Покращення якості електротехнічних систем з дробовими інтегрально-диференційними ланками

Abstract

Дисертація присвячена розвитку теорії синтезу систем з підпорядкованим управлінням координат з довільним порядком астатизму замкнених контурів і покращенням якості регулювання порівняно з системами з цілим порядком астатизму, яка застосована до електротехнічних систем контролю мікроклімату і систем рекуперації кінетичної енергії електромобілів з суперконденсаторами. Для визначення структури і параметрів регуляторів запропоновано методи синтезу замкнених контурів з порядком астатизму від 0 до 1 і від 1 до 2 з оптимальними динамічними і статичними показниками. Розроблено узагальнений метод ідентифікації параметрів дробово-інтегральних і дробово-аперіодичних об’єктів на базі генетичних алгоритмів. Розроблено методи швидкого чисельного розрахунку дробових інтегралів з постійним кроком на базі модифікованої форми Рімана-Ліувіля, які забезпечують можливість їх застосування в мікропроцесорних системах управління і моделювання в MATLAB/SIMULINK. Розроблено вдосконалену модель процесів заряду/розряду суперконденсатора (СК) з урахуванням його дифузійних і адсорбційних властивостей і методи ідентифікації параметрів моделі, на базі якої отримано аналітичну залежність для визначення енергетичної ефективності циклу заряду/розряду СК для вибору необхідної ємності СК в системах рекуперації кінетичної енергії електромобілів, а також синтезовано регулятор заряду батареї СК, який без використання схем вирівнювання напруги виключає пробиття батареї внаслідок перенапруг, зумовлених дифузійними процесами. Розроблено систему погодженого управління швидкістю вентиляторів і нагрівачів/охолоджувачів в кліматичних установках різних типів з дробовими ПІ-регуляторами для підтримки температури з високою динамічною і статичною точністю при збуреннях і змінах параметрів об’єктів управління. Диссертация посвящена развитию теории синтеза систем с подчиненным регулированием координат в области произвольных порядков астатизма от 0 до 2 для повышения качества регулирования по сравнению с системами с целочисленным порядком астатизма применительно к электротехническим системам контроля микроклимата и рекуперации кинетической энергии электромобилей на базе суперконденсаторов. Для определения структуры и параметров регуляторов предложены методы синтеза замкнутых контуров с порядком астатизма от 0 до 1 и от 1 до 2 с оптимальными динамическими и статическими показателями. Разработан унифицированный метод идентификации параметров дробно-интегральных и дробно-апериодических объектов на базе генетических алгоритмов. Разработаны методы быстрого численного расчета дробных интегралов с постоянным шагом на базе модифицированной формы Римана-Лиувилля, уменьшающие в 20…50 раз погрешность дискретного дробного интегрирования для входных сигналов произвольной формы, допускающие нормирование коэффициентов до 15 битных целых чисел, что обеспечивает возможность их применения в микропроцессорных системах управления. Созданы два типа моделей дробно-интегрирующего звена для среды MATLAB/SIMULINK, легко встраиваемые в модели регуляторов и объектов управления с такими свойствами, включая изменяющийся во времени порядок интегрирования. Разработана усовершенствованная модель суперконденсатора (СК) и методы идентификации параметров модели по переходным и амплитудно-фазовым характеристикам, описывающая свойства СК в широком частотном диапазоне с использованием только четырех параметров, два из которых – емкость и активное сопротивление – имеют привычный физический смысл. Предложенная мо-дель и методы идентификации могут быть использованы при подборе, определении остаточного ресурса и пригодности к эксплуатации суперконденсаторов в системах электропитания гибридных электромобилей. Получена аналитическая зависимость для определения энергетической эффективности цикла заряда/разряда СК с учетом диффузионных и адсорбционных процессов, что позволяет уточнить выбор необходимой емкости СК в системах рекуперации энергии. Синтезирован регулятор заряда СК, который без использования схем уравнивания напряжений исключает пробой собранных в батарею суперконденсаторов из-за перенапряжений, обусловленных диффузионными процессами. Показана возможность применения регулятора в составе системы управления автономным электротранспортным средством в спортивном и городском режимах работы. Предложена методика энергетического мониторинга электротехнических систем вентиляции и кондиционирования, исключающая погрешности косвенного измерения показателей тепло- и холодопроизводительности за счет статической и динамической идентификации параметров по результатам измерения температуры воздуха и потребляемой электрической энергии. Разработан блок дробных ПИ-регуляторов для согласованного управления скоростями приточного и вытяжного вентиляторов, мощностью нагревателя/охладителя в канале вентиляции и системе отопления в климатических установках различных типов, обеспечивающий поддержание температуры в обслуживаемом помещении в квазиустановившемся режиме с высокой статической и динамической точностью независимо от возмущающих воздействий и изменений параметров объектов управления. Предложена функциональная схема автономного контроллера систем приточно-вытяжной вентиляции, в том числе с пассивной и активной рекуперацией тепла. The dissertation devoted to development of the theory of synthesis of control systems with the subordinate regulation with astaticism orders from 0 to 2 for an improvement in the quality of regulation. The theory is used for climate control systems with active and passive thermal energy recovery and for kinetic energy recovery systems (KERS) in the electric cars. The methods of the synthesis of the close loop systems outlines with the order of astaticism from 0 to 1 and from 1 to 2 with the optimum dynamic and static indices are designed. The standardized method of the identification of the parameters of fractional integrated and fractional inertial objects based on genetic algorithms is improved. The methods of rapid calculation of the fractional integrals on the basis modified discrete form of Riemann-Liouville are developed. It made possible an application of fractional integrated regulators in the microprocessor control systems and convenient simulation in the IDE MATLAB/SIMULINK. The improved model of supercapacitor (SC) and the methods of the identification of its parameters are developed. Analytical determining of the energy effectiveness of the charge/discharge cycle taking into account diffusion processes based on this model is obtained. The charge current regulator of the series-connected SCs for their protection from the overvoltage in the KERS is synthesized.