Нечеткий регулятор работает четко: ученые ПНИПУ улучшили управление синхронными двигателями

Нечеткий регулятор работает четко: ученые ПНИПУ улучшили управление синхронными двигателями
Фото: pstu.ru

Синхронные двигатели широко применяются в машиностроении, энергетике, строительстве и металлургии благодаря своей эффективности, мощности и надежности. Однако регуляторы, которые обычно управляют параметрами работы таких двигателей, например, скоростью, не всегда обеспечивают высокое качество контроля. В результате эффективность двигателя снижается, растет потребление электроэнергии и износ деталей. Ученые ПНИПУ предложили решение этой проблемы: нечеткий регулятор, основанный на знаниях эксперта-человека, позволит более точно и стабильно управлять работой двигателя.

Исследование  опубликовано  в журнале «Электротехника», № 11, 2023. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

В синхронном электродвигателе скорость работы ротора (вращающаяся часть) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора (неподвижная часть). Такие двигатели дороже и сложнее в эксплуатации – быстрее изнашиваются и требуют дополнительный источник постоянного тока, но при этом обладают большей мощностью, чем асинхронные, и менее чувствительны к скачкам напряжения.

Ученые ПНИПУ проанализировали работу системы управления синхронного двигателя с постоянными магнитами без датчика положения ротора, которая содержит регулятор скорости ротора и наблюдатель для оценки его текущей скорости. Они предложили заменить используемый в ней классический пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор) скорости вращения ротора на нечеткий регулятор.

ПИ-регулятор — устройство с обратной связью для управления технологическими параметрами (скоростью, температурой, давлением и т.д.) Чтобы пояснить принцип его работы, приведем пример. Допустим, ПИ-регулятор отвечает за положение регулирующего вентиля на трубе с горячей водой, при этом необходимо, чтобы вода была определенного градуса. Получив информацию от датчика о реальной температуре воды, регулятор решает, насколько приоткрыть вентиль, чтобы та достигла нужного значения.

Однако ПИ-регулятор слабо подходит для сложных систем, например, доменной печи, поскольку невозможно учесть все факторы, влияющие на их работу (меняющуюся нагрузку, температуру, качество смазки, износ деталей и др.) При этом квалифицированный оператор качественно управляет такими объектами, опираясь на показания приборов и накопленный опыт.

В таком случае политехники предлагают заменить ПИ-регуляторы на нечеткие регуляторы, построенные на основе нечеткой логики. Что это значит? Нечеткий регулятор состоит из фаззификатора, блока правил и дефаззификатора.

Фаззификатор преобразует точные значения входных сигналов (например, значения скорости ротора) в нечеткие величины (очень  высокая,  высокая,  очень  низкая,  низкая,  норма). Блок правил содержит инструкции (если  x, то  y), с которыми регулятор соотносит полученные нечеткие величины, и определяет, какое управляющее воздействие ему применить (если скорость  очень  низкая, то подачу тока  увеличить сильно). Дефаззификатор преобразует нечеткие решения (увеличить  сильно) в точные значения управляющих воздействий (увеличить на  х), которыми регулятор контролирует скорость ротора.

Инструкции для нечеткого регулятора основаны на знаниях опытных специалистов. При этом возможно сформировать любое количество инструкций и условий в них, что делает процесс управления гораздо более эффективным.

— ПИ-регуляторы чувствительны к изменениям параметров системы, недостаточно качественно реагируют на быстрые и сильные перепады нагрузки, это приводит к ошибкам в процессе управления, снижению эффективности работы всей системы. Применение нечеткого регулятора исключает эти недостатки,  — рассказывает ассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Сергей Сторожев .

Чтобы убедиться в эффективности предложенного подхода, ученые Пермского Политеха смоделировали работу нечеткого регулятора скорости в синхронном двигателе при помощи специализированного ПО. Они исследовали его работу при разной нагрузке и изменяющихся параметрах двигателя (например, при перегреве, вибрациях, износе деталей).

