СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ БЕЗДАТЧИКОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ВНУТРЕННИХ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИВОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМА КАЛМАНОВСКОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

DOI: 10.47026/1810-1909-2024-2-75-91

УДК 681.518.22

ББК 31.261.5

Г.В. МАЛИНИН, А.И. ЕКАНТЬЕВ

Ключевые слова

привод, математическая модель, отказоустойчивое управление, оценка переменных регулирования, дискретный фильтр Калмана, Simulink модель, бездатчиковое регулирование, двигатель постоянного тока

Аннотация

В статье рассматривается реализация трехконтурной системы управления угловым положением выходного вала привода. В качестве датчиков обратной связи используются датчик тока якоря, датчик угловой скорости выходного вала двигателя постоянного тока и датчик углового положения выходного вала привода. Как правило, ввод всех указанных датчиков в изделие, уже запущенное в эксплуатацию, не может быть осуществлено, к тому же тот или иной датчик внутреннего контура регулирования привода может выйти из строя. Трехконтурная система регулирования, в свою очередь, имеет значительные преимущества при управлении угловым положением выходного вала привода по отношению к одноконтурной системе регулирования. Показано, что трехконтурное регулирование возможно осуществить даже при отсутствии датчиков обратной связи во внутренних контурах управления: вместо измерения регулируемых переменных в этом случае осуществляется их оценка.

Цель исследования – построение трехконтурной системы управления в условиях отсутствия датчиков внутренних контуров регулирования с помощью оценки регулируемых переменных дискретным алгоритмом калмановской фильтрации.

Материалы и методы. Для реализации предложенного алгоритма разработана математическая модель привода с учетом каждого контура регулирования и всех параметров регулятора. Моделирование системы с датчиками обратной связи или оценкой переменных внутренних контуров регулирования осуществлено в программной среде MATLAB Simulink.

Результаты исследований. Моделирование показывает, что трехконтурное управление угловым положением выходного вала привода с одним физическим датчиком обратной связи внешнего контура регулирования возможно осуществить с помощью оценки переменных внутренних контуров регулирования привода дискретным фильтром Калмана. При этом наблюдается увеличение перерегулирования углового положения по сравнению с вариантом построения системы с датчиками в цепях обратной связи. Для уменьшения перерегулирования в передаточной функции привода увеличивается коэффициент демпфирования и выбирается наиболее оптимальное его значение. Качество регулирования в результирующей системе при этом не ухудшается.

Выводы. Реализация бездатчиковой обратной связи возможна, но требует дополнительных вычислительных затрат, что приводит к удорожанию вычислителя. Несоответствие оценок переменных регулирования внутренних контуров их фактическому значению приводит к необходимости коррекции расчетных параметров регулятора внешнего контура управления привода.

Литература

1. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение, 1991. 512 с.
2. Безденежных Д.В. Разработка и исследование электропривода на базе машины двойного питания с подключением обмоток статора и ротора к преобразователям частоты: автореф. дис. … канд. техн. наук. Липецк, 2011. 18 с.
3. Белоногов О.Б., Ронжин И.В. Математическая модель электродвигателя постоянного тока рулевой машины жидкостного ракетного двигателя // Космическая техника и технологии. 2021. № 4 (35). С. 93–99.
4. Борисов С.В., Родионов Г.В. Реализация трехконтурной цифровой системы управления ДПТ на базе программной среды MexBIOS // Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи: материалы Второй российской молодежной научной школы-конференции. Томск, 2014. С. 102–105.
5. Воеков В.Н., Мещеряков В.Н., Крюков О.В. Вентильный электропривод для погружных нефтяных насосов с импульсным повышающим преобразователем напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты и релейным управлением инвертором напряжения // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Энергетика. 2020. Т. 20, № 2. С. 110–119.
6. Добробаба Ю.П., Кошкин Г.А., Махова В.А. Трехконтурная система автоматического регулирования положения исполнительного органа электропривода постоянного тока с зависящим от скорости моментом сопротивления [Электронный ресурс] // Научные труды КубГТУ. 2016. № 2. URL: https://ntk.kubstu.ru/data/mc/0022/0804.pdf.
7. Добробаба Ю.П., Махова В.А., Миронюк С.Г. Трехконтурная система автоматического регулирования положения исполнительного органа электропривода постоянного тока [Электронный ресурс] // Электронный сетевой политематический журнал «Научные труды КубГТУ». 2015. № 5. URL: https://ntk.kubstu.ru/data/mc/0012/0420.pdf.
8. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам [Электронный ресурс] // Новости микроэлектроники: сайт. URL: www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/99_01/stathtm (дата обращения: 22.12.2023).
9. Кузовкин В.А., Филатов В.В., Чумаева М.В. Моделирование бесконтактного электродвигателя постоянного тока в среде MULTISIM // Вестник МГТУ «Станкин». 2012. № 1. С. 88–93.
10. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / под общ. ред. В.Я. Распопова. СПб.: Концерн «ЦНИИ “Электроприбор”», 2009. 280 с.
11. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. 304 с.
12. Попов В.Г., Разиньков С.Н., Решетняк Е.А. Оценка эффективности трассового сопровождения маневрирующих воздушных источников радиоизлучений // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2019. № 9. С. 90–95.
13. Потепалова А.Ю., Зайцева Н.В. Моделирование работы алгоритма Калмановской фильтрации // Sciences of Europe. 2021. № 70-1. С. 35–42.
14. Семёнов А.С., Хубиева В.М., Петрова М.Н. Математическое моделирование режимов работы двигателя постоянного тока в среде MATLAB // Фундаментальные исследования. 2015. № 10-3. С. 523–528.
15. Шишов Д.М. Транзисторный регулятор бездатчикового бесколлекторного двигателя постоянного тока на базе вычислителя потокосцеплений: дис. … канд. техн. наук. М., 2014. 149 с.

Сведения об авторах

Малинин Григорий Вячеславович – кандидат технических наук, заведующий кафедрой промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (malgrig6@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3993-0435).

Екантьев Андрей Игоревич – аспирант кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (andrey‑yekantyev@yandex.ru; ORCID: https://orcid.org/0009-0004-8947-6319).

Формат цитирования

Малинин Г.В., Екантьев А.И. Способ реализации бездатчиковой обратной связи для внутренних контуров регулирования привода с использованием алгоритма калмановской фильтрации // Вестник Чувашского университета. – 2024. – № 2. – С. 75–91. DOI: 10.47026/1810-1909-2024-2-75-91.

Загрузить полный текст статьи