Sisteme complexe de control inteligent al motoarelor sincrone cu magneti permanenti si al convertoarelor electronice de putere

PREFATA

Monografia elaborata reprezinta o contributie consistenta in problematica sistemelor de control din actionarile electrice si electronica de putere, fiind o lucrare relevanta, dezvoltata intr-un domeniu modern de cercetare exploratorie, bazat pe abordare interdisciplinara. Autorii au propus o serie de sisteme de control ale motoarelor sincrone cu magneti permanenti bazate pe controlere adaptive, predictive, robuste, in regim alunecator, controlere de tip fuzzy sau bazate pe retele neuronale artificiale, dar si controlere bazate pe calculul fractionar. De asemenea, pentru optimizarea performantelor globale ale sistemului de control, reprezentat de obicei printr-un indice de optimizare integral, se apeleaza la proceduri si algoritmi din cadrul inteligentei computationale, dar si la structuri particulare de retele neuronale, cum ar fi Machine Learning, dintre care cea mai potrivita pentru imbunatatirea performantelor sistemului de control este Reinforcement Learning.

Monografia este realizata intr-o maniera unitara, fiecare capitol continand etapele necesare in dezvoltarea aplicatiilor propuse. Maniera in care sunt prezentate notiunile teoretice si in special exemplele practice numeroase fac ca intreaga lucrare sa poata fi parcursa atat de cercetatori avansati, cat si de masteranzi si doctoranzi. Prin abordarea sistemica, moderna, prin continut si prin referintele numeroase si actuale din bibliografie, lucrarea intruneste toate cerintele impuse unei monografii de inalt nivel stiintific, dintr-un domeniu tehnic de varf.

Prof. univ. dr. ing. Aurel CAMPEANU,
Membru titular al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania

Este cunoscut faptul ca in ultimele decenii in domeniul teoriei sistemelor s-au dezvoltat nenumarate abordari, proceduri, algoritmi pentru controlul diferitelor tipuri de obiecte fizice. Aceste abordari se bazeaza pe un aparat matematic destul de sofisticat, nu intotdeauna confortabil celor implicati in conceperea, proiectarea si utilizarea structurilor de conducere ce folosesc motoare sincrone cu magneti permanenti. A aparut astfel un gol intre implementarile clasice ale structurilor de control cu orientare dupa camp si multiplele instrumente si metode noi oferite de teoria sistemelor. Lucrarea de fata completeaza acest gol si se constituie ca o importanta si valoroasa monografie care are ca element central conducerea si controlul motoarelor sincrone cu magneti permanenti.

De asemenea, este o lucrare care se remarca prin faptul ca trece prin toate conceptele automaticii, de la teorie la practica, de la modelare la identificare si simulare, de la proiectarea de legi de control pana la implementarea acestora in timp real, satisfacand majoritatea paradigmelor de control. Pe parcursul a 10 ani de activitate intensa, autorii prezentei lucrari au dezvoltat teoretic si aplicat practic o serie de metode moderne din domeniul sistemelor automate, pe care le regasim in capitole specifice din carte. Autorii au un nivel ridicat de intelegere a cercetarii actuale, dovedind o exceptionala imbinare a nivelului teoretic ridicat cu abilitati practice capabile sa conduca la rezultate reale, aplicabile in industrie.

Prof. univ. dr. ing. Constantin MARIN,
Membru titular al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania

Lucrarea examinata, de dimensiuni neobisnuit de mari pentru o lucrare de bilant de cercetare curenta, tinzand insa spre structura de tratat - deci corespunzatoare ca volum in acest caz -, aduna si sistematizeaza o vasta experienta de cercetare teoretico-aplicativa si experimentala intr-un domeniu de varf al tehnologiei electronice si de automatizare - actionarile electrice reglabile. Comanda si reglarea actionarilor electrice ca domeniu tehnic a cunoscut un mare salt calitativ datorita a doua realizari cruciale: comanda orientata dupa camp, care a permis decuplarea buclelor de curent si turatie pentru masinile electrice de curent alternativ, si progresul in domeniul electronicii de putere - avand ca rezultat esential prelucrarea unor semnale la energii relativ inalte.

