CC BY
48
УДК 629.423.32
Е. И. Макарова, С. А. Теличенко, И. В. Шакиров, А. Н. Трифанов, А. В. Иванов, Е. М. Шкроб, И. Ю. Евстафьев, Д. М. Коломиец
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Дата поступления: 25.01.2018 Решение о публикации: 28.01.2018
Аннотация
Цель: Совершенствование вспомогательного электропривода высокоскоростного электроподвижного состава применением для асинхронного электропривода частотного регулирования. Методы: Применены принципы нечеткой логики для регулятора системы автоматического управления. Результаты: Разработана компьютерная модель регулятора и приведены результаты моделирования в виде процесса отработки ступенчатого изменения момента нагрузки системой управления с обычным и нечетким логическим регуляторами. Практическая значимость: На основе предложенной компьютерной модели возможен расчет переходных процессов в системе автоматического управления вспомогательного электропривода высокоскоростного электроподвижного состава. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих систем автоматического управления вспомогательного электропривода с улучшенными показателями качества регулирования.
Ключевые слова: Высокоскоростной электрический подвижной состав, вспомогательный асинхронный привод, частотное регулирование, регулятор с нечеткой логикой, компьютерная модель.
Elena I. Makarova, D. Eng. Sci., professor, dean, [email protected]; Stanislav A. Telichenko, master, [email protected]; Ildar V. Shakirov, postgraduate student, [email protected]; Alexander N. Trifanov, postgraduate student, [email protected]; *Alexander V. Ivanov, postgraduate student, [email protected]; Egor M. Shkrob, postgraduate student, elt@pgups. ru; Igor Y. Yestafiyev, postgraduate student, [email protected]; Denis M. Kolomiets, postgraduate student, [email protected] (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) THE WAYS TO IMPROVE THE SUBSIDIARY ELECTRIC DRIVE OF HIGH-SPEED ELECTRIC STOCK
Summary
Objective: To improve the subsidiary electric drive of high-speed electric stock by applying asynchronous drive frequency regulator. Methods: Fuzzy logic concepts were applied for an automatic
control system regulator. Results: A computer model of the regulator was developed and the results of modeling were presented in the form of optimization process of load moment stepped variation by the control system with standard and fuzzy logic controllers. Practical importance: On the basis of the introduced computer model, transient analysis is possible in automatic control system of the subsidiary electric drive of the high-speed electric stock. The research findings may be used in the design of new and retrofit of the existing automatic control systems of the subsidiary electric drive with improved characteristics of control performance.
Keywords: High-speed electric stock, subsidiary asynchronous drive, frequency regulation, fuzzy logic controller, computer model.
Введение
Задачи энергосбережения на железнодорожном транспорте в настоящее время приобретают первостепенную важность, особенно при эксплуатации электроподвижного состава на высоких скоростях. Внедрение энергоэффективных технологий и конструкторских решений позволяет существенно экономить энергоресурсы [1]. Снизить энергопотребление и повысить надежность высокоскоростного транспорта возможно за счет совершенствования системы вспомогательного привода. Перспективным направлением этого процесса является применение для асинхронных электродвигателей частотного регулирования.
Для получения высокого качества управления электроприводом широко используется система [2], основанная на векторном управлении асинхронным двигателем, позволяющая оперативно с высокой точностью управлять электромагнитным моментом двигателя.
Электромагнитный момент асинхронного электродвигателя зависит от величины и фазы двух составляющих: тока и магнитного потока. Для получения требуемого электромагнитного момента в асинхронном электродвигателе используют единственно доступные для измерения фазных токов статора, которые в системе управления программно преобразуются в обобщенный вектор тока и разделяются на две координатные составляющие, обеспечивающие формирование магнитного потока и электромагнитного момента [3, 4]. В этом случае система управления построена во вращающихся координатных осях, ориентированных по результирующему вектору потокосцепления ротора. Модуль вектора потокосцепления ротора двигателя определяется проекцией вектора тока статора на ось системы координат, совмещенной с вектором пото-косцепления ротора, а электромагнитный момент двигателя - произведением модуля потокосцепления ротора двигателя на вторую (ортогональную) составляющую вектора тока статора. Таким образом, можно построить двухканаль-ную систему регулирования с независимым управлением потокосцеплением и электромагнитным моментом асинхронного двигателя [5, 6].
