Identyfikacja wybranych elementów układu napędowego metodami

Michał Augustyniak
[email protected]
Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Katedra Napędów i Maszyn Elektrycznych
Identyfikacja wybranych elementów układu napędowego
metodami modelowania matematycznego
Napęd elektryczny odgrywa znaczącą rolę w róŜnych procesach
technologicznych. Łatwość sterowania, duŜa efektywność oraz kompaktowość
rozwiązań sprawia, Ŝe jest on często stosowany w przemyśle maszynowym,
rolnictwie, motoryzacji i gospodarstwie domowym. Statystyki wskazują, Ŝe w polskiej
gospodarce, elektryczne układy napędowe zuŜywają w sumie ponad 75% energii
elektrycznej. Umiejętne sterowanie tych układów przyczynia się do zwiększenia ich
sprawności energetycznej, poprawy precyzji działania i ograniczenia kosztów
inwestycyjnych oraz umoŜliwia zastosowanie ich w nowych rozwiązaniach
technologicznych.
Celem rozprawy doktorskiej jest opracowanie metod do identyfikacji
dynamicznej parametrów zespołu napędowego w czasie rzeczywistym. Prowadzone
badania mają na celu poprawę efektywności pracy, zwiększenie precyzji sterowania,
podniesienia niezawodności i bezpieczeństwa funkcjonowania. Działania te zgodne
są z wytycznymi Europejskiego Programu „Motor Challenge”, którego celem jest
zwiększenie sprawności energetycznej uŜywanych w państwach UE elektrycznych
układów napędowych. W Polsce działania te są propagowane przez Fundację na
rzecz efektywnego wykorzystania energii PEMP – Programu efektywnego
wykorzystania energii w napędach elektrycznych.
Koncepcja proponowanych metod, które wykorzystują zmodyfikowane
procedury obserwatorów stanu, opiera się głównie na pomiarach wielkości
elektrycznych dostępnych na przewodach zasilających. Nie są wymagane drogie
i zawodne układy pomiarowe wielkości mechanicznych. Takie rozwiązania są
zbieŜne z najnowocześniejszymi tendencjami konstruowania tzw. napędów
bezczujnikowych (ang. sensorless drives).
Opracowywanie i realizacja sprzętowa układów odtwarzania obliczeniowego
zmiennych i parametrów nie jest zadaniem łatwym. Wpływa na to między innymi:
• nieliniowość i niestacjonarność obiektu
• odkształcenia napięcia i prądu zasilającego
• konieczność wykonywania obliczeń w czasie rzeczywistym
• ograniczona ilość czujników pomiarowych współpracujących z układami
kondycjonowania sygnałów typowo wykorzystywanych w procesie
sterowania.
Wymienione czynniki stawiają duŜe wymagania przed układami estymacji,
które powinny charakteryzować się:
• duŜą szybkością działania
• duŜą selektywnością
• wysoką czułością i dokładnością
• selektywnym uodpornieniem układu identyfikacji na zakłócenia
zewnętrzne i uszkodzenia czujników pomiarowych
• redundancją estymacji
• odpornością układu na nieliniowość i niestacjonarność obiektu wraz
z uwzględnieniem indywidualnych cech przekształtnika zasilającego
i układu technologicznego.
Podstawą prawidłowego działania algorytmów identyfikacji dynamicznej
umoŜliwiających pracę w czasie rzeczywistym są zarówno układy sprzętowe
jak i odpowiednie rozwiązania programowe (akceptowalne opóźnienie podczas
aktualizacji parametrów modelu matematycznego szacowane jest na poziomie kilku
milisekund).
W opracowywanym rozwiązaniu wysoką szybkość działania układ zawdzięcza
zastosowaniu przetwarzania wektorowego dla zmiennych pomiarowych i zmiennych
estymowanych. Wysoką precyzję działania uzyskuje się dzięki wprowadzeniu struktur
ze sprzęŜeniami typu „feedback” oraz „feedforward”. Odpowiedni dobór macierzy
transpozycji wejść i wyjść umoŜliwia ponadto filtracją od nieznanych zakłóceń
wewnętrznych i zewnętrznych. Tego typu układy charakteryzują się duŜą
odpornością na uszkodzenia oraz selektywnością estymacji, nadając jednocześnie
urządzeniu technologicznemu cechy układu samo-kontrolującego i samodostrajającego. Przyczynia się do podniesienia jakości pracy eksploatowanych
systemów i zwiększenia ich niezawodności.
Prace dotyczące algorytmów i struktur estymatorów mają uogólniony
charakter, co sprawia, Ŝe mogą być aplikowane do róŜnych technologii
przemysłowych. Ze względu na zastosowanie na stanowisku prototypowym układu
wykonawczego zbudowanego z elektrycznego zespołu napędowego, szczegółowe
prace pomiarowo - badawcze prowadzone są w odniesieniu do zmiennych maszyny
elektrycznej.
Opracowywane w ramach podjętych badań metody umoŜliwiają realizację
układów identyfikacji dynamicznej i diagnostyki układów elektromaszynowych
w lotnictwie, a zwłaszcza zespołów z piezoelektrycznymi elementami aktywnymi.
Innym, szczegółowo rozwaŜanym przeznaczeniem badanych układów są systemy
identyfikacji chwilowych obciąŜeń i parametrów dynamicznych elektrowni wiatrowej
wraz z turbiną wiatrową.