Анотація до роботи:

Пересада С. М. Нелінійне та адаптивне керування в електромеханічних системах з векторно-керованими електродвигунами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено вирішенню наукової проблеми підвищення динамічних та енергетичних характеристик електромеханічних систем з векторно-керованими електродвигунами за рахунок застосування методів нелінійного та адаптивного керування. Вирішення проблеми одержано на основі запропонованої концепції керування з формуванням двох результуючих декомпозицій “електромеханічна – електромагнітна підсистеми” та “механічна – електрична підсистеми” шляхом розробки нових методів нелінійного та адаптивного керування за вимірюваною частиною вектору стану в умовах відомих, а також невизначених параметрів об’єкта.

Синтезовано нові алгоритми векторного керування механічними координатами (моментом, кутовою швидкістю, кутовим положенням) та модулем вектора потокозчеплення в системах з основними типами приводних двигунів: постійного струму з незалежним збудженням, сімейства явнополюсних і неявнополюсних синхронних двигунів, асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, явнополюсних синхронних двигунів з демпферними обмотками та асинхронних машин подвійного живлення. Запропоновано методики розрахунку параметрів регуляторів струму, швидкості та положення для формування динамічних показників якості керування.

Синтезовано алгоритми ідентифікації, адаптивного спостереження, прямого адаптивного керування в електромеханічних системах з синхронними і асинхронними двигунами, розроблено метод керування кутовою швидкістю асинхронного двигуна без її вимірювання.

Наведено результати чисельних експериментальних досліджень розроблених систем.

У дисертаційній роботі дано теоретичне узагальнення та нове вирішення актуальної наукової проблеми синтезу і аналізу нелінійних та адаптивних електромеханічних систем з векторно-керованими електродвигунами при керуванні по вимірюваній частині вектору стану в умовах відомих параметрів, а також у випадку невизначеності найбільш критичних із них. Вирішення проблеми, що отримано шляхом розвитку методів теорії нелінійних та адаптивних систем, дозволило розробити і використати на практиці високоефективні електромеханічні системи з основними типами приводних двигунів, які мають підвищені динамічні та енергетичні характеристики.

Основні наукові та практичні результати роботи полягають в наступному.

1. Обґрунтовано, що для підвищення динамічних та енергетичних характеристик класу ЕМС необхідно вирішити загальнотеоретичну задачу відпрацювання заданих траєкторій змін механічних координат (моменту, кутової швидкості, кутового положення) та модуля вектора потокозчеплення ЕМ, гарантуючи при цьому досягнення нових якостей керування, таких як: глобальне (локальне) асимптотичне відпрацювання координат із властивістю експоненціальної стійкості; асимптотичної розв’язки процесів керування механічними координатами та вектором потокозчеплення; асимптотичної лінеаризації підсистем відпрацювання механічних координат, що забезпечує асимптотичну лінійність рівнянь динаміки похибок відпрацювання механічних координат, структура яких є ідентичною для розглянутого класу ЕМС і дозволяє вільно формувати динамічні показники якості керування; грубість (адаптованість) по відношенню до головних параметричних збурень.

2. На основі розвитку теорії стійкості класу багатовимірних нелінійних систем вперше доведено, що сформульовані цілі керування досягаються в умовах, коли результуюча структура рівнянь динаміки похибок відпрацювання в замкненій системі набуває форми у вигляді двох зв’язаних нелінійних підсистем, структурні властивості яких гарантують композитній системі глобальну (локальну) експоненціальну стійкість, асимптотичну лінеаризацію однієї із них, а також глобальну (локальну) експоненціальну стійкість другої.

3. Розроблено концепцію керування класом ЕМС з формуванням двох результуючих декомпозицій ЕМПС-ЕМГПС та МПС-ЕПС, яка створює загальнотеоретичну базу для конструктивного синтезу нелінійних ЕМС, алгоритми керування в яких базуються на фундаментальних властивостях електромеханічних перетворювачів, завдяки чому мають фізично обґрунтовану структуру. Методи синтезу алгоритмів керування, які розроблені на основі запропонованої концепції, забезпечують вирішення розглянутих основних задач керування координатами ЕМС з досягненням властивостей, що надані в пункті 1 висновків.

