Современные проблемы теории управления

марного сигнала на входе сигмоидных ФП; yi – активизирован-

ные степени принадлежности фаззификатора синглетоном, синхронно связанным с входом x.

При выборе терм-множества фаззификатора недетерминированного объекта необходимо учитывать свойства объекта. Так, применительно к авиационному двигателю необходимо исключить терм НОРМА, так как последний является астатическим объектом. При выборе терм-множества фаззификатора применительно к синхронному генератору необходимо включить терм НОРМА, так как синхронный генератор есть статический объект.

Адаптация АНФ выполнена с помощью нейрона с последовательнымобучением, сиспользованиемрекуррентнойформулы[12]:

где hj +1 – последующий шаг (j+1)-й итерации; hj – предыдущий шагj-йитерации; xj – дискретнаяформа j-й итерации; xjм – оценка

выхода модели; (xj − xjм ) – ошибка в оценке xj ; u j – измеряе-

мая функция; Т – транспонирование.

В блоке активационных функций выбраны функции активации типа гиперболический тангенс [13]:

где r = y φ.

61

Адаптация нечеткого регулятора достигается умножением текущих значений степеней принадлежности, активизированных текущим значением синглетона фаззификатора, на синапсы адаптивного нейрона. Полученные произведения коэффициентов являются аргументами функций активации, усиливающих слабый сигнал и ослабляющих сильный сигнал. В общем случае адаптивный нечеткий регулятор можно представить адаптивным пропорциональным звеном, который может приспосабливаться к любым изменениям ошибки отклонения текущего параметра, вызванным любыми возмущениями на САР.

Рассмотрим контур робастного управления недетерминированным объектом с применением адаптивного нечеткого регулятора и нечеткой обратной связи на базе многоуровневого релейного элемента.

Контур управления недетерминированным объектом с применением многоуровневой обратной связи

На рис. 3.8 приведена структура управления недетерминированным объектом, включающая основной контур управления и блок управления МУ для управления нечеткой обратной связью. Для управления недетерминированным объектом возможно использовать адаптивный нечеткий регулятор, показанный на рис. 3.6, включающий адаптивный нейронный фаззификатор (АНФ) и блокактивационныхфункций.

Адаптация АНФ выполнена с помощью нейронов с последовательным обучением при использовании рекуррентной формулы

(3.10) [12].

Реальный недетерминированный объект оснащен на выходе датчиком текущего параметра. Обратная связь в замкнутой САР реализуется с помощью многоуровневого устройства (МУ). Коэффициент обратной связи в исходном состоянии равен единице. В текущем состоянии МУ уменьшает коэффициент обратной связи с увеличением ошибки на входе АНФ. Для коррекции

62

ошибки необходимо уменьшить ошибку регулирования пропорционально изменению коэффициента обратной связи с помощью БК. Для управления коэффициентом обратной связи введен блок управления МУ (рис. 3.8), который вычисляет текущее значение частотного показателя колебательности М.

Рис. 3.8. Структура управления недетерминированным объектом: БК– блок коррекции; АНР – адаптивный нечеткий регулятор; МУ – многоуровневое устройство; В – выпрямитель; ГЛИН – генератор линейно-изменяющегося напряжения; К – компаратор

Блок управления МУ САР включает выпрямитель (В), генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), уставку минимального значения Ммин , элементы сравнения и компаратор. Текущее значение частотного показателя колебательности М сравнивается с его минимальным заданным значением Ммин. Вы-

явленное отклонение преобразуется с помощью ШИМ-приставки в скважность γ для дальнейшего управления МУ. При этом мо-

дель МУ корректирует (уменьшает с учетом знака) коэффициент усиления БК в основном контуре САР.

Для коррекции коэффициента обратной связи в основном контуре управления недетерминированным объектом необходимо разработать специальное устройство, допускающее «гибкое» управление как в статике, так и в динамике.

Таким образом, настройки МУ обеспечивают «гарантированный» запас устойчивости САР, а адаптивный нечеткий регу-

63

лятор – необходимое качество переходного процесса. Этим самым решается противоречие между устойчивостью и качеством переходного процесса в замкнутой САР с недетерминированным объектом.

Теория катастроф и бифуркаций динамических систем

Бифуркация – это приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров [37].

Теория бифуркаций динамических систем – это теория, которая изучает изменения качественной картины разбиения фазового пространства в зависимости от изменения одного или нескольких параметров вдоль некоторой кривой, называемой бифуркационной диаграммой.

