Σύγχρονη στρατηγική ελέγχου
Η παραδοσιακή στρατηγική ελέγχου του σερβοκινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιείται ως επί το πλείστον υπό την προϋπόθεση ότι το μοντέλο του ελεγχόμενου αντικειμένου προσδιορίζεται, δεν μεταβάλλεται και είναι γραμμικό και ότι οι συνθήκες λειτουργίας και το περιβάλλον λειτουργίας καθορίζονται ως σταθερές. Ωστόσο, το δυναμικό μαθηματικό μοντέλο του σύγχρονου κινητήρα συνεχούς μαγνήτη εναλλασσόμενου ρεύματος είναι ένα μη γραμμικό, πολύ συζευγμένο, χρονικά μεταβαλλόμενο σύστημα πολλαπλών μεταβλητών. Στην περίπτωση απαιτήσεων υψηλής απόδοσης, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη διάφορες μη γραμμικές επιδράσεις, αλλαγές στη δομή και τις παραμέτρους του αντικειμένου και αλλαγές στο λειτουργικό περιβάλλον. Και οι χρονικά μεταβαλλόμενοι και αβέβαιοι παράγοντες όπως οι περιβαλλοντικές διαταραχές. Η ανάπτυξη και η εφαρμογή της θεωρίας του σύγχρονου ελέγχου αντισταθμίζουν σε κάποιο βαθμό τις αδυναμίες της θεωρίας του κλασσικού ελέγχου στο χρονικά μεταβαλλόμενο μη γραμμικό στοχαστικό σύστημα.
(1) Έλεγχος ροπής απευθείας
Η θεωρία άμεσου ελέγχου ροπής είναι μια στρατηγική ελέγχου κινητήρα υψηλών επιδόσεων AC που προτάθηκε από τον καθηγητή M. depenbrock του Γερμανικού Πανεπιστημίου του Ruhr και τον ιαπωνικό επιστήμονα i.takahash στη δεκαετία του 1980. Η στρατηγική ελέγχου βασίζεται επίσης στα ακριβή μαθηματικά του ελεγχόμενου αντικειμένου. Το μοντέλο, αντίθετα με τον έλεγχο του φορέα, αναλύει το μαθηματικό μοντέλο του κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος απευθείας στο σύστημα συντεταγμένων του στάτη χωρίς πολύπλοκες μετασχηματισμούς συντεταγμένων. Ο προσανατολισμός του πεδίου στάτη υιοθετείται, δεν απαιτείται ρεύμα αποσύνδεσης και η σύνδεση ροπής και ροής ελέγχεται άμεσα από τον έλεγχο δύο θέσεων,, ο οποίος αποφεύγει την αποσύνθεση του ρεύματος του στάτη σε στοιχεία ροπής και διέγερσης και ελέγχει άμεσα την κατάσταση μεταγωγής του μετατροπέα. Ο καλός έλεγχος, εστιάζοντας στην γρήγορη απόκριση της ροπής για την επίτευξη υψηλής δυναμικής απόδοσης ροπής. Ο κατευθυντικός προσανατολισμός πεδίου ελέγχου ροπής χρησιμοποιεί τη σύνδεση ροής στάτη, η οποία δεν επηρεάζεται από τις παραμέτρους του ρότορα. Όσο είναι γνωστή η αντίσταση του στάτορα, μπορεί να παρατηρηθεί και δεν είναι ευαίσθητη στις παραμέτρους του κινητήρα.
