ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА КОМАНДНОМ ОКНЕ ПЛАТФОРМЫ MATLAB

АННОТАЦИЯ

В статье дается краткий обзор о моделирование регулируемого асинхронного двигателя на командном окне платформы MATLAB. Дается общий подход к моделированию регулируемого асинхронного двигателя с использованием, с учетом инструментов для моделирования и симуляции электрических систем, которые могут быть использованы вместо или в дополнение к MATLAB/Simulink. Анализируется общий подход к моделированию и управление скорости регулируемого асинхронного двигателя. Рассматривается пример простой модели асинхронного двигателя с PID-регулятором.

ABSTRACT

The article provides a brief overview of the simulation of an adjustable asynchronous motor on the command window of the MATLAB platform. A general approach is given to modeling an adjustable asynchronous motor using, taking into account, tools for modeling and simulating electrical systems that can be used instead of or in addition to MATLAB/Simulink. The general approach to modeling and speed control of an adjustable asynchronous motor is analyzed. An example of a simple asynchronous motor model with a PID controller is considered.

Keywords: asynchronous motor, PID controller, MATLAB/Simulink, electromechanical characteristics of the motor, encoder, Hall sensor.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, PID-регулятор, MATLAB/Simulink, электромеханические характеристики двигателя, энкодер, датчик Холла

Введение. Моделирование регулируемого асинхронного двигателя может быть выполнено с использованием различных инструментов и методов, включая программное обеспечение для симуляции электрических систем. Одним из наиболее распространенных инструментов для моделирования таких систем является программное обеспечение MATLAB/Simulink [1]. Общий подход к моделированию регулируемого асинхронного двигателя с использованием MATLAB/Simulink перечисляется нижеследующим образом:

1. Создание модели двигателя: Сначала необходимо создать модель асинхронного двигателя. Это включает в себя уравнения, описывающие электромеханические характеристики двигателя, такие как уравнения электромагнитного поля статора и ротора, уравнения инерции, уравнения тока и напряжения и т.д.

2. Программирование регулирования: Затем необходимо реализовать алгоритмы регулирования, которые будут использоваться для управления скоростью или другими характеристиками двигателя. Это может включать в себя PID-регуляторы, векторное управление, управление по скорости или углу, в  зависимости от требуемых характеристик.

3. Имитация системы: После того как модель создана и регуляторы реализованы, следующий шаг - это имитация системы в MATLAB/Simulink. Запуск симуляции позволяет вам проверить работу вашей модели и алгоритмов управления в различных условиях и сценариях.

4. Анализ результатов: После выполнения симуляции можно проанализировать результаты, такие как динамика скорости двигателя, токи, напряжения и другие параметры, чтобы убедиться, что система работает согласно заданным требованиям и спецификациям [2-4].

Этот процесс может потребовать дополнительной настройки и доработки в зависимости от конкретных характеристик двигателя и тре­бо­ваний к системе. Кроме того, существуют также специализированные прог­рам­мы и инструменты для моделирования и симуляции электрических систем, которые могут быть использованы вместо или в дополнение к MATLAB/Simulink (рис. 1).

Рисунок 1. Упрощенный модель асинхронного двигателя в MATLAB/Simulink

Управление по скорости асинхронного двигателя. Управление по скорости асинхронного двигателя обычно реализуется с использованием методов векторного управления или скоростного управления. Для реализации управления по скорости необходимо иметь обратную связь по скорости. Это обычно достигается с помощью датчика скорости, такого как энкодер или датчик Холла, который измеряет текущую скорость вращения ротора. Как и в случае моделирования асинхронного двигателя в целом, необходимо создать модель, которая описывает электромеханические характеристики двигателя, [5-7] включая уравнения электромагнитного поля статора и ротора, уравнения инерции и т.д.

Для управления скоростью двигателя часто используются регу­лиро­воч­ные цепи, которые регулируют ток статора и/или напряжение, чтобы изменить скорость вращения ротора. Это может включать в себя PID-регуляторы или более сложные алгоритмы управления, такие как векторное управление поля (field-oriented control, FOC). Управление скоростью может быть реализовано путем настройки регулятора так, чтобы он регулировал токи статора или напряжение в зависимости от требуемой скорости. Это позволяет управлять скоростью двигателя в зависимости от внешних условий или команд опе­ра­то­ра. После реализации управления скоростью необходимо провести тес­тиро­ва­ние системы и настройку параметров регулятора, чтобы обеспечить ста­бильную и точную работу системы при различных условиях эксплуатации [8-11].

