Matlab/Simulink Модель системы тягового электроснабжения постоянного и переменного тока.

Взадании, как и в исходной системе не предусмотрена задержка. Однакоупреждение эталонного воздействия принимает следующий вид – рисунок 26. Как можем заметить,упреждениеоказало положительное влияние на функционирование системы со стороны быстродействия объекта, но в то же время добавила минимальное колебание. 4.2 Упреждение возмущенияДалее рассмотрим идею упреждения относительно применения к подавлению возмущения. Структура для упреждения измеряемого возмущения продемонстрирована на рисунке 27.Рис.27– Схема упреждения возмущенияИз схемы, представленной на рисунке 27видно, что выход модели и реакция на выходе регулятора подвержены воздействиям возмущения, которые определяются выражениями (4.3-4.4):Исходные данные системы будут иметь вид (4.5-4.8):Решение:Исходя из уравнения (4.3) блок упреждения должен инвертировать часть номинальной модели (4.9):Выберем блок Отразим схему, представленную на рисунке 27 в инструментальной системе. Для наглядности произведем сравнение системы с возмущением и системы с возмущением и с блоком упреждения – рисунок 28.Рис.28– Сравнение системы с упреждением возмущения и системы с возмущением, построенные в инструментальной системеРис.29– Сравнение переходных характеристик объекта управления с упреждением возмущения и объекта управления без упреждения возмущенияПо переходным процессам, представленным на рисунке 29, можно сделать вывод о том, что блок упреждения сработал и вернул переходной процесс в норму, но с другой стороны, можно отметить, что время регулирования отражает не лучший результат.5. Аналитическое конструирование каскадного управления и оценка возможности его физической реализацииАльтернативной структурой, связанной с возмущениями в системах, является каскадное управление. Смысл данного управления заключается в том, чтобы передать в обратную связь некоторые промежуточные переменные, которые находятся между точкой приложения возмущения и выходом. Реализация такой идеи представлена на рисунке 30.Рис.30– Структура каскадного управленияПродемонстрируем реализацию каскадного управления с исходным объектом управления. Выберем все тот же объект управления – система тягового электроснабжения (5.1):Разобьем его на две части (5.2, 5.3):Допустим, что измеренная величина вторичного контура является входом , тогда:Выберем тоже возмущение, что и в предыдущей главе (5.6):Обозначим вторичный регулятор (5.7), выбранный для получения удовлетворительной компенсации возмущения во вторичном контуре.Дополнительная чувствительность вторичного контура равна (5.8):В качестве первичного регулятора выберем регулятор (5.9), разработанный ранее для эквивалентного объекта управления.Приступим к моделированию и построим схему каскадного управления в инструментальной системе – рисунок 31.Рис.31– Структура каскадного управления, построенная в инструментальной системеНа рисунке 32 можем наблюдать следующую переходную характеристику.Рис.32–Переходная характеристика структуры с каскадным управлениемДля наглядности произведем сравнение трех систем: объект управления под воздействием возмущения и с каскадным управлением; объект управления под воздействием возмущения и с упреждением возмущения; объект управления с возмущением – рисунок 33. На рисунке 34 представленны сравнение преходных процессов этих систем.Рис.33– Сравнение трех систем под воздействием возмущения, построенных в инструментальной системеРис.34–Сравнение переходных процессов под воздействием возмущенияИз переходных процессов, представленных на рисунке 34, можно сделать вывод, что система с каскадным управлением поспособствовала более быстрому времени регулирования переходного процесса, а именно, примерно, в два раза быстрее, чем у системы с упреждением возмущения. Однакосистема с каскадным управлением претерпела незначительную потерю в мощности. Более того, нельзя не отметить, что плавность переходного процесса более эффективнее у системы с упреждением возмущения. Обе представленные структуры справляются со своими задачами и показывают положительные результаты.6. Учет насыщения сигнала управления и конструирование регулятора с противонакоплениемАктуальная проблема управления состоит в том, что все реальные исполнительные механизмы ограничены по своим возможностям. Это означает, что они ограничены по амплитуде и/или скорости нарастания сигнала. Пренебрежение такой особенностью может закончится серьезным ухудшением характеристик, когда входной сигнал достигает этих ограничений [3].Рассматриваем объект управления – система тягового электроснабжения постоянного и переменного тока (6.1):Рассмотрим бисобственный регулятор. Пусть регулятор имеет передаточную функцию (6.2):Расщепим регулятор (6.2) на элемент прямой передачи (усилительный элемент) и строго собственную передаточную функцию :Теперь рассмотрим контур обратной связи, представленный на рисунке 34.Рис.34 – Бисобственный регулятор в форме обратной связиПередаточная функция и на рисунке 34, как легко заметить, равна (6.3):Составим передаточную функцию для бисобственного регулятора (6.2), представленного выше:Преобразуем структуру, изображенную на рисунке 34 в структуру, продемонстрированную на рисунке 35.Рис.35 – Бисобственный регулятор желаемый и фактический входВ случае ограниченного входа, все, что в данный момент нужно сделать – это обеспечить правильное отношение между желаемым и фактическим входом на рисунке 35. Если обозначить желаемый вход, а через – фактический вход, то насыщение (6.4) и ограничение скорости нарастания (6.5) могут быть описаны следующим образом:Комбинированные насыщения и ограничение скорости нарастания могут быть смоделированы так, как показано на рисунке 36.