автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Микропроцессорные системы управления преобразователями с регулируемыми внешними характеристиками

МОСЖОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Технический Университет

| На правая рукописи

РОСШСКАЯ ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ВНЕШНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность. 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи

электроэнергии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1993

/

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института. •

кандидат технических наук, доцент ОБУХОВ С. Г. доктор технических наук, профессор Краснополъский А.Е.,

кандидат технических наук, Алферов В.Г.

Ведущее предприятие - Московский прожекторный завод

Защита'диссертации состоится в аудитории /Г час. мин, на заседании специа-

лизированного Сонета Д.053,16.1ЗМосковского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции. энергетического института.

Отзыв на авторферат в двух экземплярах с заверенной подписью просим направлять по адресу: ЮЬВЗН ГСП, Москва Е-*!50, Красноказарменная ул. ,д, 14, ученый Совет М&И.

О диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ. • Автореферат разослан " II " 1993 года.

Ученый секретарь специализированного Совета гачдсдат технических наук

I. И.Г. БУРК

Научный руководитель -Официальные оппоненты

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тепы. Одним из важных факторов, влияющих на качество конечной продукции электротехнологии /сверка, ионное азотирование, лазерные технологические установки, электродуговая сварка, питание плазмотронов/, является внешняя характеристика питающего технологическую установку источника. Как правило, внешние характеристики существующих источников /выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь/ имеют пологопадающий вид, в то время как для устойчивости технологического процесса-требуется источник с крутопадающей характеристикой. При создании имитаторов различных нетрадиционных источников, таких, как солнечные, топливные элементы важны не только точность воспро-% изведения статической внешней характеристики сложной формы, но и адекватное воспроизведение различных динамических режимов, что невозможно без создания специализированных алгоритмов управления на базе микропроцессорных контроллеров.

Цель работы в соотвегсвии с изложенным заключается в исследовании известных и разработке новых .способов и алгоритмов формирования гибкоперестраиваемой внешней характеристики источников для электротехнологии и имитации нетрадиционных источников.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Создание различных, применимых каидого в своей области, способов формирования внешней характеристики.

2. Анализ динамики источника с гибкоперестраиваемой внешней характеристикой. Адаптация регуляторов при колебаниях возмущений и параметров системы.

3. Расширение задачи создания регулируемое внешней характеристики /РВХ/ на четнрехквадрантную плоскость г г/ и полное управление энергообменом между двумя двухполюсниками. Экспериментальная проверка /математическая и физическая/ полученных результатов.

Методы исследований. В работе использованы методы теории электрических цепей, теории цифрового автоматического управления и программирования на языках высокого уровня и на ассемблере в реальном масштабе времени.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложен оригинальный алгоритм формирования PBX, основанный на введении нового обобщенного параметра /С-параметра/.

2. Предложены формулы апериодических регуляторов для двух классов преобразовательных устройств.

3. Показана возможность моделирования динамических двухполюсников в четырех квадрантах и полного управления янергооб-меном. в системе.

4. Разработаны вычислительные модели выпрямителя как элемента замкнутой системы регулирования.

Практическая ценность и реализация работы. Показано, что применение нового алгоритма формирования PBX с использованием нового обобщенного С-параметра позволяет успешно формировать PBX вида любой невозрасташей функции V(i).

Разработанные алгоритмы и адаптивные регуляторы проверены на одном классе преобразователей - выпрямителях.

Создана программа, пригодная для формирования PBX сложной формы /30 линейных участков/ на управляемом выпрямителе в реальном масштабе времени.

Имитация электродвигателя постоянного тока средствами преобразовательной техники с применением PBX позволяет экономить электроэнергию и повышает комфортность условий работы обслуживающего персонала.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на кафедре Промышленной электроники Московского энергетического института.

Публикации. По результатам работы сделано два доклада на У Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" в г. Киеве, 1991 г., и на международной конференции VPEC-92, ВАТН, Великобритания. Получено положительное решение по заявке на авторское свидетельство, опубликована статья в журнале "Электричество", опубликована программа в каталоге отраслевого фонда алгоритмов и программ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 46 наименований. Текст содержит 140 страниц, включая 46 рисунков.

СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности теш, рассматривается положение, сложившееся к настоящему вреиени в электротехнологии и при имитации нетрадиционных источников энергии.

В первой главе определены требования к источникам питания для электротехнологии /крутопадающая внешняя характеристика, возможность регулирования мощности, передаваемой на нагрузку/ и имитации /высокая точность воспроизведения внешней характеристики, возможность перехода с одной характеристики на другую в процессе работы/.