Η άμεση τεχνολογία ελέγχου ροπής έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στον τομέα του ελέγχου επαγωγικού ηλεκτροκινητήρα, και η abb έχει ξεκινήσει μια σειρά προϊόντων. Ωστόσο, στην εφαρμογή του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένα προβλήματα στον άμεσο έλεγχο ροπής. Ο άμεσος έλεγχος ροπής χρησιμοποιεί την υστέρηση της μαγνητικής αλυσίδας και η ροπή του κινητήρα είναι παλμική, γεγονός που επηρεάζει άμεσα την ομαλότητα του κινητήρα. Ο άμεσος έλεγχος ροπής πρέπει να παρακολουθεί τη ροή σύνδεσης και τη ροπή στρέψης. Η ακρίβεια είναι χαμηλή στις χαμηλές ταχύτητες, με αποτέλεσμα την κακή απόδοση του κινητήρα και την μικρή ταχύτητα του κινητήρα. Λόγω της μικρής αυτεπαγωγής του κινητήρα, ο αντίκτυπος του ρεύματος είναι μεγάλος όταν ο κινητήρας ξεκινάει και το φορτίο αλλάζει και η σύνδεση ροής και η ροπή στρέψεως είναι μεγάλες. Επιπλέον, δεδομένου ότι η αρχική θέση της ζεύξης ροής δεν μπορεί να εκτιμηθεί όταν ο κινητήρας είναι ακίνητος, ο κινητήρας είναι δύσκολο να ξεκινήσει. Παρόλο που ορισμένοι μελετητές στο σπίτι και στο εξωτερικό προσπαθούν και βελτιώνουν την στρατηγική άμεσου ελέγχου ροπής του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη τα τελευταία χρόνια, αυτό το σχέδιο ελέγχου είναι δύσκολο να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις της τεχνολογίας AC servo drive.
(2) Έλεγχος μεταβλητής δομής με λειτουργία ολίσθησης
Ο έλεγχος μεταβλητής δομής ανήκει στην κατηγορία του μη γραμμικού ελέγχου και η μη γραμμικότητά του εμφανίζεται ως η ασυνέχεια του ελέγχου, δηλαδή ένα χαρακτηριστικό μεταγωγής που αλλάζει τη "δομή" του συστήματος. Ο έλεγχος της μεταβλητής δομής του τρόπου ολίσθησης δεν χρειάζεται να γνωρίζει το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος. Χρειάζεται μόνο να κατανοήσει το κατά προσέγγιση εύρος παραμέτρων του συστήματος και τις αλλαγές του, έτσι ώστε ο έλεγχος της μεταβλητής δομής να έχει τα πλεονεκτήματα της γρήγορης απόκρισης, της ανυπαρξίας στις παραμέτρους και των αλλαγών διαταραχής και χωρίς την ανάγκη για online αναγνώριση και σχεδιασμό. Με τη λειτουργία της μείωσης της τάξης και της αποσύνδεσης, όταν το σύστημα εισέρχεται στην κατάσταση ολίσθησης, η μεταφορά της κατάστασης του συστήματος δεν επηρεάζεται πλέον από τις αρχικές αλλαγές των παραμέτρων και τις εξωτερικές διαταραχές του συστήματος, αλλά αναγκάζεται να ολισθήσει κοντά στο επίπεδο του διακόπτη , με πλήρη αυτοπροσαρμογή και ευρωστία, έτσι ώστε ο έλεγχος του τρόπου ολίσθησης έχει εφαρμοστεί επιτυχώς σε σύγχρονο σερβομηχανισμό μόνιμου μαγνήτη. Εντούτοις, λόγω του ελέγχου πρόσκρουσης, το πρόβλημα φλυαρίας προκαλείται αναπόφευκτα και το πρόβλημα της φλύαρης είναι μια μεγάλη δυσκολία στην ευρεία εφαρμογή του ελέγχου μεταβλητής δομής της ολίσθησης. Επί του παρόντος, στο σύστημα servo κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος, αλλάζοντας τη δομή του τρόπου ολίσθησης, όπως η χρήση της δομής με συρόμενη ολίσθηση υψηλής ταχύτητας και της επεξεργασίας φιλτραρίσματος, λύνεται το πρόβλημα του τρεμούλιασμα που προκαλείται από τον έλεγχο της μεταβλητής δομής ολίσθησης.
