Россия
Энергоэффективность современных электромашинных технологий зависит от характеристик ис-пользуемых электроприводов, что требует оптимизации существующих и поиска новых структурных элементов. Исследована модель автоматического оптоэлектронного электропривода с лазерно-ультразвуковым когнитивным преобразованием энергии и информации. Модель включает следующие основные элементы: электродвигатель, приводящий в действие рабочий механизм; измерительно-информационный комплекс, контролирующий и управляющий электродвигателем; усилитель сигналов управления на базе многомодового твердотельного лазера с ультразвуковым модулятором добротности (ЛУЗМД); преобразователь лазерных импульсов в напряжение либо ток или магнитное поле электродвигателя. Исследования динамики генерации в зависимости от мощности накачки и интенсивности ультразвука выполнены на рубиновом лазере. Переходная характеристика электропривода определяется инерционностью электромеханических элементов, значительно превышающей инерционность оптоэлектронных устройств. Инерционность электропривода сглаживает пульсации частотно-импульсной энергии (ЧИЭ). При оценке переходной характеристики электропривода, учитывая его инерционность, ЧИЭ лазерного излучения принималась квазипостоянной в течение неизменной энер-гии источника накачки, и определение изменений частоты вращения и силы тока якоря электродвигателя проводилось на основе законов Кирхгофа и Ньютона в приближении постоянного тока, с использованием среды MATLAB, пакета Simulink. В отсутствие ультразвука лазер излучает хаотические импульсы. При управлении ультразвуком ЛУЗМД переходит в устойчивый режим частотно-импульсной генерации. Частота повторения регулярных импульсов определяется уровнем накачки при той же мощности ультразвука и не зависит от частоты ультразвука. Рассмотрены вопросы: саморегулирование частотно-импульсной генерации, когнитивность ЛУЗМД; динамика электропривода (ЭП) с ЛУЗМД; эквивалентность мощностей источников частотно-импульсного и постоянного тока; инерционность ЭП с ЛУЗМД; структурная схема и динамика автоматического ЭП с ЛУЗМД. Саморегулирование ЛУЗМД придает оптоэлектронному электроприводу когнитивные свойства, способствует повышению его энергоэффективности, расширяет возможности автоматизации и цифровизации электроприводных технологий.
лазер с ультразвуковым модулятором добротности, оптоэлектронный электропривод, энергоэффективность, управление, автоматизация, цифровизация
Введение
В условиях цифровой трансформации при разработке автоматизированных систем используются аналогии функций головного мозга [1, 2]. Аналогичные функциональные блоки могут наблюдаться в многомодовых лазерах [3]. Достижения в создании мощных лазеров [4], фотоэлектронных преобразователей [5], оптоэлектронных бесколлекторных электродвигателей [6], оптоэлектронных систем связи, обнаружения и распознавания [7], альтернативной электроэнергетики [8] делают актуальным применение интеллектуальных оптоэлектронных технологий в электротехнических системах, например электроприводах.
В статье [1] уже были проанализированы экспериментальные данные по генерации твердотельного лазера с ультразвуковым модулятором добротности (ЛУЗМД). Цель настоящей работы заключается в рассмотрении ЛУЗМД как модели «управляемого хаоса» при оптоэлектронном преобразовании информации и энергии, а также особенности применения ЛУЗМД в контуре управления электропривода.
Саморегулирование, когнитивность ЛУЗМД
Кроме формирования мощных лазерных импульсов, с помощью ультразвукового модулятора добротности можно кардинально менять характер генерации многомодового лазера. Благодаря дифракции света на ультразвуковых волнах активная среда лазера может стать оптически однородной, что приводит к генерации (вместо хаотических пичков в отсутствие ультразвука) регулярных импульсов, частота повторения которых не зависит от частоты ультразвука, а определяется мощностью накачки. Лазер с ультразвуковым модулятором добротности при этом приобретает способность саморегулирования частотного режима генерации при изменении мощности накачки под действием внешних воздействий, что является признаком когнитивности. Это свойство присуще электроприводу как системе, содержащей когнитивное звено, в котором осуществляется лазерно-ультразвуковое когнитивное преобразование энергии и информации.