Сформулированы цель работы и перечень задач, решение которых необходимо для достижения поставленной цели. *

Показана целесообразность информационного метода формирования регулируемой внешней характеристики, позволяющего формировать внешнюю характеристику любой требуемой формы. Применение вычислительной техники в контуре управления позволяет получить новые качества формирования PBX: резкое улучшение точности воспроизведения PBX ; цифровые регуляторы позволяют достигать апериодического переходного процесса конечной длительности; реализуемость активного адаптивного управления, изменение формы PBX программными средствами в процессе работы.

Во второй главе показана возможность формирования PBX изменением закона управления. Задачей системы управления является совмещение точки пересечения линии нагрузки с естественной внешней характеристикой /фактической рабочей точки/ с точкой пересечения линии нагрузки с регулируемой внешней характеристикой /расчетной рабочей точкой/. Ввиду возможных искажений сети, погрешностей в работе системы управления, сложности нагрузки, точное решение задачи создания PBX аналитическими методами практически невозможно. Определение необходимого управляющего воздействия производится в замкнутом контуре регулированием по рассогласованию с последовательным приближением фактической рабочей точки к расчетной.

Для формирования PBX источник должен включать в себя /рис.

рис.1. Структура источника с РВХ.

рис.2. Алгоритм последовательного приближения с линейной тактикой.

1. Силовую часть, которая осуществляет преобразование анергии первичного источника к виду, необходимому нагрузке. Количество преобразуемой энергии определяется управляющим, обычно временным параметром;

2. Систему импульсно-фазового управления, которая преобразует выдаваемый регулятором сигнал управления в последовательность импульсов управления;

3. Задатчик формы PBX, который хранит информацию о необходимом виде внешней характеристики;

4. Датчики тока и напряжения, служащие для получения информации о режиме нагрузки;

5. Алгоритм формирования, который определяет стратегию движения рабочей точки в IVплоскости и, следовательно, качес-' тво реализации источника;

6. Регулятор, обрабатывающий рассогласование для вычисления нового значения управляющего сигнала.

На базе микропроцессорного контроллера реализуется СИФУ, регулятор, алгоритм формирования, задатчик форма PBX.

Дет задания формы PBX на нелинейной характеристике выбирается несколько узлов, и форма PBX отражается массивом координат точек и законов формирования кривой мезду ними.

Наиболее простым по реализации и эффектявннм с точки зрения быстродействия является ступенчатая аппроксимация с равномерным квантованием. При таком способе представления ВАХ одна из координат, например, ток, является адресом в таблице, хранящей требуемые значения напряжения на каждом интервале квантования по току. При ступенчатой аппроксимации погрешность равна половине разности напряжений между соседними отсчетами и зависит от наклона задаваемой характеристики. Неизбежны неоправданные затраты по точности датчика и объему хранимой информа-. ции.

Более эффективным по точности представления формы PBX является способ кусочно-линейной аппроксимации, при котором заданная кривая заменяется набором отрезков прямых различных наклонов. При таком способе представления PBX погрешность определяется кривизной PBX.

Наибольшее разнообразие источников с PBX наблюдается при ' различных построениях алгоритма формирования PBX. Задачей алгоритма формирования является определение направления я веля-

чины изменения управляющего параметра для вывода рабочей точки на режим, соответствующий PBX.

Источникам с PBX на базе управляемых преобразователей присущи следующие особенности:

1, С помощью одного регулирующего параметра необходимо отслеживать соответствие заданным значений одновременно и тока,

и напряжения, причем и напряжение, и ток не являются взаимно независимыми, а связаны друг с другом уравнением нагрузки.

2, Многие решения, являющиеся простыми для визуального восприятия /например, находится ли рабочая точка внутри области, ограниченной PBX или вне ее/, при переходе к формальному алгоритмическому языку требуют создания сложных разветвленных последовательностей, трудных для реализации в реальном масштабе времени.

3, Неоднозначным является вопрос о степени удаленности фактической рабочей точки от PBX, а следовательно, о необходимой величине изменения управляющего параметра. Целесообразно введение понятия "расстояние" в плоскости ЛЛ

При управлении в реальном времени предъявляются жесткие требования к быстродействию, поэтому перспективны итеративные алгоритмы с последовательным подходом к требуемому режиму.

Один из распространенных алгоритмов формирования PBX основан на методе подчиненного управления. Для реализации этого алгоритма одна из координат /например, ток/ является управляющей, а вторая /например, напряжение/ - управляемой. При подчиненном регулирования координаты расчетной рабочей точки определяются следушш обрезом: в качестве значения напряжения расчетной точки берется значение напряжения, записанное для измеренного тока в таблице PBX.

Используя теорию шарового управления, можно определить максимальную нагрузку, при которой сохраняется устойчивая работа преобразователя с PBX, формируемой по методу подчиненного регулирования. Расчеты показывают, что чем инерционнее нагрузка, тем большее соотношение между наклонами PBX и ЕВХ достижимо. Получение вертикальных участков с помощью подчиненного регулирования принципиально невозможно. Это происходит из-за вырождения подчиненного регулирования в двухпозиционное регулиро-

. вание тока нагрузки, при котором неизбежны автоколебания.