(3) Προσαρμοστικός έλεγχος
Προσαρμοστικός έλεγχος προτάθηκε από την Golcl-Well στις αρχές της δεκαετίας του 1950. Συνδυάζει τον έλεγχο ανάδρασης με τη θεωρία προσδιορισμού και προτείνει την επίδραση των αλλαγών στα χαρακτηριστικά του ελεγχόμενου αντικειμένου, της μετατόπισης και της περιβαλλοντικής διαταραχής στο σύστημα ή όταν δεν υπάρχουν πολλές παράμετροι της ελεγχόμενης διαδικασίας ή οι παραμέτρους αυτές βρίσκονται σε κανονική λειτουργία. Οι αλλαγές, ειδικά όταν υπάρχουν αργές μεταβλητές, βελτιστοποιούνται με την αναζήτηση ορισμένων δεικτών απόδοσης για να ολοκληρωθεί η ρύθμιση του ελεγχόμενου αντικειμένου.
Οι προσαρμοστικές μέθοδοι που εφαρμόζονται επί του παρόντος για τον έλεγχο είναι προσαρμοστικό μοντέλο αναφοράς, έλεγχος αυτοδιόρθωσης εντοπισμού παραμέτρων και διάφοροι νεοαναπτυσσόμενοι μη γραμμικοί προσαρμοστικοί έλεγχοι. Το προσαρμοστικό σύστημα ελέγχου αναφοράς μοντέλου δεν απαιτεί ακριβές μαθηματικό μοντέλο του αντικειμένου ελέγχου και δεν απαιτεί ταυτοποίηση παραμέτρων. Το βασικό πρόβλημα είναι να σχεδιαστεί ένας προσαρμοστικός νόμος ρύθμισης παραμέτρων για να διασφαλιστεί η σταθερότητα του συστήματος ενώ το σήμα σφάλματος τείνει στο μηδέν. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι είναι εύκολο στην εφαρμογή και γρήγορο. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα προβλήματα στον προσαρμοστικό αλγόριθμο, όπως το μαθηματικό μοντέλο και η δυσκίνητη λειτουργία, γεγονός που περιπλέκει το σύστημα ελέγχου. Για παράδειγμα, η αναγνώριση και η διόρθωση παραμέτρων διαρκούν μια χρονική περίοδο. Για συστήματα με ταχύτερες αλλαγές παραμέτρων, η απόδοση ελέγχου επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα υπολογισμού του συστήματος. Το υλικό του συστήματος εφαρμογής πρέπει να είναι υψηλό στη μονάδα servo AC, η οποία υλοποιείται γενικά από έναν ψηφιακό επεξεργαστή σήματος 32-bit (DSP) ή από έναν προγραμματισμένο πίνακα πύλης (fpga).
(4) Έλεγχος γραμμικοποίησης μη γραμμικής ανάδρασης
Η γραμμικοποίηση της ανάδρασης είναι μια μη γραμμική μέθοδος σχεδιασμού ελέγχου. Η βασική ιδέα είναι να μετατρέψουμε μια μη γραμμική αλγεβρα συστήματος σε ένα γραμμικό σύστημα (εν όλω ή εν μέρει) έτσι ώστε να μπορούν να εφαρμοστούν οι δεξιότητες του γραμμικού συστήματος. Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ αυτής και της απλής γραμμικοποίησης είναι ότι η γραμμική ανατροφοδότηση δεν επιτυγχάνεται με γραμμική προσέγγιση του συστήματος αλλά με μεταβατική κατάσταση και ανατροφοδότηση. Τα τελευταία χρόνια τα θεωρητικά αποτελέσματα των μη γραμμικών συστημάτων ελέγχου δείχνουν ότι η μη γραμμική ανατροφοδότηση της κατάστασης και ο κατάλληλος μετασχηματισμός των συντεταγμένων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ακριβή γραμμική προσαρμογή ενός μη γραμμικού συστήματος σε ορισμένες συνθήκες και αυτό το feedback μπορεί να εγγυηθεί το σύστημα ελέγχου. Σταθερότητα και καλή δυναμική ποιότητα. Με βάση την ακριβή μέθοδο ελέγχου γραμμικοποίησης ανατροφοδότησης, καθιερώνεται το γραμμικό μοντέλο ελέγχου του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη. Μετά τον έλεγχο γραμμικοποίησης ανατροφοδότησης, ο έλεγχος αποσύνδεσης των αξόνων d και q μπορεί να πραγματοποιηθεί, η τρέχουσα απόδοση παρακολούθησης είναι καλή και η απόκριση ροπής είναι γρήγορη. Η απόκριση βαθμίδας ταχύτητας μπορεί να συγκλίνει σταδιακά σε μια δεδομένη τιμή, χωρίς στατική διαφορά, μικρή υπέρβαση και βραχεία διαδικασία μετάβασης.