Модель ЛУЗМД, согласно работе [9], может быть представлена 5 × 5 матрицей, классифицирована по признаку связи структурных элементов и сопоставлена с моделями сложных систем [2]. Модель ЛУЗМД позволяет управлять хаосом излучения. Вместо хаотической «пичковой» генерации без ультразвука многомодовый ЛУЗМД при включении ультразвука излучает регулярную последовательность импульсов, частота повторения и амплитуда которых не зависят от частоты ультразвука, а определяется мощностью накачки и ультразвука. Благодаря дифракции на ультразвуковых волнах в модуляторе добротности все потоки излучения в активной среде лазера информационно и энергетически оказываются связанными. При этом ЛУЗМД проявляет когнитивные свойства, аналогичные головному мозгу: регуляция и сохранение уровня функционирования по преобразованию информации и энергии. Примеры управляемого хаоса представлены на рис. 1.
Целостность и устойчивость регулярной генерации, наблюдаемой на участке импульса накачки с постоянной амплитудой, сохраняется в широком диапазоне изменения мощности накачки. В этом проявляется способность лазерной системы к саморегулированию, когнитивности. Частота регулярных импульсов не зависит от частоты ультразвука, а пропорциональна мощности накачки при той же интенсивности ультразвука. Лазер с ультразвуковым модулятором добротности в режиме саморегулирования позволяет управлять частотой генерации импульсов изменением мощности накачки и интенсивности ультразвука.
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 1. Управляемый хаос в ЛУЗМД: а – ультразвук выключен (пичковая генерация); б – ультразвук включен
(осциллограммы двух дифракционных максимумов, регулярная генерация); в – высокочастотная регулярная
генерация при увеличении мощности накачки в 2 раза, по сравнению с а и б мощность ультразвука не менялась.
Частота калибровки 100 кГц (верхние осциллограммы)
Fig. 1. Controlled chaos in the UQML: a – ultrasound is turnedoff (peakgeneration); б – ultrasound is turnedon
(oscillograms of two diffraction maxima, regular generation); в – high–frequency regular generation with a 2-fold increase
in pumping power, compared with a and б ultrasound power did not change.
Calibration frequency of 100 kHz (upper wave forms)
Динамика электропривода с ЛУЗМД
Эквивалентность мощностей источников частотно-импульсного и постоянного тока. Под эквивалентностью мощностей источников постоянного и частотно-импульсного тока понимается равенство их мощностей P, которое достигается при частоте повторения импульсов Fи, равной
Fи =
, (1)
где Wи – энергия в одном импульсе. Например, для питания бесколлекторного электродвигателя постоянного тока электропривода требуется мощность 10 Вт, энергия в одном импульсе Wи = 60 мДж, длительность 10 нс. Частота Fи, следуя (1), составит Fи = 160 Гц.
Инерционность электропривода с ЛУЗМД. Процессы преобразования энергии характеризуются инерционностью всего комплекса электропривода, которая в основном определяется инерционностью его электромеханической части, поскольку на порядки превышает инерционность оптоэлектронных звеньев. Так, для электропривода с бесколлекторным электродвигателем постоянного тока БУВП-60 в номинальном режиме момент инерции оценивают величиной J = 2 кг∙м2, при этом система управления обеспечивает апериодический переходный процесс. В ходе эксплуатации момент инерции может изменяться в пределах 0,5–10 кг∙м2 за время ~0,8 с [10].
