vzniku. Informace zaznamenané tímto systémem vám umožní obnovit příčiny problémových situací.

Jednotka má rozhraní RS-485 pracující pod protokolem ModBus RTU. Diskrétní rozhraní umožňuje dávat povely "Zavřít", "Otevřít", "Stop" pomocí signálů s napětím 220 AC nebo 24 DC. Čas spouštěcího signálu se nastavuje v konfiguračních registrech bloku. EA vydává diskrétní signály o poloze ventilu "otevřeno", "zavřeno" atd.

Jako doplněk k elektronickým řídicím jednotkám si spotřebitel může zakoupit infračervené dálkové ovládání pro konfiguraci jednotky a čtení dat v ní uložených: protokol událostí a nastavení. Použití dálkového ovladače s obousměrnou výměnou umožňuje přenos souboru s konfiguračními parametry připraveného na osobním počítači do ES instalovaného v objektu, čímž se zkrátí doba konfigurace. Po načtení deníku událostí jednotky pomocí dálkového ovladače je možné jej vizualizovat na obrazovce počítače pro posouzení činnosti obsluhy a správnosti provozu ES, stavu elektrické sítě atd. Soubor protokolu událostí lze odeslat prostřednictvím osobního počítače připojeného k internetu do servisního oddělení EleSy pro konzultaci problémových situací.

Jako výkonový spínač v jednotce je použit tyristorový regulátor napětí (TRN), který určuje malé rozměry, vysokou spolehlivost a nízkou cenu elektrického pohonu.

Jednotka jako součást tyristorového asynchronního elektrického pohonu plní následující funkce: y ochrana proti zkratovým proudům; y omezení proudů motoru na maximální přípustnou úroveň; y tepelná ochrana motoru proti přetížení; y vytváření impulsů startovacího momentu nutných k překonání sil suchého tření, zaseknutí atd.; y omezení momentu pohybu, které zabraňuje selhání mechanických prvků elektrického pohonu; y pracují na důrazu s udržením daného okamžiku.

Splnění těchto požadavků v systému TRN-IM je komplikováno polořízeným charakterem tyristorů, nesinusovým zkreslením tvaru statorových proudů motoru a chybějícími metodami řízení točivého momentu úpravou úhlu otevření tyristoru. .

V EP lze použít různé typy převodovek. Požadavky na omezení momentu elektrického pohonu jsou splněny s ohledem na vlastnosti převodovky a především je třeba vzít v úvahu převodový poměr pro moment Km. Studie ukázaly, že koeficient Km v převodovkách se výrazně liší v závislosti na provozním režimu. Například pro převodovku s převodovým poměrem Kp = 220, použitou v elektrickém pohonu šoupátek, se hodnoty mění následovně: y práce na doraz při rozjezdu s rázovým působením momentu: Km = 0,8 kp; y práce na dorazu při rozběhu s plynulým působením momentu: Km = 0,65 Kr; y pohybová práce: Km = 0,9 Kr × f (Mc), kde Mc je moment odporu; y přechod z jízdního režimu do provozního režimu na doraz: Km = 0,95Kr.

Řídicí algoritmus EP by tedy měl brát v úvahu nelineární povahu svých prvků (IM, TRN, reduktor). Vzhledem k tomu, že koeficient Km pro různé převodovky může mít určité rozdíly (vzhledem k nedokonalosti výrobních technologií jeho prvků), je nutné počítat s možností vhodného přizpůsobení řídicího systému. K vyřešení tohoto problému se při vytváření elektronické řídicí jednotky použije algoritmus znázorněný na Obr. 3 jako graf. Uzly grafu znázorňují logické režimy činnosti řídicího systému v podobě některých pevných stavů, kde je vlastní logika práce, model procesu a kritéria pro dosažení stanoveného cíle režimu. Čáry grafu ukazují podmínky a směry přechodů, když v systému nastanou události, které určují změnu režimu. Symboly událostí na šipkách:

1. pohybový příkaz;
2. přítomnost fázového zkratu;
3. přítomnost lineárního zkratu;
4. časovač testu fázového zkratu;
5. lineární časovač testu zkratu;
6. žádný časovač pohybu;
7. dokončení procedury rázového momentu;
8. počet pokusů o aplikaci rázového momentu je roven nule;
9. překročení okamžiku pohybu;
10. rychlost motoru je více než polovina jmenovité;
11. příkaz k zastavení, dosažení cílové polohy;
12. žádný časovač pohybu.