(5) Ευφυής στρατηγική ελέγχου
Οι κλασσικές ή σύγχρονες στρατηγικές ελέγχου βασίζονται στο μαθηματικό μοντέλο του κινητήρα και δεν αντιμετωπίζουν ουσιαστικά τα προβλήματα ελέγχου σύνθετων και αβέβαιων συστημάτων. Η ευφυής στρατηγική ελέγχου έχει μη γραμμικά χαρακτηριστικά και μπορεί να λύσει συστήματα με πιο σύνθετα αντικείμενα ελέγχου, περιβάλλοντα και καθήκοντα. Ο ευφυής έλεγχος εξαλείφει την εξάρτηση από το μοντέλο ελεγχόμενου αντικειμένου και ελέγχει μόνο ανάλογα με το πραγματικό αποτέλεσμα. Στον έλεγχο, η αβεβαιότητα και η ανακρίβεια του συστήματος μπορούν να λυθούν.
Οι ευφυείς στρατηγικές ελέγχου περιλαμβάνουν τον ασαφή έλεγχο, τον έλεγχο νευρωνικών δικτύων, τον έλεγχο εξειδικευμένου συστήματος και τον αυστηρό έλεγχο και έλεγχο γενετικού αλγορίθμου. Οι στρατηγικές ελέγχου ασαφούς ελέγχου και ελέγχου νευρωνικών δικτύων είναι ώριμες στην εφαρμογή του σερβομηχανισμού σύγχρονου κινητήρα με μόνιμο μαγνήτη.
(6) Ασαφής έλεγχος
Ο ασαφής έλεγχος είναι ένα είδος αριθμητικού ελέγχου υπολογιστή που βασίζεται σε ασαφή συσσωμάτωση, ασαφείς γλωσσικές μεταβλητές και λογική ασαφούς λογικής. Ο ασαφής έλεγχος ενοποιεί τα μαθηματικά και την ασαφή έννοια και χρησιμοποιεί ως θεωρητική βάση ασαφή σύνολα, ασαφείς γλωσσικές μεταβλητές και ασαφή λογική, δηλαδή χρησιμοποιώντας ασαφή σύνολα για να περιγράψει την ασάφεια στις έννοιες που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι καθημερινά, με προηγούμενη γνώση και εμπειρία εμπειρογνωμόνων , χρησιμοποιώντας τη προσομοίωση του μηχανήματος για τον έλεγχο του συστήματος, μπορεί να μιμηθεί ρεαλιστικά την εμπειρία ελέγχου και τη μέθοδο ασαφούς ελέγχου των ειδικευμένων χειριστών και εμπειρογνωμόνων.
Η ασαφής συλλογιστική δεν εξαρτάται από ακριβή μαθηματικά μοντέλα. Σύμφωνα με τα δεδομένα εισόδου και εξόδου του πραγματικού συστήματος, το σύστημα μπορεί να ελεγχθεί σε πραγματικό χρόνο με αναφορά στην εμπειρία λειτουργίας των χειριστών πεδίου. Ως εκ τούτου, είναι κατάλληλη για την επίλυση των προβλημάτων ελέγχου των μη γραμμικών συστημάτων. Καλή κολλητικότητα και ισχυρή προσαρμοστικότητα, κατάλληλη για χρονικά μεταβαλλόμενα συστήματα και συστήματα χρονικής καθυστέρησης. Ωστόσο, η ικανότητα αυτοέλεγχου του ασαφούς ελέγχου δεν είναι ισχυρή και οι κανόνες ελέγχου σχεδιασμού εξαρτώνται από την εμπειρία και τις γνώσεις των ειδικών, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει ανακριβές σύστημα. Απλώς η υιοθέτηση της στρατηγικής ασαφούς ελέγχου απαιτεί περισσότερους κανόνες ελέγχου, απαιτεί μεγάλη εμπειρία του προσωπικού και η ακρίβεια ελέγχου είναι σχετικά χαμηλή. Η τεχνολογία ασαφούς ελέγχου έχει εφαρμοστεί σωστά στο σχεδιασμό του ρυθμιστή ρεύματος του ρυθμιστή ρεύματος AC και του ρυθμιστή ταχύτητας. Ωστόσο, στο σερβοσύστημα με υψηλές δυναμικές απαιτήσεις, η τεχνολογία πρέπει να βελτιωθεί περαιτέρω.
