автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Динамический анализ управляемых ключевых преобразователей

Московскийский ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетический институт

На правах рукописи

Соболев Леонид Борисович'

ДИНАМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ УПРАВЛЯЕМЫХ КЛЮЧЕШХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05. 09.12 - Гюлупроводниковые преобразователи электроэнергии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Московском ордена"Ленина и ордена Октябрьской революции авиационном институте

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГЛАЗЕНКО Т. А. , доктор технических наук, профессор СМОЛЬНИКОВ Л. Е. , доктор технических наук, профессор ЧВАНОВ К А.

Ведущая организация (предприятие) - АКБ "Якорь"

Защгга .состоится " 1992 г. в час.

в ауд. каф. Э1Ш на заседании специализированного совета Д 053.16.13 при Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетическом институте,105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул. , 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " " _;_ 1092 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Д 053.16.13 к. т. н., доцент

Буре И. Г.

;л. . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диссертация посвящена проблеме динамического синтеза управляемых ключевых преобразователей (УКП). Под "динамическим синтезом" понимается решение таких задач, как устойчивость процессов и положения равновесия, качество переходных процессов при включении и коммутациях нагрузки, инвариантность к возмущениям, обеспечение заданной формы переменных при различных режимах работы. Термином "управляемые ключевые преобразователи" автор объединяет широкий класс преобразовательных устройств, в которых формирование, стабилизация и регулирование переменных (напряжений, токов) осуществляется за счет управления состояниями "включено", "выключено" или обоими этими состояниями полупроводниковых управляемых ключей. Таким образом, к управляемым ключевым преобразователям относятся преобразователи постоянного напряжения, регуляторы тока, инверторы, управляемые выпрямители и т.д., т.е. любая электрическая цепь с управляемыми ключами, которая одновременно является системой управления. Следствием успешного решения перечисленных выше задач динамического синтеза обычно является улучшение массо-габаритных показателей, повышение надежности и КПД преобразователя.

Актуальность диссертации состоит в том, что существует определенное отставание'теории от практики динамического синтеза УКП, что, по мнению автора, объясняется рядом причин. Во-первых,- УКП представляют собой особый класс существенно нелинейных систем управления, в которых регулирование и стабилизация электрических переменных осуществляется за счет управления длительностью состояний полупроводниковых ключей. Однако, теория управления развивалась и продолжает развиваться в' основном как наука об управлении движением динамических (линейных и нелинейных) объектов, таких как летательные аппараты, различного рода механизмы и т. д. Это управление осуществляется с помощью непрерывных, импульсных или цифровых (при управлении от ЭВМ) сигналов, что определяет название соответствующих классов систем управления: непрерывные, импульсные, цифровые. Исходя из этого, в теории автоматического управления, в част-

ности, для нелинейных систем принята динамическая модель, в которой выделяется непрерывная линейная часть (НЛЧ) и нелинейный импульсный элемент (НИЭ), каковым может Сыть реле, ШИМ, ЧИМ, ФАПЧ и т. д. В рамках этой модели опубликованы фундаментальные работы по теории релейных и время-импульсных систем.

Несмотря на то, что УКП близки, на первый взгляд, импульсным системам , на что указывает , в частности, распространенность таких терминов, как "импульсный стабилизатор напряжения", "импульсный регулятор тока" и др., говорить об их тождественности неверно, и распространение методов анализа и синтеза нелинейных импульсных систем на УКП вызывает определенные трудности. Это обусловлено в первую очередь тем, что УКП не имеют в строгом смысле ни НЛЧ, ни НИЭ, поскольку импульсный регулятор лишь управляет полупроводниковыми ключами, которые в свою очередь коммутируют силовую цепь (объект управления). На этот факт было обращено внимание ряда авторов еще в 60-х годах, однако при динамическом синтезе преобразователей он не получил должного отражения, повидимому, из-за отсутствия аналогов в теории управления.

Во-вторых, существующие методы динамического синтеза преобразователей ориентируются в основном на "классическую" теорию управления, разработанную для линейных (или линеаризованных) систем. Этот подход получил отражение в работах В. П. Ши-пилло, В. И. Мелешина, Г. А. Белова и ряде работ автора данной диссертации. Для перехода к "импульсной" модели уравнения динамики преобразователя (силовой цепи и время-импульсного модулятора) линеаризуются в окрестности установившегося периодического режима, что позволяет перейти к традиционной структурной схеме линейной импульсной системы управления и воспользоваться известными методами анализа и синтеза таких систем. Близким к линеаризации является метод "усреднения", развиваемый в работах Д. Митчелла, Р. Миддлбрука и других авторов.

Эти подходы занимают важное место в теории ключевых преобразователей, и благодаря им удалось получить теоретическое обоснование положительного эффекта от ряда известных вначале из практики способов коррекции динамических характеристик. Однако, общим недостатком этих подходов является то, что получаемые на их основе линейные модели, как это следует иэ самого

■ способа их получения, достоверно оценивают динамические характеристики преобразователя лишь для "малых" отклонений от установившихся периодических режимов, ь окрестности которых проведена линеаризация или усреднение, и несут в себе методическую ошибку при синтезе процессов "в большом".

К' настоящему времени наряду с классической сложилась "современная" теория управления, основанная на работах Л. С. Понтрягина и Р. Беллмана. Эта теория ставит своей задачей оптимизацию движения системы "в большом" в реальном масштабе времени за счет конструирования соответствующего оптимального регулятора. Применительно к УКП ее можно трансформировать в задачу получения желаемых переходных процессов при "больших" возмущениях по питанию и нагрузке за счет оптимального управления полупроводниковыми ключами. Этот подход получил отражение в работах Г. И. Воловича, В. И. Завьялова, 0. К Соломаха и активно развивается в данной диссертации. Несомненной заслугой этого подхода является то, что он не имеет методической ошибки, которая изначально присутствует при использовании линейных моделей к анализу и синтезу процессов "в большом". Однако, предстоит еще большая работа по разработке критериев оптимальности процессов в преобразователях,_ алгоритмов нахождения экстремума функции качества, конструированию законов управления и другим вопросам временного синтеза. Все эти вопросы не могут быть решены без активного привлечения ЭВМ. Поэтому автору диссертации видится актуальным распространение на ключевые преобразователи (с учетом их особенностей, как динамической системы) тех идей и методов современной теории управления, которые помогают решить кардинальную проблему преобразовательной техники - повышения качества электроэнергии.

Цель данной работы состоит в развитии теории ключевых полупроводниковых преобразователей путем разработки нелинейных и линейных динамических моделей, их аналитических преобразований, разработки на их основе эффективных методов синтеза оптимальных (квазиоптимальных) переходных процессов и других динамических характеристик, анализа устойчивости установившегося и переходных режимов, методик синтеза корректирующих цепей и разработки новых схем с улучшенными характеристиками.

Для выполнения поставленной цели в диссертации решены

следующие основные задачи:

- разработана нелинейная математическая модель ключевых преобразователей, адекватно отображающая как динамические процессы в силовой цепи, • так и механизм преобразования управляющего сигнала в управляемые моменты переключений силовых ключей;

.- разработан метод синтеза оптимальных (кваэиоптимальных) переходных процессов в виде последовательности алгоритмических операций на нелинейной модели и дано математическое обеспечение этого метода;

- проведена линеаризация нелинейной математической модели с учетом управляющего и возмущяющего воздействий с целью получения выражений для анализа устойчивости установившегося режима, его чувствительности к возмущениям и синтеза в частотной области; ^ '

-обобщены известные и предложены новые способы коррекции динамических характеристик ключевых преобразователей;

- созданы на основе разработанных теоретических положений и методов синтеза устройства управления силовыми ключами, обеспечивающие улучшенные динамические характеристики.

Методы исследования. Для решения^ поставленных в работе задач использованы методы теории электрических цепей - при разработке динамической модели УКП, методы теории автоматического управления - при решении задач устойчивости, чувствительности и качества процессов, отдельные положения теории оптимизации - при формировании критериев, оптимальности процессов, методы цифрового моделирования и численного анализа -при разработке алгоритмов, составляющих вычислительную основу предлложенных методов динамического синтеза УКП.

Научная новизна. В диссертации осуществлено решение крупной научной проблемы по развитию теории динамического синтеза управляемых ключевых преобразователей для улучшения их технических характеристик. '

При этом получены новые научные результаты, выносимые на4 защиту:. .. г "

1) Динамическая модель ключевого преобразователя в виде электрической цепи переменной структуры и логико-функционального устройства управления (регулятора). развертывающего типа

- адекватно отражающая динамические процессы в силовой цепи преобразователя и механизм преобразования аналогового управляющего сигнала в последовательность управляемых переключений силовых ключей,

.- удобная для целей динамического синтеза в частотной и временной областях,

- суммирующая накопленный опыт синтеза устройств управления силовыми ключами и их коррекции.