Splnění požadavků na ochranu proti zkratovým proudům se provádí přiváděním předběžných zkušebních impulsů do tyristorů s velkými úhly otevření φ (170 ° pro detekci fázového zkratu a 120 ° pro lineární). Na konci testu dojde k zastavovacímu momentu nastavenému při startu, v tomto případě je úhel otevření tyristorů vytvořen v souladu se zadaným omezením momentu a aktuálním síťovým napětím. Při absenci pohybu se řízení přenese na algoritmus "Shock", který generuje momentový impuls díky nulovému úhlu otevření tyristorů s řízením počtu spuštění tohoto algoritmu a následným návratem k předchozímu otevření. úhel tyristorů. Na začátku pohybu směřuje úhel otevření tyristorů k minimální hodnotě (algoritmus "Pohyb") a výpočet zatěžovacího momentu se provádí jako tabulková funkce síťového napětí, proudu motoru a účiníku. V tomto režimu motor pracuje na lineární části mechanické charakteristiky a poskytuje otáčky blízké jmenovitým. Pokud točivý moment překročí nastavenou hodnotu, přejde řízení na algoritmus "Stop" se skokovou změnou úhlu otevření tyristorů, což vede ke snížení otáček, "uvolnění" převodovky a možnosti řízení podle do tabulky, která "formuje" točivý moment při startu. Pokud se během stanovené doby pohyb elektropohonu neobnoví, je vygenerován alarm o překročení zatěžovacího momentu a motor se vypne.

Na závěr nutno podotknout, že pro podrobnější prostudování možností takového elektronického podpisu je možné získat na stránkách www.elesy.ru softwarový simulátor EP uzavíracích armatur s elektronickou řídicí jednotkou ESDVTG. Tento softwarový produkt je nejbližším možným modelem skutečné elektronické desky s řídicí jednotkou ESD-VTG. Existují také simulátory pro další elektronické řídicí jednotky vyráběné společností EleSy. Tento model je založen na: y reálném softwaru nahraném do elektronické jednotky ESD-VTG; y soustavy diferenciálních rovnic pro modelování činnosti třífázového asynchronního motoru s rotorem nakrátko; y principy činnosti TRN pro třífázovou zátěž bez nulového výkonu; y možnost vytvoření "virtuální" kontroly nad sériovým rozhraním. Pomocí navrženého simulátoru má uživatel možnost simulovat činnost ES uzavíracích armatur (s přihlédnutím k zátěžovému diagramu, stavu elektrické sítě, provedeným připojením k rozhraní a výkonovým částem jednotka atd.).

Základní předpoklady pro rozvoj inteligentních digitálních elektrických pohonů

Objevení se prvního mikroprocesoru v roce 1971 by mělo být považováno za začátek urychleného vývoje digitálních systémů, které tvoří základ inteligentních řídicích systémů pro elektrické pohony. Od té doby toto odvětví zaznamenalo prudký rozvoj, který je pozorován i v současnosti.
Díky pokrokům v mikroprocesorové technice a výkonové elektronice v posledních letech, vestavěným mikroprocesorovým systémům, IGBT tranzistorům, vysoce výkonným mikrořadičovým systémům pro přímé digitální řízení zařízení a inteligentním výkonovým modulům IPM, schopným v reálném čase řídit dynamické procesy elektrických pohonů, našly praktické uplatnění.