Рис.36 – Комбинированная модель насыщения и ограничения скорости нарастанияСравнивая рисунки 34 и 35 можно увидеть, что единственное, что нужно сделать для того, чтобы нижний блок на рисунке 35 управлялся фактическим входом – это разместить соответствующую ограничивающую цепочку в точке А на рисунке 34. Окончательную реализацию можем наблюдать на рисунке 37, где Limобозначает соответствующую ограничивающую цепочку (насыщение/ограничение скорости нарастания или все сразу).Рис.37 – Упрощенный контур управления противонакоплениемСоставим структурную схему в инструментальной системе – рисунок 38. И сразу произведем сравнение системы с противонакоплением и без такового.Рис.38 – Контур управления с противонакоплением в сравнении с без противонакопленияВ схему была добавлена комбинированная модель ограничений, состоящая из насыщения и ограничения скорости. Ограничение было выбрано по напряжению [220, -220] и по скорости [600, -600] – задание значений блоков представлены на рисунке 39.Получаем сравнение двух переходных характеристик, которое можно наблюдать на рисунке 40, система с противонакоплением эффективно справляется со своей задачей и компенсирует комбинированную модель насыщения и ограничения скорости.Рис.39 –Значениеблоков saturation и rate limiter.Рис.40– Сравнение переходных характеристик с противонакоплением и без7. Применение стратегии переключения для целей борьбы с насыщением сигнала управленияРассмотрим объект управления с номинальной моделью (7.1):Предположим, мы можем изменять либо восстанавливать её с помощью доступных величин и , используя некоторую форму виртуального датчика. Этот виртуальный датчик будет зависеть от входа и величины и, следовательно, может быть выражен, используя преобразования Лапласа в виде (7.2):Также мы имеем два регулятора – первичный и вторичный (линейные), (7.3) и (7.4) соответственно.Регуляторы разработаны так, чтобы обеспечить удовлетворительные характеристики в управлении и соответственно.На рисунке 41можно наблюдать обобщенную схему стратегии с переключением регуляторов.Рис.41 – Обобщенная схема стратегии с переключением регуляторовСуществуют различные способы и стратегии для определения закона переключения. Воспользуемся стратегией взвешенного переключения.Данная стратегия основана на использовании уровней переключения и , но имеется принципиальное различие, а именно насыщение на вход объекта является линейной комбинацией и (7.5):определяется следующим способом (7.6) [3]:Рассмотрим объект управления с моделью (7.7):Найдем вторичный регулятор для переменной z (7.8):Характеристический полином системы имеет вид (7.9):Определим эталонный (желаемый) характеристический полином (7.10):Уравнение назначения полюсов имеет вид (7.11):Решение:ТогдаСледовательно,Искомая передаточная функция регулятора (7.12):Проверка регулятора:Эталонный характеристический полином совпал с числителем найденной переходной функции, следовательно, регулятор найден, верно.Проведем компьютерное моделирование в инструментальной системе чтобы убедиться, что регулятор положительно влияет на систему – рисунок 42.Рис.42 – Схема с проверкой работоспособности вторичного регулятора в инстр. сист.На рисунке 43 наблюдаем сравнение переходных характеристик. Рис.43 – Сравнение переходных характеристик.Исходя из графиков, представленных на рисунке 43, можем убедиться, что регулятор работает исправно и оказывает положительное влияние на систему – уменьшение времени регулирования в 10 раз. Утверждаем первичный и вторичный регулятор (7.13):Путем расщепления получаем (7.14 и 7.15):После испытаний были выбраны следующие параметры (7.16):Далее приступим к моделированию, построим схему в инструментальной системе со стратегией переключения регуляторов (по подобию со схемой, представленной на рисунке 41) и сравним результаты переходных характеристик со схемой объекта управления с обычным регулятором – рисунок 44. Ограничение также было выбрано по напряжению [220, -220] исходя из задающего воздействия объекта управления.Рис.44 – Сравнение схем с стратегии с переключения и без, схемы построены в инструментальной системеРезультаты компьютерного моделирование наблюдаем на рисунке 45.Рис.45 – Результаты сравнения – переходные характеристики с переключением и безКак можно наблюдать на рисунке 45, стратегия переключения дает определенные положительные результаты, заключающееся в том, что на начальном этапе переходная характеристика демонстрирует управление немного медленнее. Однакодалее переходная характеристика избавляется от колебания и приобретает удовлетворяющий вид. ЗаключениеВ данной курсовой работе были выполнены поставленные задачи, а именно для объекта управления, которым является система тягового электроснабжения постоянного и переменного тока разработаны две модели детерминированных возмущений (входное и выходное возмущение). В качестве эталонного воздействия был выбран ступенчатый сигнал; выполнено обеспечение компенсацийдетерминированных возмущенийблагодаря регуляторам,разработанным по принципу внутренней модели; разработан регулятор для объекта управления и продемонстрировано выполнение принципа внутренней модели для отслеживания эталонного входного воздействия; продемонстрирована возможность упреждения эталонного воздействия, а также выполнено упреждение возмущения. Более того, было реализовано каскадное управления и проведен сравнительный анализ с упреждением возбуждения; разработана схема с насыщением сигнала управления и разработан регулятор с противонакоплением для борьбы с насыщением сигнала; продемонстрировано применение стратегии переключения регуляторов с противонакоплением и произведено сравнение с системой без применения противонакопления.Список использованных источниковСправочник по электрическим машинам: В 2 т. 2018г. Под редакцией Копылова И. П. и Копылова Б. К.Электронный-ресурс: Техника. Моделирование электропривода. https://studref.comControl system design. Valparaiso, January 2015. Graham C. Goodwin, Stefan F. Graebe, Mario E. Salgado. RussianEdition перевод Епанешникова А. М.Вибрация и шум электрических машин. 2016. Кучер В. Я.Modern control system. 2015. Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Russian Edition переводКопыловаБ. И.