НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

НАЗАРОВА Наталя Станіславівна

УДК 681.51+537.528

СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ

ЕЛЕКТРОГІДРОІМПУЛЬСНИХ УСТАНОВОК

ІЗ РУХОМИМ ЕЛЕКТРОДОМ

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі систем керування і імпульсних генераторів Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України, м. Миколаїв

Науковий керівник - доктор технічних наук, с.н.с.

Щерба Анатолій Андрійович,

Інститут електродинаміки НАН України,

зав.відділу електроживлення технологічних систем

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Денисов Олександр Іванович,

ректор Чернігівського державного технологічного

університету, м. Чернігів;

- кандидат технічних наук

Туваржієв Валентин Карпович,

старший науковий співробітник Інституту

загальної енергетики НАН України, м. Київ.

Провідна установа - Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти

і науки України, м. Київ,

кафедра автоматизації енергосистем.

Захист відбудеться “28” 05.2003 р. об 11.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано “24” 04.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С.Федій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. У сучасному промисловому виробництві набули широкого застосування імпульсні технології, що дозволяють здійснювати концентрований, дозований вплив у заданих координатах, з досягненням при цьому високих питомих енергетичних показників. Серед імпульсних технологій безсумнівні переваги з точки зору простоти реалізації, ефективності, безпеки, високої потужності, можливості керування процесом імпульсного впливу на матеріали і вироби мають технології, у яких використовується високовольтний електричний розряд у рідині. Технічним засобом для реалізації розрядноімпульсних технологій у промисловості є електрогідроімпульсні установки (ЕГУ). Теорія автоматичного регулювання таких установок, як галузь загальної теорії автоматичного регулювання, розроблена недостатньо глибоко, що не дозволяє підвищувати ефективність і продуктивність нових електроімпульсних технологій.

Найгостріша проблема регулювання стоїть в установках із рухомим електродом, наприклад, для очищення виливків і зняття залишкових напружень, у яких загальна вага виробів, що завантажуються на платформу для обробки, сягає сотень тон. Недоліком відомих пристроїв автоматичного регулювання на основі оцінки амплітудного значення струму є низька точність і стійкість регулювання.

Актуальність теми. Необхідність дослідження режиму розряду електрогідроімпульсної установки як об’єкта регулювання має важливе значення як з погляду теорії автоматичного регулювання дискретних систем з випадковими процесами, так і з практичної точки зору, оскільки дає можливість розробити ефективні системи автоматичного регулювання, які дозволять підвищити продуктивність електрогідроімпульсних установок. Сказане підтверджує актуальність проведення досліджень режимів розряду таких установок і подальшого розвитку теорії і технічних засобів їх автоматичного регулювання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідницька робота з теми дисертації проводилася відповідно до планів досліджень НАН України по темах: №396 "Розробити методи і засоби оптимального керування електрогідроімпульсними установками (ЕГУ)" (№ДР ), затвердженої постановою Бюро Відділення ФТПМ АН України від 09.04.92 (Протокол №6); №476 "Провести дослідження і створити регульований генератор імпульсних струмів для різноімпедансного нелінійного навантаження" (№ДР U020694), затвердженої постановою Бюро Відділення ФТПМ НАН України від 27.06.95 (Протокол № 11), у яких здобувачка була одним із відповідальних виконавців.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою роботи є подальший розвиток теорії автоматичного регулювання режимів розряду в електрогідроімпульсних установках з рухомим електродом, створення на цій основі математичної моделі системи автоматичного регулювання з використанням нових ефективних інформаційних координат, синтез оптимальної системи автоматичного регулювання, що дозволить підвищити продуктивність і енергоефективність електрогідроімпульсних установок.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі задачі:

- аналіз параметрів і режимів електрогідроімпульсного процесу перетворення енергії в електрогідроімпульсних установках з рухомим електродом;

- розробка математичної моделі електрогідроімпульсної установки з рухомим електродом як об'єкта регулювання;

- дослідження залежностей між координатами стану і вихідними координатами об’єкта регулювання, обґрунтування вибору нових інформаційних координат вихідного вектора об'єкта;

- дослідження статистичних характеристик вихідних координат об’єкта регулювання;

- дослідження функції втрат і визначення критерію оптимальності, якому повинна відповідати синтезована система автоматичного регулювання;

- розробка структури оптимального фільтру інформаційної координати вихідного вектору об’єкта регулювання і методів його адаптації до швидкості зміни вихідного сигналу;

- аналіз динаміки синтезованої системи автоматичного регулювання із запізненням і зміщенням вихідної інформації, яке обумовлено специфікою регулювання електрогідроімпульсних установок, визначення залежності сталої роботи без коливань від параметрів системи.