2) Прямой (временной) метод динамического синтеза "в большом", включающий следующие основные этапы:

- разработка критерия оптимальности процессов "в большом" на базе требований ТЭ,

- выбор (обоснование) "стратегии" управления на интервале переходного процесса и определение оптимальной (квазиоптимальной) последовательности переключений силовых ключей,

- формирование закона управления (функции преобразования управляющего сигнала . в последовательность переключений), обеспечивающего выбранную стратегию управления.

3) Новые критерии оптимальности переходных процессов, стратегии и законы управления, предложенные для ряда схем ключевых преобразователей.

4) Аналитические выражения и алгоритмы, составляющие вычислительную основу разработанных методов и используемые в итерактивном режиме проектирования. .

5) Методика динамического синтеза 'на линейной модели, включающая такие вопросы, как устойчивость установившихся режимов и инвариантность к "малым" возмущениям.

6) Способы коррекции ключевых преобразователей, обеспечивающие существенное расширение области устойчивости и улучшение качества переходных процессов при "больших" возмущениях по питанию и нагрузке.

7) Новые схемы регуляторов, реализующие оптимальные (квазиоптимальные) законы управления.

Практическая ценность.

1) Полученные в работе математические модели управляемых ключевых преобразователей позволяют обеспечить решение задач динамического синтеза гак в частотной, так и временной областях при высокой точности результатов.

?.) Предложенный метод синтеза во временной области позволяет получить квазиоптимальные переходные процессы, недостижимые с помощью линейных или усредненных моделей.

3) Разработанная линеаризованная математическая модель позволяет решать такие важные для практики задачи, как расширение области устойчивости установившихся режимов и обеспечение инвариантности к низкочастотной помехе по питанию.

4) Предложенные способы коррекции время-импульсных модуляторов открывают возможность создания универсальных интегральных схем регуляторов, способных обеспечивать высокое качество динамических характеристик при различных возмущениях.

Ь) Разработанные методы динамического синтеза проиллюстрированы как общими примерами, имеющими важное значение для практики, так и применены при создании систем вторичного электропитания радиоаппаратуры и преобразовательной части бесконтактного двигателя постоянного тока.

6) На основании проведенных исследований выявлены причины возникновения дополнительных переключений в преобразователях напряжения с развертывающим 1Ш, причины провалов и выбросов выходного напряжения в переходных режимах, а также причины возникновения провалов и выбросов фазного тока в инверторе бесконтактного двигателя постоянного тока. Предложены устройства управления, исключающие указанные явления.

Реализация результатов работы. В результате проведенных научно-исследовательских работ с использованием разработанных в диссертации методик созданы и внедрены на предприятии ОКБ МЭИ система бортового электропитания и стабилизированные моду--ли питания для наземной приемно-регистрирующей станции. В этой работе решены такие вопросы динамического синтеза, как обеспе-■ чение апериодического запуска (а. с. N 675414, авторы Соболев Л. Б., Ковальков В. К.), инвариантность к низкочастотной помехе по питанию, малые выбросы выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки, согласование с работой телеметрической аппаратуры.

По заказу предприятия ВНИИ Телевидения (г. Ленинград) с использованием разработанных в диссертации алгоритмов и программ впервые проведено комплексное цифровое моделирование различных режимов в системе бесконтактного (вентильного) двигате-

ля постоянного тока с высокой кратностью пускового тока. Результатом проведенных исследований явилось создание привода компрессора с БДПТ, внедренного на указанном предприятии и устройства управления торможением при постоянном моменте на валу двигателя (а. с. N 1601722, авторы Конев Ю. И., Розно Ю. Н. , Соболев Л. Б.). Акты о внедрении результатов работ прилагаются.

Еще ряд схемных решений, реализующих научные положения диссертации, защищены авторскими свидетельствами, приведенными в списке литературы.

Разработанные .алгоритмы и программы нашли широкое применение в учебном процессе и научно-исследовательской работе кафедр "Теоретическая электротехника" и "Электрооборудование ЛА" МАИ, ряде учебных заведений и предприятий.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: V Всесоюзной меж-вузловской конференции "Теория нелинейных электрических цепей и систем" (Ташкент, 1975), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательнойтехники" (Киев, 1979), совещании-семинаре молодых ученых "Теоретические и прикладные вопросы разработки, внедрения и эксплуатации САПР РАЭ" (Алушта, 1979), II Всесоюзной конференции "Проблемы нелинейной электротехники" (Шацк, '1984), Межреспубликанской конференции "Методы и средства повышения эффективности информационно-вычислительных и управляющих систем (Севастополь, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции "Вентильное электромеханические системы с постоянными магнитами" (Москва, 1989), 'XIII и XIV Международных семинарах "Основы теории цепей и электромеханических преобразователей" (г. Гливице, Польша, 1990 и 1991 г.г.), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в энергетике (Киев, 1990), научных конференциях и семинарах кафедр "Теоретическая электротехника" и "Электрооборудо-' вание ЛА" МАИ (Москва, 1972-1991).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены более чем в 50 опубликованных работах, в том числе 11 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списгса литературы и приложений. Общий обтем работы 520 стр. , (02. илл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована научно-техническая проблема, решаемая в диссертации, сформулирована основная цель работы, показаны ее актуальность и практическая значимость для народного хозяйства, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе вводится обобщенная нелинейная динамическая модель управляемых ключевых преобразователей (УКП), которая в свою очередь формируется из модели силовой электрической цепи, моделей управляемых полупроводниковых ключей и модели устройства управления ключами (регулятора)С5-7]. Модель силовой цепи описывается системой линейных дифференциальных уравнений Кирхгофа, коэффициенты которых изменяются при изменении состояния ключей. Поскольку моменты изменения состояния ключей зависят от переменных силовой цепи, УКП, как система управления, является существенно нелинейной системой управления, что наглядно видно при описании ее разностными или дифференциально-разностными уравнениями. Вне зависимости от выбранной модели силовых ключей скачкообразное изменение коэффициентов силовой цепи при переключениях классифицируется в диссертации как "изменение структуры" (рис.1).

Дополнительно силовые цепи УКП разделены в зависимости от количества выходных каналов регулятора на одно- и многоканальные, поскольку для последних существует проблема согласования каналов (несинхронных ключей) в переходных режимах. В качестве примеров одноканальных УКП рассмотрены известные схемы понижающего, повышающего и квазирезонансного преобразователей постоянного напряжения (ГОШ). Обращается внимание, что'понижающий ППН, часто принимаемый за систему с постоянными параметрами, может быть принят за таковую, если питается от идеального источника напряжения (сети бесконечной мощности) и не имеет входного сетевого фильтра. В противном случае эта схема, как и другие известные схемы преобразователей напряжения и тока, следует рассматривать как системы "переменной структуры". Показано, что силовые цепи приведенных схем ППН могут иметь две,

- 11 -

три (в режиме "разрывного" тока) или даже четыре* (для квазирезонансного ППН) чередующиеся структуры в установившемся режиме.

Таким образом, одноканальная силовая цепь может быть описана следующей системой уравнений состояния (рис.1)

где X - вектор состояния силовой цепи, № - вектор воздействия, включающий напряжение питания и другие источники, - сопровождающие матрицы, индекс структуры. К этим уравнениям необходимо добавить математическую модель устройства управления (регулятора), которую можно записать в виде некоторой нелинейной функции

ф(х,й, ^Д) =0, (2)

где - управляемый временной параметр ключа, в качестве которого может выступать длительность состояния "включено", длительность состояния "выключено" или период работы ключа.

В установившемся режиме структуры повторяются периодически и в задачу динамического синтеза входит формирование заданного качества кривых (формы кривых, амплитуды и частоты пульсаций и т.д.), обеспечение устойчивости и нечувствительности этого режима к вариации параметров. В переходном режиме задачей синтеза становится обеспечение регулятором такой последовательности переключений силовых ключей, чтобы переходные характеристики были устойчивыми и отвечали заданным показателям качества.

В качестве примеров многоканальных УКП выбраны схемы, которые в дальнейшем используются в качестве объектов синтеза оптимальных управлений. Первым таким объектом является схема комбинированного преобразователя постоянного напряжения с двумя управляемыми ключами, который может работать в режимах как понижения, так и повышения напряжения в зависимости от величины входного напряжения. Автор выбрал эту схему по той причине,

Лтс.1. Динамическая модель УКП

зу

"Г

«ч

Логич.