Din punctul de vedere al automaticii, problematica automatizarii actionarilor electrice prezinta avantajul unor modele dinamice de mici dimensiuni (ca numar de ecuatii) cu structura si parametri bine cunoscuti. Pornind de la acest aspect lucrarea examinata ilustreaza ideea ca, in functie de cerintele unor beneficiari, dar si de propriile interese stiintifice si competente, s-a realizat un veritabil „poligon” de testare a diverselor metodologii din automatica, dupa cum o arata si structura pe capitole a cartii... In acelasi timp, urmand tendinta eliminarii unor traductoare cu elemente in miscare, s-au introdus in sistemele de reglare varii estimatoare de stare. In felul acesta se dezvolta in fapt sisteme automate bazate pe utilizari de variabile „virtuale”. Lucrarea face apel si la alte tehnici evoluate bazate pe dezvoltarile hardware si software, cum ar fi sistemele distribuite SCADA si sistemele „imbarcate” (embedded). Consideram ca lucrarea aduce in lumina cai legitime de avans stiintific si tehnologic in problema, este deci utila unei clase largi de specialisti si persoane interesate (cercetatori, doctoranzi, universitari din domeniul stiintelor ingineresti), avand sansa de a deveni un reper in domeniu.

Dr. ing. Vladimir RASVAN, profesor universitar emerit,
Membru titular al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania

CUPRINS

1. INTRODUCERE 19

2. MODELUL MATEMATIC AL PMSM SI STRATEGIA DE CONTROL DE TIP FOC 29
2.1. Modelul matematic al PMSM 30
2.2. Strategia de control de tip FOC 32
2.3. Implementarea in Matlab/Simulink a sistemului de control al PMSM bazat pe strategia de control de tip FOC 35
2.4. Concluzii 37

3. OBSERVERE IN SISTEMELE DE CONTROL ALE PMSM 39
3.1. Observer alunecator - Sliding mod observer (SMO) 39
3.2. Observer de tip Luenberger 43
3.3. Observer de tip MRAS 44
3.4. Observer de stare extins - Extended State Observer (ESO) 47
3.5. Observer pentru estimarea perturbatiilor - Disturbance Observer (DO) 51
3.6. Observer de tip filtru Kalman extins - Extended Kalman Filter (EKF) 53
3.7. Concluzii 57

4. CONTROLUL ADAPTIV SI PREDICTIV AL PMSM 60
4.1. Sistem sensorless de control al PMSM bazat pe controler de tip MRAC 60
4.2. Controlul predictiv sensorless al PMSM folosind observer MRAS 94
4.3. Concluzii 104

5. SISTEME DE CONTROL SPECIALE ALE PMSM BAZATE PE PREDICTOR SMITH, ILC SI LADRC 108
5.1. Sistem de control al vitezei PMSM bazat pe predictor Smith 108
5.2. Sistem sensorless de control al PMSM bazat pe controler de tip PI-ILC 115
5.3. Sistem de control al vitezei PMSM bazat pe controler de tip LADRC si observer de tip ESO 128
5.4. Concluzii 136