Об’єктом дослідження в роботі є система автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок із рухомим електродом.

Предметом дослідження в роботі є електромагнітні процеси у високовольтних електрогідроімпульсних установках, їх інформаційні координати.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених у дисертації задач використовувалися теорія стохастичних систем і системного аналізу, методи аналізу нелінійних електричних кіл; теорія подібності; теорія планування експериментів і математичної статистики, принцип поділу, теорія оптимальних систем, метод фазового потоку.

Наукова новизна одержаних результатів.

- отримала подальший розвиток теорія автоматичного регулювання імпульсних об'єктів з випадковими процесами таких як електрогідроімпульсні установки із рухомим електродом;

- в математичній моделі системи автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок вперше введено інформаційну координату Uпр[n]/im[n], яка має меншу дисперсію і визначається відношенням напруги на каналі розряду в момент його замикання (Uпр[n]) до максимального значення розрядного струму (im[n]), тобто є інтегральним опором каналу. Обґрунтовано, що вона визначається тільки активною стадією розряду і не залежить від стадії формування каналу розряду, яка має стохастичну природу;

- експериментально отримано раніше невідоме рівняння інформаційних координат вихідного вектору об’єкта і визначено їх статистичні характеристики. На основі використання цих координат розроблена нова математична модель режиму розряду і удосконалена система регулювання режиму;

- вперше встановлено, що вихідні координати об’єкта регулювання Uпр[n]/im[n] і im[n] мають кореляційний зв'язок з коефіцієнтом кореляції близьким до мінус одиниці;

- вперше отримано інформаційну координату [n]=(Uпр[n]/im[n]+kim[n])/2, яка має найменшу дисперсію і визначається як сума інтегрального опору каналу розряду і максимального струму в ньому з ваговими розмірними коефіцієнтами. Експериментально доведено, що вона має найменшу дисперсію і її середньоквадратичне відхилення знаходиться в межах від 2 до 4від номінальної величини;

- на основі аналізу функції втрат визначено критерій оптимальності системи автоматичного регулювання, проведено синтез нового оптимального регулятора режиму розряду;

- вперше розроблено структуру і визначено коефіцієнти оптимального фільтра інформаційної координати вихідного вектору об’єкта регулювання і методи адаптації фільтра до швидкості зміни вихідного сигналу;

- із аналізу динаміки синтезованої системи автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок із запізненням і зміщенням вихідної інформації вперше визначено залежність сталої роботи системи від її параметрів.

Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних і експериментальних досліджень створена нова система автоматичного регулювання (САР), яка використовується в електрогідроімпульсних установках для очистки виливків, обробки зварних швів з метою зниження залишкових напружень. Система використовується в нових установках, а також для модернізації діючих. Використання САР підвищує продуктивність електрогідроімпульсних установок на 25-30

Результати досліджень впроваджені в експериментальному виробництві Інституту імпульсних процесів і технологій НАН України, де виготовляють електрогідроімпульсні установки і вузли для них.

Особистий внесок здобувача. Всі теоретичні дослідження і експериментальна перевірка теоретичних положень дисертації виконані автором самостійно.

