UKŁAD NAPĘDOWY O ZWIĘKSZONYM STOPNIU BEZPIECZEŃSTWA Z KOMPENSATOREM NEURONOWO ROZMYTYM

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 83 Elctical Engining 5 Matusz DYBKOWSKI* Kamil KLIMKOWSKI* UKŁAD NAPĘDOWY O ZWIĘKSZONYM STOPNIU BEZPIECZEŃSTWA Z KOMPENSATOREM NEURONOWO ROZMYTYM W atykul pzdstawiono możliwości wykozystania adaptacyjngo gulatoa nuonowo ozmytgo (ANFC Adaptiv Nuo-Fuzzy Contoll) pacującgo w chaaktz kompnsatoa, w układzi bzpośdnigo stowania momntm lktomagntycznym (DTC-SVM Dict Toqu Contol)) silnika indukcyjngo o zwiększonym stopniu bzpiczństwa. Wykonano badania ilustując wpływ połącznia układu adaptacyjngo z klasycznym gulatom liniowym typu PI w toz gulacji pędkości kątowj na jakość pacy napędu podczas zmiany topologii stowania, wywołanj uszkodznim czujnika pędkości kątowj. Badania wykonano w śodowisku Sim Pow Systm. SŁOWA KLUCZOWE: DTC-SVM, silnik indukcyjny, kompnsato, układ adaptacyjny, układ odpony na uszkodznia, FTC. WPROWADZENIE Układy napędow z silnikami indukcyjnymi są układami o skomplikowanj wwnętznj stuktuz, któ do pawidłowgo działania potzbują infomacji o wilu zminnych stanu []. Awaia czujników moż w skajnym wypadku dopowadzić do utaty stabilności lub uszkodznia układu napędowgo. W ostatnim czasi można zauważyć wzost zaintsowania systmami o zwiększonym stopniu bzpiczństwa FTC (ang. Fault Tolant Contol) [6, 7,, ]. Do podstawowych uszkodzń napędów, występujących w pzmyśl, zalicza się awai silnika indukcyjngo, czujników pomiaowych oaz pzminnika częstotliwości. Awai każdgo z tych lmntów powadzą do powstania nikontolowanych zjawisk w układzi napędowym. Koniczn jst więc wykywani uszkodzń w możliwi wczsnj fazi ich występowania i pzłączaniu systmu na układ dundantny (jżli istnij taka możliwość) [6]. Jdnym z najczęścij występujących uszkodzń w układach napędowych z silnikami indukcyjnymi jst uszkodzni czujnika pędkości kątowj (nkoda * Politchnika Wocławska.

2 58 Matusz Dybkowski, Kamil Klimkowski inkmntalngo). Jgo awaia, powoduj, ż nimożliwa staj się paca napędu, któy z samgo założnia wymaga tj mchanicznj zminnj stanu do pawidłowj pacy. W litatuz spotyka się óżn podjścia do diagnostyki i kompnsacji tgo typu uszkodzń []. Nizalżni jdnak od odzaju zastosowanj mtody istotn jst aby w fazi zmiany topologii układu stowania lub systmu pomiaowgo pzjści pomiędzy nimi było możliwi płynn i nizauważaln dla użytkownika [8,, ]. W ninijszym atykul pzdstawiono analizę układu napędowgo stowango mtodą wktoową DTC-SVM z kompnsatom nuonowo ozmytym, podczas wystąpinia uszkodznia inkmntalngo czujnika pędkości kątowj [8]. Skupiono się na zapwniniu stabilnj pacy napędu w momnci zmiany topologii z układu z pomiam na układ bz pomiau pędkości kątowj (układ bzczujnikowy) [9]. Spawdzono i poównano możliwości pacy takigo napędu z klasycznym gulatom PI oaz z Adaptacyjnym Rgulatom Nuonowo Rozmytym (ang. Adaptiv Nuo Fuzzy Contoll ANFC) płniącym olę kompnsatoa w toz gulacji pędkości kątowj. Wykonano badania symulacyjn w śodowisku Sim Pow Systm.. MODEL MATEMATYCZNY UKŁADU NAPĘDOWEGO Z KOMPENSATOREM NEURONOWO - ROZMYTYM Schmat idowy stuktuy DTC-SVM, któą wykozystano do badań w ninijszj pacy, pzdstawiono na Rys. [8]. Składow stuminia stojana, nizbędn do pawidłowj pacy układu DTC-SVM można wyznaczyć z zalżności: xm Ψ s Ψ x s i s () x Do wyznacznia składowych stuminia winika wykozystano modl pądowy silnika indukcyjngo: d i i i Ψ ( xmi s Ψ ) j mψ () dt x TN Do pomiau pędkości kątowj wykozystano nkod inkmntalny o ozdzilczości 5 imp./ob. W stymatoz pędkości MRAS CC, któy wykozystano w układzi jako układ dundantny, watości składowych wktoa stuminia winika obliczan są na podstawi modlu pądowgo () (stąd oznaczni C ang. cunt), natomiast ównani stymatoa pądu stojana wynika z pzkształcnia ównań opisujących silnik indukcyjny [8]:

3 Układ napędowy o zwiększonym stopniu bzpiczństwa z d i s xm xm i xm i TN us si s i s ψ j ψ m (3) dt xs x x x W stymatoz tym pędkość kątowa otzymywana jst na wyjściu gulatoa PI, któy w tym pzypadku spłnia zadani mchanizmu adaptacji. i i k i i m k p is is I is is dt (4) i i is, s, s, Otzymywana w tn sposób pędkość kątowa wykozystywana jst do pzstajania zaówno modlu pądowgo jak i stymatoa pądu stojana [8]. f sf u sxf x y U sc u syf S A S B S C m lub m s m u s m i s ABC m Rys.. Stuktua układu bzpośdnigo stowania momntm dla napędu z silnikim indukcyjnym W clu zapwninia stabilności układu odpongo na uszkodznia podczas zmiany topologii układu stowania, zapoponowano wykozystani adaptacyjngo gulatoa nuonowo - ozmytgo (ANFC) [5] w systmi stowania wktoowgo silnika indukcyjngo pacującgo jako kompnsato nuonowo ozmyty, popawiający pacę klasyczngo gulatoa pędkości typu PI. Rolą systmu adaptacyjngo jst zapwnini stabilnj pacy napędu pzy zmianach paamtów i waunków jgo pacy (np. podczas zmiany topologii układu stowania na stuktuę bzczujnikową) [5]. Dzięki zastosowaniu

4 6 Matusz Dybkowski, Kamil Klimkowski dodatkowo wstępni nastojongo gulatoa PI uzyskuj się zapwnini stabilnj pacy napędu w początkowj fazi jgo pacy. Schmat idowy stuktuy stowania kaskadowgo z klasycznym gulatom PI oaz z kompnsatom nuonowo ozmytym pzdstawiono na Rys.. mod f m f m m Rys.. Schmat idowy układu napędowgo z kompnsatom nuonowo ozmytym Wykozystani gulatoa ANFC jako kompnsatoa nuonowo ozmytgo ni zapwnia tak szybkigo pocsu adaptacji jak ma to mijsc w pzypadku wykozystania go jako podstawowgo układu [4], jdnak zapwninia stabilność napędu podczas óżnych waunków pacy, w tym takż pzy ozuchu dla zowych wag początkowych. W ninijszj pacy założono, ż dominującym układm jst gulato PI z oganiczniami sygnałów wyjściowych o dobanych nastawach K p i T i. Rgulato adaptacyjny zapwnia popawę działania systmu w dłuższym pzdzial czasowym. Schmat idowy zastosowango Rgulatoa Nuonowo - Rozmytgo pzdstawiono na Rys. 3. Widoczn są lacj między błędm gulacji pędkości kątowj (k), jgo zmianą (k) i sygnałm stującym u(k). Układ tn jst gulatom typu PD, jżli intgato wyjściowy zostani pominięty (Rys. 4) (taki układ poddany był analizi w ninijszj pacy) [, 3, 4, 5]. z k k k k d Wwnętzna stuktua uk Rys. 3. Schmat gulatoa typu PD lub ślizgowgo gulatoa ozmytgo [4]