бЛМ

и«

Г т И р

______I

Рис.2. Обобщенная модель устройства управления

что, комбинируя структуры в переходном режиме и используя предложенный им метод синтеза во временной области, удалось добиться качества переходных процессов, недостижимого в каждой из простейших схем.

Вторым объектом выбран бесконтактный (вентильный) электропривод, точнее его преобразовательная часть (коммутатор) в виде комбинации регулятора тока, трехфазного инвертора и обмоток электродвигателя, для которого автором впервые введена модель цепи переменной структуры Г 28]. Используя данную модель, автору удалось объяснить изменение формы фазных токов (в частности, появление провалов и выбросов) при изменении скорости и режима врещения. Силовая цепь этой системы содержит восемь управляемых ключей, которые создают различные комбинации струк-тутур при переходе от одного режима работы к другому.

Отличительной особенностью многоканальных УКП является необходимость в логическом блоке, координирующем работу каналов управления и, соответственно, в математическом описании этого блока. В общем виде работу логического блока можно описать логическим оператором

Ь ( X, Й. ---0, . (3)

где К - индекс канала управления.

На основании анализа множества известных схем устройств управления полупроводниковыми ключами предлагается обобщенная модель, которая более точно, чем широтно- и частотно-импульсные модуляторы 2-го рода, отражает процесс преобразования непрерывного управляющего сигнала в последовательность моментов переключений силовых ключей: Эта модель, раскрывая выражения (2) и (3), содержит наряду с традиционными плементами: суммирующим усилителем, интегратором (генератором "пили") и компаратором, дополнительные входные капали управления, нелинейный и логический блоки, которые выполняют функции корректирующих цепей при динамическом синтезе (рис. 2). Элементами нелинейного блока могут быть реле, перемножители и т.л., а логического блока - от простого триггера до сложных логических схем. Кроме того, данная модель учитывает возможность упрачл'1-ния двумя временными параметрами ключа (обоими состояниями или

одним у.ъ состояний и периодом). Примера подобных регуляторов известны из литературы.

Так, простой регулятор с одним управляемым состояниям "Екл.-очено" и дополнительными входными каналами управления (без мнолительных и логических схем) описывается следующим общим уравнением

и+е;

+ = U)

ст

где К - вектор-строка весовых коэффициентов при основном и дополнительных (корректирующих) сигналах управления. Из этого общего выражения можно получить такие способы коррекции, известные из зарубежной литературы, как "current-rnode", "feedforward", а подобный же корректирующий сигнал, введенный слева от знака равенства (со стороны интегратора), позволяет получить в виде частного случая другой способ коррекции, получивший название "current injection". Таким образом, каждый новый ьакон управления, улучшающий динамические характеристики УКП, можно трактовать как новый способ коррекции. В этом плане предлагаемая обобщенная модель может послужить основой для разработки универсальных интегральных схем управления, позволяющих вводить тот или инои корректирующий сигнал в зависимости от требований к динамическим характеристикам.

На основании исследований, приведенных в первой главе делается вывод о необходимости принятия в качестве динамической модели УКП комбинации выражений (1) и (2) или (1)-(3) (для многоканальных УКП), а в качестве задачи динамического синтеза - формирование аналитического описания регулятора в виде выражения (4) (или более сложного выражения) и определение его Бесовых коэффициентов.

Во второй главе предлагается метод синтеза процессов "в большом" во временной- области, который проводится на динамической модели, описанной в главе 1, и включает оптимизацию переходных характеристик по некоторому выбранному критерию, проверку устойчивости движения переменных силовой цепи прямым методом Ляпунова и конструирование регулятора, обеспечивающего как можно лучшее приближение к оптимальным переходным характе-

ристикам [15].. Несмотря на сложность и трудоемкость предлагаемого подхода, требующего проведения ряда вычислительных процедур, точность результатов зависит исключительно от адекватности цифровой модели преобразователя и точности самих вычислительных процедур, т. е. в подходе не заложена методическая погрешность, свойственная методам синтеза по линейным моделям. Предполагается, что на предыдущих этапах проектирования выбраны структура (топология) преобразователя, параметры силовой цепи, частота переключений в установившемся режиме и вид аналоге- временного преобразования (ШКМ, ЧИМ). Необходимо выбрать и рассчитать цепи коррекции время-импульсного модулятора, так-чтобы обеспечить наилучшие (в некотором смысле) переходные процессы в лор,ой цепи при "больших" возмущениях.

Прямой синтез "в больном" проводится в несколько этапа. На первом этапе выбирается (формируется) критерий оптимальности процессов. Далее для заданного набора возмущений (запуск, броски питания, броски тока нагрузки) проводится численный расчет оптимальной последовательности переключений силовых ключей на основании выбранного критерия качества переходных характеристик с ограничениями, накладываемым,! на переменные силовой цепи и время переходного процесса. "Эта задача, как правило, не имеет аналитического решения и предполагает наличие определенного вычислительного алгоритма оптимизации и решения граничной задачи для моментов переключений. Конечной целью этого этапа является получение оптимальной (квазиоптимальной) последовательности переключений в переходном режиме (или набора последовательностей для нескольких режимов). На третьем этапе осуществляется синтез закона управления, обеспечивающего найденную выше последовательность переключений и вхождение в желаемый установившийся периодический режим переключений, и конструирование регулятора.

Смысл оптимизации переходных процессов поясняет рис. 3. На нем показаны четыре переходные характеристики выходного напряжения и тока дросселя в простом понижающем ППН с однозвенным LC-фильтром. Кривые 1 соответствуют оптимальному двухинтер-вальному процессу, в котором критерием качества является отсутствие перерегулирования выходного напряжения и максимальное быстродействие. Однако, кривая' тока имеет характерный

ппппппппппппгуп

-аяер

т ппгтппппгтггп ±

1

I—I

•1ПППТТП

чппп пп пп ппп ппп ппппгтгтпппп

б)

Рис.3, а - Оптимальные переходные процессы в понижающем ГОШ для различии* критериев качества, б - соответствуют«-последовательности переключений силового ключа

большой выброс. Если на величину этого выброса наложить дополнительное ограничение, то оптимальными станут кривые 2 или 3, которые сформированы большим, чем кривые 1, количеством управляемых интервалов. Наконец, если потребовать полного отсутствия перерегулирования как напряжения, так и тока, то оптимальными станут кривые 4 (самые худшие по быстродействию), которые можно получить только за счет многоинтервального управления. Таким образом, критерий качества (оптимальности) переходных характеристик определяет оптимальную последовательность переключений силового ключа, которая в свою очередь формируется законом управления.

Критерий оптимальности может содержать как координаты силовой цепи, так и временные характеристики процесса, и'формируется исходя из требований технического задания в виде некоторого функционала качества и набора ограничений. Среди простых критериев качества процессов, связанных с динамическими требованиями к УКП, наиболее полезным представляется критерий минимума среднеквадратической ' ошибки. Если за конечное состояние переходного процесса принять установившееся значение X*, то значения-Е^- X"-X-L( i-1,2,... ,N) представляют собой вектор динамической ошибки, в который можно включить (с определенными весами) все переменные, для которых требуется получить наилучшие (в некотором смысле) процессы. Для дискретных систем простой критерий минимума динамической ошибки можно записать в виде

Ij _ • _

J-Z^Q Ёс,—min, Ei-E(ti), i-1,2,. ,.,N, (5)

¡.ч

где Q - положительно определенная, симметричная матрица. Если же поставить дополнительное условие достижения установившегося значения за минимальное время, т.е. добавить требование максимального быстродействия, то получим комбинированный критерий

п ы

J - ( Z EtlQ Ё^ -»min, i-1,2,... ,N, (6)

f L Vt

где 0i- управляемый интервал (состояние) на периоде работы ключа, kj- весовой коэффициент.

- 1С -

Н:-конец, можно поставить условие достижения координатами силовой цепи устаковигакся значений га минимальное количество перохляч&ая?., что облегчает последующее фюрмирование закона управления и реализацию регулятора,

J - (2 ZTlQ El+¿2N ) — rain, i-1,2,. .. (7)

где ÍJ - количество переключений на отрезке времени переходного процесса, весовой коэффициент.

Критерий быстродействия не играет, как правило, для УКП той Сольной роли, как в системах управления движением ЛЛ,и поэтому в диссертации не рассматривается. Не рассмотрены также энергетические критерии качества, поскольку они б основном связаны с минимизацией массо-габаритных показателей.