Больший диапазон реализуемых PBX и допустимых нагрузок достигается при введении в алгоритм формирования PBX элементов идентификации нагрузки, что позволяет прогнозировать поведение нагрузки и корректировать стратегию управления для каждой конкретной нагрузки.

Примером такого .алгоритма может служить алгоритм последо- • . вательного приближения с линейной тактикой, который качественно можно описать следующим образом /рис. 2/:

1. Последовательно задаются два таких различных управляющих воздействия, чтобы напряжение источника было близко к нулю. Это предотвращает возникновение перенапряжений, а также с большой вероятностью обеспечивает попадание фактических рабочих то-»

< чек Ф1 и Ф2. соответствующих этим управляющим воздействиям, внутрь области, ограниченной PBX.

2. Производится предположение о линейном характере нагрузки и по двум последним по времени точкам фактического режима определяется линейная аппроксимация линии нагрузки. Точка пересечения аппроксимирующей прямой с PBX - расчетная рабочая точка П.

3. Определяется и задается управляющее воздействие, необходимое для перехода к прогнозируемому режиму.

4. Алгоритм циклически повторяется с обновленными сведениями о нагрузке.

Как и каждый итеративный метод, метод последовательных приближений с линейной тактикой может при определенных условиях давать сходящийся или расходящийся результат. Если нагрузка стационарна, то сходимость или расходимость алгоритма зависит от степени нелинейности нагрузки, а также от-углов, под которыми пересекаются ЛИ, PBX, ЕВХ.

Очевидно, что при использовании алгоритма последовательного приближения с линейной тактикой точная компенсация рассогласования, то есть попадание точки фактического режима в прогнозируемое положение, возможно лишь при линейной нагрузке. В зависимости от кривизны линии нагрузки возможны погрешности того или иного знака. Перерегулирование резко зависит от соотношения наклонов ЛН и ЕВХ и второй производной уравнения линии нагрузки. Для уменьшения перерегулирования часто применяется ме- '

тод неполного шага, когда приращение управляемой величина берется как часть рассчитанного для полной компенсации.

Для создания универсального алгоритма необходимо введение нового параметра, функции от тока я напряжения, в которой ток и напряжение равноценны. Она постоянна для точек, принадлежащих прямой, описывающей PBX, а знак разности определяется положением рабочей точки PBX.

Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет линейная комбинация тока и напряжения, названная С-аараматром.

При формировании PBX, описываемой отрезками нескольких прямых, встает вопрос о выборе линейного участка, к которому в данный момент надо приближать рабочую точку /базовый участок/. Формировать PBX невозрастаэдей формы позволяет следующий алгоритм:

1. Выбирается такой участок, чтобы значение тока рабочей' точки принадлежало бы диапазону изменения токов на этом участке.

2. Выбирается такой участок, чтобы значение напряжения рабочей точки принадлежало бы диапазону изменения напряжения на атом участке.

3. Из двух выбранных за базовый выбирается участок, которому соответствует максимальное значение С-параметра.

Определенное алгоритмом формирования рассогласование передается регулятору, который рассчитывает управляющий сигнал, необходимый для компенсация рассогласования.

Важной особенностью цифровых систем управления является возможность достижения апериодического переходного процесса конечной длительности при каком-либо виде входного воздействия.

Системы с регулятором, синтезированным на основе поглощения нулей в полюсов передаточной функции, в системы с апериодическим переходным процессом в особенности, очень чувствительны к изменению параметров системы. Невозможно получение единого регулятора, одинаково хорошо подходящего дня работы со всеми нагрузками на всех участках PBX. Необходимо использовать адаптивные регуляторы, используюшие дополнительные контуры для подстройки параметров регулятора.

В настоящее время известны 3 схемы активного адаптивного

управления: управление коэффициентом усиления, управление с эталонной моделью и самонастраивающиеся регуляторы.

Иногда можно найти вспомогательные переменные управляемого процесса, которые хорошо коррелирут с изменением динамики процесса. В этом случае можно устранять влияние изменения параметров процесса, изменяя параметры регулятора в зависимости от этих вспомогательных переменных.

При управлении с эталонной моделью требования к регулятору определяются в терминах эталонной модели, показывающей, какова должна быть идеальная реакция системы на командный сигнал. Параметры регулятора настраиваются так, чтобы минимизировать рассогласование между выходом модели и процесса.

При самонастраивающемся регуляторе обновление параметров процесса и получение параметров регулятора осуществляется в результате оперативного решения задачи синтеза системы.