5 Układ napędowy o zwiększonym stopniu bzpiczństwa z... 6 Powizchnię pzłączania w gulatoz ślizgowym można obliczyć na podstawi właściwości bazy guł, któ opisują związk między błędm () a jgo zmianą. Podobni jak dla klasyczngo gulatoa, powizchnia pzłączania moż być opisana za pomocą zalżności []: * * * * s Δ (5) gdzi pzdstawia nachylni funkcji pzłączającj * * + * =. Adaptacyjny gulato ozmyty można pzdstawić jak na Rys. 4. uk z uk Rys. 4. Stuktua wwnętzna gulatoa ozmytgo (PD, jśli intgato wyjściowy jst pominięty, PI jśli intgato jst wykozystywany) Baza guł gulatoa ozmytgo opia się na kilku zasadach opisanych waunkami IF-THEN: j i R : IF x is A and x is A THEN y w (6) j i j gdzi x i zminna wjściowa, A wjściowa funkcja pzynalżności, w i waga wyjściowa []. Rgulato statuj z wagami zowymi i jst dostajany na podstawi błędu odtwoznia pędkości kątowj [], [8]. Modl odnisinia wykozystywany w analizowanj stuktuz stowania moż być opisany zalżnością: n Gm ( s) (7) s s gdzi współczynnik tłuminia, n częstotliwość zonansowa. Mchanizm adaptacji poszczgólnych wag Rgulatoa Nuonowo - Rozmytgo w wastwi wyjściowj opisano w sposób szczgółowy w pacy [4]. n n

6 6 Matusz Dybkowski, Kamil Klimkowski 3. ANALIZA PRACY UKŁADU NAPĘDOWEGO Z KOMPENSATOREM NEURONOWO ROZMYTYM PODCZAS ZMIANY TOPOLOGII STEROWANIA W pzypadku inkmntalngo czujnika pędkości kątowj możliw są do wystąpinia czty typy uszkodzń, pzdstawion na Rys. 5 [, ]. Rys. 5. Rodzaj uszkodzń czujników pędkości Najpostszym sposobm dtkcji awaii w układach napędowych jst wykozystani zminnych stanu z wwnętznj pętli stowania. W ninijszj pacy wykozystano algoytm opisany w pacach [, ]. Analizi poddano zachowani się układu stowango mtodą DTC-SVM podczas zmiany topologii stowania (z układu z pomiam pędkości na systm bzczujnikowy) wywołanj dtkcją jdngo z opisanych uszkodzń czujnika pędkości kątowj. Spawdzono działani napędu z klasycznym gulatom typu PI (w clach poównawczych) oaz z układm zawiającym kompnsato nuonowo ozmyty ANFC. W clu możliwości ocny jakości adaptacji kompnsatoa ANFC do zminnych waunków pacy, w piwszj koljności spawdzono odpowidz klasyczngo układu DTC-SVM (z gulatom liniowym typu PI) na zmianę w nadzędnym toz gulacji z sygnału mizongo na sygnał stymowany za pomocą stymatoa MRAS. Wyniki tj analizy pzdstawiono na Rys. 6. Na początku napęd pacuj w układzi stowania z pomiam pędkości kątowj. Watość stuminia stojana wyznaczana jst na podstawi modlu pądowgo silnika indukcyjngo (), (). Po chwili t =,3 s następuj awaia czujnika pędkości kątowj (całkowit pzwani pętli spzężnia od tj zminnj stanu) oaz jgo dtkcja (po upływi ms). Napęd pzłączony zostaj w tyb pacy bzczujnikowj z stymatom MRAS CC [8]. W momnci pzjścia na tyb pacy bzczujnikowj następuj stosunkowo duży uchyb pomiędzy pędkością zczywistą (w tym takż stymowaną) a watością