Дснъзнио (переходный процесс) является устойчивым "в больно!/,", если после его окончания переменные цепи приходят к желаемому положению равновесия. Для УКП таким устойчивым положением равновесия обычно является простой периодический режим с эдышоЛ частотой nepei'ji.wieHип. Для оценки устойчивости "в Сольном" в к«л:шейных системах используются клк прямые, так и косвенные методы. При синтезе переходных процессов во временной огЗласти целесообразным представляется использование второго (прямого) метода Ляпунова в том виде, как это предложено Б. М. Кунцеьичем, с необходимой поправкой, на переменность структуры силовой цепи, сделанной в работе автором. При этом предлагается включать в,функцию Ляпунова только те переменные, ко-торы-'- входят в критерий качества процесса или участвуют в формировании закона управления.

Итак, функцию Ляпунова записываем в виде положительно определенной квадратичной формы

V-- Е[Р Ё-, 1-1,2,. ...N, (8)

где Р - вещественная, положительно определенная, диагональная матрица, I - индекс интервала управления. Матрица Р может совпадать с матрицей Q в критериях, приведенных вьш:е. Эта функция соответствует определению функции Ляпунова, что позволяет использовать ее для оценки устойчивости "б большом" и асимпто-

тической устойчивости "в целом", где под "большой" областью подразумевается область допустимых значений переменных. Первая разность вдоль траектории процесса имеет вид

Преобразователь устойчив "в большем", если первая разность, взятая в соседних точках переключения, определенно отрицательна на всех интерватах управления

ДЛ< о, Ос (10)

где - длительность 1-го интервала управления, - время

переходного процесса. Кроме того, преобразователь устойчив "в целом", если дополнительно

¿'/¿-о, £г о, 1-„>1П(.р, (И)

т. е. переходный процесс переходит в желаемый периодический установившийся рохкм. Таким образом, численный алгоритм минимизации квадратичной формы вектора динамической оскбки путем оптимизации интернатов управления дополняется вычислением первой разности функции Ляпунова и проверкой ее отрицательности в тех же точках.

Наиболее сложной процедурой прямого синтеза "в большом" является следующий этап, заключающийся в вычислении оптимальных последовательностей переключений при различных возмущениях. Эта процедура с вычислительной точки зрения весьма трудоемка, однако, ее можно существенно упростить, если придерживаться предлагаемых автором алгоритмов ("стратегий управления"). Первый из этих алгоритмов заключается в последовательном увеличении количества интервалов управления (размерности вектора 0),начиная с одноинтервального. Практически этот алгоритм реализуется следующим образом. Известны начальное (Х0) и конечное (X*) значения переменных состояния. Необходимо найти такое Ь (9®), которое переведет переменные из начального состояния в конечное за одно переключение. В преобразователях с од-нозвенным ЬС- фильтром это всегда возможно для одной из пере-

мэнних (например, выходного напряжения) и полученные процессы является в то же время оптимальными по быстродействию. Однако, может оказаться, что они не удовлетворяют ограничениям на перерегулирование для другой переменной (тока дросселя). Тогда последовательно увеличиваем количество интервалов управления, добиваясь уменьшения перерегулирования тока дросселя до заданного уровня. Каждая последующая итерация увеличивает размерность поиска, однако, каждая предыдущая итерация дает хорошее начальное приближение для последующей. Процесс считаем оп-■ тимальным, когда требования к качеству кривых удовлетворяются за минимальное количество переключений.

Если порядок силовой цепи велик и не удается получить желаемые процессы за малое количество управляемых интервалов, автором предложена другая стратегия поиска оптимального (квазиоптимального) процесса. Эта стратегия достаточно просто реализуется в том случае, когда из трех параметров (двух положений ключа и периода его работы) только одно является управляемым. Для этого управляемого параметра задаем простые регулярные законы изменения (постоянный, линейный, квадратичный, экспоненциальный и др.) и ищем наилучший (оптимальный в некотором смысле) процесс для выбранной стратегии изменения управляемого параметра. В простейшем случае таким оптимизируемым параметром является относительная длительность замкнутого положения ключа у0- 0°/Т при постоянном периоде Т(ШИМ-управление) или оптимальный период Т -£°Эпри постоянной длительности замкнутого (разомкнутого) положения (ЧИМ-управление). При линейном законе варьируется начальное значение и скорость изменения управляемого параметра. Выбор той или иной стратегии управления обычно удается обосновать с помощью энергетических соотношений, записываемых для обоих состояний ключа.

Следующий этап синтеза состоит в формировании закона управления (нелинейной функции аналого-временного преобразования) , обеспечивающей найденную выше оптимальную последовательность переключений. При этом, если регулятор описывается аналитическим выражением типа (4), то в задачу синтеза входит выбор переменных для одной или обеих частей равенства (4) и расчет весовых коэффициентов, которые обеспечили бы оптимальные (квазиоптимальные) последовательности переключений при

- .. * -

всех возможных вогмуц^нкях.

Нормирование закона упршикния (ц-скгЛ чг.рр-ж!, •:;) л; •. : всего проводить Формальным пут^м, псч-'л-гдо^агельно •:: кон управления и проводя кажд!:;": рал чиол^илуп о:.\;:у . ••■ коэффициентов при переменных. Оче.-.идчо, чго 41 ч ..• • •. \> простейший закон управлении г.о стклон-гь;;-) П!>-:;.!ПД з- г- :л от опорного значения, который обычно не оО.-л-.-чльл-; л >•>•.-:••••••• •:

переходных характеристик. Ц-зсл-;допч?<;хььо ьеоля цо;-'.-.- п-/ л-ные (например, простой или комСкиздоьышьЗ : и,;:| "-.гг- .сг •■" J.■-равления) оставляем'те из них, котсрлк пр.".л;--.-л-оптимальным и не ухудшают при этом других -

как устойчивость установившегося режима, ст.-.гп'-гклл т и др. Может оказаться, что процессы, оптку «лью:; л;.л .•:• • Еида возмущений (например, по питаний) Н" о£>--с:>,-чи5-лг -ных требований по другому возмущению (броску то:-ла » .

Нормирование закона управления можно считать т л

да выполнены все тробовантия технического гадай.::; г. ¿.н ческим характеристикам и переходное процессы так ы,л;о " близки к оптимальным.

Третья глава посвящена раз работке ч&стшэс м-.то,г;'д: -''»'н-теза корректирующих устройств для УКП с оскскшшв-ьум уьг-нием. Эти методики базируются на прямом (г<р*мг-нном) •/.•а*;..- и рамках описанных вьш критериев кач*ст1 х прсц-.осоь и :.,",-"» женных "стратегий" управления. НанСол-.-е проотоЛ ис этих ; т,т! является получение оптимального переходного ги сцесса дг 1 ходкого напряжения ГШН за два интервала ("г-кдкчоно" и "о чело") с одним переключенном силового ключа [13]. Реис-нп-задачи показано на примере схем поа-л-аювйго и псоь-лакллоло !:,:•? с однозвенным ЬС-фильтром в реумах запуска и с-бролл---'Л;Г:. >/: нагрузки. Отметим, что при этой стратегии к. г;--.-л: > присутствует перерегулирование тою дросселя.

В этой задаче известны начальные и конечные эначсшп сС..-их переменных состояния (выходного напряжения и Сока д{ их-. •• ля), требуется найти оптимальный момент переключения и об сличить этот момент за счет цепей коррекции. Так как г.ереу^--я:е: !•_• ь переходном режиме описываются трансцендентными (экспоношюгть-ными или гармоническими) зависимостям:!, то эта задача мл:*;.-л

•VíbU A Kl ЧГСЛ'ЛИ'Ш МеТОДОВ. Пример Т0КОГО решения г; ■;■.■'... l- -л:':i

' г ■ •;':■■!момента пореключе.пил и ■':■•■:•)..'..: i._-t v;:¡:::,.-: г мем-.-нт переключения остается с^ормиро-" •. i упр.й.мжд. KDTOpbií: обеспечил 6« переключение см. tve клачч в íngvtKíi«?. мэмои? времени. Б качество исходной t'>: ,.p¡ :k:.!¡ Он sairaft} сксюуп рассмътршттся система с управ-гслыто no р.зоег;:у?01Ы|Ив или с традиционной коррекций с..-..:"..'.;),-о vít.t.it'-'.':.! L"?.!. Така1. система за счет выключения up:: ьудтьоч рассогласовании обязательно вызывает выброс "¡ih.-.r.vü.oro vi.-.оная при запуске и колебания при соросе-набро-н.'-.груьу:.'„ ¡¡оказаны два способа коррекции (и устройства уп~ р-д:,¡;, гту задачу. В первом случае необходимое

уг;-..-.'V'Hn: <„kvj;i?ch с помощью параллельного релейного канала, hj.-:ri.'Oit::.oro ка срабаиггакке при заданном уроиие управляющего ci'.rcüü i 48:. Бо втором случае реализуется уравнение (4) в виде ;:ыкона управления

6 = «oLU - к,ивьи - , (гг)

где С ~ выходкой сигнал суммирующего усилителя, i - ток кон-

V

Дексатора. дополнительное слагаемое в праьой части последнего' У1«ан>ль:я ьноскт неооходимое временное упреждение в СрабаТЫ-

Вс.НИе

Дьух'.ттервальноё управление обеспечивает также апериодический сапуск для другой простейшей схемы ППН - повышающей, хотя вид переходной характеристики выходного напряжения изменяется, а выброс тока дросселя увеличивается по сравнению с понижающей схемой. Однако, изменив критерий качества и, соответственно, стратегию управления можно полностью убрать и этот выброс.

