بخشی از مقاله

چکیده :

در این مقاله ، یک تحلیلی از ساختارهاي کنترل براي درایو سیستم الکتریکی با اتصال کششی انجام شده است . ترکیب ساختار کنترل با کنترل کننده PI بوسیله فیدبک هاي اضافه شده متفاوت پیشنهادي فراهم و ارائه شده است . روش جایابی قطب کلاسیک بکار گرفته شده است . معادلات جبري ، که اجازه ي محاسبه پارامترهاي ساختار کنترل را می دهد آورده شده است . محدودیت طراحی به سبب تعداد درجه آزادي درایو سیستم هاي مطرح شده نشان داده شده است . درست بطور موثري نوسان پیچشی میرا می شود ، لازم است که فیدبکی از یک معادله حالت انتخاب شده بکار برده شود .در مقالات ، تعداد زیادي فیدبک هاي لازم گزارش شده است . به هر حال ، در این مقاله ، نشان داده شده است که همه ي سیستم ها با یک فیدبک اضافه شده می توانند به 3 گروه متفاوت ، مطابق بر مشخصات دینامیکیشان تقسیم شوند . علاوه بر این ، سیستم با 2 فیدبک اضافه شده بررسی شده است . مقایسه اي میان ساختارهاي مطرح شده انجام شده است . نتایج شبیه سازي آزمایشهاي انجام شده در آزمایشگاه را تایید می کند .

شاخص جملات : اتصال کششی ، درایو الکتریکی ، روش جایابی قطب ، کنترل سرعت ، جلوگیري از لغزش

-1 مقدمه

درایو سیستم پیشنهاد شده از یک موتور متصل شده به بار ماشین از طریق یک محور تشکیل شده است . در بسیاري موارد اتصال مستقیم - سفت - فرض می شود ، با اینحال ، در بسیاري از کاربردها ، مانند : درایوهاي غلتک آسیاب ، بازوهاي روبات ، سیستم هاي سرو ، درایوهاي منسوجات ، سیستم هاي کنترل بخار ، تسمه نقاله ها ، سیستم هاي درایو خارج از منظومه شمسی ، این فرض می تواند منجر به نوسانات خطرناك شود [3] ، [9] ، [16]- [12] ، . [22] نوسانات سرعت مشخصات سیستم را کاهش می دهد و خصوصیت ایجاد می کند ؛ سیستم حتی می تواند پایداري اش را از دست بدهد . مساله کنترل بخصوص وقتی همه متغییرهاي حالت سیستم قابل اندازه گیري نباشد دشوار است ، که این هم خیلی مواقع در کاربردهاي صنعتی اتفاق می افتد . بیشتر ساختارهاي سري عمومی با پارامترهاي کنترل کننده سرعت PI بر اساس میزان مناسبی تنظیم شده اند بطور موثر نمی توانند نوسانات پیچشی را میرا کنند .

ساده ترین روش براي از بین بردن مشکل نوسان ، که این هم تحت تاثیر سرعت هاي مرجع اتفاق می افتد یک تغییر کوچک در سرعت اولیه مرجع است . با این وجود ، باعث کاهش دینامیکی درایو سیستم و در مقابل نوسانات محافظتی نمی شود ، که نتیجه این هم در صورتی است که گشتاور اختلال تغییر کند . روشی که می تواند عملکرد سیستم را بهبود دهد تکنیک هاي تنظیم مستقیم براي ساختار کنترل کلاسیک سري - با یک کنترل کننده سرعت PI و فیدبک اصلی از سرعت موتور - ، بر اساس محل مناسب از قطب هاي حلقه بسته سیستم است . 3 مکان قطب متفاوت ، با شعاع یکسان ، ضریب میرایی و قسمت حقیقی در مرجع [1] ارائه شده است. در این مقاله راهنماي تحلیلی بیان شده است ، که اجازه تعیین پارامترهاي کنترل کننده هر درایو را می دهد و درایو سیستم هاي انتخاب شده را نسبت به پارامترهاي مکانیکی متفاوت امتحان می کند .