(7) Έλεγχος νευρωνικών δικτύων
Η έρευνα του νευρικού δικτύου άρχισε στις αρχές της δεκαετίας του 1940. Στη δεκαετία του 1980, η θεωρία των νευρωνικών δικτύων έκανε μια σημαντική ανακάλυψη και έγινε ένας σημαντικός κλάδος ευφυούς ελέγχου.
Το νευρικό δίκτυο αναφέρεται σε ένα σύστημα επεξεργασίας πληροφοριών που προσομοιώνει τη δομή και τη λειτουργία των ανθρώπινων κρανιακών νεύρων με τεχνικές μηχανικής. Ο έλεγχος του νευρικού δικτύου ενσωματώνει τη λειτουργία υπολογισμού στο φυσικό δίκτυο. Στη διαδικασία υπολογισμού, κάθε βασική λειτουργία έχει αντίστοιχη σύνδεση με αυτήν. Το μοντέλο νευρωνικού δικτύου προσομοιώνει τη διαδικασία δραστηριότητας των ανθρώπινων εγκεφαλικών νευρώνων, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας, της επεξεργασίας και της αποθήκευσης πληροφοριών. Κάθε νευρώνας αποθηκεύει ένα μέρος του περιεχομένου μιας ποικιλίας πληροφοριών, και κάποιες βλάβες των νευρώνων και καταστροφή πληροφοριών μόνο οδηγούν σε μερική εξασθένιση του δικτύου. Το νευρικό δίκτυο έχει τα πλεονεκτήματα της αποθήκευσης πληροφοριών διανομής, της παράλληλης επεξεργασίας, της μη γραμμικής προσέγγισης, της αυτο-μάθησης και της αυτο-οργάνωσης. Μπορεί να προσεγγίσει πλήρως τα αυθαίρετα πολύπλοκα μη γραμμικά συστήματα και μπορεί να μάθει και να προσαρμοστεί στα δυναμικά χαρακτηριστικά των εξαιρετικά αβέβαιων συστημάτων. Η ευρωστία, με την ικανότητα προσομοίωσης της σκέψης της ανθρώπινης εικόνας, είναι κατάλληλη για την αντιμετώπιση συστημάτων που είναι δύσκολο να περιγραφούν με μοντέλα ή κανόνες. Τα τελευταία χρόνια, οι άνθρωποι έχουν αρχίσει να προσπαθούν να εφαρμόσουν τεχνολογία ελέγχου νευρωνικών δικτύων (ή τεχνητής νοημοσύνης ai) σε συστήματα ελέγχου κινητήρα AC για την επίλυση προβλημάτων που είναι δύσκολο να επιλυθούν με παραδοσιακές μεθόδους. Η χρήση του συστήματος ρύθμισης ai έχει καλές ιδιότητες καταστολής θορύβου, ανοχή σφάλματος και επεκτασιμότητα και είναι ισχυρή στις παραμέτρους. Είναι μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης της μελλοντικής τεχνολογίας ελέγχου κινητήρα.