Система векторного управления асинхронным двигателем
Модель системы управления асинхронным тяговым двигателем при векторном управлении во вращающейся системе координат содержится в демонстрационных примерах программы MatLab с приложением Simulink. Общий вид модели показан на рис. 1. Модель состоит из нескольких подсистем: Induction Motor - подсистема, моделирующая параметры асинхронного двигателя; подсистема IGBT Inverter представляет собой модель автономного инвертора тока на IGBT транзисторах; подсистема Vector Control моделирует работу системы векторного управления асинхронным двигателем; VDC -блок источника постоянного напряжения.
Структура блока Vector Control системы управления приводом, показанная на рис. 2, содержит следующие подсистемы: Speed controller - регулятор скорости, сравнивающий заданную скорость вращения ротора ю* с действительной ю и по сигналу рассогласования формирующий заданное значение электромагнитного момента Te*; подсистемы iqs* calculation и id* Calculation производят расчет значений проекций обобщенного вектора тока на оси вра-
Рис. 1. Модель системы векторного управления асинхронным двигателем
speed
Pulses
Current Regulator
Speed controller
iqs calculation
Рис. 2. Модель подсистемы Vector Control of AC Motor Drive векторного управления асинхронным двигателем
pulses
щающейся системы координат; подсистемы dq to ABC conversion и ABC to dq conversion представляют собой координатные преобразователи прямого и обратного канала соответственно; подсистема Teta Calculation рассчитывает угол teta между двумя системами координат: неподвижной и вращающейся; подсистема Flux Calculation - мгновенные значения потокосцепления ротора; подсистема регулятора тока (Current Regulator) осуществляет управление переключениями ключами инвертора по принципу токового коридора [6].
В условиях работы электропривода с изменяющейся нагрузкой эффективно использование систем автоматического управления с помощью регуляторов на основе нечеткой логики, для которых производится непрерывная перенастройка параметров на основе анализа изменения ошибки регулирования [7, 8].
Нечеткие логические регуляторы (НЛР) систем управления получили в последние годы большое распространение во всем мире [9]. Они оказались эффективным и достаточно простым инструментом для автоматизации многих практических задач. НЛР основываются на теории нечетких множеств и нечеткой логики, которые являются расширением классической теории множеств и классической логики. НЛР является экспертной системой, в которой знания представлены в виде базы правил.
На рис. 3 приведена структура системы автоматического управления с простейшим НЛР П-типа. Данный регулятор, как и классический, в си-
Рис. 3. Структура системы автоматического управления с простейшим НЛР П-типа
стеме автоматического управления получает на вход ошибку регулирования е = g - у, а на выходе формирует управляющее воздействие и на объект управления, но в отличие от классического НЛР способен реализовать нелинейную зависимость между входными и выходными величинами. Эта зависимость называется управляющей кривой (рис. 4) или управляющей поверхности в случае более сложных регуляторов ПИ-, ПИД-типа, когда на вход регулятора поступают не только ошибки рассогласования, но и ее производная, и интеграл [9, 10].
Рис. 4. Нелинейный закон управления НЛР
НЛР состоит из нескольких блоков: нормализации N и денормализации DN сигналов соответственно на входе и выходе регулятора, фаззификации F и дефаззификации DF, а также блоков базы правил и механизма нечеткого логического вывода.
Блок нормализации входного сигнала приводит его к диапазону [-1, 1], а блок денормализации реализует обратную операцию, производя постобработку выходного сигнала регулятора.
Блок фаззификации производит переход к нечеткости, т. е. точные значения входных переменных преобразуются в значения лингвистических переменных при помощи определенных функций принадлежности ц(е) (рис. 5). Каждая лингвистическая переменная (в частности, ошибка регулирования е) разбивается на несколько термов (например, отрицательная малая «ОМ», отрицательная большая «ОБ», нулевая «Н», положительная малая «ПМ» и положительная большая «ПБ»). Изменением положения термов достигается нелинейность зависимости между входными и выходными переменными регулятора. Термы также могут иметь различную форму.
и
0& ом н ПМ ПБ
\ \ /
-0.5 0 0.5 I ъи
Рис. 5. Описание входа и выхода регулятора с помощью пяти термов
После фаззификации выполняется процедура логического вывода в базе правил, в результате чего получается нечеткая выходная переменная, которая после операции дефаззификации превращается в «четкий» сигнал управления. База правил составляется на основе экспертных знаний о поведении системы и состоит из отдельных правил вида [8]:
ЕСЛИ (е есть «Н»), ТО (и есть «Н») - пример для НЛР П-типа; ЕСЛИ (е есть «ПБ») И (<Ле/Ж есть «Н») и (\e-dt есть «Н»), ТО (и есть «ПБ») - пример для НЛР ПИД-типа.