7 Układ napędowy o zwiększonym stopniu bzpiczństwa z zadaną. Paamty gulatoa PI doban były dla układu z pomiam pędkości, któ pzy zmiani topologii układu stowania ni pozwalają na szybszą akcję napędu. W czasi pacy napędu błąd stymacji pędkości jst bliski zu. a) b) m f dt al st nc m c) d) f al nc dt st m s Rys. 6. Pzbigi pędkości (a, b), momntu lktomagntyczngo (c), modułu stuminia stojana (d) podczas zmiany stuktuy stowania wywołanj uszkodznim czujnika pędkości kątowj (t =,3 s); układ z klasycznym gulatom PI W koljnj części pacy pzdstawiono wyban wyniki badań symulacyjnych układu napędowgo stowango mtodą DTC-SVM odpongo na uszkodznia czujnika pędkości kątowj z adaptacyjnym gulatom nuonowo ozmytym pacującym jako kompnsato w toz gulacji pędkości kątowj. Na podstawi wczśnijszych badań zdcydowano się wykozystać układ typu PD, zwany gulatom ślizgowym [4, 5]. Na Rys. 7 pzdstawiono wyniki badań dla tajktoii zmian pędkości kątowj jak dla stuktuy z gulatom typu PI. Wagi początkow gulatoa (kompnsatoa) były ustawion na zo. Nastawy gulatoa PI pozostały na nizminnym poziomi.

8 64 Matusz Dybkowski, Kamil Klimkowski Pzdstawiono pzbigi pędkości mizonj, zadanj, stymowanj i zczywistj (z modlu silnika) oaz odpowiadając im pzbigi błędów. m a) b).4. f dt nc m al st c) d) f nc dt al st m s ) f) x al - st f - dt Rys. 7. Pzbigi pędkości (a, b), momntu lktomagntyczngo (c), modułu stuminia stojana (d) oaz błędy pędkości (, f) podczas zmiany stuktuy stowania wywołanj uszkodznim czujnika pędkości kątowj (t =,3 s); układ z kompnsatom ANFC

9 Układ napędowy o zwiększonym stopniu bzpiczństwa z Widoczn jst, ż spadk pędkości wywołany uszkodznim czujnika jst zdcydowani mnijszy niż miało to mijsc w układzi z klasycznym liniowym gulatom typu PI. Wykozystani układu adaptacyjngo powoduj lpsz dopasowani się układu do aktualnych waunków pacy. Na koljnym pzbigu pzdstawiono analizę układu pacującgo w otoczniu niskich pędkości kątowych (5% watości znamionowj). W chwili uszkodznia nkoda pędkość wzasta, co spowodowan jst wystawinim dużgo momntu na wyjściu gulatoa PI oaz kompnsatoa. Po kótkim czasi pędkość stymowana pokywa się z watością zadaną i zczywistą..8.6 f al.6 al st m.4. dt st Tyb pacy bzczujnikowy nc Awaia nkoda -. 3 m.4. f dt Dtkcja uszkodznia nc Rys. 8. Pzbigi pędkości podczas zmiany stuktuy stowania wywołanj uszkodznim czujnika pędkości kątowj (t =,3 s), m =.5 mn ; układ z kompnsatom ANFC Napęd pacuj stabilni w szokim zaksi zmian pędkości kątowj z skokowo zminnym momntm obciążnia. Na Rys. 9 pzdstawiono pacę układu pzy wymuszniu sinusoidalnym o stosunkowo małj częstotliwości. Tst ma clu zilustowani pacy napędu oaz jakości stymacji pędkości i stuminia podczas stosunkowo długigo pzjścia pzz watość zo. m f al dt st nc m f al dt st nc Rys. 9. Pzbigi pędkości podczas zmiany stuktuy stowania wywołanj uszkodznim czujnika pędkości kątowj (t =,3 s), m =.5 mn ; układ z kompnsatom ANFC