Грубая система – это такая система, качественный характер движения которой не меняется при достаточно малом изменении параметров, в противном случае система называется негрубой. Таким образом, в пространстве параметров возникают области грубых систем, которые разделяются поверхностями, состоящими из негрубых систем.

Теория катастроф, включающая в себя теорию бифуркаций, рассматривает качественное изменение поведение объекта при плавном количественном изменении параметров, от которых он зависит. Теория катастроф анализирует критические точки, где все производные потенциальной функции равны нулю. Динамика развития таких точек может быть изучена при помощи разложения потенциальных функции в ряд Тейлора посредством малых изменений входных параметров. Если точки роста складываются не просто в случайный узор, но формируют структурированную область устойчивости, эти точки существуют как организующие центры для особых геометрических структур с низким уровнем катастрофичности, с высоким уровнем катастрофичности в окружающих их областях фазового пространства.

64

В случае потенциальной функции с одной активной переменной известны четыре типа катастроф первого порядка: складка, сборка, ласточкин хвост и бабочка:

–складка V = x3 + ax ;

–сборка (V = x4 + ax2 + bx );

–ласточкин хвост (V = x5 + ax3 + bx2 + cx );

–бабочка (V = x6 + ax4 + bx3 + cx2 + dx ).

В случае потенциальной функции с двумя активными переменными известны катастрофы второго порядка: гиперболическая омбилика, эллиптическаяомбилика, параболическаяомбилика:

– гиперболическая омбилика

(V = x3 + y3 + axy + bx + cy) ;

– эллиптическая омбилика

V= x3 3 − xy2 + a(x2 + y2 ) + bx + cy ;

–параболическая омбилика

(V = yx2 + y4 + ax2 + by2 + cx + dy ).

Контрольные вопросы

1.Пояснить параметрическую неопределенность.

2.Пояснить структурную неопределенность.

3.Критерий робастности для детерминированного объекта.

4.Пояснить частотный показатель колебательности М.

5.Пояснить нечеткую обратную связь.

65

4. СИСТЕМЫ ГРУППОВОГО УПРАВЛЕНИЯ

Групповые системы управления рассматривают объекты с распределенной структурой, где возможны противоречия в управлении.

Рассмотрим основы теории группового управления на примере производства электроэнергии.

Объединение синхронных генераторов (СГ) в автономной электростанции (АЭС) дает возможность лучше использовать установленные мощности, производить ремонт и более эффективно реагировать на подключение потребителей. В результате этого обеспечивается постоянство режима и облегчается регулирование частоты и напряжения. Создание АЭС позволяет получить экономические выгоды, приводит к увеличению надежности работы ибесперебойности энергоснабжения. Требования обеспечения надлежащего качества энергии относятся к свойствам внешних характеристик СГ. Законы управления АЭС: fшин = const, Uшин = = const, где нагрузка может быть распределена равномерно или пропорционально мощности генераторов с помощью управления параллельной работой последних. Оптимальным режимом управления параллельной работой генераторов является экономически выгодный режим (работа генераторов с равным коэффициентом мощности и отсутствием уравнительных токов), который в случае идеального поддержания напряжения и частоты на шинах и распределения активной и реактивной мощностей между генераторами выполняется автоматически [9]. Сведение обменной мощности к минимуму, а в пределе– к нулю требует высокого качества распределения реактивной и активной мощностей между генераторами. Современная теория управления АЭС предлагает следующие методы управления параллельной работой генераторов: МСХ, ММСХ, МБГ, МКАХ [8]. Рассмотрим особенности указанных выше методов управления параллельнойработой СГ.

66

4.1. МЕТОД СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Метод статических характеристик (МСХ) основан на коэффициентах наклона внешних характеристик генераторов (неменее 6 %) с применением уравнительных проводов, которые пропускают через себя уравнительные токи с целью выравнивания потенциалов одноименных точек обмоток возбуждения СГ [8], либо

сприменением устройств формирования статизма (УФС) [8], либо

сприменениемихкомбинации.

По данному методу все генераторы одновременно участвуют в поддержании напряжения/частоты на шинах и распределении реактивной/активной мощностей между генераторами. МСХ обеспечивает высокое быстродействие. Уравнения связи поддержания напряжения на шинах и распределения реактивной мощности между генераторамимогутбытьпредставленыследующимобразом:

где SQ1...SQn – коэффициенты наклона (статизм) внешних харак-

теристик СГ по реактивной мощности, U – отклонение напряжения на шинах, Q1....Qn – реактивные мощности СГ.