У друкованих працях, що опубліковані у співавторстві, особисто здобувачці належать: [1] - узагальнення задач керування електрогідроімпульсними установками, [3] - обробка експериментального дослідження вихідних координат об’єкта регулювання для системи автоматичного регулювання електрогідроімпулсних установок із рухомим електродом, [4] - дослідження умов комутації для створення керованого розрядника для електророзрядних установок, [5] - дослідження динаміки лінійно-неперервної САР з початковими умовами, що носять випадковий характер, [6] - розробка системи автоматичного регулювання з адаптивним фільтром.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати та висновки дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях: Четверта всеукраїнська конференція “Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів” (Київ, 19-23 жовтня 1998 р.); Міжнародна конференція з управління “Автоматика-2000” (Львів, 11-15 вересня 2000 р.), Міжнародна конференція "Проблеми сучасної електротехніки - 2002" (м. Київ, 2002 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих праць, з них 5 статей у фахових наукових виданнях, 3 патенти України, 5 доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатків. Повний обсяг дисертації становить 195 стор. У тому числі 135 сторінок основного тексту, 23 рисунки, 50 таблиць, 106 найменувань використаних джерел та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, розкрито основний зміст по розділах.

У першому розділі виконано аналіз процесу електрогідроімпульсного перетворення енергії, особливостей високовольтного іскрового розряду в електрогідроімпульсних установках з рухомим електродом і його режимів, технологічного обладнання електрогідроімпульсних установок, недоліків існуючих САР, сформульовано задачі регулювання і необхідність визначення нових інформаційних координат у вихідному векторі об'єкта регулювання.

Докладно розглянуто організацію технологічного процесу в ЕГУ з рухомим електродом. Показано, що процес обробки виробів являє поєднання руху електроду над поверхнею виробу й електричних розрядів між ними. При цьому математична модель, що описує ці процеси може бути подана у вигляді

(1)

де Zp, Zg, Up, Ug вектори-змінні стану і керування, відповідно режиму розряду і руху електрода;

Yp, Yg - вихідні вектори, відповідно режиму розряду і руху електрода;

Фр, Фg, Gp, Gg n і m-мірні вектор-функції.

На підставі аналізу літературних джерел показано, що вектор стану Zp, має наступні координати

ZpU, C, L, , l>,

де U - напруга на каналі розряду;

C, L - ємність і індуктивність розрядного контуру;

- електропровідність рідини;

l - довжина міжелектродного проміжку.

Застосування теорії подібності дозволяє розглядати канал розряду на активній стадії як об'єкт з одним входом Пк,

(2)

де А – іскрова стала.

При цьому початкове значення Uпр активної стадії залежить від тривалості стадії формування каналу розряду з і внаслідок цього є випадковою величиною.

Показано, що при відсутності керування протягом розряду для дискретної моделі простір вихідних координат Yр є функціональним. Вихідні імпульсні функції i(), p() визначаються величиною Пкt=?з в момент початку активної стадії і внаслідок випадкового характеру Uпр для поточної реалізації процесу також є випадковими.

Для оцінки поточної реалізації необхідно визначити функціонал на вихідних характеристиках розряду. З аналізу сімейства нормованих кривих розрядного струму in() випливає, що кожна крива струму має своє амплітудне значення im, тобто множині in() відповідає множина im[n], і отже амплітудне значення може використовуватися для оцінки реалізації in(). Але і поточна реалізація in() і її амплітудне значення im[n] визначаються величинами координат вектора стану в момент t=з

im[n]=W* Zp[n,з], (3)

де W - передатна функція об'єкта керування.

Оскільки Uпр[n] – величина випадкова, то для вектора Zp[n, 0] можна записати

im[n]=А* Zp[n, 0], (4)

де А – оператор об'єкта, що ставить у відповідність кожному значенню Zp[n] щільність імовірності розподілу значень im[n].

Тому що вихідна координата im[n] – стохастична величина, то об'єкт регулювання являє собою стохастичну систему. Показано, що точність такої системи залежить від статистичних характеристик координат вихідного вектора, зокрема дисперсії. На підставі теоретичного аналізу показано, що із величин, що характеризують об'єкт керування, найменш підвладна впливу випадкових факторів стадії формування каналу розряду (і тому повинні мати найменшу дисперсію) величина, що характеризує інтегральну провідність (або опір) каналу розряду |

(5)

Це обумовлено тим, що у вираз (5) не входять величини, що залежать від стадії формування каналу розряду, і величина im[n]/Uпр[n] залежить тільки від параметрів активної стадії розряду.