10 66 Matusz Dybkowski, Kamil Klimkowski Widoczn jst, ż układ pacuj w sposób pawidłowy. Zmiana topologii stowania, występująca podczas pocsu hamowania, ni powoduj pogosznia pacy napędu. W chwili zmiany stuktuy stowania widoczny jst impuls momntu lktomagntyczngo (Rys. ) o stosunkowo dużj amplitudzi. Wynika on z faktu, ż uszkodzni występuj w fazi hamowania. Stumiń stojana utzymywany jst na stałj (znamionowj) watości. a) b) m s Rys.. Pzbigi momntu lktomagntyczngo (a), modułu stuminia stojana (b) podczas zmiany stuktuy stowania wywołanj uszkodznim czujnika pędkości kątowj (t =,3 s), m =.5 mn ; układ z kompnsatom ANFC 4. WNIOSKI Clm pacy było opacowani układu wktoowgo stowania silnikim indukcyjnym z adaptacyjnym kompnsatom nuonowo ozmytym (ANFC) w toz gulacji pędkości kątowj, odpongo na uszkodznia czujnika pędkości kątowj. Wykazano, ż zastosowani tgo typu ozwiązania popawia pacę napędu podczas zmiany jgo topologii na bzczujnikową wywołaną uszkodznim czujnika pędkości. Stwidzono, ż czas dtkcji ma istotny wpływ na watość pzgulowania pędkości kątowj. W pacy zdcydowano się wykozystać dtkto o stosunkowo długim czasi działania (ms) jdnak możliw jst opacowani dtktoa, cchującgo się zdcydowani kótszym czasm działania, a tym samym zmnijszni skutków zmiany topologii stuktuy stowania. LITERATURA [] Szabat K., Olowska-Kowalska T., Vibation Suppssion in Two-Mass Div Systm using PI Spd Contoll and Additional Fdbacks Compaativ Study, IEEE Tans. on Industial Elctonics, vol. 54, no., pp. 93-6, 7.

11 Układ napędowy o zwiększonym stopniu bzpiczństwa z [] Olowska-Kowalska T., Szabat K., Contol of th Div Systm with Stiff and Elastic Couplings Using Adaptiv Nuo-Fuzzy Appoach, IEEE Tans. on Industial Elctonics, vol. 54, no., pp. 8-4, 7. [3] Yag R. R., Filv D. P., Essntials of Fuzzy Modling and Contol, Wily, 994. [4] Ołowska-Kowalska T., Dybkowski M., Szabat K., Adaptiv nuo-fuzzy contol of th snsolss induction moto div systm, th Intnational Pow Elctonics and Motion Contol Confnc. EPE-PEMC 6 pp [5] Olowska-Kowalska T., Szabat K., Dybkowski M., Nuo-Fuzzy Adaptiv Contol of th IM Div with Elastic Coupling, EPE PEMC 8, Poznań, Poland, on CD. [6] Bnbouzid M.E.H., Diallod D., Zaoulia M., Advancd fault-tolant contol of induction moto divs fo EV/HEV taction applications, fom convntional to modn and intllignt tchniqus, IEEE Tansactions on Vhicula Tchnology, 7, 56, [7] Campos-Dlgado D.U., Espinoza-Tjo D.R., Palacios E., Fault-tolant contol in vaiabl spd divs, a suvy, Elctic Pow Applications IET, 8, (), 34. [8] Dybkowski M., Estymacja pędkości kątowj w złożonych układach napędowych zagadninia wyban, Pac Naukow Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiaów Elktycznych Politchniki Wocławskij n 67, sia Monogafi n, Wocław 3. [9] Olowska-Kowalska T., Bzczujnikow układy napędow z silnikami indukcyjnymi, OficynaWydawnicza Politchniki Wocławskij, Wocław 3. [] Klimkowski K., Dybkowski M., An influnc of th chosn snsos faults to th pfomanc of induction moto div systm woking in vcto contol mthod", Poznań Univsity of Tchnology, Acadmic Jounals, Elctical Engining No. 77, pp 85-9, 4 (in Polish). [] Klimkowski K., Dybkowski M., An analysis of th chosn snsos fault tolant induction moto div, Poznań Univsity of Tchnology, Acadmic Jounals, Elctical Engining No. 77, pp 93-, 4 (in Polish). FAULT TOLERANT DRIVE SYSTEM WITH ADAPTIVE NEURO FUZZY COMPENSATOR In th pap th fault tolant div systm with adaptiv nuo fuzzy compnsato (ANFC) is psntd. Th Dict Toqu Contol algoithm was applid and tstd duing th faultd conditions. Simulation sults of th vcto contolld induction moto div with PI contoll and ANFC duing th topology changing is psntd. To th flux and oto spd constuction MRAS typ stimato is usd. Simulation sults a pfomd in Sim Pow Systm.