Уравнения связи поддержания частоты на шинах и распределения активной мощности между генераторами описываются следующей системой уравнений:

где SP1...SPn – коэффициенты наклона внешних характеристик СГ по активной мощности; f – отклонение частоты напряжения на шинах; P1...Pn – активные мощности СГ.

67

На рис. 4.1 приведены статические характеристики распределения реактивных и активных мощностей при параллельной работе двух СГ по МСХ. Этот метод исключает астатическое регулирование напряжения и частоты на шинах, а при снижении коэффициента наклона внешних характеристик генераторов меньше 6 % возникает неравномерность в распределении нагрузок между СГ, что требует разработки новых методов управления параллельной работы СГ с квазиастатическими внешними характеристиками.

Рис. 4.1. Статические характеристики параллельной работы двух СГ по МСХ: а – распределения реактивной мощности; б – распределение активной мощности, где р.т.1 и р.т.2 – рабочие точки

Управление параллельной работой по МСХ теоретически обеспечивает устойчивое распределение активной/реактивной мощности между СГ, но допускает статическую ошибку в под-

68

держании напряжения/частоты на шинах АЭС. Повышение жесткости внешних характеристик СГ с целью снижения статической ошибки приводит к неопределенности распределения активной и реактивной нагрузки между генераторами.

Таким образом, МСХ управления параллельной работой генераторов имеет недостаток, связанный с дрейфом и статизмом внешних характеристик генераторов. Данный метод широко применяется в системах электроснабжения самолетов и вертолетов. Виды систем электроснабжения самолетов и вертолетов предусмотрены ГОСТ 19705-74, который предписывает применение переменного тока с числом фаз один/три при номинальном фазном/линейном напряжении 115/200 с постоянной частотой 400 Гц и тока с переменной частотой (320–1050) Гц. Системы электроснабжения состоят из систем генерирования и распределения электроэнергии. Система генерирования разделяются на два крупных класса: 1 – системы с раздельной работой каналов; 2 – системы с параллельной работой каналов генерирования. Системы переменного тока с переменной частотой (320–1050) Гц могут быть только с раздельной работой каналов. При частоте 400 Гц возможна как раздельная, так параллельная работа. На многомоторных самолетах число каналов генерирования равно числу авиадвигателей. С 1950–60 гг. постоянная частота генератора (400 Гц) при переменной частоте вращения авиадвигателя обеспечивается приводом постоянной частоты. Недостатком такого привода является то, что через регулирующий орган проходит полная мощность. Из-за этого сам регулирующий орган становится сложным, а надежность и КПД привода низкими. В отличие от прямых приводов в дифференциальных приводах доля механической мощности от первичного двигателя проходит в генератор через дифференциальный редуктор, минуя регулирующий орган.

Генератор переменного тока, например типа ГТ40ПЧ8, является бесщеточной шестиполюсной синхронной машиной с навешенным на вал ротора 12-полюсным постоянным магнитом

69

(подвозбудитель). После запуска авиадвигателя 12-полюсный постоянный магнит наводит в статорной обмотке подвозбудителя переменную ЭДС (47–51) В с частотой 800 Гц, которая поступает в блок регулирования напряжения (БРН-62Б). С данного блока выпрямленное напряжение подается на обмотку возбуждения возбудителя, расположенную в неподвижном индукторе возбудителя. Роторная обмотка возбудителя, вращаясь в постоянном магнитном поле обмотки возбуждения возбудителя, наводит в себе ЭДС, подаваемую через блок вращающихся диодов в обмотку возбуждения генератора. Происходит возбуждение генератора. Поле ротора генератора, пересекая статорные обмотки генератора, наводит в них напряжение 200/115 В основной частоты 400 Гц для питания бортсети. Постоянная частота может быть получена не только путем механической стабилизации частоты вращения вала генератора, но и с помощью статических преобразователей частоты (СПЧ) на управляемых полупроводниковых приборах. Такие системы будут состоять из СГ с приводом непосредственно от вала авиадвигателя и СПЧ, преобразующих переменную частоту генераторов в постоянную частоту.

4.2. МЕТОД МНИМОСТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Метод мнимостатических характеристик (ММСХ) обеспечивает астатическое регулирование частоты/напряжения и статическое регулирования распределения активной/реактивной мощности между СГ согласно:

70