Застосування методу відображення нулів і полюсів для моделювання електротехнічних систем

2022;
: cc. 72 - 87
1
Національний університет «Львівська політехніка»
2
Національний університет «Львівська політехніка»

Поширення математичних застосунків, які надають засоби розв’язування диференціальних рівнянь, і збільшення швидкодії обчислювальних пристроїв призвели до зменшення зацікавленості  операторними  методами,  зокрема  z-перетворенням.  Проте  використання можливостей z-перетворення дає змогу реалізувати ефективні швидкодіючі обчислювальні схеми із високою числовою стійкістю. Потреба в цьому може виникнути у випадку моделювання в реальному часі чи під час синтезу цифрових систем керування. На підставі аналізу літературних джерел показано актуальність і переваги використання z-перетворення для моделювання динаміки електротехнічних систем.

Розглянуто спосіб комп’ютерного моделювання, основою якого є використання для побудови комп’ютерної моделі методу відображення (відповідності) нулів і полюсів еквівалентної неперервної передавальної функції. Показано реалізацію отриманих цим методом моделювальних рекурентних формул для трьох елементарних динамічних ланок, які одержують внаслідок розкладу передавальної функції за теоремою розкладу Гевісайда: інтегральної (нульовий полюс), інерційної першого порядку (дійсний полюс) і ланки другого порядку із дійсним нулем і парою комплексно спряжених полюсів. Отже, реалізована паралельна декомпозиція досліджуваної системи, що дає змогу зменшити негативний вплив обмеженої розрядності системи і полегшити виконання паралельних обчислень. Для кожної такої ланки одержано дискретну передавальну функцію та моделювальне рекурентне рівняння.

На двох прикладах продемонстровано практичне використання та переваги цього способу: проста пружна механічна система, яка описана диференціальним рівнянням другого порядку, та нелінійна модель асинхронної машини за однофазною Т-подібною заступною схемою. Обидві задачі проілюстровані прикладами розв’язування у середовищі математичного застосунку Mathcad. Підтверджено ефективність методу відповідності нулів і полюсів порівняно з класичними числовими методами розв’язування звичайних диференціальних рівнянь.

Використання цього способу математичного моделювання дає змогу забезпечити стійкий числовий розв’язок із заданою точністю для широкого діапазону кроків розв’язування.

  1. High Performance Computing in Power and Energy Systems / Siddhartha Kumar Haitian and Anshan Gupta (Ends.) // Power Systems Series. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013. 384 p. [ISBN 978-3-642-32682-0].
  2. Lozynskyi О., Paranchuk Ya., Moroz V., Stakhiv P. Computer Model of the Electromechanical System of Moving Electrodes of an Arc Furnace with a Combined Control Law // 2019 IEEE 20th International Conference on Computational Problems of Electrical Engineering (CPEE). September 15-18, 2019. L'viv, Ukraine.
    https://doi.org/10.1109/CPEE47179.2019.8949136
  3. Simulink. Simulation and Model-Based Design: Simulation: Choose a Solver. Available online: https://www.mathworks.com/help/simulink/ug/choose-a-solver.html
  4. Hairer E., Nørsett S., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations I: Nonstiff Problems. 2nd Edition. Springer, 1993. 528 p. [ISBN 978-3-540-56670-0].
  5. Hairer E., Nørsett S., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems. 2nd Edition. Springer, 1996. 614 p. [ISBN 978-3-540-60452-5]
    https://doi.org/10.1007/978-3-642-05221-7_1
  6. Verlan A. F. Mathematical modeling of continuous dynamical systems / A. F. Verlan, S. S. Moskalyuk. K.: Naukova Dumka, 1988. 288 p.[in Ukraine].
  7. Verlan A. F. Integral Equations: Methods, Algorithms, Programs. Reference manual / A. F. Verlan,V. S. Sizikov. K.: Naukova Dumka, 1986. 544 p. [in Ukraine].
  8. Verlan A. F. Dynamics models of electromechanical systems / A.F. Verlan, V.A. Fedorchuk. K.: Naukova dumka, 2013. 222 p. [in Ukraine].
  9. Filc R. Equivalents Method for Linear Circuits Transients Calculation. Proceedings of International Conference on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineering Training. TCSET'2002, Lviv-Slavsko. February, 18-22, 2002, pp. 18-23.
  10. Filts R. Optimal strategy for modeling electromechanical systems // Bulletin of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". Thematic collection of scientific works "Problems of automated electric drive. Theory and practice". Kharkiv: NTU "KhPI", 2002, No. 12. Vol. 2. P. 428-431.
  11. Juri E. Sampled-data Control Systems. Publisher: R. E. Krieger Co (1 January 1977). 453 p. ISBN-10 : 0882755293; ISBN-13: 978-0882755298
  12. Tou J. T. Digital and Sampled-data Control Systems. New York, McGraw-Hill Book Co., Inc., 1959. 631 p. ISBN 10: 0070650853 / ISBN 13: 9780070650855.
  13. Smith J. M. Mathematical Modeling and Digital Simulation for Engineers and Scientists. Second Edition. Wiley-Interscience (May 12, 1987). 448 p. [ISBN-13: 978-0471085997; ISBN-10: 0471085995].
  14. Eliahu I. Jury. Theory and Application of the Z-Transform Method. KriegerPub Co, 1973. [ISBN 0-88275- 122-0].
  15. Moroz V., Holovach I. High-Speed Simulation of Electric Drives Using Modified Z-Transform (Old technique for modern purpose) // Proc. of International Conference on MODERN ELECTRICAL AND ENERGY SYSTEMS (MEES-2017). Nov. 15-17, 2017, Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, Ukraine. Pp. 300-303.
    https://doi.org/10.1109/MEES.2017.8248916
  16. Moroz V., Yanchak T.-M. The Influence of Limited Bit on the Implementation of the Transfer in Digital Systems // Electrical Power and Electromechanical Systems (SEPES), 2021. -Vol. 3, №1. - Pp. 74-86. DOI: https://doi.org/10.23939/sepes2021.01.074.
    https://doi.org/10.23939/sepes2021.01.074
  17. Moroz V. Zastosuvannya Z-transformation in the modeling of automated electric drives, Bulletin of the Lviv Polytechnic National University "Electric power and electromechanical systems", 2003, No. 487, S. 28-32.
  18. Moroz V. Analysis of the rational order of approximation for information recovery for discrete signals /V. Moroz // РІУ (Radioelectronics. Informatics. Management), 2008, No. 1 (19), S. 74-78.
  19. Kostinyuk  L.  Numerical-analytical  method  for  modeling  mechanical  systems  with  elastic  links  /L. Kostinyuk, V. Moroz // Mashinoznavstvo, 2008, No. 6 (132), S. 32-37.
  20. Kostinyuk L. Simulation of electric drives: Heading guide / L. Kostinyuk, V. Moroz, Ya. Paranchuk. Lviv: Vyd-wo of the Lviv Polytechnic National University, 2004. 404 p.
  21. Kostinyuk L. Mathematical structural models of asynchronous motors based on single-phase interfering circuits / L. Kostinyuk, V. Moroz // Bulletin of the Lviv Polytechnic National University "Electric power and electromechanical systems", 2008, No. 615, S. 46-50 [in Ukraine].