В якості інформаційної координати була введена лінійна комбінація величин Uпр[n]/im[n] і im[n]

[n]=(Uпр[n]/im[n] + kim[n])/2, (6)

де коефіцієнт k визначається як відношення середніх значень інтегрального опору каналу розряду і максимального розрядного струму

k=М(Uпр[n]/im[n])/М(im[n]). (7)

Можна припустити, що координата за формулою (6) також має відносно низьку дисперсію і її може бути використано як інформаційну координату вихідного вектора. Це обумовлено тим, що вона являє собою зважену суму величини, що характеризує інтегральний опір каналу розряду, і величини, що характеризує енерговиділення в каналі розряду. Тому що ці величини зворотно направлені, то при флуктуації параметрів каналу розряду при інших ідентичних змінних вектора стану об'єкта регулювання, їхні випадкові відхилення будуть компенсуватися. Отже, ймовірно, що координата [n] буде мати найменшу дисперсію і, як показано вище, може забезпечити найбільшу точність інформації про стан об'єкта регулювання.

Регульованою координатою є довжина міжелектродного проміжку l, тобто вектор Up є координатою вектора стану Zg.

З координат, що входять у Пк, у процесі роботи змінюються l[n] (внаслідок руху електрода і руйнування стрижнів) і [n] (внаслідок розчинення солей). При цьому через розходження часових характеристик цих координат збурення по координаті [n] можна вважати параметричними.

Отримано модель, що описує рух електрода щодо оброблюваної поверхні.

де Vz швидкість руху електроду, забезпечена вертикальним приводом;

VД швидкість руху електроду, забезпечена горизонтальним приводом;

Vs швидкість руху електроду уздовж оброблюваної поверхні;

?gД, ?gz - координати вектора керування g (відповідно горизонтальна і вертикальна);е?? кут нахилу оброблюваної поверхні к горизонтальній площині.

Проведено визначення оптимального режиму роботи ЕГУ й еталонного значення вихідної змінної Yзад. Показано, що існує залежність тиску в каналі розряду від величини розрядного проміжку, крива якої має максимум. Інтервал значень довжини розрядного проміжку, що включає цей максимум, визначає область зміни еталонного значення вихідної перемінної Yзад. У процесі обробки необхідно підтримувати значення l[n] у зазначеному інтервалі, в якому забезпечується максимальне значення імпульсу тиску.

Аналіз існуючих математичних моделей показав, що вхідний вектор об'єкта регулювання має кілька координат, одна з яких - l[n] - є регульована, а інші визнані параметричними.

У другому розділі наведено результати експериментального дослідження інформаційних координат вихідного вектора об'єкта регулювання.

Для ефективного дослідження вихідних координат на всій області визначення було проведено дрібний факторний експеримент, у якому відбувалося одночасне варіювання l[n] і [n] на всіх обраних рівнях.

Обробка експериментальних даних показала, що електрогідроімпульсний процес має стохастичний характер, обумовлений особливостями стадії формування каналу високовольтного розряду в рідині. При тих самих значеннях вхідних координат вихідні величини im[n], Uпр[n], im[n]/Uпр[n] підкоряються явно вираженим статистичним закономірностям і їх можна характеризувати розподілом ймовірностей.

Для кожної вибірки випадкових величин im[n], Uпр[n], im[n]/Uпр[n] було визначено середні значення, моди, медіани, середньоквадратичні відхилення, ексцеси й асиметрія, які було використано для подальшого аналізу вихідних координат. Для визначення інформативності ці значення приведені до середнього значення випадкових величин. Тому що кожен розподіл характеризується невеликою асиметрією й ексцесом, що знаходяться у межах умовно-нормального розподілу, то при дослідженні процесів електричного розряду в рідині були застосовані методи регресійного і кореляційного аналізу.

