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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Carlos Matheus Rodrigues de Oliveira
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2019
Supervisor
Committee
Monteiro, José Roberto Boffino de Almeida (President)
Aguiar, Manoel Luis de
Giesbrecht, Mateus
Salles, Maurício Barbosa de Camargo
Sguarezi Filho, Alfeu Joãozinho
Title in Portuguese
Emulação de sistemas mecânicos acoplados a máquinas elétricas rotativas
Keywords in Portuguese
Acionamento e Controle de Máquinas Elétricas
Emulação de Cargas Dinâmicas
Validação de Estratégias de Controle
Abstract in Portuguese
Este trabalho aborda o problema de emulação de sistemas mecânicos de maneira precisa para qualquer carga mecânica cujo modelo matemático é conhecido. A estratégia de controle proposta aplica-se a qualquer máquina elétrica rotativa atuando como uma carga programável, sendo uma ferramenta importante na validação de sistemas de controle e acionamento em abordagem de torque, velocidade e posição rotórica, que é aplicado em diversas aplicações de engenharia, como transporte e energia renovável. A estrutura proposta utiliza um compensador antecipatório (feedforward) em conjunto com um controlador de rastreio de velocidade ou posição que possibilita assegurar robustez sob variação paramétrica e dinâmica não modeladas. O desempenho dinâmico do sistema utilizando a estrutura proposta não depende do modelo de emulação, possibilitando emular qualquer modelo matemático considerando a potência nominal da máquina de emulação. O compensador feedforward permite a inclusão de efeitos não-lineares e restrições encontradas na bancada experimental de ensaios quando necessário, tornando a estratégia uma boa candidata para sistemas com imprecisão no modelo dinâmico da bancada de teste. Além disso, diferentes abordagens de controle podem ser aplicadas tanto ao compensador e ao controlador de rastreio. O observador de Luenberger foi adotado no compensador feedforward, sendo que o controlador de rastreio em abordagem de velocidade foi o proporcional integral derivativo (PID) e em abordagem de posição o proporcional derivativo (PD). A configuração da bancada experimental consiste em dois motores de indução com rotor de gaiola de esquilo acoplados, no qual cada um desempenha a função de máquina sob teste e a outra de máquina de emulação. O método foi validado em modelos lineares e não-lineares com larga variação de atrito, inércia e efeitos de torção no eixo em abordagens de velocidade e posição rotórica. Os resultados simulados e experimentais são muito semelhantes, mesmo quando a alta incerteza é considerada nos parâmetros mecânicos.
Title in English
Emulation of Mechanical Systems Coupled to Rotary Electrical Machines
Keywords in English
Control validation. Dynamometer Control
Dynamic Load Emulation
Electric Machine Drive and Control
Hardware-in-the-loop
Abstract in English
This paper addresses the problem of dynamic load emulation of any mechanical load whose mathematical model is known. The control strategy of a load machine is used to design tasks of control algorithms of variable speed, position and torque drives for educational purposes and several engineering applications, as transportation and renewable energy. The structure uses a set-point feedforward compensator with speed-tracking controller which provides robustness under parametric variation and non-modeled dynamics. Nonlinear effects and constraints of the experimental setup shaft can be included in the compensator, which makes the strategy an alternative method for systems operating under different degrees of uncertainty. Moreover, different control approaches can be applied to both compensator and speed controller. The method can be applied with any rotating machines, where two induction motors (IMs) with directly coupling are adopted. The Luenberger observer was adopted as a feedforward compensator and the proportional integral derivative (PID) as speed-tracking controller and proportional-derivative (PD) as position-tracking controller. The experimental setup consists of two directly coupled induction motors (IMs), where the machine under test and the programmable dynamometer are placed. The method was validated by linear and nonlinear models of large inertia and time-varying mechanical parameters. The simulated and experimental results were very similar, even when high uncertainty was assumed.
 
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Carlos.pdf (29.43 Mbytes)
Publishing Date
2019-11-20
 
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