مقایسه سیستم دینامیکی با مکان هاي قطب هاي متفاوت ایجاد شده است . نویسندگان گزارش داده اند که مکان هاي پیشنهاد شده در حالتی که نسبت اینرسی یک مقدار بزرگتر شود موثر است - نسبت تشدید ، نسبت اینرسی بار به اینرسی موتور ساکن تعریف شده است - این روش نمی تواند نوسانات را بطور موثري میرا کند وقتی که نسبت اینرسی یک مقدار نسبتا کمی دارد - کمتر از . - 1 از اینرو نویسندگان پیشنهاد استفاده از کنترل کننده PID را داده اند . قسمت مشتق، D نسبت تشدید سیستم را افزایش می دهد ، بطور مجازي اینرسی لحظه سکون موتور را کاهش می دهد . به هر حال، نویسندگان ادعا می کنند که اندازه گیري اختلال ها می تواند مقدارش در قسمت D در سیستم واقعی محدود شود ؛ پس مشخصات دینامیکی مطلوب نمی تواند بدست آید .

در مرجع [2] ، مولفان مکان هاي ممکن دیگري از قطب هاي حلقه بسته سیستم را تحلیل کرده اند . آنها پیشنهاد کرده اند که قطب ها را روي بیضی قرار دهید و گزارش داده اند که این مکان ها می تواند اثر میرایی بیشتري از نوسان پیچشی را فراهم کند تا اینکه مکان قطب ها روي دایره باشد . به هر حال این روش فقط در صورتی موثر است که نسبت تشدید نسبتا مقدار بزرگی دارد . براي بهبود عملکرد درایو ، اضافه کردن حلقه فیدبک از یک متغییر حالت انتخاب شده می تواند بکار گرفته شود . فیدبک اضافه شده اجازه تنظیم مقادیر مطلوب ضریب میرایی را می دهد ، با این حال مقدار آزاد فرکانس تشدید نمی تواند همزمان بدست آید . فیدبک هاي اضافی می تواند در حلقه گشتاور الکترومغناطیسی یا حلقه کنترل سرعت قرار گیرند .

در مرجع [3] ، فیدبک اضافه شده از مشتق گشتاور شفت که در گره گشتاور الکترومغناطیسی قرار داده شده ، ارائه شده است . مولفان روش پیشنهاد شده را بررسی کردند و آن را براي سیستم 2 و 3 جرمی بکار برده اند . با این حال ، تخمین گر گشتاور شفت پیشنهاد شده کاملا حساس به اندازه گیري اختلال ها است ، بنابراین فرونشانی و سرکوب نوسانات فرکانس بالا سخت است ، به علاوه دینامیک هاي سیستم کم می شود . در مرجع [5] نشان داده شده است که در حالت ساختار مذبور ، براي مقادیر مشابه ضریب میرایی فرضی ، 2 بهره فیدبک متفاوت می نواند تعیین شود ، که نتیجه آن 2 مقدار متفاوت فرکانس تشدید سیستم است .

نتایج اصلاح دیگري از ساختار کنترل ، قرار دادن فیدبک اضافه شده از گشتاور شفت است . این نوع فیدبک در مرجع [8]-[4] بکار گرفته شده است . گزارش شده که میرایی نوسان پیچشی موفق شده است . این ساختار حساسیت کمتري به اندازه گیري اختلال ها نسبت به قبلی دارد از این رو ، در سیستم تحلیل شده است ، مشتق گشتاور شفت خارج نشود . در مرجع [6] ، فیدبک از اختلاف بین سرعت هاي موتور و بار مورد استفاده شده است . اگرچه ، نوسانات بطور موفقیت آمیزي متوقف شده است مولفان ادعا کرده اند که پاسخ دینامیکی از بین رفته است و اثر ضربه بار بزرگتر از بین رفته است . فیدبک اضافه شده از مشتق سرعت بار در مرجع [4] پیشنهاد شده است ، نتیجه آن عملکرد دینامیکی مشابه ، مانند ساختار کنترل قبل است .