Управление по скорости асинхронного двигателя может быть сложным процессом, требующим сочетания электротехнических знаний, навыков програм­миро­вания и опыта в области управления системами. Использование PID (пропорционально - интегрально-дифференциального) контроллера для управления асинхронным двигателем возможно, особенно для базового управления скоростью. Подобно другим методам управления по скорости, использование PID-регулятора требует обратной связи по скорости. Это обычно достигается через датчик скорости, который измеряет текущую скорость вращения ротора. Для создания модели, необходимо учитывать электромеханические характеристики двигателя. Это включает в себя уравнения, описывающие электромагнитное поведение статора и ротора, а также уравнения инерции и т. д. PID-регулятор состоит из трех компонентов: пропорциональной (P), интегральной (I) и дифференциальной (D). Каждый из этих компонентов имеет свои коэффициенты, которые нужно настроить под конкретную систему. Необходимо проведение процедуры настройки параметров PID для вашей системы. Это может включать в себя ручную настройку, автоматическую настройку (например, метод Зиглера-Никольса) или использование других методов оптимизации [12].

После настройки параметров нужно тестирование системы и тщательно настройте параметры регулятора, чтобы обеспечить стабильную и точную работу системы при различных условиях эксплуатации.В зависимости от требований к системе и ее характеристик, могут потребоваться дополнительные улучшения и оптимизации, такие как учет нелинейностей, компенсация возмущений и т. д.

PID-регулятор может быть базовым методом управления, и в некоторых случаях может потребоваться более сложные методы управления, такие как векторное управление поля (FOC) или управление по скорости с использованием адаптивных алгоритмов.

Пример простой модели асинхронного двигателя с PID-регулятором для управления его скоростью составляется нижеследующем образом. В этом примере нужно использовать MATLAB/Simulink для создания модели.

1. Создание модели двигателя: с учетом его электромеханических характеристик. В этом примере я буду использовать базовую модель дви­га­теля; Добавление элементов, которые представляют физические компоненты двигателя, такие как статор, ротор, обмотки, обмотки двигателя и т. д.

2. Добавление PID-регулятора: добавление блока PID-регулятора из библиотеки Simulink в модель. Подключите выход модели скорости двигателя к входу PID-регулятора, а желаемую скорость к входу "Setpoint" PID-регулятора. Выход PID-регулятора подключается к блоку управления током или напряжением двигателя, в зависимости от ваших предпочтений.

3. Настраиваем PID-регулятор: необходимо настроить коэффициенты пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих PID-регулятора, чтобы обеспечить желаемое поведение системы, с учетом ограничения на выход PID-регулятора, чтобы избежать нефизичных значений.

4. Тестирование модели: проведение симуляции модели в MATLAB/Simulink, используя различные сценарии и входные сигналы для проверки ее поведения. Исследование результатов, чтобы убедиться, что система работает согласно заданным требованиям [1, 11].

Пример простой модели асинхронного двигателя с PID-регулятором в MATLAB/Simulink:

```matlab

% Создание модели асинхронного двигателя с PID-регулятором

model = 'AsynchronousMotorPIDControl';

open_system(new_system(model));

% Добавление блоков двигателя

add_block('powerlib/Elements/Three-Phase AC Machines/Three-Phase Asynchronous Machine', [model '/Asynchronous Motor']);

set_param([model '/Asynchronous Motor'], 'RotorResistance', '0.5');

set_param([model '/Asynchronous Motor'], 'StatorLeakageInductance', '0.1');

Добавление PID-регулятора

add_block('simulink/Commonly Used Blocks/PID Controller', [model '/PID Controller']);

set_param([model '/PID Controller'], 'P', '1');

set_param([model '/PID Controller'], 'I', '0.1');

set_param([model '/PID Controller'], 'D', '0.01');

Соединение блоков

add_line(model, 'Asynchronous Motor/1', 'PID Controller/1');

add_line(model, 'PID Controller/1', 'Asynchronous Motor/2');

Настройка симуляции

set_param(model, 'StopTime', '10');

Запуск симуляции

sim(model);

Показ результатов

open_system([model '/Scope']);

Обратите внимание, что это простой пример, который можно доработать и настроить в зависимости от конкретных требований и характеристик вашей системы [7-10].

Настройка PID-контроллера в командной строке MATLAB можно выполнить с помощью функции `pidtune`. Эта функция позволяет автоматически настроить параметры PID-регулятора на основе желаемых спецификаций производительности системы. Вот пример использования функции `pidtune`:

```matlab

% Создание модели асинхронного двигателя

s = tf('s');

P_motor = 1 / (0.1*s + 1); % Пример передаточной функции асинхронного двигателя      % Создание желаемой передаточной функции для PID-регулятора

desired_tf = 0.5 / (s^2 + 2*s + 0.5); % Пример желаемой передаточной функции     % Настройка PID-регулятора

controller = pidtune(P_motor, 'pid'); % Автоматическая настройка PID-регулятора

% Получение настроенных коэффициентов PID-регулятора

[Kp, Ki, Kd] = piddata(controller);

% Вывод результатов настройки

disp(['Настроенные коэффициенты PID-регулятора:']);

disp(['Kp = ', num2str(Kp)]);

disp(['Ki = ', num2str(Ki)]);

disp(['Kd = ', num2str(Kd)]);

В этом примере мы сначала создаем модель передаточной функции асинхронного двигателя `P_motor`. Затем мы создаем желаемую пере­да­точ­ную функцию `desired_tf`, которую хотим достичь с помощью PID-регулятора. Далее мы используем функцию `pidtune` для автоматической настройки PID-регулятора на основе передаточной функции `P_motor`. Полученные коэффициенты PID-регулятора можно использовать для дальнейшего управления.

Выводы

В статье дан краткий обзор о моделирование регулируемого асинхронного двигателя на командном окне платформы MATLAB. Рассмотрен общий подход к моделированию регулируемого асинхронного двигателя с использованием, с учетом инструментов для моделирования и симуляции электрических систем, которые могут быть использованы вместо или в дополнение к MATLAB/Simulink. Анализирован общий подход к моделированию и управление скорости регулируемого асинхронного двигателя. Рассмотрен пример простой модели асинхронного двигателя с PID-регулятором.

Список литературы:

1. Simulate Variable Speed Motor Control https://www.mathworks.com/help/sps/powersys/ug/simulating-variable-speed-motor-control.html
2. Qaseer L., Purushothaman S. Closed-form analysis of squirrel-cage induction motors with anisotropic modeling of stator and rotor // IEEE Transactions on energy conversion, 2012, Vol. 27, No. 3.- P. 553-560.
3. Saghafinia A., Kahourzade S., Mahmoudi A. Broken rotor bar fault detection of 3-phase induction motor using online adaptive continuous wavelet transform and fuzzy logic // International Review of Electrical Engineering-IREE, 2012, Vol. 7, No. 3.- P. 4383-4394.
4. Saghafinia A., Kahourzade S., Mahmoudi A. Online trained fuzzy logic and adaptive continuous wavelet transform based high precision fault detection of IM with broken rotor bars // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 2012.-P. 1-8.
5. Saghafinia A., Ping H. W., Uddin M. N. "Adaptive fuzzy sliding mode control into chattering-free IM drive // IEEE Transactions on industry applications, 2015, Vol. 51, No. 1.- P. 692-701.
6. Алимамедова С.Дж. Некоторые вопросы диагностики электродвигателей // Международный научный журнал Вестник науки, 2024, № 1 (70) Том 4.- С.528-535.
7. Алимамедова С.Дж. Некоторые вопросы в определении устойчивости электрических машин // Международный научный журнал Вестник науки, 2024, № 3 (72) Том 2.- С.307-311.
8. Пириева Н. М. Асинхронный электродвигатель с эффективной системой охлаждения // Проблемы энергетики, 2020, №4.- С.34-40.
9. Абдуллаев Я. Р., Керимзаде Г.С., Мамедова Г. В, Пириева Н.М. Проектирование электрических аппаратов с индукционными левитационными элементами // Электротехника, 2015, № 5. С.16-22.
10. Ханахмедова С.А., Пириева Н.М. Моделирование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей в мультиплатформе // Проблемы энергетики, 2021, № 1. - С.109-116.
11. Piriyeva N.M., Karimzade G.S. Mathematical model for calculation of electrical devices based on induction levitators // International Journal on “Technical and Physical Problems of Engineering” IJTPE, 2023, Issue 55, Vol. 15. No 2.- P.274-280
12. Rzayeva S.V., Ganiyeva N.A., Piriyeva N.M.  Modern methods of diag­nostics of electric power equipment // The 19th International Conference on Technical and Physical Prob­lems of Engineering: 31 October 2023, Rumıniya, 2023. -P.105-110