4. Розроблено метод синтезу асимптотично лінеаризуючих керувань, який вперше забезпечує отримання загальнотеоретичних рішень задач ВК моментом та вектором потокозчеплення класу ЕМ з формуванням результуючих декомпозицій ЕМПС-ЕМГПС та МПС-ЕПС в системах з повністю вимірюваним вектором стану (ДПС та сімейство СД без демпферних обмоток), при непрямому та прямому ВК АД з асимптотичною орієнтацією за вектором потокозчеплення ротора, при ВК СДДО в координатах ротора, а також декомпозиції МПС-ЕПС при ВК з асимптотичною орієнтацією за вектором потокозчеплення статора та ВК МПЖ в координатах вектора напруги мережі живлення. Декомпозиція МПС-ЕПС досягається для всіх розглянутих задач керування і тому є найбільш загальною.

5. В умовах прийнятих припущень про структуру технологічного об’єкту розроблено метод синтезу багатоконтурних систем керування кутовою швидкістю та кутовим положенням, що дозволяє синтезувати уніфіковані алгоритми керування, які мають однакову структуру для ЕМС з розглянутими двигунами та формують ідентичні рівняння номінальної динаміки похибок відпрацювання в ЕМПС та МПС у вигляді лінійних систем четвертого та третього порядків при керуванні кутовою швидкістю і п’ятого порядку при керуванні кутовим положенням.

6. Розроблено методи синтезу алгоритмів ідентифікації, адаптивного спостереження та прямого адаптивного керування за повним і частково вимірюваним вектором стану, які можуть бути теоретичною основою для побудови широкого класу адаптивних ЕМС. Загальнотеоретичні вирішення задач адаптивного керування в ЕМС, отримані з їх використанням, вперше забезпечують: глобальне асимптотичне відпрацювання механічних та електричних координат в ЕМС з повністю вимірюваним вектором стану при повній параметричній невизначеності; асимптотичну ідентифікацію активного опору роторного кола, одночасну ідентифікацію активних опорів статора і ротора, а також спостереження вектора потокозчеплення ротора за допомогою адаптивного до цих параметрів спостерігача; глобальне асимптотичне відпрацювання заданих траєкторій змін кутової швидкості, модуля вектора потокозчеплення ротора, а також асимптотичну непряму орієнтацію за вектором потокозчеплення ротора в ЕМС з АД при невідомому активному опорі роторного кола.

7. Розроблено метод бездавачевого (без вимірювання механічних координат) ВК в ЕМС з АД, який формує теоретичний підхід до адаптивного оцінювання змінної у часі кутової швидкості для досягнення асимптотичного непрямого полеорієнтування, а також асимптотичного відпрацювання заданих траєкторій змін кутової швидкості та модуля вектора потокозчеплення ротора в умовах дії невідомого постійного моменту навантаження, гарантуючи системі локальну експоненційну стійкість. Розроблений на основі запропонованого методу алгоритм керування є першим теоретично доведеним, тому що, на відміну від існуючих, не використовує припущення про незмінність швидкості, яка оцінюється. Експериментально доведено, що розроблений алгоритм вперше забезпечує динамічні показники якості керування, які наближаються до існуючих в типових системах ВК з вимірюванням кутової швидкості.

8. Запропоновано методики розрахунку параметрів регуляторів моменту, швидкості та положення, які дозволяють формувати бажані динамічні показники якості керування на основі типових налагоджень ізольованих контурів регулювання шляхом задання рівня розділення у часі процесів в них.

9. Електромеханічні системи, що синтезовані на основі запропонованих методів, є уніфікованими, вони структурно подібні для всього класу ЕМ, що розглядаються, забезпечують однакові показники якості керування механічними координатами; завдяки асимптотичності відпрацювання регульованих координат із властивістю їх асимптотичноної розв’язки можливо реалізувати енергетично ефективні закони змін механічних координат та модуля вектора потокозчеплення, вилучивши їх взаємовплив. Каскадна конфігурація системи, що є концептуально подібною до типових систем з підпорядкованим регулюванням координат, забезпечує простоту обмеження координат та налагодження регуляторів.

10. Експериментально доведено, що реально досягаються показники точності відпрацювання заданих траєкторій механічних координат, які приблизно на порядок перевищують існуючі в типових загальноприйнятих для порівняння системах. В ЕМС з АД при покращеному непрямому ВК, у порівнянні зі стандартним, забезпечується робастна стабілізація вектора потокозчеплення, гарантуючи завдяки цьому стабілізацію динамічних показників якості керування кутовою швидкістю та зниження додаткових втрат активної потужності в декілька разів при варіаціях активного опору роторного кола, обумовлених нагрівом ЕМ.

11. Розроблено комплекс програмних та апаратних засобів для досліджень і практичної реалізації розроблених ЕМС, з використанням якого виконані повномасштабні експериментальні дослідження та промислове впровадження систем ВК АД і МПЖ на підприємствах України, Росії та Італії. Результати експериментальних досліджень, математичного моделювання та промислового впровадження підтверджують основні теоретичні положення дисертації.

12. Результати дисертації рекомендовано до подальшого впровадження на підприємствах електротехнічного профілю Міністерства промислової політики України.

Таким чином, розроблені в дисертації методи синтезу і аналізу нелінійних та адаптивних ЕМС з основними типами ЕМ, а також створена на їх основі загальнотеоретична база розробки, проектування та дослідження цих систем, формують основи теорії нелінійного та адаптивного керування в ЕМС.

Публікації автора:

1. Попович М. Г., Борисюк М. Г., Гаврилюк В. А., Желдак О. М., Ковальчук О. В., Красовський Є. П., Пересада С. М., Печеник М. В., Тєряєв В. І., Пижов В. М. Теорія електропривода: Підручник / За ред. Поповича М. Г. –К.:Вища школа, 1993. – 494с.

2. Попович М. Г., Лозинський О. Ю., Клєпіков В. Б., Мацко Б. М., Пересада С. М., Тєряєв В. І., Бутний В. В., Місюренко В. О., Панченко Б. Я. Електромеханічні системи автоматичного керування та електроприводи: Навч. посібник / За ред. Поповича М. Г., Лозинського О. Ю. –К.:Либідь, 2005. – 680с.

3. Пересада С. М. Векторное управление в асинхронном электроприводе: аналитический обзор // Сб. науч. тр. Донецкого государственного технического университета. –1999. –№ 4. –С. 1–23.

4. Пересада С. М. Обобщенная теория косвенного векторного управления асинхронным двигателем. Проблемы векторного управления в асинхронном электроприводе: краткий обзор и формулировка проблемы // Техн. електродинаміка. –1999. –№ 3. –С. 27–32.

5. Пересада С. М. Обобщенная теория косвенного векторного управления асинхронным двигателем. Синтез алгоритма отработки модуля потока и угловой скорости // Техн. електродинаміка. –1999. –№ 4. –С. 26–31.

6. Пересада С. М. Теоретические и практические аспекты использования обобщенного алгоритма косвенного векторного управления // Техн. електродинаміка. –1999. –№ 6. –С. 27–31.

7. Пересада С. М. Экспоненциальное решение задачи управления АД с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора // Труды научно-технической конференции „Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”.–1997. –C. 59–63.

8. Пересада С. М. Метод синтеза линеаризуемых обратной связью нелинейных САУ по измеряемому выходу // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. –1998. –C. 28–31.

9. Пересада С. М., Ковбаса С. Н. Обобщенный алгоритм прямого векторного управления асинхронным двигателем // Техн. електродинаміка. –2002. –№ 4. –С. 17–22.

10. Пересада С. М., Ковбаса С. Н. Прямое векторное управление асинхронным двигателем со свойством глобальной экспоненциальной устойчивости // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". –2002. –Ч. 2. –С. 36–42.

11. Пересада С. М., Шаповал И. А. Управление моментом и реактивной мощностью асинхронной машины двойного питания на основе косвенной ориентации по вектору потокосцепления статора // Техн. електродинаміка. –2002. –№ 6. –С. 13–19.

12. Пересада С. М., Король С. В. Управление скоростью асинхронной машины двойного питания на основе косвенной ориентации по вектору потокосцепления статора // Техн. електродинаміка. –2003. –№ 1. –С. 14–18.