—  Результаты показали, что использование нечеткого регулятора улучшает основные показатели качества управления в обоих случаях. Например, перерегулирование (превышение необходимого уровня управляющего воздействия) в идеальных условиях сокращается с 5% до 1%, а в условиях изменяющихся параметров двигателя — с 10% до 2 %,  — подводит итог доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматики и телемеханики ПНИПУ Александр Южаков .

Разработанный учеными ПНИПУ подход представляет собой альтернативу стандартному способу управления синхронными двигателями с постоянными магнитами без датчика положения ротора. Он может применяться в двигателях беспилотников, электросамокатов, велосипедов, топливных и масляных насосов. Это позволит добиться более простого, точного и качественного управления их работой, повысить их эффективность, сократить потери электроэнергии, избежать ускоренного износа деталей. Как отмечают ученые, конструкторская и программная документация уже разработана и планируется к внедрению в 2024 году.

Для справки:

Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.


 
По теме
Западно-Уральское управление Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) в рамках сотрудничества с высшими учебными заведениями посетило семинар на тему:
19 февраля в РЭУ имени Г.В. Плеханова состоялось расширенное заседание ректората, посвященное 117-летию университета в котором приняли участие представители филиальной сети.
19 февраля в учебной комплексной лаборатории информационных технологий и станков с ЧПУ был проведен мастер-класс по 3D печати для учеников школы №7.
Смотр-конкурс «Лучший электронный учебно-методический комплекс дисциплины» проводится ежегодно в Лысьвенском филиале ПНИПУ в целях повышения профессионального мастерства преподавателей и улучшения качества разрабатываемы
Победитель муниципального конкурса «Учитель года» Виктор Габов. Фото: Управление образования, ВК Его участниками стали 40 педагогов в 7 номинациях.
Лабораторные исследования - Новый Компаньон Специальное приложение введут с начала следующего учебного года предоставлено лабораторией «Медикал Геномикс» С начала нового учебного года в школах нескольких российских регионов внедрят VR-технологии.
Новый Компаньон
IMG_0693.jpg - Газета Приобвинский край В Карагайском районном доме культуры, 16 февраля, состоялось торжественное подведение итогов муниципального этапа Всероссийского конкурса профессионального мастерства «Учитель года - 2024».
Газета Приобвинский край
Оперативная обстановка на территории Пермского края за сутки (25 февраля 2024 года) - Министерство территориальной безопасности За истекшие сутки зарегистрированы следующие оперативные события: 1. По данным Главного управления МЧС России по Пермскому краю зарегистрировано 17 техногенных пожаров, на которых, травмирован 1 человек, спасено 2 человека.
Министерство территориальной безопасности
О профилактике травматизма в праздничные дни - Министерство здравоохранения Напоминаем, что причинами несчастных случаев в праздничные дни среди взрослых чаще всего становятся алкогольные отравления, травмы и обморожения, среди детей – пищевые отравления, острые аллергические реакции, ожоги и переохлаждения.
Министерство здравоохранения
Резидент ТОР «Нытва» за 2023 год оздоровил более 500 детей - Администрация губернатора Одним из первых резидентов территории опережающего развития «Нытва» является ООО «Санаторий-профилакторий «Оазис», который проводит оздоровительное и реабилитационное лечение пациентов.
Администрация губернатора
галерея - Новый Компаньон Здесь разместятся коворкинг, библиотека, лекционный зал, кафе   Пермская государственная художественная галерея Пермская художественная галерея показала эскизы пространств первого этажа нового здания,
Новый Компаньон
gE5K5l6_BDU - Муниципальные библиотеки 17 февраля в Модельной библиотеке №21 состоялась первая в 2024 году сезонная театральная мастерская в рамках литературно-творческого клуба «КнижДвиж» Участники мастерской играли, выполняли актерские упражнения,
Муниципальные библиотеки