Учитывая большую инерционность электропривода по сравнению с периодом регулярных пульсаций при саморегулировании лазера, можно считать мощность лазерного излучения квазипостоянной в течение действия источника накачки. Поэтому изменение тока и частоты вращения якоря во времени может быть исследовано в приближении источника постоянного тока с помощью системы динамических уравнений на основе законов Кирхгофа и Ньютона [11]
u = kФω + ir +
; (2)
M = Mc + 
, (3)
где u – напряжение; k – конструктивный коэффициент; Ф – магнитный поток двигателя; ω – угловая скорость якоря; i – ток якоря; r – активное сопротивление; L – индуктивность якорной цепи; t – время; M = kФ · i – номинальный момент двигателя; Mc – момент нагрузки; J – момент инерции двигателя и нагрузки.
Если положить c = kФ, то M = ci; электродвижущая сила двигателя eД = cω. Пример расчета динамики электропривода постоянного тока, согласно системе уравнений (2), (3), зависимостей ω = f(t) и i = f(t) в пакете MATLAB для номинальных значений: мощности Pн = 2 кВт; напряжения uн = 110 В; частоты вращения nн = 3 000 об/мин; КПД = 0,785; сопротивления якорной цепи r = 0,336 Ом; индуктивности обмотки якоря L = 6,6 мГн; момента инерции электропривода J = 0,01375 кг·м2 приведен на рис. 2 (по оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат – сила тока (нижняя кривая), частота вращения (верхняя кривая) в относительных единицах).
Рис. 2. Пример расчета в системе MATLAB для электропривода с двигателем постоянного тока [11]
Fig. 2. Calculation example in the MATLAB system for an electric drive with a DC motor [11]
На рис. 2 можно видеть, что на участке запуска двигателя без нагрузки пусковой ток резко увеличивается. Управление частотой следования регулярных лазерных пульсаций в зависимости от мощности накачки и интенсивности ультразвука повышает энергоэффективность, расширяет возможности автоматизации и цифровизации электропривода.
Структурная схема и динамика комплекса автоматического электропривода с ЛУЗМД
Рис. 3. Структурная схема автоматического оптоэлектронного когнитивного электропривода:
f(t) – сигнал НАГРУЗКИ (возмущающее воздействие); ЭД – электродвигатель; П/О (преобразователь импульсного лазерного излучения в электрический ток и магнитное поле якоря ЭД);
ИИК – измерительно-информационный комплекс; μ – выходной сигнал П/О (регулирующее воздействие); σ – выходной сигнал усилительного элемента ЛУЗМД; η – выходной сигнал ИИК; φ – выходной сигнал ЭД
Fig. 3. Block diagram of an automatic optoelectronic cognitive electric drive: f(t) is the load (НАГРУЗКИ) signal
(disturbing effect); ЭД is an electric motor; П/О (converter of pulsed laser radiation into electric current and magnetic field
of the ЭД armature); ИИК is a measuringand information complex; μ is the output signal of the П/О (regulating effect);
σ – the output signal of the amplifying element of the ЛУЗМД; η – the output signal of the ИИК;
φ – the output signal of the ЭД
Схема включает два связанных блока: электромеханический со звеньями ЭД и НАГРУЗКА; оптоэлектронный регулятор со звеньями ИИК, ЛУЗМД, П/О. Возможные связи между звеньями обозначены значками.
Координатами системы служат: φ – выходной сигнал ЭД; η – выходной сигнал ИИК; σ – выходной сигнал усилительного элемента ЛУЗМД; μ – выходной сигнал П/О (регулирующее воздействие); f(t) – сигнал НАГРУЗКИ (возмущающее воздействие).
Объектом управления является электродвигатель ЭД электропривода. Измерительно-информационный комплекс контролирует динамику ЭД при изменении параметров нагрузки f(t) и формирует управляющие воздействия на структурные элементы для обеспечения энергоэффективности электропривода [9]. Под действием источника накачки ЛУЗМД генерирует импульсы световой энергии, которые преобразуются и передаются с помощью средств П/О электродвигателю ЭД, обеспечивая его работу на холостом ходу и с НАГРУЗКОЙ. При этом П/О может преобразовывать лазерные импульсы как в ток, так и в магнитное поле якоря ЭД [12, 13].