Аналіз отриманих статистичних характеристик досліджуваних координат вихідного вектора дозволив оцінити їхню інформативність. Для різних положень об'єкта у факторному просторі можна зробити наступні висновки:

- середньоквадратичні відхилення величин Uпр[n]/im[n], im[n]/Uпр[n], приведені до їхнього математичного очікування, для питомого опору води =6,3; 7,5; 10,0 Омм і довжини міжелектродного проміжку до 0,05 м, завжди менші, ніж для випадкових величин Uпр[n], im[n] (табл.1). Цей факт підтверджує раніше висловлене припущення, зроблене на основі математичних моделей, що введення координати Uпр[n]/im[n] як би відтинає невизначеність стадії формування каналу розряду і визначається, в основному, опором утвореного каналу наскрізної провідності, що також є випадковою величиною, але ступінь невизначеності його значно нижче. Тому використання величини Uпр[n]/im[n] або im[n]/Uпр[n], як вихідної координати, дозволить зменшити помилку при визначенні положення об'єкта керування у факторному просторі, викликану стохастичністю процесу, підвищити точність регулювання;

- кореляційний аналіз вихідних координат Uпр[n]/im[n] і im[n] показав наявність кореляційної залежності між цими величинами (табл.2). Із таблиці 2 видно, що в матриці факторного простору достатньо чітко визначена область, в якій існує кореляція між величинами, що досліджуються. Для l=0,025 м кореляційної залежності між величинами не існує. Для l=0,050 м і для ??15,0 Ом, а також для l=0,075 м і для ??20,7 Омм кореляційна залежність слабка. Для інших точок факторного простору є кореляційна залежність між величинами, що досліджуються. Близький до мінус одиниці коефіцієнт кореляції між ними дозволяє при їх спільному використанні зменшити випадкову складову інформаційної координати;

- середньоквадратичні відхилення величини [n]=(Uпр[n]/im[n] kim[n])/2 завжди менше, ніж для інших випадкових величин (табл.3,4, рис.1). Цей факт підтверджує раніше висловлене припущення, що використання як вихідної координати величини, отриманої комбінацією корельованих величин з коефіцієнтом кореляції близькому до мінус одиниці, також дозволить зменшити помилку регулювання об'єктом.

Таблиця 1

Середньоквадратичні відхилення інформаційних координат (випадкових величин), що приведені до середніх значень при =7,5 Омм

Таблиця 2 

Коефіцієнти кореляції між величинами Uпр[n]/im[n] та im[n]

Таблиця 3

Середньоквадратичні відхилення інформаційних координат (випадкових величин), що приведені до середніх значень при =10,0 Омм

Таблиця 4

Середньоквадратичні відхилення інформаційних координат (випадкових величин), що приведені до середніх значень при =15,0 Омм

Регресійний аналіз вихідної координати [n]= Uпр[n]/im[n] kim[n] дозволив визначити коефіцієнти в операторі відповідності між вхідною l[n] і вихідною [n] координатами.

У третьому розділі виконано синтез системи автоматичного регулювання режимом розряду. На підставі принципу поділу складну стохастичну задачу синтезу замінили двома незалежними задачами:

- задачею створення оптимального фільтру інформації, що надходить з вимірювального пристрою;

- задачею синтезу оптимального регулятора при повних і точних вимірах.

Для визначення критерію оптимальності регулятора побудовано функцію втрат.

Функція втрат для одного імпульсу

(8)

При безупинній роботі установки

(9)

де N0 - кількість імпульсів з Р<Ркр, N - загальне число імпульсів.

Мінімізація функції втрат дає критерій оптимальності

М(П0) = М(N0/N) = min, (10)

який показує, що при відхиленні від заданого режиму САР повинна максимально швидко повертати систему до початкового положення, тобто бути оптимальною по швидкодії. Для реалізації принципу максимуму керування в системі обрано релейним. Запропоновано структурну схему САР (рис.2).

Розроблено пристрій оцінки вихідної координати - оптимальний фільтр, критерієм оптимальності якого є точність оцінки вихідної координати, розраховані коефіцієнти пристрою оцінки для різних положень вектора стану об'єкта регулювання у просторі стану.

Показано, що оптимальне значення коефіцієнтів пристрою є функцією швидкості зміни середнього значення і дисперсії інформаційного сигналу.

