بخشی از مقاله
.1 مقدمه
موتورهای القایی محرکه ی اصلی صنعت و کارخانجات می-باشند. موتور های القایی در مقابل موتورهای جریان مستقیم از نقطه نظر ساخت آسانتر و از لحاظ هزینه ارزانتر بوده و همچنین،مستحکم بودن، قابلیت کارکرد در محیطهای مختلف صنعتی، بازدهی رضایت بخش و نیاز به هزینهی نگه داری کم از برتریهای این نوع موتور می-باشد.
ولی سرعت این موتور ها به آسانی موتورهای جریان-مستقیم قابل کنترل نیست. اصول کنترل برداری، شرایطی را برای کنترل مستقل گشتاور و شار با کنترل مستقل مولفههای شارساز و گشتاورساز جریان استاتور با تنظیم دامنه، فاز و فرکانس ولتاژ تغذیه در یک قاب مرجع در موتورهای القایی فراهم میکند. در صنعت روش کنترل برداری به دلیل کارایی بالا، از محبوبیت زیادی برخوردار است.[1]
در یک موتور القایی کنترل برداری شده برای کنترل موتور به سیگنالهای موتور مانند سرعت و گشتاور نیاز است. برای این منظور از سنسورهایی برای اندازهگیری این متغیرها استفاده میشود. کاربرد سنسورهای اضافی میتواند قابلیت اطمینان سیستم را کاهش دهد. مثلاً سنسور سرعت از لحاظ هزینه، نصب و قابلیت اطمینان سیستم مشکل ساز است. اندازهگیری گشتاور موتور به طور مستقیم نیز بامحدودیتهایی مواجه است. بنابراین به جای به کار بردن این سنسورها، میتوان این متغیرها را با استفاده از روش های محاسباتی مانند رویتگرها اندازه گرفت.[3]
موتورهای الکتریکی کاربرد گستردهای در صنایع نفت و گاز دارند و حدود %25 از مصرف انرژی کل فرآیند را به خود اختصاص میدهند. همچنین، سیستمهای تلمبه خانه حدود %20 مصرف انرژی الکتریکی در جهان را به خود اختصاص میدهند. پس با توجه به این امر، ارائه راهکاری برای کاهش هزینههای نگهداری موتورهایی که در سیستمهای تلمبهخانه وجود دارند، ضروری به نظر میرسد.
فیلتر کالمن یکی از شناختهترین روشها برای رفع خطاهای سیستم های کنترلی میباشد. اما با توجه به آنکه در اغلب موارد با سیستمهای غیرخطی مواجهیم که تشخیص خطا توسط یک رویتگر به خوبی انجام نمی شود، از این رو به روش مناسبی برای این امر نیازمندیم. در منابع مختلف روشهای گوناگونی را به کار بردهاند، اما هرکدام از این روشها دارای معایبی است که ممکن است صدمات جبران ناپذیری را به کل سیستم وارد سازد.
از جمله این معایب می توان به پیچیدگی زیاد و خطاهای خطیسازی، کاربردی بودن تنها برای طیف خاصی از توابع غیرخطی و ... نام برد.[7]یکی از روش های جدید که اخیراً برای طیف وسیعی از سیستمهای غیرخطی کاربرد دارد، رویتگرهای ورودی ناشناخته هستند. با این حال، در تمام مقالاتی که تاکنون ارائه شده است، از این روش برای سیستم هایی با درجه غیرخطی پایین استفاده شده است.
بنابراین روشهای پیشنهاد شده برای سیستمهایی با درجه غیرخطی بالا و محدوده عملکرد دینامیکی وسیع مناسب نمیباشد. [8] هرچند تلاشهای زیادی برای بهبود کارایی رویتگر ورودی ناشناخته شده است اما هیچ کدام کارایی مناسبی نداشتهاند و تنها بخشی از کارایی را بهبود داده و در عوض از برخی جهات دیگر از مزایای سیستم کاستهاند، از جمله اینکه خطای پسماند1 را افزایش داده اند. عملکرد رویتگر ورودی ناشناخته براساس مشخصات خطای پسماند ارزیابی میشود. رویتگر طراحی شده باید تا حد ممکن به خطا حساس بوده و در مقابل به ورودیهای ناشناخته و عدم قطعیتها حساس نباشد.
