Projekty

Výzkum a vývoj sofistikovaných metod řízení pro oblast elektrických regulovaných pohonů

SP2020/128

Kuchař Martin doc. Ing., Ph.D.

01. 01. 2020 - 31. 12. 2020

Velmi diskutovaným tématem současnosti je čtvrtá technická revoluce. Pojem Průmysl 4.0 v sobě zahrnuje současný trend digitalizace, robotizace, automatizace výroby a s tím související změny na trhu práce. V jádru čtvrté průmyslové revoluce stojí spojení virtuálního kybernetického světa se světem fyzické reality, tzv. kyberfyzické systémy. Mezi základní témata Průmyslu 4.0 patří umělá inteligence, internet věcí, analýza velkých dat, kolaborativní roboty, prediktivní údržba, kybernetická bezpečnost a řada dalších. Základním prvkem všech systémů v oblasti automatizace výroby je však elektrický regulovaný pohon. Pro kyberfyzické systémy, které budou využívány v chytrých továrnách budoucnosti, je nezbytné vyvinout i inteligentní pohony, které mohou zahrnovat témata bezsenzorového řízení, řízení odolného vůči poruchám snímačů veličin, techniky využívající metody „soft computingu“ apod. Tento projekt se zaměřuje právě na tyto sofistikované metody řízení elektrických regulovaných pohonů. Střídavé pohony s vektorovým řízením vyžadují bezchybnou činnost snímačů mechanické úhlové rychlosti stroje, snímačů statorových proudů, snímačů napětí apod. V reálném provozu pohonu se však běžně vyskytují různé druhy poruch, např. poruchy motoru, měniče, řídicího systému a zmíněných snímačů. Statisticky patří mezi nejčastější poruchy elektrického pohonu poruchy výkonového měniče a snímačů. Z tohoto důvodu patří mezi velmi důležitá témata výzkumu moderních elektrických regulovaných pohonů tzv. bezsenzorové metody řízení (Sensorless Control) a metody řízení odolné vůči poruchám snímačů veličin (Sensor Fault Tolerant Control). Bezsenzorové pohony, resp. Sensorless Drives neobsahují snímač rychlosti, resp. polohy rotoru elektrického stroje, ale snímače proudu, napětí apod. jsou nadále součástí elektrického pohonu. Hlavním úkolem bezsenzorového řízení je s dostatečnou přesností estimovat úhlovou rychlost rotoru stroje a prostorový vektor magnetického toku pro celý pracovní rozsah otáček včetně nejvyšších, nejnižších, příp. nulových otáček. Hlavní výzvou pro výzkumníky z tohoto oboru je tedy stále řešení problematiky odhadu mechanických otáček motoru v okolí nulové rychlosti stroje, v režimech hlubokého odbuzení apod. [1]. Hlavní výhody spojené s nasazením bezsenzorového řízení jsou redukce ceny a použitého hardwaru, nárůst mechanické robustnosti, použití v agresivním prostředí, aplikace pro pohony pracující ve velmi vysokých otáčkách, vyšší spolehlivost, snížené požadavky na údržbu, nárůst šumové imunity, neovlivněný moment setrvačnosti stroje, aplikace na standardní elektrické motory s vyvedenou hřídelí jen na jednu stranu, aplikace na velmi malé motory apod. Algoritmy bezsenzorového řízení lze dělit různými způsoby, základní rozdělení je však do těchto dvou skupin: 1. Bezsenzorové řízení s modelem motoru • Estimátory pracující v otevřené smyčce s využitím monitorování statorových proudů a napětí (metody vyhodnocení rychlosti typu open-loop). • Pozorovatelé (Kalmanův filtr, Luenbergerův pozorovatel, Gopinathův pozorovatel, Sliding Mode Observer). • Pozorovatelé využívající systémy s adaptivním a referenčním modelem (MRAS). 2. Bezsenzorové řízení bez modelu motoru • Estimátory založené na odezvě na vnější injektovaný signál. • Estimátory využívající prvky umělé inteligence, zejména umělé neuronové sítě, příp. fuzzy- neuronové sítě. Algoritmy řízení s odolností vůči poruchám snímačů veličin umožňují v případě detekce chyby snímače mechanické úhlové rychlosti, příp. snímačů statorových proudů asynchronního motoru využít odhadované veličiny z různých estimačních technik místo původně měřených veličin vadnými snímači [1], [2], [3]. V takovém případě bude daný elektrický pohon schopen nadále pracovat i při porouchaném snímači. Pro estimaci zmíněných veličin mohou být použity estimátory nebo pozorovatelé známí z oblasti bezsenzorového řízení [1]. V prezentovaných výzkumných tématech nacházejí uplatnění i metody z oblasti „soft computingu“, do které lze obecně zařadit fuzzy logiku, umělé neuronové sítě, genetické algoritmy, „Cuckoo search“ algoritmus nebo metody „Particle swarm optimization“ a „Ant colony optimization“. Využití těchto sofistikovaných algoritmů může vést ke zlepšení vlastností pohonů, zvýšení robustnosti a zmenšení závislosti na měnících se parametrech motoru. Tyto systémy mohou být robustní vůči šumům a změnám parametrů regulovaného systému. Při jejich aplikaci není často potřeba znalosti použitého elektrického motoru, resp. jeho matematického modelu [4], [5]. Implementace výše uvedených sofistikovaných výpočetně náročných algoritmů, které musí běžet v reálném čase, často vyžaduje výkonný mikropočítačový řídicí systém, v dnešní době často i více jádrový. Jedno jádro je pak využíváno k implementaci zmíněných časově velmi náročných algoritmů a druhé řeší veškeré ostatní úlohy. Jsou využívány nyní již dostupné digitální signálové procesory nebo kontroléry pracující s plovoucí řadovou čárkou, které umožňují urychlení vykonání některých matematických operací, práci přímo s reálnými čísly bez nutnosti normování a mnohem kratší dobu vývoje aplikačního softwaru. Ten se pak stává přehlednějším, lépe kontrolovatelným a ve výsledku tedy i bezpečnějším. Tento trend usnadňuje dosažení vyšší kvality, přehlednosti, kontrolovatelnosti a bezpečnosti realizovaného softwaru, což je dnes pro řadu průmyslových odvětví nutnou podmínkou související s úrovní integrity bezpečnosti SIL (Safety Integrity Level). Tento projekt je zaměřen na výzkum, vývoj a implementaci vybraných sofistikovaných metod řízení z výše prezentovaných oblastí. Zvolený postup řešení úkolů bude zahrnovat analýzu a teoretický rozbor vybraných metod, modelování a simulaci algoritmů v prostředí Matlab-Simulink, implementaci zkoumaných metod do řídicího systému se signálovým procesorem a jejich experimentální ověření. Bude tedy použita výzkumná linie „teorie – simulace – aplikační možnosti – experimentální ověření“. Řešení takto náročných úkolů vyžaduje mezioborový přístup a spojení teoretických a praktických dovedností z oblasti řídicí techniky, výkonové elektroniky, elektrických pohonů, informačních technologií, matematiky a dalších souvisejících oborů. Hlavní význam projektu pro technickou praxi je ve využití poznatků z praktické realizace vybraných metod řízení elektrických regulovaných pohonů a v získání experimentálních výsledků z funkčních prototypů. Reference [1] Kuchar, M. Metody bezsenzorového řízení asynchronních motorů. Ostrava, 2018, Habilitační práce, VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektroniky. [2] Gao, Z., Cecati, C., Ding, S.X. A survey of fault diagnosis and fault-tolerant techniques - Part I: Fault diagnosis with model-based and signal-based approaches. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, vol. 62, issue 6, pp. 3757–3767. DOI: 10.1109/TIE.2015.2417501. [3] Salmasi, F.R. A Self-healing induction motor drive with model free sensor tampering and sensor fault detection, isolation, and compensation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, vol. 64, issue 8, pp. 6105-6115. DOI: 10.1109/TIE.2017.2682035. [4] Vas, P.: Artificial-Intelligence-Based Electrical Machines and Drives. New York: Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-859397-X [5] Vas, P. Sensorless vector and direct torque control. New York: Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-856465-1.