Розроблено алгоритм роботи дволанкового рекурсивного фільтра, що враховує з коефіцієнтами нескінченне число реалізацій процесу. Коефіцієнти фільтра визначаються по залежності Сn C0C1n-1. Передбачено механізм адаптації пристрою, що враховує зсув оцінки, який відбувається при швидкій зміні стану об‘єкта і через дискретне надходження інформації. В адаптивному двохланковому рекурсивному фільтрі передбачено перемикання коефіцієнтів фільтра С0, С1 у залежності від математичного очікування швидкості зміни вихідної координати в просторі станів (W=my[n-1] - my[n]).

При регулюванні за критерієм Неймана-Пірсона виключення помилкового спрацьовування забезпечується витримуванням рівня його ймовірності менше ніж ?=5Тобто, нами прийнято, що зміна вихідної координати W на величину 3? з вірогідністю 95(по кривій Гауса) є наслідком того, що ця зміна не є випадковою і необхідно вмикання механізму переміщення електрода для регулювання довжини міжелектродного проміжку. Тому розглянуто два режими регулювання: при вимкнутому регулюванні (W=0) і при ввімкненому механізмі переміщення електроду (W3).

Розраховано коефіцієнти оптимального фільтра для режиму W=0:

С0=1/2, З1=1/2. (11)

Значення коефіцієнтів оптимального фільтра для W>3:

С0>10/11, С1<1/11. (12)

Перемикання коефіцієнтів фільтра відбувається при вмиканні регулюючого впливу, тобто при вмиканні механізму переміщення електрода, коли значення W достовірно змінюється. При цьому як вихідну координату треба використовувати поточне значення вихідної координати (тобто С0 , С1 ). При вимкненому приводі, тобто коли система досягає сталого стану і W , коефіцієнти приводу визначаються по (11).

Розроблено алгоритм адаптивної САР для обробки поверхні. Показано, що система регулювання режиму розряду і система забезпечення потрібного технологічного результату незалежні, і матриця керування є діагональною. Але при зміні кута підйому поверхні, що оброблюється, необхідно замінити діагоналі в матриці керування для підвищення ефективності, тобто перемкнути зворотні зв'язки горизонтального і вертикального приводів. Умова перемикання визначається по відношенню швидкостей приводів і швидкості зміни вихідного сигналу (рис.3).

Виконано синтез САР. Система реалізує алгоритм релейного трипозиційного регулювання. Рівні спрацьовування визначаються відповідно критерію Неймана-Пірсона: Рл.о. .

У четвертому розділі проведено дослідження динаміки системи.

САР ЕГУ є дискретно-неперервною нелінійною системою з випадковим часом затримки регулюючого впливу. Для дослідження динаміки САР використаний метод фазового потоку. Побудовано модель, у якій вихідна змінна представлена множиною дискретних відображень Пуанкаре виду

xk+1 = f(xk , ), | (13)

де k - лічильник відображень,

f - оператор відображень,

- параметр трипозиційного релейного регулятора.

Вибір значення 2 як параметра, щодо якого вивчалася зміна поводження системи регулювання, обумовлено тим, що величина цього параметра вже має функціональний зв'язок з параметром , що визначає точність САР за критерієм Неймана-Пірсона, і мінімальне значення цього параметра відповідає критерію оптимальності САР. Дослідження запропонованим методом динаміки САР дозволило уточнити коефіцієнти в моделі системи регулювання і привести у відповідність значення параметра 2 і критерію оптимальності САР при задовільній якості перехідних процесів. Отримана в такий спосіб модель системи регулювання забезпечує виконання критерію оптимальності САР і виключає виникнення автоколивань і перерегулювання в системі.

Цей метод дозволяє врахувати вплив на динаміку системи випадкового характеру відставання реакції регулятора на відхилення вихідних змінних, обумовленим запізнюванням керуючого впливу і постійної часу приводу. При цьому система рівнянь стає лінійною і детермінованою. Досліджувалася залежність характеру руху електрода від параметра .

Проміжки часу, через які знаходилися відображення Пуанкаре, вибрали рівними періоду проходження імпульсів Ті. Одержали систему лінійних рівнянь, у якій використовувалися як параметри значення zk, що відповідають усім можливим видам переміщення електрода при розгоні, гальмуванні, рівномірному і рекурсивному русі, визначені рішеннями системи диференціальних рівнянь для використаних у системі приводів.

