Регулятор частоти обертів гребного гвинта підводного апарата на базі інверсної моделі з онлайн-ідентифікацією параметрів

Реферат: Винахід належить до галузі суднобудування і може бути використаний на підводних апаратах (ПА). Регулятор частоти обертів гребного гвинта підводного апарата на базі інверсної моделі з онлайн-ідентифікацією параметрів містить задавач вхідного сигналу, датчик частоти обертів гребного гвинта та послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун і гребний гвинт. Згідно з винаходом, в нього додатково введені обчислювач прискорення частоти обертів, обчислювач інерційного коефіцієнта і обчислювач керуючого сигналу. При цьому обчислювач прискорення частоти обертів зв'язаний з датчиком частоти обертів гребного гвинта. Обчислювач інерційного коефіцієнта зв'язаний з датчиком частоти обертів гребного гвинта, обчислювачем прискорення частоти обертів і обчислювачем керуючого сигналу, який зв'язаний з задавачем вхідного сигналу, обчислювачем прискорення частоти обертів, обчислювачем інерційного коефіцієнта, датчиком частоти обертів гребного гвинта та з силовим перетворювачем. Регулятор забезпечує підвищення точності керування при значному спрощенні самого регулятора. UA 106812 C2 (12) UA 106812 C2 UA 106812 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі суднобудування і може бути застосований на підводних апаратах (ПА), які використовують як рушій для переміщення по деякій осі координат (горизонтальний, вертикальний або лаговий рух) гребний гвинт з електричним приводом, та до яких висуваються вимоги високої точності керування швидкістю руху в умовах невизначеності параметрів ПА та зовнішніх збурень. Відома система автоматичного керування глибиною підводного апарата (Блінцов С.В. Деклараційний патент на корисну модель № 4782, опубл. 15.02.2005, бюл. № 2). Система керування містить: програмний пристрій, датчики глибини (висоти над ґрунтом) та вертикальної швидкості, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун, гребний гвинт, підводний апарат як об'єкт керування, а також суматор, зв'язаний з датчиком глибини (висоти над ґрунтом) та програмним пристроєм, апроксиматор залежності гальмівного шляху підводного апарата від його вертикальної швидкості, зв'язаний з датчиком вертикальної швидкості, та обчислювач, входи якого зв'язані з суматором, апроксиматором і датчиком вертикальної швидкості, а вихід з силовим перетворювачем. Така система керування може бути синтезована в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА, але вона призначена для ступінчатої зміни глибини занурення ПА і не підходить для керування швидкістю обертів гребного гвинта та швидкістю руху ПА, оскільки спосіб обчислення керуючого впливу принципово не дозволяє пристосувати його для випадку керування швидкістю. Найбільш близьким аналогом є пристрій для керування рушієм підводного робота (Филаретов В.Φ., Лебедев А.В., Юхимец Д.А., патент RU 2209718, опубл. 10.08.2003). Такий пристрій містить послідовно з'єднані перший датчик швидкості, перший блок взяття модуля, перший блок множення, перший суматор, другий вхід якого підключений до виходу першого датчика швидкості, другий суматор, другий вхід якого з'єднаний з виходом другого блока множення, третій блок множення, третій суматор, підсилювач, двигун пов'язаний безпосередньо з другим датчиком швидкості, другий блок взяття модуля, четвертий суматор, четвертий блок множення, п'ятий суматор, перший нелінійний елемент, другий нелінійний елемент, вхід якого підключений до другого входу другого блока множення, перший блок ділення, другий вхід якого з'єднаний з виходом шостого суматора, перший вхід якого підключений до виходу першого суматора і через квадратор - до другого входу п'ятого суматора, п'ятий блок множення, другий вхід якого з'єднаний з виходом другого блоку взяття модуля, другим входом третього блока множення і першим входом шостого блока множення, вихід якого підключений до другого входу третього суматора, сьомий суматор, другий вхід якого з'єднаний з виходом другого суматора, а третій вхід - з третім входом другого суматора, другим входом шостого суматора, другим входом шостого блока множення і виходом четвертого суматора, сьомий блок множення, другий вхід якого підключений до другого входу другого блока множення, другого входу першого блока множення і через