Moderní mikrokontroléry zahrnují funkce přímého digitálního řízení, které jsou přímo zabudovány do mikrokontrolérů a vyznačují se pokročilou architekturou a systémem příkazů, které umožňují řešit většinu typických problémů řízení dynamických systémů na úrovni rychlého kódu. Mezi nové přístupy používané v digitálních řídicích systémech pro moderní elektrické pohony patří:
- přechod od běžných čítačů k sadám univerzálních čítačů/časovačů s vestavěnými porovnávacími/zachycovacími kanály a dále k vícekanálovým procesorům událostí;
- dostupnost vysokorychlostních výstupních kanálů na frekvencích až 20-50 kHz;
- přesné časové zpracování vstupních vícekanálových pulzních sledů pro propojení s širokou třídou zpětnovazebních senzorů (pulzní, indukční, Hallovy prvky atd.);
- funkce vysokorychlostního vstupu při frekvencích až 100 kHz a vyšších;
- vytvoření specializovaných periferních zařízení jako jsou "kvadraturní dekodéry" pro zpracování signálů z nejběžnějších zpětnovazebních snímačů (zejména optických snímačů polohy);
- dostupnost funkcí přímého ovládání výkonových spínačů a identifikace polohy / rychlosti;
- vytvoření unifikovaných vícekanálových PWM generátorů s vestavěnými možnostmi pro přímé digitální ovládání klíčů střídačů, aktivních usměrňovačů a DC-DC měničů v režimech přední, středové a vektorové PWM modulace;
- integrace procesoru událostí a vícekanálového generátoru PWM do jednoho univerzálního zařízení - správce událostí;
- vytvoření mikrokontrolérů s duálními manažery událostí pro přímé digitální řízení pohonů podle systému: "Aktivní usměrňovač-Střídač-Motor" a "Převodník DC-na-DC - Střídač-Motor", jakož i pro řízení dvoumotorových pohonů ;
- výrazné zvýšení rychlosti analogově-digitálních převodníků (doba převodu až 100 ns na kanál), autosynchronizace spouštěcích procesů ADC s provozem dalších periferních zařízení, zejména generátorů PWM;
auto-pipeline konverzních procesů v ADC přes několik kanálů (až 16)
- Podpora funkcí řízení stejnosměrného proudu a přímého řízení točivého momentu.
Uvedené vlastnosti číslicového řízení elektrických pohonů spolu s urychleným rozvojem mikroprocesorové techniky vytváří příznivé klima pro vývoj a implementaci inovativních technologií a využití moderních matematických metod pro syntézu řídicích systémů pro elektrické pohony.

Některé matematické metody a přístupy používané v inteligentních řídicích systémech pro elektrické pohony