Аналіз динаміки САР показав:

характер поводження САР залежить від ширини зони 2 і може являти собою незатухаючі коливання з періодами 2Ті, 3Ті, 4Ті чи стан стійкої рівноваги;

САР досягає стану стійкої рівноваги при будь-якому початковому положенні електрода тільки за умови, що ширина зони 2 більше біфуркаційного значення параметра:

2>z1+z7, | (14)

де z1 - переміщення електрода при розгоні приводу,

z7 - переміщення електрода при гальмуванні приводу.

При цьому можливе перерегулювання:

п = |zпер-zпоч|/zпоч , | (15)

де zпер z2+z7-2,

z2 - переміщення електрода при сталій швидкості приводу,

zпер –координата зупинки електрода,

zпоч – початок координат фазової площини.

можна виключити перерегулювання САР. Для цього ширина зони нечутливості регулятора повинна бути більше біфуркаційного значення параметра:

2 > z2 z7; | (16)

час перехідних процесів дозволяє досягти сталого стану системи за Ті.

Дослідження динаміки САР показало, що стійкість забезпечується при значеннях , що відповідають  

Розроблена САР, якою комплектуються знову розроблювальні ЕГУ з рухомим електродом. В разі модернізації САР встановлюється на раніше впроваджених установках. Застосування САР підвищує продуктивність установок на 25-30

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі одержала подальший розвиток теорія автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок із рухомим електродом та отримані нові науково обґрунтовані теоретичні та практичні результати, які у своїй сукупності складають суттєвий внесок у розвиток теорії регулювання об’єктів з випадковими стаціонарними процесами та побудову на їх основі нових систем автоматичного регулювання для підвищення продуктивності та енергоефективності електрогідроімпульсних установок.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Вовк И.Т., Вовченко А.И., Назарова Н.С. Управление электрогидроимпульсными установками // Техн. електродинаміка. Тем. вип. "Проблеми сучасної електротехніки". - 2002. - Ч.9. - С. .

2. Назарова Н.С. Анализ статистической эффективности координат выходного вектора объекта управления // Збірник наукових праць Українського державного морського технічного університету. – 2001. - №1(373). - С.130-137.

3. Вовк И.Т., Овчинникова Л.Е., Назарова Н.С. Синтез модели управления режимом высоковольтного разряда в жидкости // Збірник наукових праць Українського державного морського технічного університету. – 2000. - №1(366). - С.128-135.

4. Вовк И.Т., Овчинникова Л.Е., Назарова Н.С. Исследование условий коммутации и разработка безыскрового сильноточного коммутатора // Збірник наукових праць Українського державного морського технічного університету.- 2000. - № 4(370). - С.132-141.

5. Овчинникова Л.Е., Назарова Н.С. Эстрин С.В. Анализ динамики системы автоматического управления режимом разряда в электроимпульсных установках // Збірник наукових праць Українського державного морського технічного університету.- 1999. - №5(365). - С.121-129.

6. Пат. 33541А Україна, МПК6 G 05B 13/02. Система автоматичного регулювання електроімпульсних установок / І.Т.Вовк, Н.С.Назарова - №99031267. Заявл. 09.03.99; Опубл. 15.02.2001. - Бюл-№1.

АНОТАЦІЇ

Назарова Н.С. Система автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок із рухомим електродом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, 2003.

Дисертацію присвячено розвитку теорії автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок із рухомим електродом на основі узагальненого аналізу електрогідравлічних процесів у високовольтних електрогідроімпульсних установках. Розроблено математичну модель системи автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок з новими інформаційними координатами, які підвищують точність визначення параметрів розряду, що підтверджено поставленими факторними експериментами. Проведено синтез оптимального регулятора режиму розряду і оптимального фільтра вихідної випадкової координати, на основі якого створено і апробовано в промислових умовах систему автоматичного регулювання електрогідроімпульсних установок із рухомим електродом, яка підвищує продуктивність таких установок до 30

Ключові слова: система автоматичного регулювання, електрогідравлична установка, вектор стану об'єкта, інформаційні координати.

Назарова Н.С. Система автоматического регулирования электрогидроимпульсной установки с подвижным электродом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, г. Киев, 2003.