اصلاح ممکن دیگر ساختار کلاسیک مبنی بر فیدبک اضافی قرار داده شده به حلقه کنترل سرعت است . در مرجع [5] و [7] فیدبک از سرعت بار مورد استفاده شده بود . مولفان ثابت کردند که این فیدبک می تواند مشخصات دینامیکی خوبی را ایجاد کند و قادر است بطور موثري نوسانات را میرا کند . نتایج مشابهی می تواند با بکار بردن فیدبک از اختلاف میان سرعت هاي موتور و بار بدست آید . نوع دیگر اصلاح ، روش سرکوب و فرونشانی نوسان پیچشی است که بر فیدبک اضافی از رویتگر اختلال تکیه شده است . این نگرش در مرجع [9] پیشنهاد شده است . با پذیرفتن درستی این روش ، پیاده سازي رویتگر گشتاور اختلال سریع لازم است . زمان تاخیر در حالت تخمین زده شده به علت وجود رویتگر باید کوتاهتر نسبت به دوره نوسان باشد. سیگنال جبران گرفته شده از گشتاور اختلال تخمین زده به گره گشتاور الکترومغناطیسی فیدبک زده شده ؛ و نوسانات پیچشی از این طریق میرا شده است . مولفان نتایج خوبی گزارش داده اند . بیش از همه ، نگرش پیشرفته در مرجع [10] و [11] گزارش شده است . پارامترهاي ساختار کنترل با موفقیت براي تکمیل خصوصیاتی از قبیل ، نوسانات بار ، عکس العمل و اصطکاك کولنی ، در نظر گرفته شده است به درستی کنترل خیلی دقیقی را تضمین می کند .

بیشترین ساختارهاي کنترل پیشرفته ، که این هم عملکرد خیلی خوبی از سیستم را تامین می کند ، بر اساس ساختارهاي کنترل با فیدبک هاي اضافه از همه متغیرهاي حالت است . یعنی ، گشتاور شفت ، سرعت بار ، و یا گشتاور اختلال با هم . به هر حال فیدبک هاي مستقیم از این سیگنال ها خیلی از مواقع امکان پذیر نیست زیرا اندازه گیري هاي اضافی این متغیرهاي مکانیکی سخت و پر هزینه است ، و قابلیت اعتماد سیستم را کاهش می دهد . بنابراین ، به مساله تخمین متغیرهاي غیر قابل اندازه گیري در مرجع [19]-[16] توجه زیادي جلب شده است . در بسیاري مقالات ، رویتگر Luenberger براي مدل متغیرهاي حالت غیر قابل اندازه گیري استفاده شده است . در این حالت سیستم خطی با پارامترهاي غیر قابل تغییر و یک مقدار کمی از اختلال ها را اندازه گیري می کند ، این تخمین گر می تواند دقت خوبی از حالت هاي تخمین زده شده را فراهم کند . به هر حال ، با وجود غیر خطی بودن ، پارامترهاي نامعلوم ، اندازه گیري سطح اختلال بالا ، عملکرد رویت گر Luenberger رضایتبخش نیست [16] و [17] .

بهبود مشخصات دینامیکی می تواند با پیاده سازي رویتگر خطی Luenberger بدست آید ، بطوریکه در مرجع [19] ارائه شده است . به هر حال این رویکرد نیازمند دانش درباره وجود درایو غیر خطی است ، که این هم در عمل مشکل است . براي سیستم آشفته با اندازه گیري اختلال ها و با پارامترهاي قابل تغییر، فیلتر کالمن میتواند نتایج بهتر بیشتري از تخمین متغییر مکانیکی نسبت به رویتگر Luenberger تامین کند [16] و . [17] نتایج از این حقیقت است که الگوریتم فیلتر کالمن بطور مستقیم بر پارامتر و اندازه گیري اختلال ها تکیه می کند . در حضور پارامترهاي قابل تغییر درایو ، فیلتر کالمن غیر خطی می تواند براي ارزیابی مقدار درست این پارامترها بکار گرفته شود [17] ، . [18] براي تایید کردن درستی عملکرد فیلتر کالمن ، نیاز به تنظیم حالت و ماتریس هاي کواریانس بطور صحیح است ، که این هم واقعا کار سختی است . معمولا روند آزمایش و خطا استفاده می شود . در مرجع [18] ، الگوریتم ژنتیک استفاده شده است ، براي تنظیم بهینه این پارامترها تامین شده است . براي بازسازي بردار حالت کامل مجاز به اجراي کنرل کننده حالت است . این ساختار در مراجع [16] ، [17] و [19] نشان داده شده است . از بین انتخاب مناسب مکان قطب حلقه بسته ، مشخصات دینامیکی سیستم می تواند بطور آزاد تنظیم شود . نوسانات پیچشی می تواند بطور موفقیت آمیزي میرا شود .