13. Пересада С. М., Шаповал И. А., Король С. В. Экспериментальное тестирование алгоритмов управления машиной двойного питания // Техн. електродинаміка. –2003. –№ 2. –С. 29–35.

14. Peresada S., Tonielli A., Kovbasa S. and Tilli A. Passivity – based design of the flux observers for induction motors // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". –2000. –Ч. 6. –C. 29–33.

15. Пересада С. М., Ковбаса С. Н., Середа А. Н. Аналитическое решение проблемы идентификации параметров асинхронного двигателя // Вестник Национального технического университета „Харьковский политехнический институт”. –2005. –Вып. 45. –С. 47–50.

16. Пересада С. М., Середа А. Н. Новый алгоритм идентификации электрических параметров асинхронного двигателя // Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут". "Енергетика: економіка, технології, екологія". –2005. –№ 2. –С. 75–85.

17. Пересада С. М., Середа А. Н. Новый алгоритм идентификации электрических параметров асинхронного двигателя на основе адаптивного наблюдателя полного порядка // Техн. електродинаміка. –2005. –№ 5. –С. 32–40.

18. Пересада С. М., Середа А. Н. Оценка параметров асинхронного двигателя при известном активном сопротивлении статора // Вестник Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". –2004. –Вып. 43. –С. 28–31.

19. Пересада С. М., Митрофанов А. М. Обобщенное решение задачи управления синхронным двигателем с демпфирующими обмотками // Вестник Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". –2002.–Вып. 12, т. 1. –С. 79–84.

20. Peresada S. М. and Korol S. V. Direct robust active-reactive power control of doubly-fed induction machine // Вестник Кременчугского государственного политехнического университета.–2001. –Вып. 1. –С. 147–152.

21. Пересада С. М., Болотников А. Ю., Ковбаса С. Н. Основанный на принципе пассивности алгоритм векторного управления асинхронным двигателем при питании со стороны ротора // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". –2006. –С. 83–88.

22. Попович Н. Г., Пересада С. М. Концепция построения и исследования электромеханических систем автоматического управления на основе принципа пассивности // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". –2004. –С. 81–88.

23. Peresada S., Kovbasa S. and Tonielli A. Theoretical comparison of indirect field-oriented controllers for induction motors // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. –2002. –Вип. 1. –С. 43–49.

24. Попович Н.Г., Пересада С.М., Крутоног М. Я. Новый алгоритм адаптивного управления асинхронным электроприводом по измеряемому выходу // Техн. электродинамика. –1994. –№ 4. –С. 54–60.

25. Попович Н. Г., Пересада С. М. ,Ковбаса С. Н., Король С. В. Энергетически эффективные алгоритмы управления асинхронными двигателями электромеханических систем // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. –2000. –Вып. 113. –С. 25–29.

26. Попович Н. Г., Пересада С. М, Ковбаса С. Н., Король С. В. Сравнительное тестирование алгоритмов векторного управления асинхронным двигателем // Вестник Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". –2001. –Вып. 10. –С. 26–31.

27. Попович М. Г., Пересада С. М., Коломієць Д. М. Вплив насичення магнітного кола асинхронної машини на процеси векторного керування при зміні активного опору ротора // Наукові вісті Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". –1999. –№ 3. –С. 13–16.

28. Попович Н. Г., Пересада С. М., Коломиец Д. Н. Управление следящим электроприводом постоянного тока на основе косвенной оценки угловой скорости // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. –1999. –Вып. 61. –С. 43–48.

29. Соболев В. Н., Чехет Э. М., Шаповал И. А., Пересада С. М., Король С. В. Электрогенерирующая автономная система постоянной частоты с матричным преобразователем на основе асинхронной машины с фазным ротором // Техн. електродинамiка. Тем. вип. "Силова електронiка та енергоефективнiсть". –2000. –Ч. 1. –С. 63–68.

30. Chekhet E., Shapoval I., Mikhalsky V., Sobolev V. and Peresada S. Control of the stand-alone doubly fed induction generator supplied by the matrix converter // in Proc. of the Int. Workshop on Renewable Energy Based Units and Systems (REBUS’06). –St. Petersburg, Russia. –2006. –P. 35–40.

31. Михальский В. М., Пересада С. М., Соболев В. Н., Чехет Э. М., Шаповал И. А. Станция быстрого прототипного тестирования электромеханических систем с матричным преобразователем // Электротехника. –2004. –№ 6. –С. 31–34.

32. Ili-Spong M., Marino R., Peresada S. and Taylor D. G. Feedback linearizing control of switched reluctance motors // IEEE Trans. on Automatic Control. –1987. –Vol. AC-32, No. 5. –P. 371–379.

33. Marino R., Peresada S. and Valigi P. Adaptive input – output linearizing control of induction motors // IEEE Trans. on Automatic Control. –1993. –Vol. 38, No. 2. –P. 208–221.

34. Marino R., Peresada S. and Tomei P. Global adaptive output feedback control of induction motors with uncertain rotor resistance // IEEE Trans. on Automatic Control. –1999. –Vol. 44, No. 6. –P. 967–983.

35. Marino R., Peresada S. and Valigi P. Adaptive nonlinear control of induction motors via extended matching // P. V. Kokotovic, Ed., Foundations of Adaptive Control. – Berlin: Springer-Verlag. –1991. –P. 435–454.

36. Marino R., Peresada S. and Tomei P. Nonlinear adaptive control of permanent magnet step motors // Automatica. –1995. –Vol. 31, No. 11. –P. 1595–1604.

37. Peresada S., Tonielli A. and Morici R. High performance indirect field-oriented output feedback control of induction motors // Automatica. –1999. –Vol. 35. –P. 1033–1047.

38. Marino R., Peresada S. and Tomei P. Adaptive output feedback control of current-fed induction motors with uncertain rotor resistance and load torque // Automatica. –1998. –Vol. 34, No. 5. –P. 508–515.

39. Montanari M., Peresada S. and Tilli A. A speed-sensorless indirect field-oriented control for induction motors based on high gain speed estimation // Automatica. –2006. –Vol. 42. –P. 1637–1650.

40. Marino R., Peresada S. and Tomei P. Output feedback control of current-fed induction motors with unknown rotor resistance // IEEE Trans. on Control Systems Technology. –1996. –Vol. 4, No. 4. –P. 336–347.

41. Marino R., Peresada S. and Tomei P. On-line stator and rotor resistance identification in induction motor // IEEE Trans. on Control Systems Technology. –2000. –Vol. 8. –P. 570–579.

42. Peresada S., Tilli A. and Tonielli A. Indirect stator flux-oriented output feedback control of the doubly fed induction machine // IEEE Trans. on Control Systems Technology. – November 2003. –Vol. 11, No. 6. –P. 875–888.

43. Peresada S., Tilli A. and Tonielli A. Theoretical and experimental comparison of indirect field-oriented controllers for induction motors // IEEE Trans. on Power Electronics. –2003. –Vol. 18, No. 1. –P. 151–163.

44. Montanari M., Peresada S., Rossi C., Tilli A. Current sensorless position-flux tracking controller for induction motor drives // Mechatronics. –2007. Vol. 17. –P. 15–30.

45. Peresada S. and Tonielli A. High-performance robust speed-flux tracking controller for induction motor // Int. Journal of Adaptive Control and Signal Processing. –2000. –Vol. 14. –P. 177–200.

46. Marino R., Peresada S. and Tomei P. Exponentially convergent rotor resistance estimation for inductions motors // IEEE Trans. on Industrial Electronics. –1995. –Vol. 42, No. 5. –P. 508–515.

47. Marino R., Peresada S., Tomei P. Adaptive observer-based control of induction motors with unknown rotor resistance // Int. Journal of Adaptive and Signal Processing. –1996. –Vol. 10. –P. 345–363.

48. Peresada S., Tilli A., Tonielli A. Power control of a doubly-fed induction machine via output feedback // Control Engineering Practice. –2004. –Vol. 12, No. 1. –P. 41–57.

49. Chekhet E., Peresada S., Sobolev V., Mikhalsky V. and Kovbasa S. Experimental evaluation of the high performance vector controlled matrix converter-fed induction motor // Automatica Journal. –Zagreb, Croatia. –2003. –Vol. 44, No. 1-2. –P. 47–54.