УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ СУДОВОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА
CONTROL DEVICE FOR MARINE ELECTRIC PROPULSION SYSTEM BASED ON FUZZY CONTROLLER

Изобретение относится к судостроению, в частности к применению нечеткой логики для регулирования трехфазного асинхронного двигателя, используемого в судовой системе электродвижения.
Управление трехфазным асинхронным двигателем осуществляется со стороны статора при помощи преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Таким образом, наиболее близкой к предлагаемой системе является система управления, описанная Джоуз А.Торрико, Эдсон Бим (Jose A.Torrico, Edson Bim) в работе «Управление током трехфазным инвертором с использованием нечеткой логики и пространственного вектора» (Fuzzy Logic Space Vector Current Control of Three-Phase Inverters, UNICAMP-FEEC-DSCE), которая включает в себя регулятор тока, микропроцессорную подсистему, рассчитывающую и управляющую временными задержками между переключениями ключей инвертора для получения заданного регулятором тока пространственного вектора напряжения, силовой инвертор, трехфазный асинхронный двигатель, преобразователь координат в обратной связи, осуществляющий переход от трехфазной системы токов к двухфазной.
Применение в данной системе управления регулятора тока позволяет получать постоянную частоту переключения без ухудшения динамических свойств системы. Представленный регулятор тока позволяет упростить систему вычислений, благодаря применению нечеткой логики, что делает необязательным знание точной математической модели для расчета времени переключения пространственного вектора напряжения. Однако для реализации вышеописанной системы требуется усложнение исходной системы путем введения в нее дополнительного блока математических расчетов, осуществляющих преобразование векторов токов из трехфазной системы координат в двухфазную систему координат α-β, вращающуюся в электрическом пространстве с синхронной угловой скоростью, равной частоте напряжения питания.
В предлагаемом изобретении применение нечеткой логики в нечетком регуляторе скорости обосновывается следующими преимуществами: отсутствие необходимости в точном математическом описании управляемого объекта, возможность относительно легкой перенастройки нечеткого регулятора скорости, возможность увеличения количества входных переменных нечеткого регулятора скорости. Нечеткий регулятор скорости реализуется на микроконтроллере, благодаря чему возможна удаленная настройка нечеткого регулятора скорости, которая в дальнейшем может способствовать более широкому применению предлагаемого регулятора, а также построению адаптивной системы на базе изобретения.
Предлагаемое изобретение представляет собой устройство управления судовой системой электродвижения, в частности трехфазным асинхронным двигателем, используемым в судовой системе электродвижения. В состав устройства входят элемент сравнения, блок оценки скорости изменения рассогласования системы, нечеткий регулятор скорости, выполненный на базе микроконтроллера, система управления трехфазным автономным инвертором напряжения, реализованная также на базе микроконтроллера, трехфазный автономный инвертор напряжения. Структурная схема системы управления представлена на чертеже.
3
Входными параметрами устройства управления судовой системой электродвижения являются сигнал задания угловой скорости вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя (ω) и текущее значение угловой скорости вращения ротора (ω), которые сопоставляются на элементе сравнения, в результате чего вырабатывается сигнал рассогласования системы (ε). Далее сигнал рассогласования системы (ε) поступает на блок оценки скорости изменения рассогласования системы, где на основании разностных уравнений определяется второй управляющий сигнал для нечеткого регулятора скорости - сигнал скорости изменения рассогласования системы (έ). Сигнал рассогласования системы (ε) и сигнал скорости изменения рассогласования системы (έ) поступают на нечеткий регулятор скорости. Процесс обработки сигнала в нечетком регуляторе скорости можно разделить на следующие этапы:
- оцифровка сигнала;
- фаззификация;
- нечеткий логический вывод на основе базы правил;
- композиция;
- дефаззификация.
На этапе фаззификации дискретные четкие сигналы рассогласования системы (ε) и скорости изменения рассогласования системы (έ) в дискретные моменты времени приводятся к нечеткости, то есть определяется степень принадлежности значений этих сигналов заданным нечетким множествам, представленным в программе в форме функций принадлежности. Далее на основании базы правил, составленной с использованием эмпирических данных, происходит нечеткий логический вывод, то есть определение степеней истинности каждого из правил (агрегирование) и последующее формирование выходной функции принадлежности, для каждого из правил (активизация). После чего происходит расчет итоговой функции принадлежности, определяющей выходное воздействие (композиция). На конечном этапе логической обработки сигнала происходит дефаззификация, то есть приведение нечеткого сигнала к четкому. Применение микроконтроллера при реализации нечеткого регулятора скорости позволяет на каждом из описанных этапов использовать различные алгоритмы обработки сигналов. Так, например, на этапе дефаззификации в программе предусмотрены следующие варианты:
- бисекторный, когда четкое управляющее воздействие определяется, как абсцисса прямой, параллельной оси ординат, разделяющей область под графиком итоговой функции принадлежности на две равные по площади части;
- центроидный, когда четкое управляющее воздействие определяется, как абсцисса центра тяжести фигуры, ограниченной итоговой функцией принадлежности.
f
f
y
d
A
B
C
c
Варьирование алгоритмов обработки позволяет изменять закон управления в зависимости от необходимости. Далее четкое управляющее воздействие, сформированное на нечетком регуляторе скорости и представляющее собой сигнал задания частоты напряжения питания обмоток статора (U), подается на вход системы управления трехфазным автономным инвертором напряжения, выполненной на базе микроконтроллера. Система управления трехфазным автономным инвертором рассчитывает временные интервалы включения ключей трехфазного автономного инвертора напряжения, соответствующие сигналу задания частоты напряжения питания обмоток статора (U). При этом система управления трехфазным автономным инвертором напряжения реализует векторную широтно-импульсную модуляцию. С выхода системы управления трехфазным автономным инвертором напряжения, выполненном на базе микроконтроллера, на ключи трехфазного автономного инвертора напряжения подаются управляющие импульсы (U). Кроме того, на трехфазный автономный инвертор напряжения подается постоянное напряжение питания (U) от внешнего источника. В результате трехфазный автономный инвертор напряжения формирует на обмотках статора трехфазную систему напряжений (u, u, u), которая дает изменения токов, близких к синусоидальным. Нагрузкой трехфазному асинхронному двигателю (управляемому объекту) служит внешний момент сопротивления (M).
Далее контур замыкается обратной связью по скорости. Таким образом, осуществляется реализация системы регулирования, представляющей собой систему управления с замкнутой цепью.