Для иллюстрации эффективности предложенной стратегии многоин'гервалыюго управления также выбрани два примера: по-ни.улющий ГШ с • двухзвенным LC-фильтром и обратноходовой ППН. С помощью энергетических соотношений установлено, что апериодические (или близкие к ним) переходные процессы в этих ППН как с однозвенным, так и многозвенным LC-фильтрами можно получить с помощью стратегий управления, реализующих

простые законы изменен!'.; дл;1те.~1-но.:тей ~-yzvz с. . ■••■■■:■ \

ключа. на периоде пер-ход: огз процесса. к:ч-ч:чг, ч:с . г запуска для псниул'-.д'.-й схемы тччоч е:г^?егл-ч: •

ленная постоянная относите/:1 нал /;лител:Н.л;;з -lí--'ü-i o; v .■■■■'.■ янил ключа, не совпалан.и:; ь случче о у;; :чч у- ;ч " v

значением этого параметра, а для и

схем («ждочдо обротиохэдэьей П НО - ."¡н«<. s::.r. о.- относительной длительности с некотор;:'.::: олтлу ;лг и:::-;- ; лч ч-тами линейной зависимости.

Ллл пояюдов) го 1ТГПI о .••ítiriM LO- : •; p.-v

требуемую стратег,'-:- упглгл-ьлл ча интс-7 лоч;-х-;х: ; > :ч-ч-цесса обеспечивает закон ;/да

S = к0и0л ->с,и.аых-кл0с, -

Пркнципиальаал схема соответствуй;-? го устр^Логг-а улг<и,:: рассчитанные на мэдчлн крлпх череходнчх-: с~л: :г.л-

ленпке затем с l-r.oi:-.-i-тглъл':.;;.1.;данлчм;;. np/i-vi ; \ '. В этом примере были ?.1!C>-%h¡i с.'к-дукьннч-.-нля n.i;.- '.'.riv:- с-:: ЛОЬОй Ц'. ни: L,- 0.16 иГ, С,- ICO мкТ', 0.1 мГ, RH- 2.5 См, Un - 30 В, Г " 50 кГц (::;!:.!-ухч .;:•"•), У" • -Рассчитанные гиалиты ко~'у.'ицп-''.:п'ов z (1-3) /.".л зтхх ла--:м--ччч-1 5ИДОКОЙ цепи: к0 - \ , к, - Ол-2, к2- К.?„ к ¡ - 1. í;.

Для обратноходо;ого ППН (рис. 5) т;-.-0у.-:сл р,. друг Ir :тратегия (линейное нарастание отчос'.к^дшой д.г.г:>-л1.»ч-:: эта стратегия ревизуется гьеденпеч л a?-'.-:c:¡ упра^-ч-лил г.-^л:. .---мюи;ей тока гк-рьнчнон оО,тки

\",o юг^.'ищк'нтн загасят от ¡.а: троп оллселч :;:хн :: г/ууг 1рикимать как нолохиг'-лълке, так и с/члл^гелгчг; .ч-ач-'-плл. к .л ¡том последнее слага-мче в ъчр.-^ч ллл (II) сбеопечш а-т у••:?■• 17/. гнтность к изменениям нагрузки. ?::лл:чпе крл:;:; nvp .Х'лнчл 1рсцеесов запуска при ои:и-ш!,й:м vправлении так:-;; пекачллп чч )ис. 5. В диссертации пркг-денк конкретные прлмчрн коэффициентов для последней схемы, проведенные на ЗЕМ и полу-швшие подтверждение экспериментально.

Ь,

О"

тугхга

ъ

ь и0п

и г «£о -1

Л ГТИ

п "Г

• И 1НГ Ч

:.4. а - 1!р»заг.пк^гьчая схема понккшззго ППЯ с двух-зг.спи": 1_С-'.;и:ьтт}ом к квазгоппшальяш регуляторе;.:, 6 - переходное характеристики (1,2-иапряжония конденсаторов, 3,4-то;:и дросселей).

_ ____ 2 *>

1ч

к.

Х?тО и

ч_в

п.

I—исп

¿с

гти

и»н* ч 2

О,? 1.0 1.У 2.0

Рис.5. а - Принципиальная схема обратноходового ППН с квазлоптк.'.альншл регулятором, б - переходные характеристики (1-выходное напряжение, 2-ток дроссель-трансформатора, -Ь*.- момент коммутации нагрузки).

В приведенных выше пример:-.х требуеу^л стратегия и;»'-.я :'Я относительной длительности обеспечиваюсь :'.•".'■ •

тельных каналов обратной связи.. Однч-'.о, l д;*.сс j>r'c::;: .-глч еще один способ получения "мягкого" иэдускч [Я:.:]. •?.-.••.<

заключается в формировании х-нуглп изк-:1ь:г.!Д но ¡ ;■!.'-•::.' ¡¡ -го напряжения, обеспечивающего требуемую с:pa:er;:.\ упр.*- ...•>!.!.:. Для понижающей схемы такси стратеги: ,": является ".як-.а i относительная длительность, которая реализуете я с д:-

полнительной коррекции кана-.а опорного напряжен;:-а

Четвертая глава диссертации посьнг.-: на pw::; ос-. ;•••.»•• -г.» временного метода на УКП с маоюкдоедышм (ьектсрг.Ы:'; нием, когда требуется введение логического блока дл:-: к ции работы канаков. Показаны те дополнительные on-.-p-j;:v, :•:•:•:•-•-рыв требуется провести при реализации прямого ме:с,;а в -гсм случае. В частности, ¡юявллетсл нсобходкюоть ъ tar/a

выходных каналов с помощью логических уравнений и, с? /.• 1-?-ственно, логических схем, т.е. привлечении мчтод'^'.! сн\:•: '•. логических схем.

Кроме того, при векторном управлении ;-с.".о>;-:-;-тел ци-; с-.-л модель системы и, соответственно, возникают некстсг■■ т лительные проблемы. Далее, ъ виду наличия нескольких уг; wjj-емых ключей добавляется многовариантность выбора аыгсг и; '.:■! чередования переключений этих ключей и появится пег;»;•'::>•••.•?i. во введении в критерий качества слагаемого, учитывак^-яо сложность реализации. Наконец, из-за мнстоструктурности <r/.-».j с векторным управлением переходный и установившийся р'-хпм:! ;; л'ут сильно отличаться порядком чередования структур и, ел- у;ьа-тельно, динамическими свойствами, что затрудняет или г,;'•>/. лает невозможным использование линейных моделей.

Решение этих проблем илллюетрируетсл на двуя врачах. В качестве первой задачи взята схема комбинированного ПШ с- двумя управляемыми силовыми ключами, способная работать в r.e.\v.s'-.{ как понижения, так и повышения напря;чения в зависимости от величины входного напряжения. В эту схему введены два дополнительных транзистора и логический блок, координиру-работу ключей. Такое усложнение силовой цепи позволяет реиить проблему провалов и выбросов напряжения при скачкообразных ызменсни-

- 26 - ' . r.r¡ у.«,;;:, тог;;;-; она и.- »¿дет быть решена за счет управления -.-.!% ьгм*. ([«с. 6) 1103. Фактически, здесь за-

у. :т ■'■¡■:а- и,-,-.у и энергии в сеть, активно кспользуе-

V.: :i ri':';'0¡:;'.'i-огл'.

