Разработка и исследование системы стабилизации скорости вращения коллекторного двигателя

Во введении раскрывается актуальность выбранной темы, описываются задачи и цель аттестационной работы.
В первой главе изложены теоретико-методологические основы и описание разработки.
Во второй главе был разработан регулятор для управления коллекторным двигателем на основе искусственной нейронной сети.
В третьей главе описывается фактическая аппаратная и программная реализация адаптивного регулятора для двигателя постоянного тока на постоянных магнитах, которая была разработана в предыдущей главе.
В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования адаптивного контроллера на основе искусственной нейронной сети. А также были проанализированы результаты типичных экспериментальных случаев и сравнение с ПИ и ПИД регуляторами.

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………………… 11
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТКИ ………………………………….. 12
1.1 Коллекторный электродвигатель постоянного тока ………………………….. 13
1.1.1 Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока… 13
1.1.2 Коллекторный двигатель с постоянными магнитами …………………… 14
1.1.3 Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения……………………. 15
1.1.4 Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока
…………………………………………………………………………………………………………… 17
1.2 Системы адаптивного управления ……………………………………………………. 18
1.2.1 Адаптивные регуляторы с прямой связью …………………………………… 19
1.2.2 Адаптивные регуляторы с обратной связью ………………………………… 20
1.3 Цифровые сервоконтроллеры …………………………………………………………… 21
1.3.1 ПИ регулятор ……………………………………………………………………………… 21
1.3.2 ПИД регулятор …………………………………………………………………………… 22
1.4 Адаптивный контроллер с искусственными нейронными сетями ……… 24
1.5 Уравнения движения системы коллекторного привода постоянного тока
……………………………………………………………………………………………………………… 25
1.6 Структура искусственной нейронной сети регулятора………………………. 28
1.6.1 Структура искусственной нейронной сети с прямой связью ………… 28
1.6.2 Структура искусственных нейронных сетей для электродвигателя 30
2. РАЗРАБОТКА РЕГУЛЯТОРА ОСНОВАННОГО НА ИСКУССТВЕННОЙ
НЕЙРОННОЙ СЕТИ………………………………………………………………………………… 33
2.1 Структура искусственной нейронной сети для системы идентификации
и контроля …………………………………………………………………………………………….. 33
2.2 Автономное обучение для начального набора весов и задержек
искусственной нейронной сети ……………………………………………………………… 36
2.3 Структура онлайн обучения искусственной нейронной сети для вывода
задержек и весов ……………………………………………………………………………………. 37
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТОРНЫМ
ДВИГАТЕЛЕМ ………………………………………………………………………………………… 41
3.1 Сравнение систем управления коллекторным двигателем постоянного
тока с постоянными магнитами ……………………………………………………………… 41
3.2 Моделирование системы управления коллекторного двигателя
переменного тока на постоянных магнитах ……………………………………………. 45
4. ОПИСАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ……………………………… 53
4.1. Проверка правильности модели двигателя с управлением
искусственной нейронной сетью ……………………………………………………………. 53
4.1.1 Отклик систем на различные ступени эталонной скорости при
полной нагрузке …………………………………………………………………………………. 55
4.1.2 Отклики на скоростную траекторию …………………………………………… 57
4.1.3 Отслеживание производительности систем с добавленным шумов 59
4.1.4 Реакции с набросом нагрузки ……………………………………………………… 62
5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ…………………………………………………………………………. 65
5.1Сегментирование рынка ……………………………………………………………………. 67
5.2 FAST-анализ ……………………………………………………………………………………. 68
5.3 Диаграмма Исикава………………………………………………………………………….. 72
5.4 Матрица SWOT ……………………………………………………………………………….. 73
5.5 Разработка графика проведения научного исследования …………………… 76
5.6 «Портрет» потребителя результатов НТИ…………………………………………. 80
5.6.1 Смета затрат на проектирование …………………………………………………. 80
5.6.2 Материальные затраты ……………………………………………………………….. 80
5.6.3 Затраты на амортизацию …………………………………………………………….. 80
5.6.4 Затраты на заработную плату ……………………………………………………… 81
5.6.5 Затраты на социальные нужды ……………………………………………………. 82
5.6.6 Прочие затраты ………………………………………………………………………….. 82
5.6.7 Накладные затраты …………………………………………………………………….. 83
5.7 Оценка конкурентоспособности и ресурсоэффективности проекта …… 83
6. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ………………………………………………… 86
6.1. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 87
6.1.1. Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны)
правовые нормы трудового законодательства ……………………………………… 87
6.1.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны ….. 87
6.2. Производственная безопасность ……………………………………………………… 88
6.2.1. Анализ потенциально возможных и опасных факторов, которые
могут возникнуть на рабочем месте при проведении исследований …….. 88
6.2.2. Разработка мероприятий по снижению воздействия вредных и
опасных факторов ………………………………………………………………………………. 89
6.3. Экологическая безопасность……………………………………………………………. 96
6.3.1. Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду …… 96
6.3.2. Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду …. 97
6.4. Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………… 97
6.4.1. Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований и обоснование мероприятий по предотвращению ЧС ……. 97
6.4.2. Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при проведении
исследований и обоснование мероприятий по предотвращению ЧС ……. 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 102
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………….. 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А ………………………………………………………………………………….. 107

В результате выполнения выпускной квалификационной работы была
исследована, разработана и смоделирована система стабилизации и
управления на искусственных нейронных сетях для коллекторного двигателя
постоянного тока с постоянными магнитами. Искусственная нейронная сеть
использовалась в качестве обучаемой нелинейной управляющей системы.
Скорость двигателя постоянного тока с постоянными магнитами
контролировалась с помощью предложенного адаптивного контроллера. Были
представлены детали разработки предлагаемого контроллера, включая все
аналитические выводы. Результаты, полученные в режиме реального времени
с использованием предложенного адаптивного контроллера на основе
искусственных нейронных сетей, были использованы для оценки
производительности контроллера. Затем были представлены результаты
сравнения предлагаемого контроллера с традиционными ПИД и ПИ
регуляторами.

Совершенно очевидно, что большинство объектов управления в
реальном мире являются нелинейными и большинство простых регуляторов,
таких как простые ПИД и ПИ, не могут достичь высокой точности из-за
высокой нелинейности. В ходе экспериментов и после наблюдения
результатов было доказано, что предлагаемый контроллер на основе
искусственной нейронной сети обладает хорошей способностью стабилизации
и управления скоростью коллекторного двигателя постоянного тока с
присутствующей нелинейностью. Экспериментальные результаты также
подтверждают, что этот адаптивный контроллер на основе искусственной
нейронной сети работал намного лучше, чем ПИД и ПИ регуляторы, так как
смог уменьшить ошибку слежения до менее чем 3%.

Мы можем прийти к выводу, что предложенный адаптивный контроллер
явно превосходит обычные регуляторы, особенно в случае нелинейностей
объекта управления, изменений параметров и нарушений нагрузки. Функция
оперативного обновления весов и смещений искусственной нейронной сети
может компенсировать как изменения параметров, так и помехи во время
работы. Использование адаптивной скорости обучения в предлагаемом
контроллере снижает вероятность перерегулирования. Обеспечение обратной
связи в модифицированной структуре двигателя на основе искусственной
нейронной сети также повышает стабильность системы. Также было
установлено, что предлагаемый регулятор скорости вращения двигателя
постоянного тока на основе искусственных нейронных сетей является
надежным, эффективным и простым в применении.