перший релейний елемент - до виходу другого датчика швидкості, третього входу третього суматора, четвертому входу сьомого суматора, другого входу четвертого суматора, другого входу четвертого блока множення і третього входу першого суматора, третій нелінійний елемент, другий блок ділення, вихід якого з'єднаний з четвертим входом третього суматора, а другий вхід - з виходом восьмого суматора, перший вхід якого підключений до виходу задатчика вхідного сигналу, а другий вхід - до виходу третього блока множення, послідовно з'єднані дев'ятий суматор, перший вхід якого підключений до виходу задатчика вхідного сигналу, інтегратор, вихід якого з'єднаний з другим входом дев'ятий суматора, десятий суматор, другий релейний елемент, восьмий блок множення, другий вхід якого через третій блок взяття модуля підключений до виходу дев'ятого суматора, а вихід - до третього входу восьмого суматора, послідовно з'єднані одинадцятий суматор, перший вхід якого з'єднаний з виходом шостого блока множення, а другий вхід - з другим входом десятого суматора і виходом третього блока множення, четвертий блок взяття модуля, дев'ятий блок множення, другий вхід якого підключений до виходу другого релейного елемента, а вихід - до п'ятого входу третього суматора. У вказаній системі керування визначення керуючого сигналу проводиться на основі математичної моделі об'єкта з урахуванням нелінійностей. Основною проблемою є висока складність синтезу системи керування і визначення її коефіцієнтів, а також параметрів моделі, що унеможливлює синтез такої системи керування в умовах невизначеності цих параметрів. Ставиться задача удосконалення регулятора частоти обертів гребного гвинта шляхом додаткового введення елементів обчислення керуючого впливу на електродвигун гребного гвинта для підвищення точності системи, що приводить до спрощення побудованої на його основі системи керування, можливості її синтезу в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА, підвищення якості керування швидкістю руху ПА. 1 UA 106812 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача вирішується тим, що в регулятор частоти обертів гребного гвинта, що містить задавач вхідного сигналу, датчик частоти обертів гребного гвинта, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун і гребний гвинт, згідно з винаходом додатково введені обчислювач прискорення частоти обертів, обчислювач інерційного коефіцієнта та обчислювач керуючого сигналу, при цьому вхід обчислювача прискорення частоти обертів зв'язаний з виходом датчика частоти обертів гребного гвинта, входи обчислювача інерційного коефіцієнта зв'язані з виходами датчика частоти обертів гребного гвинта, обчислювача прискорення частоти обертів і обчислювача керуючого сигналу, входи якого зв'язані з виходами задавача вхідного сигналу, обчислювача прискорення частоти обертів, обчислювача інерційного коефіцієнта і датчика частоти обертів гребного гвинта, а вихід - з входами силового перетворювача та обчислювача інерційного коефіцієнта. Суть пропозиції полягає в наступному. Об'єкт керування розглядається як об'єкт першого порядку: k1ω'=u-k2ω+D, де u - керуючий вплив, ω - керована величина (частота обертів гребного гвинта), ω'=dω/dt перша похідна по часу t від керованої величини, D - зовнішнє збурення, k 1,2=f(u, ω, ω', t) нелінійні, нестаціонарні (в загальному випадку) коефіцієнти об'єкта керування. Автоматичне керування виконується на основі інверсної моделі об'єкта за законом u=k1ωd'+k2ω-D, де ωd'=(ωd-ω)/Δt - бажане значення першої похідної керованої величини, ω d - задане значення керованої величини, Δt - постійна часу керування (заданий проміжок часу, за який керована величина ω має прийняти задане значення ωd). Для визначення коефіцієнта k 1 необхідно мати значення величин u і ω' в двох точках при ω=const. Тоді він визначається за формулою k1=Δu/Δω', (1) де Δu=(u2-u1) - різниця між керуючим сигналом в двох вказаних точках, Δω'=(ω 2'-ω1') різниця між прискоренням частоти обертів гребного гвинта. В припущенні, що ω≈const, k2≈const та D≈const на двох сусідніх точках (ця умова виконується, якщо крок дискретизації Δt значно менший за постійну часу динаміки системи і динаміку зміни зовнішніх збурень) можна отримати формулу для розрахунку керуючого сигналу un який має подаватись на наступному кроці дискретизації, щоб наприкінці кроку отримати задану частоту обертів гребного гвинта ωd:    (2) un  u  k1 d  '  .  