Ух:-:ч а.1:, о; ;:i mü р:Лоты усложненной силовой цепи в пере-v.;:v у о,;ин по Э1кх алгоритмов мокет быть описан сле-

А опт.••■,',. í: лог/чески* уравнений

¿/5= ОС, ОС г. (15)

где >:r х2, l: - входные , у,, уг> у3, уч- выходные сигналы ло-гк'->.-';кого блока. Принципиальная схема регулятора приведена'на г.к:-. Ь, а подходи!« процессы при сбросе-набросе нагрузки - на рас. 0. 3 /диссертации приведены так*» другие предложенные автором схемы векторного управления в щщ для улучшения качества п'.реходппх процессов [43,00,511.

3 качестве второго примера решения задачи векторного yn-par.;:\'н;:я приведена методика построения алгоритма торможения и его реализация в бесконтактном (вентильном) двигателе с высокой кратностью пускового тока. Преобразовательная часть такого привода содержит двухключевой регулятор тока и трехфазный инвертор. В работе решается задача синтеза во временной области алгоритма торможения и конструирование схемы управления (регулятора) [53]. Дается обоснование выбора данного алгоритма, последовательность чередования структур, условия перехода от одной структуры к другой в процессе торможения. Приводятся уравнения логической части регулятора и их практическая реализация.

Пятая глава посвящена войросам получения линейных динамических моделей'УЮТ из общей нелинейной модели и решение на них тех задач динамического синтеза, для которых эти модели действительны. Строго говоря, круг этих задач ограничен исследованием динамических характеристик в "малой" окрестности того установившегося режима, для которого проведена линеаризация

Y,

y.

б)

-fr titt

Гг^.

0.Î 4.0 4.5

в)

• t(H

Рис.S. а - Прзялкгаиаяая схсла :;с:.:й::нгрс?.ал-ого ГГЛ с

дополплто.чья^и Ti-ипз'.сгсрб - exert1: wicw.ui-логического tí-o:ta '>ог/.*--'7ора, в - пзре.ход-пг-з х теркстшси при сбиосе-нг.бросе нагэузкп (njn'tnrxn показали характеристики без доло.тглтелкшх у-ае'.'-).

■/;■ л (1) и (Я'). Такоьими задачами могут быть исследование уото.гчкнлгги устоновиюм'ося режима и, соответственно, расши-устойчивости с ц'-лыо повышения коэффициента уси-.>•:-.;«: cixrfvmii, ksjv/cteo процессов при "малых" возмущениях и оТсаг.-гЧ-я»» ".пи ариантиоети к этим возмущениям. Однако, практика пелчеы^ает, что результаты, полученные для линейных моделей, иногда выходят за рамки только "малых" отклонений и поз-ьол.-.ьт также делать качественные оценки процессов "в большом".

•"Vn/'Cïfywr два основных подхода к получению линейных моделей: усреднение коэффициентов сопровождающих матриц и линеаризация разностных уравнении в окрестности установившегося периодического режима. В диссертации используется второй подход, который сложнее первого, но дает более точные результаты. Для системы (1) двухструктурной силовой цепи разностное уравнение привиу-ыт вид после "сшивания" решений для отдельных структур

НаН,Хм + Нг&, frt , (16)

где Ъхы.х - X (М, т>АА. Ht» ехр ^(nT+Q*),

G,- AV ( Н,-1) В, W, &г= Al' (Нг-1)ВгЙ, Он.- длительность управляемого состояния ключа, I - единичндя-МАтриЦА.

Линеаризация этого уравнения совместно с уравнением (4) в окрестности 'простого периодического режима

= Эг. = ет (1?)

позволяет получить линейное однородное разностное уравнение в вариациях

- О, (18)

гдо

M -- Н^НГ- cl* H?(i- А1А;')НГВ,й) +

(Здесь "звездочкой" обозначены матрицы, соответствующе параметрам установившегося режима).

Согласно критерию Шура-Кона (дискретному аналогу перього метода Ляпунова) для устойчивости исследуемого периодического режима необходимо и достаточно, чтобы характеристические числа матрицы М лежали внутри окружности единичного радиуса, т.е. по модулю были меньше единицы. Сходные выражения получены в диссертации для других типов управлений (ЧИМ, релейного управления, <МПЧ) и опубликованы в работах 12, Л, 171.

Показано, что данные линейные модели могут быть использованы для целей динамического синтеза, в частности, для исследования устойчивости. При этом в выражении (-1) варьируется матрица-строка весовых коэффициентов <т, а затем строятся области устойчивости, как например, зависимость предельного коэффициента усиления от параметров фильтра. Как видно из приведенных. выражений, данный подход моа;т быть реализован только с помощью ЭВМ в итерактивном режиме. Результаты подобных исследований опубликованы в С 26].

Недостаточная наглядность метода 'Шу'ра -Кона для синтеза на линейной модели заставила автора диссертации обратиться к методу логарифмических частотных характеристик (ЛЧХ) [3,9,П7]. Для УКП частотные (точнее псевдочастотные) характеристики соответствуют определенному установившемуся режиму, т. е. Формально действительны только для "малой" окрестности этого режима. и для их построения необходимо знать параметры этого режима.

Синтез с помощью частотного метода включает ■ сЛ''-дую.;ц1е операции: 1) определение параметров периодического режима, для которого проводится линеаризация, 2) получение линеаризованных разностных уравнений силовой цепи и регулятора,3) преобразование линеаризованных разностных уравнений в дискретную передаточную функцию, 4) построение частотных характеристик по передаточной функции линеаризованной системы, 5) коррекция частотных характеристик за счет дополнительных связей или другого способа коррекции регулятора.

В диссертации эта задача решена для систем стабилизации, для которых уравнения силовой цепи и регулятора линеаризуются для возмущений по опорному сигналу и по питанию. Соответствую-

- Г.0 -

:«• для гл-р.-йнточкои Функции стабилизатора иапряХе-

::-. с ленп''М отл/.ча»л'ся только столбцевыми матрицами

На базе предложенного ранее автором метода преобразования разностных уравнений (метода последовательного смещения на интервал) [29] разработан алгоритм вычисления дикретной передаточной функции линеаризованной системы, который позволяет от матричных уравнений (19) или (20) перейти к стандарной форме пер'.-даточной функции в виде отношения двух полиномов в г-фор-ме. Еея методика построения псевдочастотных характеристик подробно описана в С 9].

Показано, что на базе линейной модели можно проводить компенсацию низкочастотной помехи по питанию, которая реализу-. ется с помощью подачи компенсирующего сигнала на один из входов регулятора. Автором исследована, возможность компенсации помехи путем подачи компенсирующего сигнала, пропорционального возмущению по питанию, на вход интегратора (генератора пилообразного напряжения) и на вход суммирующего усилителя в виде дополнительной связи. Получены аналитические выражения, определяющие величину компенсирующего сигнала для основных схем преобразователей постоянного напряжения с учетом типа регулятора и способа введения компенсирующего сигнала [12].

В шестой главе приведены некоторые результаты моделирования, машинных расчетов й экспериментального исследования ключевых преобразователей систем вторичного электропитания и вентильного электропривода. • Теоретические вопросы моделирования рассмотрены В первых трех главах, так что в этой главе приведены результаты, которые показывают дополнительные возможности алгоритмов и методов, предложенных в диссертации. Так, при численных расчетах точных значений переменных в

Рпс.7. а - Пргншнитзльяая схема ЦдаТ, б -

фазншс токов при разлэтя:сх скоростях вращения

установившемся режиме, необходимых для проведения линеаризации, открывается возможность вычисления пульсаций на всех эл-лементах фильтров С 20]. Отмечается, что приближенные формулы, полученные и.з гармонического анализа, могут давать существенную погрешность в определения амплитуды пульсаций.

Анализируются причины и форма возникновения нежелательных устойчивых колебаний в ГШ при введении дополнительных корректирующих обратных связей. Показано, что неустойчивость установившихся колебаний, качественно определяемая по линейной моде-, ли, на временных диаграммах отвечает переходу на новый устой-, чивый периодический режим' с частотой выше или ниже рабочей частоты ПШ. Анализируются также некоторые особенности построения логарифмических частотных характеристик.

В диссертации приведены также результаты комплексного исследования процессов в БДПТ с высокой кратностью пускового тока (рис.6а). Показано, что только с использованием предложенной автором модели БДПТ в виде электрической цепи переменной структуры удается правильно объяснить появление провалов и выбросов фазного тока при изменении режима и скорости вращения. На рис. 66 показана форма фазного тока для двух межкомму-тациоиных интервалов (120°) для одного из режимов, рассчитанная вначале на модели, а затем получившая экспериментальноё подтверждение. Знание этих процессов помогло синтезировать устройство управления торможением БДПТ, описанное в предыдущей главе.

