3.3. Современные направления развития теории электромеханических систем

Современный электропривод образует совместно с приводимым в движение механизмом единую электромеханическую систему, электрическая часть которой состоит из электромеханического преобразователя энергии и устройств управления, а механическая включает в себя все связанные движущиеся массы привода и механизма.

Стремление к интенсификации производственных процессов, повышению производительности и качества работы сложных электромеханических комплексов требует развития теории их систем управления, которые должны удовлетворять противоречивым требованиям. Повышение требований к точности и динамическим показателям ЭМС способствует интенсивному применению микропроцессорных систем управления. Как следствие, первостепенное значение имеют исследования динамики замкнутых систем регулирования координат электромеханических систем. Возникла необходимость более полного учета взаимодействия электропривода с исполнительными механизмами, содержащими упругости, зазоры и кинематические погрешности передач; значительного внимания потребовали вопросы оптимизации ЭМС по различным критериям, а также теоретические и практические разработки, связанные с применением управляющей вычислительной техники.

За последние годы выполнен большой объем научных исследований, направленных на решение указанных проблем. Общий объем информации, относящейся к современной теории ЭМС, может быть подразделен на три основные части.

Первая часть представляет собой общую теорию ЭМС, которая изучает физические закономерности, свойственные различным техническим реализациям электроприводов любого назначения, и содержит общие методы и рекомендации, используемые при их проектировании, наладке и эксплуатации.

Вторая часть охватывает теорию отдельных ЭМС, различающихся технической реализацией. Эти разделы опираются на общую теорию электропривода и акцентируют внимание на закономерностях, обусловленных применяемой элементной базой и используемыми принципами управления, а также на особенностях анализа и синтеза таких систем.

Третью часть составляют теоретические вопросы, связанные с применением ЭМС в конкретных промышленных условиях. Примерами могут служить вопросы теории электропривода прокатных станов, бумагоделательных машин, металлорежущих станков, экскаваторов. Эти разделы современной теории ЭМС изучают конкретные технологические требования, физические закономерности, обусловленные спецификой приводимых в движение установок, содержат научно обоснованный выбор электромеханических систем и методы их проектирования с учетом технологии и особенностей эксплуатации.

В настоящее время теоретические разработки систем управления электромеханических комплексов ведутся в направлении совершенствования и расширения применения:

• методов и алгоритмов цифрового управления координатами механизмов, обеспечивающих улучшение его динамических и эксплуатационных свойств;

• адаптивного управления, в том числе с применением регуляторов, реализованных с использованием нечеткой логики;

• методов управления с прогнозированием изменения управляемых координат;

• самообучающихся систем, в том числе с использованием искусственных нейронных сетей.

Развитие теории и практики ЭМС требует совершенствование электрических двигателей, преобразователей, микропроцессорных контроллеров.

Развитие электрических двигателей в настоящее время идет в следующих направлениях:

• расширение парка электродвигателей специализированных исполнений для конкретных условий применения;

• наилучшее сочетание свойств и характеристик двигателей и питающих их силовых преобразователей;

• улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик, повышение КПД, снижение материалоемкости и шума, повышение надежности работы.

Силовые полупроводниковые приборы и преобразователи на их базе развиваются в следующих приоритетных направлениях:

• улучшение характеристик полупроводниковых приборов;

• расширение применения силовых «интеллектуальных» модулей;

• оптимизация схемотехнических решений и параметров преобразователей, обеспечивающих требуемые технические характеристики и экономические показатели;

• совершенствование алгоритмов прямого цифрового управления преобразователями систем электропривода.

Основными направлениями развития микропроцессорных средств электроприводов являются:

• адаптация элементной базы к конкретной области применения путём создания микропроцессоров типа Motor Control, специально предназначенных для управления двигателями;

• рост производительности микроконтроллеров благодаря совершенствованию структуры центрального процессора и увеличению его тактовой частоты;

• увеличение объема памяти программ и данных;

• интеграция на кристалле микроконтроллера большого числа периферийных устройств, обеспечивающих удобный интерфейс с силовой частью объекта управления и датчиками.

На базе совершенствования теории и элементной базы повышается эффективность ЭМС и расширяются области их применения в следующих направлениях:

• увеличение числа регулируемых электроприводов общепромышленных механизмов, что обеспечивает решение задач энергосбережения;

• увеличение доли электродвигателей переменного тока и частотно-регулируемых асинхронных электроприводов;

• появление и интенсивное развитие новых типов электроприводов, например, вентильно-индукторного привода;

• развитие интегрированных электромеханических устройств, в которых функционально и конструктивно объединены электродвигатели с электрическими преобразователями и управляющими устройствами;

• создание мехатронных модулей движения, в которых электродвигатель вводится непосредственно в узел рабочей машины (электрошпиндель, мотор-колесо, поворотный стол);

• расширение применения электрических приводов в транспортных, бытовых и автономных объектах.

В настоящее время в области теории и практики проектирования ЭМС особую актуальность приобретает разработка обобщенных методов, позволяющих осуществлять многокритериальную оптимизацию технических решений на стадии проектирования.

Актуальной научной задачей является разработка эффективных алгоритмов проектирования электропривода, реализуемых на ЭВМ, полно и всесторонне учитывающих технические и экономические требования и ограничения при оптимизации, стохастический характер внешних воздействий и т.п. При построении алгоритмов должны обстоятельно учитываться специфика решаемой задачи (проектирование массовой серии, малой серии, узкоспециализированного привода и т.п.), использоваться современные приемы и методы оптимизации, творчески применяться опыт, накопленный и обобщенный в теории и практике электропривода, а также в смежных областях.

Развитие теории и практики автоматизации исследований и проектирования электромеханических систем и комплексов на основе методов многокритериальной оптимизации позволит более эффективно использовать современную номенклатуру средств и элементную базу электроприводов.

Широкое проникновение микроэлектронных цифровых управляющих устройств (микропроцессоры, программируемые командоаппараты) в системы управления автоматизированными электроприводами, электромеханическими комплексами, электротехнологическими установками и транспортными агрегатами определяет необходимость интенсификации научных работ по созданию и внедрению адаптивных алгоритмов управления, созданию регулируемых электроприводов с прямым цифровым управлением и определению целесообразной области их применения.

Дальнейшее развитие теории систем автоматического управления вентильными электроприводами будет идти по пути разработки новых методов синтеза оптимальных структур с адаптивными регуляторами и исследования влияния специфических свойств и характеристик преобразователей на динамику замкнутых систем электроприводов переменного тока.

Широкое распространение при исследовании и проектировании электроприводов приобретают методы математического и имитационного моделирования. Большое внимание необходимо уделить совершенствованию математических моделей вентильных двигателей, анализу степени точности применяемых моделей и использованию метода переменных состояний для исследования установившихся режимов и устойчивости асинхронного привода при питании от инверторов тока и напряжения.

К перспективным направлениям развития теории ЭМС следует отнести работы, связанные с векторными принципами управления электроприводами с двигателями переменного тока, применением цифровых датчиков скорости, положения, усилий и технологических параметров в системах управления электроприводов и технологических комплексов, преимущественным использованием принципов оптимального и адаптивного управления, теории самонастраивающихся систем.

Принципиальное значение для развития современных ЭМС имеет разработка новых типов электродвигателей, реализующих нетрадиционные виды электромеханического преобразования энергии, таких как электростатические взаимодействия, пьезоэлектрический эффект, магнитострикция, магнитогидродинамический принцип. Такой подход требует комплексных исследований, учитывающих свойства электромеханических преобразователей, устройства питания и систему управления, рассматриваемых как одно целое.