В роли выходной переменной НЛР могут выступать коэффициенты регулирования классического ПИД-регулятора. В этом случае получается структура так называемого нечеткого супервизора, показанная на рис. 6. Идея нечеткого супервизора заключается в организации двухуровневой системы, в которой на нижнем уровне располагается классический ПИД-регулятор, а на верхнем уровне - нечеткий [8-10]. НЛР автоматически изменяет коэффициенты ПИД-регулятора на различных этапах переходного процесса.
Рис. 6. Структурная схема нечеткого супервизора
Именно такой нечеткий супервизор предлагается применить для совершенствования вспомогательного асинхронного тягового привода электроподвижного состава.
В рассмотренной модели системы управления асинхронным тяговым двигателем (см. рис. 1, 2) производится замена обычного регулятора скорости Speed controller на нечеткий. Модель регулятора в программе Simulink показана на рис. 7. Блок Fuzzy Logic Controller служит основой НЛР. На его вход подаются два сигнала: сигнал рассогласования по скорости и его производная, а на выходе формируются три сигнала, которые представляют собой коэффициенты усиления ПИД-регулятора.
CD
W1
CD-H-
w1
1>
■s
ш
1 Д I
Fuzzy Logic Controller
■e
Scope3
Ts<z+1)/
1)_
■ e
Scope4
G
Product
a
Productl
Q
Product2
Рис. 7. Реализация нечеткого супервизора в среде MatLab Simulink
►[*> *{¥} KID
Все параметры НЛР задаются при помощи интерфейса FIS editor, представленного на рис. 8.
В меню Edit можно добавить или удалить участвующие в нечетких правилах входные или выходные переменные. Для их описания, ввода правил и исследования поведения нечеткой логической системы FIS editor вызывает отдельные интерфейсы, доступ к которым возможен отдельными командами.
Рис. 8. Интерфейс FIS editor
Меню View интерфейса FIS editor позволяет решить две задачи:
- с помощью пункта Rules просмотреть работу системы нечеткого логического вывода при различных входных данных;
- с помощью пункта Surface просмотреть управляющую поверхность нечеткой логической системы, которая получается при подаче на вход системы всевозможных допустимых значений.
Результаты моделирования системы с обычным регулятором, представленной на рис. 1, 2, и с предлагаемым НЛР показаны на рис. 9, а и 9, б соответственно. Из них следует, что при ступенчатом изменении момента сопротивления на валу двигателя в первом случае происходит длительный переходный процесс по стабилизации электромагнитного момента, а во втором система управления практически мгновенно реагирует на изменение момента. Также видно, что уменьшаются пульсации электромагнитного момента в установившемся режиме.
Заключение
Применение частотного регулирования асинхронного двигателя вспомогательного электропривода высокоскоростного электроподвижного соста-
а
М, кН 250
200
150
100
50
б
М, кН 250
200
150
100
50
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
2,5
2,7
2,9 г, с
Рис. 9. Процесс отработки ступенчатого изменения момента нагрузки системой управления с обычным регулятором (а) и НЛР (б)
ва позволяет улучшить его энергетические и эксплуатационные показатели за счет стабилизации режимов работы.
Использование НЛР, в которых производится непрерывная перенастройка параметров на основе анализа изменения ошибки регулирования, приводит к совершенствованию системы автоматического регулирования электропривода, работающего в условиях постоянно меняющейся нагрузки.
0
0
Применение в системе автоматического управления НЛР дает возможность значительно уменьшить динамические ошибки регулирования при ступенчатых изменениях нагрузки электропривода.
Библиографический список
1. Евстафьев А. М. Современные системы управления вспомогательным электроприводом локомотива / А. М. Евстафьев, А. Я. Якушев // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2014. - № 5. - С. 38-41.
2. Баранов Л. А. Автоматизированные системы управления электроподвижным составом. Ч. 1 : учебник для специалистов / Л. А. Баранов, А. Н. Савоськин, О. Е. Пудовиков и др. ; под ред. Л. А. Баранова, А. Н. Савоськина. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2013. - 400 с.