DESPRE AUTORI

Cercet. st. II dr. ing. Marcel NICOLA s-a nascut in Craiova, este absolvent (1995) al Universitatii din Craiova, Facultatea de Automatica, Calculatoare si Electronica. Masterat (1997) si Doctorat (2004) in Automatica la Universitatea din Craiova. Principalele domenii de interes: automatizari si software industrial, sisteme SCADA, modelari matematice si simulari numerice, teoria sistemelor automate cu saturatie si intarziere, controlul actionarilor electrice si al convertoarelor electronice din microgriduri, controlul inteligent, controlul fractional, switched systems, optimizari si sisteme distribuite. In perioada 1997-2009, inginer la INCDE-ICEMENERG Sucursala Craiova, este Cercetator stiintific principal gradul II din 2006. Din 2005 a detinut, in diverse perioade, functiile de: Sef Laborator Automatizari si Calculatoare, Director adjunct al INCD-ICEMENERG Sucursala Craiova si al Asociatiei pentru Automatizari si Instrumentatie din Romania (AAIR) Sucursala Craiova. Din 2009 este la Institutul National de Cercetare-Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica - ICMET Craiova si a detinut, in diverse perioade, functiile de: Director Stiintific, Deirector de Proiect, Director de Program, Director de Departament si din 2020 este Presedinte al Consiliului Stiintific la ICMET Craiova. Intre 2011 si 2015 este Cadru didactic asociat la Universitatea din Craiova, Facultatea de Automatica, Calculatoare si Electronica si membru in Consiliul Scolii Doctorale de Inginerie Electrica din 2021. Numar total de lucrari stiintifice, proiecte de cercetare stiintifica si dezvoltare tehnologica: 310, dintre care 180 articole (50 BDI si 75 ISI cu IF>50), 6 carti si peste 120 proiecte de cercetare stiintifica si dezvoltare tehnologica, brevete de inventie/CBI: 6, premii, diplome si medalii nationale/internationale: 27. Membru in prezidiu pe sectiunea Automatica, Informatica si Energetica al unor conferinte nationale si chairman (Automation, Control Systems, Robotics, Mechatronics si Power Electronics) sau plenary speaker la conferinte internationale IEEE. Este membru in Asociatia Generala a Inginerilor din Romania (AGIR), Societatea Romana de Automatica si Informatica Tehnica (SRAIT) si Asociatia pentru Compatibilitate Electromagnetica din Romania (ACER). Este Editorial board memberships al revistei Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal, ASTEJ, USA, din iunie 2017; Guest Editor and Academic Editor pentru revista Energies (IF>3.3) 2021-2022: New Frontiers in Electrical Power Systems Quality; Guest Editor and Academic Editor pentru revista Automation 2022-2023: Dynamics and Intelligent Control of Complex and Switched Systems; Topical Advisory Panel memberships pentru revista Fractal and Fractional (IF>3.3) din ianuarie 2022 si Verified reviews pentru revistele: IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Transportation Electrification, IEEE Acces, IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference, IET Generation, Transmission & Distribution, Mathematical Problems in Engineering-Hindawi, Engineering Science and Technology an International Journal, Energies, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Materials Today: Proceedings; Sensors; Actuarors, Materials, Applied Artificial Intelligence, ISA Transactions, Fractal and Fractional, Symmetry, Applied Sciences, Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, Automatika, e-Prime, Journal of King Saud University - Engineering Sciences, IWACCE conference, Mathematics, Machines, MEIE conference, Electronics, Sustainability, Energy Reports, Hindawi_Journal of Modelling and Simulation in Engineering, Algorithms, Electric Power Systems Research, IEEE Transactions on Green Communications and Networking. A realizat peste 125 de recenzii pentru 33 reviste, din care 27 ISI.