Υψηλής απόδοσης τάση ανάπτυξης τεχνολογίας servo ελέγχου AC
Το σερβοσύστημα που βασίζεται σε σύγχρονο κινητήρα με μόνιμο μαγνήτη είναι η κατεύθυνση ανάπτυξης του σερβο-ελέγχου. Παρόλο που υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την εφαρμογή του σερβο-ελέγχου AC, εξακολουθούν να υπάρχουν προβλήματα όπως η χαμηλή ακρίβεια του συστήματος, η χαμηλή αξιοπιστία και η απόδοση χαμηλών ταχυτήτων.
Είτε πρόκειται για μια παραδοσιακή στρατηγική ελέγχου, μια σύγχρονη στρατηγική ελέγχου ή μια έξυπνη στρατηγική ελέγχου, κάθε στρατηγική ελέγχου έχει τα πλεονεκτήματά της, αλλά ταυτόχρονα υπάρχουν κάποια προβλήματα. Είναι δύσκολο να επιτευχθεί το ιδανικό αποτέλεσμα ελέγχου από μια ενιαία στρατηγική ελέγχου. Είναι η κατεύθυνση ανάπτυξης της τεχνολογίας ελέγχου σερβοελέγχου υψηλής απόδοσης στο μέλλον για να διερευνήσει πώς να διεισδύσει και να συνθέσει διάφορες στρατηγικές ελέγχου για να βελτιώσει καλύτερα την απόδοση ελέγχου του σερβοσυστήματος. Επί του παρόντος, η σύνθετη στρατηγική ελέγχου έχει δύο μορφές: μία είναι η υιοθέτηση μιας νέας στρατηγικής ελέγχου βασισμένης στην κλασική στρατηγική ελέγχου pid, όπως ο ασαφής έλεγχος pid, ο έλεγχος pid νευρωνικού δικτύου, ο έλεγχος pid εμπειρογνώμονα κ.λπ. Δεύτερον, να υιοθετήσουν δύο ή περισσότερους νέους τύπους στρατηγικών ελέγχου όπως ο ασαφής έλεγχος νευρωνικών δικτύων, ο προσαρμοστικός ασαφής έλεγχος, ο ασαφής άμεσος έλεγχος ροπής, ο προσαρμοστικός ασαφής έλεγχος, ο έλεγχος της μετατόπισης της δομής με άμεση ροπή στρέψης κλπ. Οι διάφορες στρατηγικές αλληλοσυμπληρώνονται για να βελτιώσουν περαιτέρω την απόδοση του συστήματος ελέγχου ταχύτητας εναλλασσόμενου ρεύματος και ταυτόχρονα να έχουν ισχυρότερη ανθεκτικότητα. Η σύνθετη στρατηγική ελέγχου έχει γίνει το επίκεντρο της τρέχουσας έρευνας και μια σημαντική τάση στη μελλοντική ανάπτυξη.
συμπέρασμα
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το σύστημα σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, περιγράφονται ξεχωριστά οι βασικές αρχές, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της παραδοσιακής στρατηγικής ελέγχου, η σύγχρονη στρατηγική ελέγχου και η στρατηγική ευφυούς ελέγχου στο σερβοκινητήρα AC και η τεχνολογία ελέγχου του σερβοκινητήρα AC υψηλής απόδοσης προβλέπεται. Η αναπτυξιακή τάση επισημαίνει ότι ανεξάρτητα από το αν πρόκειται για μια παραδοσιακή στρατηγική ελέγχου, μια σύγχρονη στρατηγική ελέγχου ή μια έξυπνη στρατηγική ελέγχου, κάθε στρατηγική ελέγχου έχει τα πλεονεκτήματά της, αλλά ταυτόχρονα υπάρχουν ορισμένα προβλήματα. Είναι δύσκολο να επιτευχθεί το ιδανικό αποτέλεσμα ελέγχου από μια ενιαία στρατηγική ελέγχου. Είναι η κατεύθυνση ανάπτυξης της τεχνολογίας ελέγχου σερβοελέγχου υψηλής απόδοσης στο μέλλον για να διερευνήσει πώς να διεισδύσει και να συνθέσει διάφορες στρατηγικές ελέγχου για να βελτιώσει καλύτερα την απόδοση ελέγχου του σερβοσυστήματος.