Наконец, .в этой же главе приведено краткое описание ключевых преобразователей, разработанных с использованитем сформулированных и развитых в диссертации теоретических положений и внедренных на предприятиях-заказчиках. Разработка вторичных источников электропитания для телеметрической аппаратуры при жестких требованиях к выходным и входным пульсациям, динамическим характеристикам, точности стабилизации и массо-габаритным показателям стала возможной благодаря комплексным исследованиям, проведенным под руководством и при участии автора. Проектирование преобразовательной части БДПТ потребовало не только создания динамической модели системы, но и проведения широких исследований с новыми интересными результатами, опубликованными в ряде статей [7,8,28,31].

- за -

заключение

Основные результаты работы молю сформулировать сл'лугпвм образом:

1. Сформулирована и решена проблем;"! развития оснгл тег.рг.и динамического синтеза процессов и УКП, охиатынчк-ля й-аро-.-и исследования устойчивости устаноьиыжхсн и проходи*« процессов, чувствительности, кач"ства переходных прс ц-.сосэ и,.и различных возмущениях.

2. Обосновано введение нелинейной диннм,!ч-.-;.,ч-;й кг.д-.-.:;! М'." в виде эквивалентной электрической цепи переменкой струсту pi i и устройства управления полупроводниковыми ключами сп-цичлы-ого вида. Такая модель универсальна, удобна для itr.ro,'•лх'м.ч'-мт;: расчетов на ЭВМ и обеспечивает вь.сокую точность }-.ч.ул< гиге» при анализе и синтезе процессов, 'при динамическом сляг-.;.* ".та модель ранее не использовалась.

3. Предложен прямой (временной) метод синтеза переход1!!« процессов в УКП, включающий еледукэде основные оп(-;>а:уи:

- формирование критерия оптимальности процесса;

- поиск оптимальной стратегии управления для реик-ния граничной задачи;

- конструирование закона управления, обисиечтелк-лто ранную стратегии управления ь классе линейных, п-ол>'я-: них и/или логических функций;

- синтез цепей коррекции (регулятора), реализугам'о ^аши управления.

4. Создан математический аппарат (соотношения, алгоритм;.;} для реализации предложенного метода.

5. Предложены' новые законы управления и способы нелинейной коррекции в преобразователях постоянного напряжения. •

.6. Проведен синтез закона и устройства управления торможением вентильного электропривода.

7. Проведена линеаризация нелинейной динамической модели УКП с целью решения таких задач динамического синтеза, как устойчивость установившихся режимов "в малом" и чувствительность к малым возмущениям параметров. Получены соотношения для исследования устойчивости "в малом", позволяющие проел«-

лить влияние цепей коррекции на устойчивость. Разработана методика расчета дискретных частотных характеристик для ли-неипых моделей УИН. Дню решение задачи инвариантности установившихся релимов с помощью метода малых отклонений.

8. Текли ряд <;адач аналйза и расчета процессов в УЮЬ

- получены соотношения и проанализирована реальная форма пульсаций в преобразователях напряжения с различной структурой силовой цепи;

- выявлены причины возникновения неустойчивости (дополнительных переключений) установившихся режимов в преобразователях напряжения с развертывающим НИМ и даны реко-> мендации по расширению области устойчивости;

- исследованы формы токов в БДГГГ при различных режимах управления и скоростях вращения, выявлены причины возникновения провалов и выбросов тока при изменении скорости вращения.

9. Под руководством и при участии автора спроектированы, изготовлены и внедрены ряд транзисторных источников питания и вентильный электропривод компрессора; В рамках предложенной теории проведен динамический синтез указанных систем, показав-^ ший хорошее соответствие с экспериментальными данными. Разработанные автором алгоритмы и программы нашли применение в учебной и научно-исследовательской работе МАИ и ряда других организаций.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Соболев Л. Б. Исследование периодических режимов в интегральных частотно-импульсных системах/ Труды МАИ, 1972. - Вып. 252. - С. 94-100.

2. Соболев Л. Б. Алгоритмы анализа процессов в дискретно-фазовых системах стабилизации// Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника, 1980. - N 6. -'С. 92-94.

3. Соболев Л. Б. 'Чстотные характеристики импульсных стабилизаторов напряжения. Проблемы преобразовательной техники, 4,5, -Киев, 1979. - С. 258-261.

4. Соболев JL Б. Об устойчивости процессов в нелинейных импульсных системах стабилизации// Из в ВУЗов, ПриСороет;'-'.--н!'.-'-, 1980. '- N 6. - С. 13-22.

5. Соболев JL Б. Анализ динамических процессов ь цеп.= х с переменной структурой/ Тез. докл. И Еоесоспн. нау.но-Т'-хн. конф. ' "Проблемы нелинейной электротехники, Ч 2, Киев, 19¿M. - 0. 25-27.

6. Соболев Л Б. Цифровое моделирование процессов в и^кульон^х источниках .вторичного электропитании и б^сколлектор:-:!,-: ,.¡ теля постоянного тока// ЭТЕА/ Под ред. И Я. Bvic-aru - :L : Pavo и связь, 1985. - Вып. 16. - С. 18о-1Р1.

7. Соболев JL Б. Моделирование пл^ктрич-'-еких пр-ц-ееов ¡. г, ..:у-проводниковом преобразователе при упраплегми • .:г. .{>чь"-1 двигателем постоянного тока// ЗТР.Л/ "од ред. к», Ком • - У. : Радио и связь, 1906. - Вып. 17. - С. 23-."0.

8. Соболев Л Б. Моделирование процессов ь с*сконгячтк~.м t-теле постоянного тока// Эл-ктронное мод'-лирован/е, - .J

- С. 81-85.

9. Соболев Л Б. О возможности применения метода .Г,ЧХ к кл •..".■:>;/ преобразователей с переменной структурой''/ ОТЬЛ/ Под р-д. Ю. И. Конева. - М.: Радио и связь, 19.20. - Das. 1". - С.

10. Соболев Л. Б. Использование фильтров переменней структуры для улучшения качества переходных процессов в Hvny.':Loie¡>: о билизаторах напряжения// Электричество, 1989. - :«' 1. - 0. 76-77.

11. Соболев-ДБ. Мгтод улучшения качества переходных црм:-.-« соь в ключевых преобразователях' мовдости// Труды ХШ « ¡ одного семинара по основам электротехники и теории ц-:>-и. -Польша, Гливице, апрель 1690.

12. Соболев Л Б. Подавление сетевой помехи ь широт:-;-■ импульсных стабилизаторах напряжения/ Влияние электро-м;.гн;::.ir й обстановки на работоспособность энергопотреблягвдх уетро/'лв и сетей. - КС: Изд-во МАИ, 1591. - С. 56-61.

13. Соболев Л Б. Оптимизация переходных процессов ъ импучьсичх стабилизаторах напряжения/ Силовые и информационные элекурсм- -ханические устройства автоматики ЛЛ. - М.: Яэд-ьо )<'AV¡, 19CS, -С. 59-64.

М. Соболе;: л. Б. Оптимизация переходных процессов в управляемых к.>;»ч'>| их преобразователях/ Межвузовский сборник научных удсв. Приборостроение. - Иэд-во Пермского политехнического икэтвгутг., 16'Л. - С. 92-100.

1Ь. Соболев Л. Б. Оптимизация процессов в управляемых ключевых преобразователях// Техн. электродинамика, 1991. - N 6. - С. 4350.

16. Соболев Л Б., Архангельская Л. С., Савостьянов В. В. Расчет переходных процессов на ЭВМ. - 'М.: Иэд-во МАИ, 1985. - 35 с.

17. Соболев Л. Б. , Гришанов Ю. ¡1 Исследование динамических харак терпетик релейных стабилизаторов напряжения/. Труды МАИ, Вып. 35. - Я: Изд-во МАИ, 1974. - С. 100-104.

18. Соболев Л Б. , Гришанов Ю. Н. , Гришанов С. Н. , Саликов Л. М. Автогенераторный широтно-импульсный модулятор на основе интегрального усилителя постоянного тока// ЭТВА/ Под ред. Ю. И. Конева, 1973.. - Вып. 3. - С. 45-60.

19. Соболев Л. Б., Гришанов Ю. 11. , Саликов Л. М. Анализ режимов работы порогового частотно-импульсного модулчтора с диодно-ре-генератиышм компаратором/ Труды МАИ, Был. 233. - М.: Изд-во МАК, 1971.' - С. 96-102.