بنابراین در هنگام بروز خطا این رویتگر باید دارای مقدار حداکثر و در بقیه موارد در حالت ایدهآل دارای مقدار صفر باشد..[2] در صنایع نفت و گاز نیاز است که درایوهای سرعت متغیر از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار باشند و در صورت بروز عیب در آنها، کل فرآیند ممکن است با خطر مواجه شود. بروز عیب در حسگرهای درایوهای سرعت متغیر میتواند منجر به کاهش بازدهی، تلفات جانی، گسترش عیب به سایر قسم های تلمبهخانه و حتی از کار افتادن کل فرآیند شود.[5] از طرفی نگهداری و مانیتورینگ دائمی به دلایل اقتصادی به صرفه نیست و ممکن است تکنسین ها در مانیتورینگ دچار خطا شوند.
لذا استفاده از یک سیستم تشخیص عیب، برای درایوهای تلمبه خانه میتواند هزینه نگهداری را کاهش دهد و بازدهی سیستم را افزایش دهد، چرا که قبل از بروز عیب، اعلان خطر بروز عیب میکند و می توان با جایگزینی یا تعمیر از انتشار عیب به سایر بخشها جلوگیری کرد. همچنین با توجه به اینکه، در محیط تلمبه خانه اغتشاشات زیادی وجود دارد، امکان این وجود دارد که در سیستمهای تشخیص عیب، اثرات اغتشاش در رفتار سیستم با اثرات خطا تداخل پیدا کند.[6]
یکی از معایب اصلی فیلتر کالمن امکان انحراف غیرقابل پیشبینی تخمین و همچنین همگرایی ضعیف آن میباشد، به همین خاطر معمولاً در سیستم های واقعی سعی میشود که از فیلتر کالمن به تنهایی استفاده نشود. به همین دلیل محققین همواره در تلاش بودهاند تا روشهای جایگزینی را برای بهبود فیلتر کالمن تعمیم یافته به کار ببرند. بنابراین هدف از انجام این تحقیق ارائه روشی مناسب برای بکارگیری رویتگر با ورودی ناشناخته بر پایه فیلتر کالمن در سیستم های با درجه غیرخطی بالاست.
.2 روش تحقیق
قاعده اصلی رویتگرهای ورودی ناشناخته، جداسازی اغتشاشات از خطای تخمین حالت است. با توجه به وجود اغتشاشهای زیاد در تلمبه-خانهها، استفاده از رویتگرهای ورودی ناشناخته برای تمییز اثرات اغتشاش از عیب ضروری به نظر میرسد. معمولا از این رویتگر به همراه فیلتر کالمن به منظور دستیابی به سیستم پایدار و مقاوم استفاده میشود.
.2,1 روش گام متغیر - - Variable-step
بعضی از روش های حل بسته به پاسخ دینامیکی مقدار گام را تغییر می دهند تا بتوانند سریع تر به جواب برسند. روش های گام متغیر برای مدل هایی که حالت ها در آن سریع تغییر میکنند یا شامل المان های discontinue هستند پیشنهاد میشود. بنابراین برای دقیق بودن جواب اگر حالت ها سریع تغییر میکنند بهتر است میزان گام را کاهش دهیم در غیر این صورت اگر حالت ها به آرامی تغییر می کردند بهتر است میزان گام را افزایش داده تا گام های غیر لازم را حل نکند.[4] نرم افزار متلب بصورت پیش فرض - auto - مقادیری را برای بیشترین، کمترین و مقدار اولیه گام در نظر گرفته است.
هر کدام از روش ها خاصیت خود را دارا می باشند ولی معروف ترین آن ها روش ode45 می باشد که برای حل بیشتر مسائل مورد استفاده قرار می گیرد. روش ode15s نیز برای مسائلی که روش ode45 نمی تواند آن را حل کند پیشنهاد شده است.دو گزینه خطای نسبی - Relative - وخطای مطلق - Absolute - نیز بطور پیش فرض مقدار دهی شده اند. [10]
.2,2 روش گام ثابت: - Fixed-step -
در این روش بر خلاف روش بالا میزان گام در طول شبیه سازی ثابت در نظر گرفته میشود.