در سال هاي اخیر ، روش هاي کنترل نرم افزاري و غیر خطی توجه بیشتري را جلب کرده است . [25-20] استفاده از کنترل لغزشی [20] یا کنترل فازي [24]-[21] ، تنومندي درایو سیستم را به پارامترهاي متفاوت افزایش داده است . الگوریتم هاي تحولی و پویا می تواند پارامترهاي کنترل کننده را با هر شاخص کنترل مطلوب انتخاب کند .[26]– [24] تکنیک هاي مذبور اجازه داده است مشخصات دینامیکی بهتري از سیستم نسبت به یکی از تکنیک هاي کلاسیک بدست آید ، اما آن تکنیک ها نتیجه ي کلی و عمومی در کاربردهاي صنعتی نمی دهند . ساختارهاي کنترل درایوهاي الکتریکی در صنعت معمولا بر اساس کنترلر PI خطی کار می کنند . با اینکه شمار زیادي از نشریه ها و مقاله ها وجود دارد ، دانش ما نیازمند مقاله ها است که نتایج مقایسه اي و وسیعی را فراهم کند . معمولا 1 یا 2 ساختار امتحان و مقایسه شده است ، و همیشه فرمول هاي جبري تکراري اجازه تنظیم پارامترهاي کنترل کننده مجهول را می دهند . خلاصه این ساختارهاي کنترل با معادلات جبري است ، که این هم می تواند تنظیم پارامترهاي ساختار کنترل را ایجاد کند ، بعدا پیگیري می شود .

پس ، هدف مهم این مقاله تحلیل منظم ، اصولی و معرفی طرح راهبردي براي ساختارهاي کنترل سیستم 2 جرمی با کنترل کننده سرعت PI ، که با فیدبک هاي اضافه متفاوت حمایت شده است ، به علاوه یک مقایسه مشخصات دینامیکی این چنین ساختارهایی معرفی شده است. گذشته از ساختارهاي نامبرده در مقدمه ، در این مقاله ، 3 ساختار اضافی بررسی شده است : 2 ساختار ، فیدبک قرار داده شده در حلقه گشتاور و ساختار دیگر ، فیدبک در حلقه سرعت قرار گرفته است . به دلیل محدودیت حجم این مقاله ،مطالعه مقایسه اي فقط به روش هاي کنترل بر اساس فیدبک هاي اضافه شده از طرف شفت و طرف بار محدود شده است . این مقاله شامل روش هایی بر اساس فیدبک گشتاور بار تخمین زده شده [11]-[9] ، یا کنترل کننده حالت نیست [16] ، . [17] به علاوه ، شرح روش هاي تخمین متغیرهاي غیر قابل اندازه گیري [19]-[16] شامل این مقاله نمی شود . تحقیق تئوري و نتایج شبیه سازي در این مقاله ارائه شده است و با امتحان آزمایشی از راه اندازي آزمایشگاه را تایید می کند .

-2 مدل ریاضی سیستم

در مقاله هاي فنی ، مدل هاي ریاضی که می تواند براي تحلیل دستگاه با اتصال فنري بکار برده می شود وجود دارد . در بسیاري از حالت ها ، درایو سیستم می تواند به عنوان یک سیستم 2 جرمی مدل شود ، که جرم اول بیانگر اینرسی در حال سکون درایو و جرم دوم نشانگر اینرسی در حال سکون طرف بار است . کوپل مکانیکی به عنوان اینرسی آزاد مورد استفاده قرار می گیرد . همچنین میرایی داخلی شفت بعضی اوقات مورد بررسی قرار می گیرد . دیاگرام شماتیک آن مدل در شکل 1 نشان داده شده است .
سیستم با معادلات حالت بیان شده است :

که 1 سرعت موتور ، 2 سرعت بار ، Me گشتاور موتور ، Ms گشتاور شفت پیچشی ، ML گشتاور بار ، J1 اینرسی موتور ، J2 اینرسی بار مکانیکی ، Kc ضریب اصطکاك ، و D میرایی داخلی شفت می باشد . مدل ذکر شده براي سیستمی که اینرسی در حال سکون شفت بسیار کوچکتر از اینرسی در حال سکون موتور و طرف بار است معتبر است . در دیگر موارد ، باید از توسعه بیشتر مدل استفاده شود ، بطوریکه مدل Rayleigh کوپل فنري یا حتی یک مدل با پارامترهاي توزیع شده بکار برده می شود . انتخاب مناسب مدل ریاضی یک توافق بین دقت و پیچیدگی محاسبات است . بطوریکه می توان از مقالات نتیجه گرفت ، تقریبا در همه موارد ، مدل آزاد اینرسی شفت ساده استفاده شده است . [12]-[1]

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید