Разработка и исследование системы стабилизации скорости вращения коллекторного двигателя

Николаев, Илья Вадимович Отделение электроэнергетики и электротехники (ОЭЭ)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

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

Известно, что актуальной проблемой в машиностроении является
повышение качества изготовления изделий: точность геометрических
размеров, чистота обработанной поверхности, что достигается при
обеспечении стабилизации параметров технологической системы.

В связи с этим особый интерес представляет стабилизация скорости
вращения исполнительного электродвигателя.

Двигатели постоянного тока являются ключевыми элементами
мобильных роботов и автономных систем в современном мире. Существует
множество различных задач в робототехнике и системах управления
движением исполнительных органов рабочих машин, где необходимо
стабилизировать скорость вращения двигателя при изменяющемся моменте
нагрузки. Известно, что скорость вращения двигателя постоянного тока
можно регулировать путем изменения величины суммарного активного
сопротивления якорной цепи, используя регулировочный реостат,
последовательно подключенный к двигателю. Однако такой подход к
проблеме управления приводит к большим потерям энергии с выделением
тепла на регулировочном реостате.

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.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ
    Екатерина Д.
    4.8 (37 отзывов)
    Более 5 лет помогаю в написании работ от простых учебных заданий и магистерских диссертаций до реальных бизнес-планов и проектов для открытия своего дела. Имею два об... Читать все
    Более 5 лет помогаю в написании работ от простых учебных заданий и магистерских диссертаций до реальных бизнес-планов и проектов для открытия своего дела. Имею два образования: экономист-менеджер и маркетолог. Буду рада помочь и Вам.
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Татьяна Б.
    4.6 (92 отзыва)
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские ди... Читать все
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские диссертации, курсовые работы средний балл - 4,5). Всегда на связи!
    #Кандидатские #Магистерские
    138 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету

    Энергосервисный договор
    📅 2018год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет
    Асинхронный электропривод вентиляционной установки
    📅 2020год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Разработка имитационной модели системы электропитания тяжелого самолета
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Исследование энергоэффективности микроклимата тепличного комплекса
    📅 2019год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)