Диссертация посвящена развитию теории автоматического регулирования электрогидроимпульсных установок с подвижным электродом на основе обобщенного анализа электрогидравлических процессов в высоковольтных электрогидроимпульсных установках.

В работе проанализированы факторы, препятствующие увеличению производительности и энергоэффективности высоковольтных электрогидроимпульсных установок с подвижным электродом, используемых для реализации современных разрядноимпульсных технологий. Обоснована актуальность поиска новых путей совершенствования систем автоматического регулирования таких установок. Из обобщенного анализа особенностей высоковольтного искрового разряда в электрогидроимпульсных установках с подвижным электродом и его режимов, технологического оборудования электрогидроимпульсных установок, недостатков существующих систем автоматического регулирования, сформулирована задача регулирования и необходимость определения новых информационных координат в выходном векторе объекта регулирования.

Разработана новая математическая модель электрогидроимпульсной установки как объекта регулирования, в которой введены новые информационные координаты, обосновано, что они определяются только активной стадией разряда, не зависят от стадии формирования канала разряда, процессы которой имеют случайный характер, поэтому эти информационные координаты имеют меньшую дисперсию и, соответственно, лучшие информационные показатели, что позволило создать систему автоматического регулирования, которая обеспечит более высокое качество регулирования и энергоэффективность электрогидроимпульсных установок за счет повышения точности оценки состояния объекта регулирования.

Проведены экспериментальные исследования новых информационных координат с применением теории планирования экспериментов, определены их статистические характеристики. Результаты исследования подтвердили теоретические выводы о том, что новые информационные координаты являются более информативными.

Проведен синтез оптимальной системы автоматического регулирования. Для этого была проанализирована функция потерь электрогидроимпульсной установки с подвижным электродом, определен критерий оптимальности САР, проведен синтез оптимального регулятора режима разряда, который работает по принципу Неймана-Пірсона, что позволило создать САР, использование которой повышает энергоэффективность и производительность ЭГУ.

Разработана структура и определены коэффициенты оптимального фильтра выходной координаты и его адаптации к скорости изменения информационной координаты, что уменьшает смещение оценки, предотвращает колебательность и обеспечивает стабилизацию режима обработки, что позволило создать систему автоматического регулирования объектов со стохастическими процессами и стохастическими информационными координатами и решить важную научно-прикладную проблему повышения производительности и энергоэффективности электрогидроимпульсных установок.

Предложена структурная схема новой системы автоматического регулирования. Разработана соответствующая система и проведены исследования ее динамики. Из анализа динамики синтезированной системы автоматического регулирования с запаздыванием и смещением информации, обусловленными спецификой процессов в системе регулирования электрогидроимпульсных установок, которая является дискретно-непрерывной, определена зависимость устойчивой работы без колебаний от параметров системы. Это позволило создать устойчивую систему автоматического регулирования для любых параметров электрогидроимпульсных установок.

Разработанная система автоматического регулирования апробирована в промышленных условиях на новых электрогидроимпульсных установках. Ее использование повышает производительность электрогидроимпульсной установки до 30

Ключевые слова: система автоматического регулирования, электрогидравлическая установка, вектор состояния объекта, информационные координаты.

Nazarova N.S. A system for automatic control of electrohydropulse installations with moving electrodes. - Manuscript.

The dissertation for degree of Candidate of Technical Sciences on the speciality 05.09.03 - Electric Engineering Plants and Systems. - Institute of Electrodynamics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2003.

The dissertation is devoted to development of the theory of automatic control for electrohydropulse installations with moving electrodes on the base of a generalized analysis for electrohydraulic processes in high-voltage electrohydropulse installations. A mathematical model is elaborated for the system of the electrohydropulse installations automatic control with new information coordinates, which raises the accuracy of discharge parameters determination, and it is confirmed by conducted factorial experiments. The syntheses of optimal regulator of discharge mode and optimal filter of output casual coordinate is carried out. On its base the system for automatic control of electrohydropulse installations with moving electrodes is created and approbated under industrial conditions. The system raises productivity of such installation by 30

Key words: system of automatic control, electrohidroimpulse installation, the vector of the object state, information coordinates.