В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Кашагановой Алтынай Узакбайевны на тему «Усовершенствованные схемы управления на основе наблюдателя высокого порядка для синхронных генераторов с постоянными магнитами в системах преобразования энергии ветра» по образовательной программе «8D07102 – Автоматизация и управление».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Системного анализа и управления» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - казахский
Официальные рецензенты:
- Сугурова Лаура Алхайдаровна – PhD, ассоциированный профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация и телекоммуникация» Таразского университета имени М.Х.Дулати (г. Тараз, Республика Казахстан).
- Искакова Айгул Малдыбековна – PhD, НАО «Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева», ассоциированный профессор кафедры «Автоматизация и управление» Института автоматики и информационных технологий, индекс Хирша – 6 (г.Алматы, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
- Сарсенбаев Нурлан Садуакасович – кандидат технических наук, НАО «Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева», заведующий кафедрой «Автоматизация и управление» Института автоматики и информационных технологий, индекс Хирша – 4 (г.Алматы, Республика Казахстан).
- Кылышканов Манарбек Калымович – доктор физико-математических наук, профессор, Менеджер департамента науки, редких металлов и редкоземельных металлов АО «НАК « Казатомпром», индекс Хирша – 9. (г. Астана, Республика Казахстан).
- Зимин Игорь Викторович – кандидат технических наук, профессор, Проректор по науке, Академия цифровых инноваций (г.Бишкек, Кыргызская Республика).
Научные консультанты:
Сагнаева Сауле Кайроллиевна – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Системного анализа и управления» Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева (г.Астана, Республика Казахстан).
Марков Александр Владимирович – кандидат технических наук, заведующий кафедрой систем управления, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (г. Минск, Республика Беларусь).
Защита состоится: 17 июня 2026 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по специальности «8D07102 – Автоматизация и управление» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: https://teams.microsoft.com/meet/46525817636650?p=lYkhHGJEHcmxAZNvoh
Адрес: Астана қ., Пушкин көшесі, 11, №2 ғимарат, Мәжіліс залы (№222 ауд.).
Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы Кашагановой Алтынай Узакбайевны «Усовершенствованные схемы управления на основе наблюдателя высокого порядка для синхронных генераторов с постоянными магнитами в системах преобразования энергии ветра», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по специальности: «8D070102 – Автоматизация и управление» Цель диссертационного исследования. Научное обоснование, разработка и экспериментальная проверка метода синтеза оптимальной системы управления синхронным генератором с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок (ВЭУ), основанной на комбинации нового наблюдателя возмущений высокого порядка и линейно-квадратичного регулятора (LQR), обеспечивающей максимальный отбор энергии (MPPT) в условиях переменного ветрового потока и параметрической неопределенности. Задачи исследования. В рамках научного исследования сформулирован и последовательно разработан комплекс ниже указанных взаимосвязанных задач, обеспечивающих всестороннее и методологически обоснованное достижение поставленной исследовательской цели: проведение всесторонний обзор научной литературы по теме исследования; сформулировать подробную исследовательскую задачу систем оценки и управления скоростью ветра для ветроэнергетических установок (ВЭУ) на основе синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ); синтез нового наблюдателя возмущения высокого порядка для совместной оценки скорости ветра и аэродинамического момента с целью определения оптимальной скорости вращения турбины; разработать робастный закон управления на основе линейно-квадратичного регулятора (LQR), интегрированный с предложенным наблюдателем, для компенсации параметрических неопределённостей СГПМ и внешних возмущений. выполнить анализ устойчивости синтезированной системы управления на основе предложенного наблюдателя; провести верификацию эффективности предложенного метода путём комплексного имитационного моделирования в различных сценариях и выполнить сравнительный анализ с традиционными и современными подходами. Методы исследования. В диссертационной работе использовались математическое моделирование, синтез наблюдателей высокого порядка и LQR-регуляторов, анализ устойчивости по Ляпунову, компьютерное имитационное моделирование в MATLAB/Simulink и сравнительный анализ эффективности, теории проектирования, реализации, производства и эксплуатации, а также методы технических систем. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Синтезирована новый наблюдатель высокого порядка для совместной оценки скорости ветра и аэродинамического момента с целью определения оптимальной скорости вращения турбины (режим МРРТ). 2. Разработана робастная закон управления на основе линейно-квадратичного регулятора (LQR), интегрированный с предложенным наблюдателем, для компенсации параметрических неопределенностей СГПМ и внешних возмущений. 