prof. Ing. Pavel Brandštetter, CSc.
Ing. Martin Sobek, Ph.D.
doc. Ing. Martin Kuchař, Ph.D.
Ing. David Bielesz
Sang Ho Dang, M.Sc.
Cuong Tran Dinh, M.Sc.
Ing. Vojtěch Šotola
Ing. Marek Kubatko
Huu Chau Minh Nguyen
Thanh Phong Tran
Ing. Jakub Bača
Ing. Daniel Kouřil, Ph.D.
Ing. Jan Strossa, Ph.D.
Khanh Duy Le

Cíle a milníky projektu

Projekt navazuje na projekty SGS, které byly řešeny na výzkumném pracovišti Katedry elektroniky v předchozích letech. Hlavním cílem projektu je výzkum a vývoj sofistikovaných metod řízení pro oblast elektrických regulovaných pohonů. Implementace těchto algoritmů bude provedena s využitím řídicích systémů založených na signálových kontrolérech (DSC) s plovoucí řadovou čárkou.

Dílčí cíle projektu:
C1. Modelování a simulace regulačních struktur elektrických pohonů v prostředí Matlab-Simulink.
C2. Analýza a vyhodnocení simulačních výsledků.
C3. Vývoj a implementace vybraných moderních metod řízení pro systémy s DSC.
C4. Experimentální ověřování algoritmů v laboratořích řešitelského pracoviště.
C5. Analýza a vyhodnocení experimentálních výsledků.
C6. Publikace dílčích výsledků na mezinárodních konferencích a v odborných časopisech.

Očekávané přínosy:
• Zvýšení aktivity ve výzkumné činnosti doktorandů, příp. studentů navazujícího magisterského
studia - zapojení studentů do výzkumných projektů ve spolupráci s průmyslovými partnery.
• Zapojení řešitelského pracoviště do sítě výzkumných pracovišť s podobnou výzkumnou
problematikou (FEL ZČU Plzeň, FEKT VUT Brno, FEL ČVUT Praha).
• Publikace ve sbornících konferencí a časopisech indexovaných v databázích Web of Science a
Scopus.