Prof. dr. ing. Dan SELISTEANU este absolvent al Facultatii de Electrotehnica, Universitatea din Craiova (1989) si doctor in automatica din 1999. Este profesor in Departamentul de Automatica si Electronica, Facultatea de Automatica, Calculatoare si Electronica a Universitatii din Craiova. Din 2016 este conducator de doctorat in domeniul Ingineria Sistemelor la Scoala Doctorala „Constantin Belea”. In perioada 2016-2020 a fost decan al Facultatii de Automatica, Calculatoare si Electronica, iar din 2020 Prorector Cercetare stiintifica si relatii cu mediul economic al Universitatii din Craiova. Domeniile de cercetare de interes sunt: controlul adaptiv, controlul inteligent, sistemele de control cu structura variabila, modelarea si controlul bioproceselor, instrumentatia virtuala si sistemele de achizitie a datelor. A urmat cursuri de cercetare postdoctorala la CNRS Heudiasyc, Universite de Technologie de Compiegne, Franta (Agence Universitaire de la Francophonie AUF, 2005), precum si peste 10 stagii de specializare si de cercetare in strainatate. Din 2008 este expert evaluator national (UEFISCDI), iar din 2018 expert international MIUR (Register of Scientific Experts), Italia. Este Editor Sef Asociat al revistei System Theory, Control and Computing Journal si membru in colectivele editoriale ale unor reviste stiintifice precum: Complexity, Wiley & Hindawi (indexata ISI - Web of Science, Clarivate Analytics), din 2018; Acta Polytechnica Hungarica (ISI), din 2020; International Journal of Artificial Intelligence (Scopus), din 2017 etc. A publicat peste 20 de monografii, manuale si capitole, peste 150 de articole in reviste si volume indexate ISI sau alte baze de date internationale relevante, dintre care peste 40 articole in reviste ISI (factor de impact cumulat peste 100), iar publicatiile cumuleaza aproximativ 1000 de citari. A coordonat 5 proiecte nationale sau internationale de cercetare si a fost membru in peste 30 proiecte de cercetare. A fost profesor invitat (2016) si a obtinut distinctia Man of Merit - Lodz University of Technology, acordata de Senatul Universitatii Politehnice din Lodz, Polonia (2017), dar si peste 10 premii CNCSIS/UEFISCDI pentru rezultatele cercetarii, precum si cinci Best paper awards. A fost invitat in comisii de doctorat si abilitare in Franta (Centrale Supelec, 2015, 2016, 2019, Universite Paris-Saclay, 2022), Mauritius (University of Mauritius, 2022) si Spania (Universitat Autonoma de Barcelona, 2016). Este Senior Member IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), membru al AGIR (Asociatia Generala a Inginerilor din Romania), membru SRAIT (Societatea Romana de Automatica si Informatica Tehnica) din 1991, membru al Comitetelor Tehnice IFAC (International Federation of Automatic Control) TC 8.3. Modelling & Control of Environmental Systems si TC 2.2. Linear Control Systems (CC 2 - Design Methods). A fost chair si membru in numeroase Comitete Internationale de program ale unor conferinte IEEE si IFAC (International Carpathian Control Conference 2011-2013, 2015-2020; IEEE International Symposium on Applied Computational Intelligence & Informatics SACI 2011-2021; IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics AQTR 2012, 2014, 2016, 2018, 2020; International Conference on System Theory, Control and Computing ICSTCC 2012-2022 etc.). A organizat numere speciale in reviste, sesiuni invitate la conferinte IEEE si IFAC si este recenzor la numeroase reviste.

Cercet. st. III dr. ing. Claudiu-Ionel NICOLA s-a nascut in Craiova; este absolvent (2003) al Universitatii din Craiova, Facultatea de Automatica, Calculatoare si Electronica. Masterat (2011) in Automatica Sistemelor Complexe si Doctorat (2021) in Ingineria Sistemelor din cadrul Scolii Doctorale „Constantin Belea” la Universitatea din Craiova. Din ianuarie 2007 este angajat al Institutului National de Cercetare-Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica - ICMET Craiova in cadrul Diviziei de Cercetare-Dezvoltare. Cercetarile de interes sunt: modelarea si simularea sistemelor si proceselor, automatizari si software industrial, instrumentatia virtuala, sisteme de achizitie a datelor, sisteme SCADA, controlul actionarilor electrice si al convertoarelor electronice din microgriduri, controlul inteligent si optimizari. Numar total de lucrari stiintifice, proiecte de cercetare stiintifica si dezvoltare tehnologica: 175, dintre care peste 124 articole (33 BDI si 68 ISI cu IF>45), 2 carti si peste 40 proiecte de cercetare stiintifica si dezvoltare tehnologica, brevete de inventie/CBI: 3, premii, diplome si medalii nationale/internationale: 10. Este membru in Asociatia Generala a Inginerilor din Romania (AGIR), Societatea Romana de Automatica si Informatica Tehnica (SRAIT) si Asociatia pentru Compatibilitate Electromagnetica din Romania (ACER). Verified reviews pentru revistele: Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, Electronics, Energies, Sustainability si Applied Sciences.