3. Выполнена анализ устойчивости синтезированной схемы управления на основе предложенного наблюдателя и LQR-контроллера. 4. Выполнена сравнительный анализ с традиционными и современными подходами, оценивая эффективность предложенного наблюдателя. 5. Проведена верификация эффективности предложенного метода путем комплексного имитационного моделирования работы ветроэнергетической установки в различных сценариях. Описание основных результатов исследования. В системах преобразования энергии ветра наиболее важной проблемой управления является получение максимальной мощности от ветра. Для этого генератор управляется так, чтобы следовать оптимальному заданию, которое пропорционально скорости ветра. Затем для измерения или оценки скорости ветра требуется анемометр или наблюдатель. В данном исследователе для оценки скорости ветра предложен новый наблюдатель, чтобы снизить цену и избежать шума датчика. Поскольку скорость ветра меняется случайным образом, типичный наблюдатель не может точно оценить ее. В результате проведенного исследования синтезировано оптимальный наблюдатель возмущения высокого порядка (HOODO) для улучшения характеристик управления ветроэнергетическими установками (ВЭУ) на основе синхронных генераторов с постоянными магнитами. Чтобы улучшить производительность управления была разработана усовершенствованная схема управления на основе предлагаемого наблюдателя и изучена их применение для управления ВЭУ. При проектировании предлагаемого HOODO аэродинамический момент рассматривается как возмущение, то есть снижая стандартных ограничений на характер возмущений. Так как неизмеримая скорость ветра и аэродинамический момент, который рассматривается как возмущения, оба изменяются быстро. В наблюдателя HOODO используется оптимальный алгоритм для систематического отбора выгод, то есть путем настройки диагонали весовых матриц коэффициенты усиления легко выбираются для получения удовлетворительной производительности. Ведь, стоит упомянуть, что правило настройки усиления является большой проблемой для большинства существующих наблюдателей. Существенным результатом работы стало разработка схема управления в сочетании с предлагаемым HOODO и линейно-квадратичным контроллером (LQR) для извлечения максимальной энергии ветра. Линейно-квадратичный регулятор (LQR) используется для поддержания угловой скорости генератора на оптимальном заданном значении скорости. Предлагаемый алгоритм управления LQR-HOODO способен обрабатывать неопределенности и шум модели. Также доказывается анализ устойчивости разработанной схемы управления. Для доказательства эффективности введенного метода оценки приведены сравнительные результаты HOODO под разными порядками, а также другими наблюдателями. Кроме того, для детального изучения предлагаемая наблюдатель HOODO исследуется на устойчивость, запуская 10 случайных симуляций с различными изменениями электрических параметров. Полученные результаты моделирования показывают, что HOODO имеет превосходную оценку помех. Все симуляции выполняются в программном обеспечении MATLAB/Simulink. Обоснование новизны и важности полученных результатов. Полученные в диссертационном исследовании результаты являются новыми с теоретической и прикладной точек зрения и направлены на решение актуальной научно-технической проблемы точного оценивания скорости ветра и обеспечения максимальной выходной мощности при наличии неопределенности параметров для целей отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) в области ветроэнергетики. В качестве новизны данной работы был предложен структура и осуществлен синтез высокого порядка оптимального наблюдателя возмущений (HOODO) для СГПМ, который, в отличие от традиционных подходов, не использует предположение о медленной изменчивости возмущения. Наблюдатель построен на базе теории оптимального управления (решение уравнения Риккати), что обеспечивает систематическую настройку его коэффициентов и позволяет точно оценивать быстро меняющийся аэродинамический момент. Сочетание этого наблюдателя с линейно-квадратичным контроллером (LQR) позволило создать новую, более эффективную схему управления. Практическая значимость результатов подтверждается результатами моделирования. Предложенные алгоритмы могут быть успешно внедрены в различные типы ветрогенераторов, что позволит повысить выработку электроэнергии, улучшить качество электрической энергии и снизить эксплуатационные расходы Таким образом, полученные результаты способствуют развитию теории и практики наблюдателей возмущения, расширяют методы анализа их надежности и создают научно обоснованную основу для их внедрения на ветроэнергетических установках. Соответствие направлениям развития науки и государственным программам. Диссертационная работа соответствует стратегическим государственным программам по развитию возобновляемых источников энергии до 2030 года с целью доведения их доли в выработке электроэнергии до 10%. Законы «О поддержке использования возобновляемых источников энергии», «Об утверждении Концепции развития электроэнергетической отрасли Республики Казахстан на 2023-2029 годы» требует решения ряда вопросов с применением новейших методик. Описание вклада соискателя в подготовку каждой публикации. Все научные публикации по теме диссертационного исследования подготовлены при непосредственном и определяющем участии соискателя и отражают результаты самостоятельной научной работы в области разработки моделей управления и алгоритмов для систем преобразования энергии ветра на основе теории наблюдателей возмущений. Соискателем самостоятельно сформулирована научная проблема, определены цель, задачи, объект и предмет исследования, обоснована актуальность применения оптимального наблюдателя возмущений в контексте модернизации системы преобразования энергии ветра в Республике Казахстан. Автором выполнен систематический анализ современного состояния в области управления ветроэнергетическими установками, выявлено основные ограничения существующих методов управления и определено области повышения надежности и эффективности метода управления системой преобразования энергии ветра. В публикации, индексируемой в международной базе Scopus, автором разработана оптимальный наблюдатель возмущений высокого порядка (HOODO) для точной оценки аэродинамического крутящего момента и переменной скорости ветра, не измеряя скорость ветра. Поскольку неизмеримая скорость ветра быстро меняется, аэродинамический крутящий момент, который рассматривается как возмущение, также быстро меняется, тогда традиционное предположение о том, что возмущение медленно меняется (т. е. его первая производная равна нулю), имеет вид непригодный. Предлагаемая конструкция HOODO учитывает быстрые и стохастические характеристики скорости ветра, ослабляя вышеупомянутое традиционное предположение. Более того, с помощью линейной теории оптимального управления параметры HOODO систематически настраиваются путем правильного выбора элементов диагональных весовых матриц. В этом исследовании также рассматривается компромисс между скоростью сходимости наблюдателя и способностью гауссовского подавления шума. Это помогает решить трудности многих существующих наблюдателей, касающиеся алгоритмов выбора коэффициента усиления. Также в статье впервые рассматривается схема управления в сочетании с предлагаемым HOODO и контроллером LQ. Чтобы максимизировать мощность, получаемую от ветра, используется линейно-квадратичный регулятор (LQR) для поддержания угловой скорости генератора на оптимальном заданном значении скорости. Также обсуждается анализ устойчивости разработанной схемы управления. Для доказательства эффективности введенного метода оценки приведены сравнительные результаты HOODO под разными порядками, а также другими наблюдателями. Полученные результаты моделирования показывают, что HOODO имеет превосходную оценку помех. В публикациях, в изданиях, рекомендуемых Комитетом по обеспечению качества в сфере науки и высшего образования Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан, рассмотрены методы управления синхронных машин с постоянными магнитами. Также исследованы системы управления для ветроэнергетических установок, ядро которой составляет синтез линейно-квадратичного регулятора (LQR) и оптимального наблюдателя возмущений высокого порядка (High-Order Optimal Disturbance Observer, HOODO). С целью верификации эффективности подхода (LQR-HOODO) проведён сравнительный анализ с рядом современных методов наблюдения и управления, а именно: с расширенным наблюдателем состояния (Extended State Observer, ESO) и классическим наблюдателем возмущений (Disturbance Observer, DO). Результаты комплексного имитационного моделирования демонстрируют, что связка LQR-HOODO обеспечивает статистически значимое превосходство по точности отслеживания заданного режима и оценки возмущений в сравнении с альтернативными стратегиями, такими как управление с активным подавлением возмущений (Active Disturbance Rejection Control, ADRC) и каскадная система на базе PI-регулятора с компенсацией возмущений через DO (PI-DO). Отдельным направлением исследования стала оценка робастности синтезированной системы LQR-HOODO к параметрической неопределённости объекта управления. Для этого была выполнена серия вычислительных экспериментов с вариацией электрических и механических параметров модели синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ). Полученные данные свидетельствуют о сохранении высоких показателей качества переходных процессов и статической точности при отклонениях параметров модели от номинальных значений, что подтверждает устойчивость исследуемого алгоритма к изменениям параметров объекта. Все математические выкладки, алгоритмические разработки, программная реализация, постановка и проведение вычислительных экспериментов, обработка результатов, их анализ и формулировка научных выводов выполнены соискателем лично. Во всех публикациях соискатель является первым автором, которой принадлежит ключевая роль в постановке научной задачи, разработке методического аппарата, проведении расчетов, подготовке иллюстративного материала и написании основного текста статей. Опубликованные научные труды логически взаимосвязаны, отражают последовательное развитие научной идеи и полностью соответствуют теме диссертационного исследования. Совокупность результатов, представленных в публикациях, подтверждает самостоятельный характер выполненной работы и существенный личный вклад соискателя в развитие методов управления синхронными генераторами с постоянными магнитами в системах преобразования энергии ветра на основе наблюдателей возмущения.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/-Tv0zhkNGx0?si=IwYXNoFMX74I5wCf