20. Соболев Л. Б. , Ковальков В. К. Расчет пульсаций в сглаживающих фильтрах импульсных преобразователей на ЦВМ// ЭТВА/ Под ред. КХ И. Конева. - М.: Сов. радио,. 1977. - Вып. 9. - С. 131-137.

21. Соболев Л. Б., Ковальков В. К. Анализ переходных процессов в импульсных стабилизаторах напряжения на ЦВМ/Труды МАИ. - Вып. 449. - М.: Изд-во МАИ, 1978. - С. 21-26.

22. Соболев Л. Б., Ковальков В. К. Переходные процессы в импульсных стабилизаторах напряжения/ Проблемы преобразовательной техники. Ч. 2. - Киев, 1979. .- С. 258-261.

■ 23. Соболев Л. В., Ковальков В. К. Формирование процесса запуска импульсных стабилизаторов напряжения// ЭТВА/ Под ред. Ю. И. Конева. - М.: Сов. радио, 1978. - Вып. 8. - С. 97-100. 24. Соболев Л. Б. , Ковальков В. К. Улучшение качества переходных процессов в импульсных стабилизаторах напряжения// ЭТВА/ Под ред. Ю. И. Конева. - М.: Сов. радио, 1980. - Вып. 11. - С. 112-116.

25. Соболев JL Б., Ковальков В. К. Исследование чувствительное in квазиустановившегося режима импульсных стабилизаторов i-anp^-.--ния на ЦВМ// ЭТВА/ Под ред. Ю. И. Конева. - М.: Сов. p i/: 'o, 1978. - Вып. 10. - 0. 163-166.

26. Соболев Л. В., Ковадьков В. К. Анализ устойчивости прг.Ц'в импульсных стабилизаторах напряжения на ЦВМ// ЭТЕА/ Под ре:;.

Ю. И. Конева. - М.: Сов. радио, 1978. - Вып. 10. - С. lCO-lvo.

27. Соболев Л. Б. , Мостовой Ю. П. К вопросу идентификации ы !.•.•-„-.-них параметров цепей с управляющие цифровым автомагом/ 7р.\;.ы МАИ, Вып. 233. - М.: Изд-BO МАИ, 1971. - С. CG-89.

28. Соболев Л. Б. , Розно КХ Н. Исследование электричек;.х процессов в бесколлекторных двигателях постоянного ток^'/ 07 yv Под ред. Ю. И. Конева. - М.: Радио и связь, 1S35. - Вы.. 10. -С. 191-211.

29. Соболев Л. Б. , Саликов Л. Я Преобразование уравнс-.иД дин амики нестационарных импульсных систем -управления// Аьточипяс; и телемеханика, 1971. - N 10. - С. 73-79.

30. Соболев Л. Б. , Скубачеьская Т. Г. Цифровое моде.'-лпг^'е.не -электромагнитного подвеса с оптической обратной сь^ьа/ <«"г?-ромеханические устройства и системы летательных arinayvroh. М.: Изд-во МАИ, 1982. - С. 56-60.

31. Соболев Л Б. , Следков Ю. Г. Коммутационные npoiK-ссн ь ГЛГГГ при высокой кратности пускового тока электрической м.чннчы/ 7. -зисы докл. Всесоюзн. научно-техн. конф. "Вентильные электром:'-ханические системы с постоянными магнитами". - Москва, 1&-;о. -С. 10-11.

32. Соболев Л. Б., Соломаха О. Н. Применение разностных уравнений к расчету цепей с синхронными ключами/ Т;. уды МАИ, Гыл. 252. - М..: Изд-во МАИ, 1972. - С. 54-61.

33. Соболев JL Б. , Соломаха 0. Н. Об одном методе исследовав-ел цепей с ШИМ/ Труды МАИ, Вып. 293. - М.: Изд-во МАИ, 1974. - С. 108-114.

34. Соболев Л. Б., Соломаха О. Н. К вопросу об автоколебаниях в электротехнических устройствах с ШИМ/ Труды МАИ, Вып. 233. -М.: Изд-во МАИ, 1974. - С. 114-120.

35. Соболев Л Б., Соломаха 0. Н. К исследованию устойчивости систем с интегральным шротно-импульсным модулятором// Изб. ВУЗов, Приборостроение, 1974. - N 11. - С. 41-44.

- S3 -

е.". ссосл"1- JL В., O'v.om iXH О. Н. Корректирующие свойства широт-^a.vv-Wfx cv.cicv II рода/ Тезисы Всесоюзн. семинара "Про-<■ •.:!:•.'» систем улр'лъл'гиия на ПБМ". - Киев, 1974.

Л. В. , Соломаха О. К. Применение метода дискретных Л\Ч к-епалису ¡'хиротно-импульсинх систем второго рода/ Тезисы V &.-0/С.Н. Kai;-],', ¡¡о теории и методам расчета нелинейных электрических V&WA и систем. - ТШ, 1975. - Вып. 1. - С. 12-17. За. СоС-'лев Я. В., Соломаха О. iL Динамические характеристики ыпп'тнс-импул! сных стабилизаторов напряжения// Электричество, lV'77.' - N 1. - С. 80-89.

30. Соболев .П. R , Соломаха 0. R Частотные характеристики ши-ротно-импульсных модулляторов II. рода// Изв. 'ВУЗов, Приборост- ■ роение. - N 12. - С. 34-38.

40. Соболев Л. К. , Соломаха O. R, Степанов О. В. Приближенный метод исследования систем с широтно-импульсными' модуляторами второго рода/ Труды МАИ, 'Вып. 364. - М.: Изд-во МАИ, 1976. -С. 27-32. ■

41. Соболев Л. Б. , Сороколетов О. R Анализ переходных процессов в источниках вторичного электропитания с использованием теории дискретных, электрических цепей// ЭТВА/ Под ред. Ю. И. Конева. -М.: Радио и связь, 1984. - Вып. 15. - С. 58-66.

42. Sobolev L. В. , Dyomin V. P. Synthesis of Optimal Regulators ' ■' for Switched-Mode Power Transducers. XIV Serninarium z Podstaw Elektrotechiki i Teorii Obwodow. Reports. - 1991. - V. 1 -

P. 267-272.

Авторские свидетельства:

43. A.c. N 1408428 СССР. Импульсный стабилизатор напряжения /Л. Б. Соболев. - Опубл. 1988. Вюл. N 25.

44. A.c. N1597873 СССР. Повышающий импульсный стабилизатор' напряжения /Л. Б. Соболев. - Опубл. 1990, бюл. N 37.

45. А. с. N 320929 СССР. Двухполярннй частотно-импульсный модулятор/ Л. Б. Соболев, Ю. R Гришанов, Л. М. Саликов. • - Опубл. 1971, Бюл. N 34.

46. А. с. N 348874 СССР. Устройство для измерения неэлектрических величин/. ДБ. Соболев, К). R Гришанов, Л. М. Саликов. -Опубл. 1972, Бюл. N 25.

47. A. c. N 421946. Импульсный частотный детектор/ Л. Б. Соболев, КХ IL Гришанов, Л. М. Саликов. ^ Опубл. 1974, Вал. N 12.

48. A.c. N 675414 СССР. Импульсный CT^.v-v.r.sir -¿.с. с и-напряжения /Л Б. Соболев, Б. К. Ковалькл. - Ог:у;Зл. :'."vr,, N 27.

49. A.c. N 1334134 СССР. Импульсный . •. ния/ЛБ. Соболев, О. Е Солсмаха, 2. К - <'.••: : Бюл. N 32.

50. A.c. N 1467542 СССР. Импульсный но:; напряжения/ JL Б. Соболев, О. iL Соломаха, S.Я-: j. - С:.. 1989, Бш. N 11..

51. A.c. N 1508262 СССР. Нмпульен; :й сг://,!.'ла;со >:аг /Л. Б. Соболев, А. Г. Замятин. - Опубл. ¡О":;, N .

ёз. A.c. N1601722 СССР. В&нтакш:.». эд*кпл п^иьс; /.:. ¡.¿'f.-Ю.-И. Конев, КИЕ Розно. Опубл. 1Р-:-0, йл. N с&. 53. A.c. N M42S04 СССР, коьйкклрошшкЯ иупулмнил п:-*. бразователь напряжения / Л. Б. Соболев, Д. Е хсэно. Сад Ол. !.-' Бюл. N.23 .

П..л.шсл„п к ruaril Л- ¿У'* 'S-i

1|оч. .1 J О___Ти.-па ¿'J-'C- !-

Tutoijüi^.lrt M.">il, К|)ЭШ .Ji-l^^fllt JH.