3. Винокуров В. А. Электрические машины железнодорожного транспорта : учебник для вузов / В. А. Винокуров, Д. А. Попов. - М. : Транспорт, 1986. - 511 с.
4. Чиликин М. Г. Общий курс электропривода : учебник для вузов. - 6-е изд., доп. и перераб. / М. Г. Чиликин, А. С. Сандлер. - М. : Энергоиздат, 1981. - 576 с.
5. Якушев А. Я. Автоматизированные системы управления электрическим подвижным составом : учеб. пособие / А. Я. Якушев. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2016. - 302 с.
6. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - М. : Академия, 2006. - 272 с.
7. Чиликин М. Г. Теория автоматизированного электропривода: учеб. пособие для вузов / М. Г. Чиликин, В. И. Ключев, А. С. Сандлер. - М. : Энергия, 1979. - 616 с.
8. Гостев В. И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления / В. И. Гостев. - СПб. : БХВ-Петербург, 2011. - 416 с.
9. Бураков М. В. Нечеткие регуляторы: учеб. пособие / М. В. Бураков. - СПб. : ГУАП, 2010. - 237 с.
10. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление / А. Пегат ; пер. с англ. -2-е изд. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. - 789 с.
References
1. Estafiyev A. M. & Yakushev A. Ya. Sovremenniye systemy upravleniya vspomogatel-nym elektroprivodom lokomotiva [Modern control systems of the locomotive subsidiary electric motor drive]. Elektronika i elektrooborudovaniye transporta [Transport electronics and electric equipment], 2014, no. 5, pp. 38-41. (In Russian)
2. Baranov L.A., Savoskyn A. N., Pudovikov O. E. et al. Avtomatizirovanniye systemy upravleniya elektropodvizhnym sostavom [Electric stock automated control systems]. Ed. by L.A. Baranov, A. N. Savoskyn. Moscow, Railway educational training center Publ., 2013, 400 p. (In Russian)
3. Vinokurov V. A. & Popov D. A. Elektricheskiye mashiny zheleznodorozhnogo transporta [Electric machines for railroad transport]. Moscow, Transport Publ., 1986, 511 p. (In Russian)
4. Chilikyn M. G. & Sandler A. S. Obshchiy kurs elektroprivoda [Guidelines on electric motor drive]. 6th ed., revised. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, 576 p. (In Russian)
5. Yakushev A. Ya. Avtomatizirovanniye systemy upravleniya eletricheskympodvizhnym sostavom [Electric stock automated control systems]. Moscow, Railway educational training center Publ., 2016, 302 p. (In Russian)
6. Sokolovskiy G. G. Elektroprivody peremennogo toka s chastotnym regulyrovaniyem [Frequency related alternating current drives]. Moscow, Academy Publ., 2006, 272 p. (In Russian)
7. Chilikyn M. G., Klyuchev V. I. & Sandler A. S. Teoriya avtomatizirovannogo elektroprivoda [The theory of automated electric drive]. Moscow, Energy Publ., 1979, 616 p. (In Russian)
8. Gostev V. I. Proyektirovaniye nechetkykh regulyatorov dlya system avtomaticheskogo upravleniya [Fuzzy controllers design for automatic control systems]. Saint Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2011, 416 p. (In Russian)
9. Burakov M. V. Nechetkiye regulyatory [Fuzzy controllers]. Saint Petersburg, GUAP Publ., 2010, 237 p. (In Russian)
10. Pegat A. Nechetkoye modelirovaniye i upravleniye [Fuzzy modeling and control]. Tr. from English. 2nd ed. Moscow, BINOM. Laboratory of knowledge Publ., 2013, 789 p. (In Russian)
МАКАРОВА Елена Игоревна - д-р техн. наук, профессор, декан, [email protected]; ТЕЛИЧЕНКО Станислав Алексеевич - магистр, [email protected]; ШАКИРОВ Ильдар Вилсурович - аспирант, [email protected]; ТРИФАНОВ Александр Николаевич - аспирант, sasha-trifanov@mail. ru; *ИВАНОВ Александр Владиславович - аспирант, [email protected]; ШКРОБ Егор Михайлович - аспирант, [email protected]; ЕВСТАФЬЕВ Игорь Юрьевич - аспирант, boss-pultrans@ mail.ru; КОЛОМИЕЦ Денис Михайлович - аспирант, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