Jedním z naléhavých problémů při syntéze moderního elektrického pohonu je konstrukce optimálních řídicích systémů. Při formulaci problému syntézy optimálního řízení je kromě rovnic řídicího objektu zvoleno kritérium optimality, kterého musí být dosaženo v konečném čase za předpokladu, že jsou zadaná omezení na řízení, fázový vektor a okrajové podmínky splněny. spokojený.
Určitá objektivní funkce (např. dosažení maximálního výkonu, minimální spotřeby energie atd.) působí jako kritérium optimality.
Existují různé přístupy k řešení tohoto problému. Za nejběžnější je třeba uvést tzv. gradientní metody, ve kterých je účelová funkce reprezentována jako funkcionál více stavových proměnných dynamického systému - F (x1, x2,… xn).
Podle algoritmu gradientové metody je pro určení směru pohybu k optimu nutné najít parciální derivace: δF / δx1; δF / δx2;… δF / δxn, které určují gradientový vektor a činí krok k jeho snížení. V každém kroku optimalizace se postup výpočtu gradientu opakuje. Výsledkem je, že v koncovém bodě hodnota funkcionálu F (x1, x2,… xn) dosáhne extrému a hodnota gradientu dosáhne nulové hodnoty.
Při zavádění gradientních metod v praxi vyvstává mnoho otázek souvisejících s odůvodněním typu jakostního funkcionálu, délkou kroku při každé iteraci a také s pravděpodobností pádu trajektorie do lokálního minimálního bodu a řešením problému nalezení globální extrém.
Přechod na digitální systémy řízení systémů, budované s využitím moderní elementové základny a mikroprocesorové technologie, umožnil přejít na nové technologie řízení elektrických pohonů, které byly dříve z technických důvodů nedosažitelné. Mezi tyto technologie patří syntéza elektrických pohonných systémů s prvky umělé inteligence, ve kterých se vývoj živé přírody široce využívá při adaptaci organismů na měnící se vnější prostředí.
V poslední době bylo navrženo mnoho algoritmů pro optimalizaci řízení dynamických systémů založených na napodobování chování živých organismů. Rozšířily se různé stochastické vyhledávací algoritmy, které jsou v domácí literatuře známé jako populační algoritmy (pulační algoritmy). Patří do třídy heuristických algoritmů, jejichž konvergence ke globálnímu řešení nebyla teoreticky prokázána, ale na základě numerických experimentů se ukázalo, že ve většině případů dávají poměrně dobré výsledky.
V následujících klasifikacích populačních algoritmů jsou uvedeny:
- evoluční algoritmy, včetně genetických algoritmů;
- populační algoritmy inspirované divokou přírodou;
- algoritmy inspirované neživou přírodou;
- algoritmy inspirované lidskou společností;
- jiné algoritmy.
Na druhé straně, evoluční algoritmy zahrnují:
- genetické algoritmy,
- evoluční strategie,
- evoluční programování,
-algoritmy diferenciální evoluce (diferenciální evoluce),
genetické programování.
Evoluční algoritmy jsou založeny na obecných principech biologické evoluce (selekce, mutace a reprodukce jedinců) a jsou součástí širší technologie tzv. soft computingu, která zahrnuje fuzzy logiku, neuronové sítě, pravděpodobnostní uvažování a sítě důvěry, které , samostatně nebo v různých kombinacích, se používají při syntéze systémů umělé inteligence.
Mezi optimalizační algoritmy, které jsou široce používány pro syntézu elektrických pohonných systémů, je třeba zařadit populační algoritmy inspirované divokou zvěří, které nevyžadují výpočet gradientu k nalezení extrému cílové funkce (algoritmy pro roj částic, mravence kolonie a včelí roj).
V podstatě takové algoritmy napodobují kolektivní chování hejn ptáků a hejn ryb nebo chování mravenčí kolonie, včelího roje. Algoritmus chování každého jedince v hejnu lze implementovat na následujících principech:
1) touha při pohybu vyhnout se srážkám s nejbližšími jedinci hejna;
2) volba rychlosti s přihlédnutím k rychlosti jedinců pohybujících se vedle sebe v hejnu;
3) minimalizace vzdálenosti k nejbližším sousedům.
Tyto principy jsou využívány v jedné z nejpopulárnějších matematických metod - tzv. částicové metodě rojení, která byla původně vyvinuta pro simulaci choreografie ptačího hejna a později byla vyvinuta pro řešení problémů optimalizace dynamických systémů. Algoritmus optimalizace roje částic je znázorněn na obr. 1.

Obr. 1. Algoritmus optimalizace roje částic
V každém časovém okamžiku mají částice určitou polohu ve stavovém prostoru a vektor rychlosti, který se při každé iteraci mění podle následujícího vzorce:
vi = ω ∙ vi + a1 ∙ rnd () ∙ (pbesti - xi) + a2 ∙ rnd (). (gbesti - xi),
kde:
a1, a2 - konstantní zrychlení (rychlost konvergence algoritmu závisí na volbě těchto parametrů);
pbesti t je nejlepší bod nalezený částicí;
gbesti je nejlepší bod ze všech částic systému;
xi - aktuální poloha částice;
rnd () - funkce, vrací náhodné číslo od 0 do 1 včetně.

Koeficient ω, nazývaný Yuhui Shi a Russell Eberhart jako koeficient setrvačnosti, určuje rovnováhu mezi šíří výzkumu a pozorností k nalezeným suboptimálním řešením.
V případě ω> 1 se rychlost částic zvýší, rozletí se a důkladněji prozkoumají prostor. Jinak se rychlost částic v průběhu času snižuje.
Po výpočtu směru vektoru v se částice přesune do bodu x = x + v,
na základě nejlepšího extrému dosaženého danou částicí a informací o nejoptimálnějších částicích v roji.
V případě potřeby jsou hodnoty nejlepších bodů pro každou částici aktualizovány pro všechny částice jako celek, načež se cyklus opakuje.
Jako podmínku pro dokončení optimalizačního algoritmu metodou roje částic lze zvolit: hledání extrému je ukončeno při dosažení určitého počtu iterací, během kterých nebylo řešení vylepšeno.
V současnosti představují inteligentní metody řízení založené na metodě roje částic seriózní alternativu k tradičním optimalizačním metodám.
Takže například ve vztahu k řídicím systémům elektrického pohonu ventilů je uveden zjednodušený algoritmus založený na metodě roje částic, který umožňuje optimalizovat parametry pasivních filtrů za účelem potlačení proudových harmonických a zvýšení účinnost elektrického pohonu. Tento algoritmus je vhodný pro návrh pasivních filtrů v systémech synchronního pohonu se třemi typy zatížení: konstantní točivý moment; s konstantní rychlostí a proměnným točivým momentem; s proměnnými otáčkami a proměnným točivým momentem. V důsledku aplikace metody bylo dosaženo snížení vlivu harmonického složení proudů a napětí na střídavou síť a také zvýšení účinnosti elektrického pohonu.
Při řešení optimalizační úlohy pro řízení aktivních magnetických ložisek (AMB) byly porovnány dvě modifikace klasické optimalizace roje částic (PSO): algoritmus s lineárně klesající setrvačnou hmotností (LDW-PSO); algoritmus s přístupem konstrikčního faktoru (CFA-PSO). Na základě výsledků počítačového modelování obou verzí algoritmu je uveden odhad konvergence postupů pro minimalizaci účelové funkce, definované jako integrál absolutní hodnoty chyby. Je ukázáno, že tyto PSO algoritmy poskytují potřebnou konvergenci a vysokou výpočetní efektivitu při optimalizaci různých struktur PID regulátorů používaných v systémech stabilizace rotoru v radiálním i axiálním směru.
V současnosti se metoda roje částic využívá i v problémech optimalizace konstrukčních parametrů elektrických strojů.
Aby se zlepšila přesnost výpočtu vazby toku, stejně jako optimalizovala základní konstrukce a provozní parametry synchronního motoru s permanentními magnety a magnetickým zavěšením rotoru, byla vyvinuta nová metoda jeho modelování založená na o metodách optimalizace roje částic a nejmenších čtverců podpůrných vektorů. Během simulace se nastaví úhel rotoru, proud pracovního vinutí a závěsná síla a určí se vazba toku. Jsou odvozeny vztahy mezi výchozími a stanovenými parametry. Potvrzují se výhody nové metody z hlediska přesnosti a rychlosti výpočtů ve srovnání s dříve používaným tradičním přístupem.
Jednou z oblastí, ve které je metoda roje částic široce používána, je optimalizace konstrukcí elektromotorů ventilů používaných v moderních elektrických pohonných systémech. Například je známo, že segmentace magnetického pólu je účinný a jednoduchý způsob, jak snížit rušivý moment harmonického pole generovaný ve výkonných synchronních strojích s permanentními magnety. K vyřešení tohoto problému je nutné aplikovat metody multikriteriální optimalizace. Jedním z možných a pracných přístupů je výběr optimální šířky a posunutí magnetických segmentů metodou konečných prvků. Článek navrhuje novou, ekonomičtější strategii založenou na použití semianalytického modelu elektromagnetického momentu vznikajícího působením poruch harmonického pole spolu s multikriteriální optimalizací konstrukce stroje pomocí metody roje částic. Efektivitu navržené metody ukazuje příklad porovnání technických charakteristik dvou prototypů synchronních strojů se segmentovými póly se dvěma a třemi bloky permanentních magnetů na pól, optimalizovaných metodou částicového roje, s charakteristikami motorů s permanentními magnety. s jednotnými póly, optimalizované pomocí metody konečných prvků. ...
Hledání nových přístupů k optimalizaci řízení motoru přesahuje napodobování hejn ptáků a hejn hmyzu. Mezi efektivní algoritmy optimalizace populace patří také algoritmy, které napodobují chování některých bakterií. Takže inovativní technologie chytrého ovládání ventilového indukčního motoru pomocí tzv. algoritmus Smart Bacterial Foraging Algorithm (SBFA), simulující chemotaktické chování bakterií - jejich pohyb po gradientu koncentrace živin. Jsou diskutovány možnosti použití algoritmu SBFA pro optimalizaci systémů adaptivního řízení. Efektivitu navržené metodiky ilustruje příklad optimalizace proporcionálně-integrálního regulátoru otáček elektropohonu ventil-induktor s motorem 4 kW a konfigurací 8/6. Jako víceúčelová optimalizační funkce bylo použito minimum chyb rychlosti a zvlnění točivého momentu a jako platforma pro implementaci řídicího algoritmu byl použit digitální signálový procesor TMS320F2812.
Obecně lze říci, že bibliografie vědeckých článků věnovaných optimalizaci řídicích systémů elektrického pohonu pomocí populačních algoritmů, které simulují chování živých bytostí, byla jen v posledních letech ve stovkách publikací. Byly získány inspirativní výsledky, které dávají důvod k naději, že se uvažované teoretické pozice v blízké budoucnosti stanou každodenní praxí a umožní vstup do nové, dříve nedosažitelné etapy ve vývoji průmyslové a dopravní automatizace.

LITERATURA
1. N.N. Shchelkunov, A.P. Dianov "Mikroprocesorové nástroje a systémy", Moskva, Rádio a komunikace, 1989, 288.
2. Kozačenko V.F. Mikrokontrolérové ​​řídicí systémy pro elektrické pohony:
současný stav a vyhlídky rozvoje, http: //www.motorcontrol.ru/publications/controllers.pdf
Katedra automatizovaného elektrického pohonu MPEI, Moskva, 2014.
3. Voronov A.A. Teorie automatického řízení. Ve 2 částech Část II Teorie nelineárních a speciálních systémů automatického řízení. –M .: Vyšší škola, 1986. 504 s.
4. Algoritmy inspirované přírodou: návod / AP Karpenko. - Moskva: Vydavatelství MSTU im. N.E.Bauman, 2014.
6. Singh S., Singh B .. Optimalizovaný design pasivního filtru využívající modifikovaný algoritmus optimalizace roje částic pro 12pulzní měnič LCI-synchronní motorový pohon. IEEE Trans. Ind. Aplikace .. 2014.50, N 4, str. 2681-2689. Angličtina.
7. Stimac Goranka, Braut Sanjin, Zigulic Roberto. Srovnávací analýza PSO algoritmů pro ladění PID regulátoru. Brada. J. Mech. Eng .. 2014.27, N 5, s. 928-936. Bibl. 21. Ing.
Sun Xiaodong, Zhu Huangqiu, Yang Zebin. Nelineární modelování vazby toku pro bezložiskový synchronní motor s permanentními magnety s modifikovanou optimalizací roje částic a vektorovými stroji podporujícími nejmenší čtverce. J. Computing. a Theor. Nanosci .. 2013.10, N 2, str. 412-418, 3 nemocní .. Bibl. 29. Ing.
Víceúčelová optimalizace tvaru synchronních strojů s permanentními magnety se segmentovými póly se zlepšenými momentovými charakteristikami. Ashabani Mahdi, Mohamed Yasser Abdel-Rady I. IEEE Trans. Magn. 2011.47, č. 4, s. 795-804, 11 nemocných. BIBL. 47. Ing.
Daryabeigi Ehsan, Dehkordi Behzad Mirzaeian
Chytrý ovladač založený na algoritmu bakteriálního hledání potravy pro řízení rychlosti spínaných reluktančních motorových pohonů. - str. 364 - 373 .-- angl. // International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2014, svazek 62.