Структурную схему рис. 3 можно отнести к системам непрямого регулирования. Общий вид уравнений четвертого порядка в приращениях и с безразмерными переменными динамики системы автоматического управления приведен в работе [14]:
– уравнение электромеханического блока
Tа
+ kφ = μ – f(t);
– уравнение измерителя ИИК
Tr2
+ Tk 
+ γη + φ = ± 
;
– уравнение усилительного элемента ЛУЗМД
σ = η – βμ;
– уравнение исполнительного элемента П/О
= F(σ),
где k, β, ε / 2 – коэффициенты саморегулирования объекта, обратной связи регулятора, нечувствительности измерительного элемента соответственно; φ – входное воздействие для ИИК: μ – регулирующее воздействие; f(t) – возмущающее воздействие; η – выходной сигнал ИИК; γ – коэффициент неравномерности измерителя; σ – выходной сигнал усилительного элемента; F(σ) – сила, действующая на преобразователь П/О; Tа, Tr2, Tk – постоянная времени объекта регулирования, с, постоянная времени измерительного элемента, с2, коэффициент демпфирования соответственно.
Рассматриваемая система автоматического регулирования содержит импульсный элемент ЛУЗМД, который непрерывные сигналы, подаваемые на его вход, преобразует в дискретные: равно отстоящие друг от друга по времени импульсы (режим частотно-импульсной энергии). Соответственно, уравнениями динамики системы электропривода могут быть разностные уравнения.
Обсуждение
Рассмотренная лазерная модель «управляемого хаоса» при внутрирезонаторном управлении ультразвуковым модулятором добротности на немодулированной стоячей ультразвуковой волне позволяет вместо хаотической «пичковой» генерации без ультразвука получать регулярную последовательность импульсов, частота повторения и амплитуда которых не зависит от частоты ультразвука, а определяется мощностью накачки и ультразвука. При этом ЛУЗМД проявляет когнитивные свойства, аналогичные головному мозгу: регуляция и сохранение уровня функционирования по преобразованию информации и энергии. Актуальным видится применение ЛУЗМД в электромеханических системах, например в электроприводах.
Анализ структуры, динамической модели, инерционности электропривода с ЛУЗМД показывает, что источник частотно-импульсной энергии (ЧИЭ) может иметь преимущество перед источником постоянного тока. Например, диагностика состояния саморегулирования электропривода в режиме ЧИЭ может осуществляться по контролю изменения частоты повторения регулярных лазерных пульсаций.
Динамическая модель электропривода с ЛУЗМД позволяет оптимизировать энергоэффективность оптоэлектронного преобразования, исследовать пространственно-энергетические, динамические характеристики электропривода в среде MATLAB, пакете Simulink.
Заключение
Исследована модель «управляемого хаоса» на основе многомодового ЛУЗМД. Ультразвуковой модулятор добротности, благодаря дифракции на стоячей немодулированной ультразвуковой волне, связывает все световые волны лазера в однородное поле, динамика которого не зависит от частоты ультразвука, и может изменяться с ростом мощности накачки от режима ЧИЭ до квазинепрерывной генерации. Лазер с ультразвуковым модулятором добротности проявляет свойство саморегулирования, способность самостоятельно, автоматически переходить от одного устойчивого состояния генерации к другому в ответ на внешнее воздействие, приводящее к изменению мощности накачки. Саморегулирование ЛУЗМД, в случае его применения в контуре управления электропривода, придает электроприводу когнитивные свойства, способствует повышению его энергоэффективности, расширяет возможности автоматизации и цифровизации.
Переходная характеристика всего комплекса электропривода определяется инерционностью электромеханических элементов, значительно превышающей инерционность оптоэлектронных устройств. Инерционность электропривода сглаживает пульсации ЧИЭ. Учитывая большую инерционность электропривода, можно считать ЧИЭ лазерного излучения квазипостоянной в течение действия источника накачки и оценку частоты вращения и силы тока якоря проводить на основе законов Кирхгофа и Ньютона в приближении источника постоянного тока, используя среду MATLAB, пакет Simulink. Как показывают расчеты, на участке запуска двигателя без нагрузки пусковой ток значительно превышает номинальный. Когнитивный режим ЧИЭ позволяет проводить диагностику и управлять электроприводом, контролируя частоту следования регулярных импульсов при изменении мощности накачки.
1. Терентьев В. Е. Автоматизация и ультразвуковое управление процессом доставки электроэнергии по интеллектуальному лазерному каналу динамическому электромеханическому преобразователю // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Сер.: Естественные науки. 2019. № 3.С. 94–98.
2. Лурия Д. Р. Общая структурно-функциональная модель мозга как субстрата психической деятельности. URL: https://nauka.jofo.me/1598543.html (дата обращения: 09.09.2024).
3. Данилов О. Б., Розанов Н. Н., Соловьев Н. А., Сомс Л. Н. Многомодовые лазеры как аналоги сложных биологических систем (обзор) // Оптика и спектроскопия. 2016. Т. 120. № 4. С. 682–690.
4. Самарцев И. Э. Мощные волоконные лазеры – 20 лет развития. URL: C:/Users/user/Documents/Мощные%20волоконные%20лазеры%20-%2020%20лет%20развития.html (дата обращения: 09.09.2024).
5. Andreev V. M., Emelyanov V. M., Kaluzhnyy N. A., Khvostikov V. P., Mintairov S. A., Potapovich N. S., Sorokina S. V., Timoshina N. Kh. Photovoltaic laser-power converter based on AlGaAs/GaAs heterostructures // Semicondactors. 2016. V. 50 (9). P. 1242–1246.
6. Пат. 2727934, Российская Федерация, МПК H02P 9/14. Бесколлекторный электродвигатель / Терентьев В. Е.; № 2020107395; заявл. 19.02.2020; опубл. 27.07.2020, Бюл. № 21.
7. Мирошников М. М. Оптические характеристики излучения целей и фонов – физическая основа создания оптико-электронной аппаратуры // Вопр. оборонной техники. Сер. 10. 1992. Вып. 1-2. С. 3–10.
8. Сидорович В. Мировая энергетическая революция: как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. М.: Алпина, 2015. 240 с.
9. Терентьев В. Е. Моделирование электрических цепей и систем с оптико-электронными устройствами: моногр. СПб.: Изд-во СПГУВК, 2009. 201 с.
10. Алексеев А. С., Замятин С. В., Плотников Д. А. Определение момента инерции электропривода по временным характеристикам // Изв. Том. политехн. ун-та. 2009. Т. 314. № 5. С. 65–69.
11. Джендубаев А.-З. Р., Алиев И. И. MATLAB, Simulink и SimPowerSystems в электроэнергетике: учеб. пособие. Черкесск: БИЦ СевКавГГТАб, 2014. 136 с. URL: https://s.siteapi.org/ca7cf74119b6a4e/docs/59d7f5f72cdd7ddd621e63fffa3d7c68b9b58142.pdf (дата обращения: 09.09.2024).
12. Терентьев В. Е., Очина Л. Б., Белоусова И. М., Русов В. А., Андреев А. А. Оптическая генерация тока и магнитного поля в динамических электротехнических комплексах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2022. № 2 (74). С. 38–47.
13. Терентьев В. Е., Белоусова И. М., Русов В. А., Андреев А. А. Исследование преобразования лазерного импульсного излучения системой «конденсатор-катушка» // Мониторинг. Наука и технологии. 2024. № 2. С. 64–70.
14. Нелепин Р. А. Теория управления. СПб.: ВМИИ, 2006. 416 с.