t  Структурна схема пропонованого регулятора показана на кресленні. Регулятор частоти обертів гребного гвинта підводного апарата на базі інверсної моделі з онлайн-ідентифікацією параметрів містить: послідовно з'єднані силовий перетворювач 1, виходом якого є напруга живлення U електродвигуна 2, електродвигун 2, який забезпечує кутову частоту обертів ω рушія 3, рушій 3 по даній осі координат - гребний гвинт; датчик 4 частоти обертів гребного гвинта 3, приєднаний до вала електродвигуна 2; обчислювач прискорення частоти обертів 5, вхід якого зв'язаний з датчиком 4, та який на основі поточного і попереднього (або декількох попередніх) значень частоти обертів розраховує її похідну; обчислювач інерційного коефіцієнта 6, зв'язаний входами з датчиком 4, обчислювачем прискорення 5 і обчислювачем керуючого сигналу 7; обчислювач керуючого сигналу 7, входи якого зв'язані з задавачем вхідного сигналу 8, обчислювачем прискорення 5, обчислювачем інерційного коефіцієнта 6 і датчиком частоти обертів 4, а вихід - з силовим перетворювачем 1 та обчислювачем 6; задавач вхідного сигналу 8, вихід якого зв'язаний з обчислювачем керуючого сигналу 7, задає значення частоти обертів гребного гвинта згідно з програмою руху. Обчислювачі 5, 6 і 7 можуть бути реалізовані програмно на базі ЕОМ або загально відомих мікроконтролерів (Motorola, Intel, РІС-контролери), причому як у вигляді окремих елементів, так і на одному мікроконтролері у вигляді окремих підпрограм. Пропонований регулятор працює наступним чином. Спочатку проводиться ідентифікація параметра k 1. Для цього обчислювач 7 протягом декількох кроків дискретизації подає мінімальне граничне значення керуючого сигналу u min, потім на один крок максимальне значення umax. Обчислювач 6 запам'ятовує дані у вигляді ' векторів (ui ωi ωi ), де i=1,…, n - номер кроку дискретизації, n - кількість знятих точок. На основі точок від 1 до n-1 за методом найменших квадратів в обчислювачі 6 апроксимується (поліномом ' другого ступеня) залежність ω'=f(ω) і визначається значення прискорення ω 1 яким би воно було в момент часу n, якщо б керуючий сигнал не змінився. Крім того, обчислювач має фактичне значення прискорення в n-й момент часу: ω2'=ωn'. Таким чином, маємо дві точки при ω=const 2 UA 106812 C2 5 10 (одну обчислену і одну дійсну), на основі яких обчислювач 6 визначає Δω'=(ω 2'-ω1'), Δu=(u2-u1) і за формулою (1) обчислює коефіцієнт k1. Потім обчислювач 7 працює в робочому режимі і розраховує керуючий сигнал за формулою (2), а обчислювач 6 постійно видає розраховане раніше значення k 1. За необхідністю процес ідентифікації коефіцієнта k 1 може бути повторений пізніше. Таким чином, вирішуються задачі підвищення точності керування (в режимі динамічного руху - зменшення похибки в 1,5-2 рази), оскільки керування відбувається на базі інверсної моделі об'єкта, а також забезпечується значне спрощення регулятора (за кількістю використаних елементів - майже в 5 разів) і можливість його синтезу в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА, оскільки необхідні параметри можуть бути ідентифіковані в будь-який час в процесі роботи - в онлайн-режимі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 Регулятор частоти обертів гребного гвинта підводного апарата на базі інверсної моделі з онлайн-ідентифікацією параметрів, що містить задавач вхідного сигналу, датчик частоти обертів гребного гвинта та послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун і гребний гвинт, який відрізняється тим, що в нього додатково введені обчислювач прискорення частоти обертів, обчислювач інерційного коефіцієнта та обчислювач керуючого сигналу, при цьому вхід обчислювача прискорення частоти обертів зв'язаний з виходом датчика частоти обертів гребного гвинта, входи обчислювача інерційного коефіцієнта зв'язані з виходами датчика частоти обертів гребного гвинта, обчислювача прискорення частоти обертів і обчислювача керуючого сигналу, входи якого зв'язані з виходами задавача вхідного сигналу, обчислювача прискорення частоти обертів, обчислювача інерційного коефіцієнта і датчика частоти обертів гребного гвинта, а вихід - з входами силового перетворювача та обчислювача інерційного коефіцієнта. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3