В третье^ г^авд задача формирования PBX распространяется на четыре квадранта. В некоторых технических задачах, таких, как источники реактивной энергии, генераторы гармонических составлявших,, различные имитаторы нетрадиционных нагрузок и источников питания, возникает необходимость управляемого реверсивного- энергообмена, поэтому требуется формирование искуственых Енешних характеристик в четырех квадрантах! Этот подход позволяет имитировать мощные накопители, а также электромеханические системы с реверсивным энергообменом.

При имитации нагрузок необходимо так управлять устройством, имитирующим нагрузку, чтобы при подключении реальных различных источников ток и напряжение на клеммах источника изменялись бы так же, как это происходило бы в схеме с реальными источником 'и нагрузкой.

Для имиташи нагрузки записывается ее конечноразностное уравнение. По этой формуле можно определить соотношение между 'физически. возможными током и напряжением на следующем интервале квантования для реальной нагрузки. Точки, которые физически могут быть рабочими точками в следующий момент квантования при реальной нагрузке, принадлежат прямой, названной мгновенной линией нагрузки. Через определенный промежуток времени, определяемый динамикой процессов а источнике и желаемой точкостьв воспроизведения траектории, построение мгновенной линии нагрузки

повторяется.

Траектория движения рабочей точки получается ломаной линией /рис. 3/. состоящей, из наклонных участков мгновенной линии нагрузки, то которым рабочая точка движется со скоростью, определяемой быстротой изменения напряжения источника, и горизонтальных участков, по которым точка перемещается скачком с одной линии нагрузки на другую.

Методика моделирования проиллюстрирована на примере активно-индуктивной нагрузки и двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Показано, что мгновенная линия нагрузки для нагрузки любого вида имеет вид прямой,

В четвертой глгзве обсуждаются проблемы.моделирования преобразователей с целью отладки систем управления и регулирования.

Особенностью моделирования с целью отладки закона управления является тот факт, что, как правило, моделируется поведение хорошо изученной схемы при различной динамике изменения сигналов управления. При моделирование представляет иктерев влияние управляющих сигналов только на выходные параметры преобразователя^ ток и напряжение нагрузки. При атом все предвари- .: тельные вычисления могут выполняться один раз в общем виде, для каждого конкретного типа преобразователя.

Известен новый эффективный способ /операторчо-реккурентный/ моделирования преобразователей как динамических систем, который заключается в следующем:

1. Нелинейная динамическая система сводится к линейной структуре с перегенными параметрами и описывается в области изображений по Лапласу и в г-плоскости.

2. Найденное а-изображение преобразовывается к разностному уравнению, которое используется как рекуррентная формула для расчета тактовых значений тока и напряжения.

Используя .этот способ, была составлена программа, моделирующая выпрямитель. Программа адекватно отражает квантование по времени процессов в преобразователе при управлении от микропроцессорной система, неполную управляемость, однако все расчетные алгоритмы соответсвуют режиуу непрерывных токов.

Второй моделирующий алгоритм основан на аппроксимации известной формы кривой выходного напряжения и заключается в еле-

линии нагрузки.

рис.4. Работа С-пэраметра для различных нагрузок.

дующем:

1. Период повторяемости разбивается на интервалы, в течение которых выходные параметры преобразователя меняются незначительно.

2. На каждом интервале квантования преобразовательная схема заменяется эквивалентной схемой простой топологии, например, источник эдс и нагрузка.

3. Рассчитываются выходные параметры преобразователя в эквивалентной схеме с учетом начальных условий, полученных в предыдущем такте.

Дяя шестифазного выпрямителя интервал .повторяемости выходного напряжения составляет 60 электрических градусов. Изменение напряжения выпрямителя с увеличением номера шага может происходить по одной из семи кривых в зависимости от нескольких последних углов управления и наличия режима коммутации.

Описанные выше методы моделирования были применены для испытания эффективности применения различных алгоритмов формирования PBX.

Опытным путем была подтверждена резкая зависимость качества переходных процессов в преобразователе от желаемого наклона PBX для метода подчиненного регулирования. Переходный процесс при стабилизации напряжения получается удовлетворительного качества, в то время как при формировании участка PBX наклонной формы /наклон рабочего участка составляет 65% от рас- . считанного граничного значения/ изменение напряжения, как и ожидалось, носит колебательный характер.

Подтвердились такие особенности фopмиpoв¿ния PBX по методу прогнозирования с линейной тактикой, как адаптивность к изменен™ сопротивления нагрузки, зависимость перерегулирования от кривизны линии нагрузки и эффективность введения неполного ■ шага.

Подтвердилась работоспособность алгоритма формирования PBX с использованием С-параметра как при подключении различных нагрузок /рис. 4, а/, так и при их последовательных пере-, клвчениях, сопровождающихся переходами с горизонтального участка на наклонный и с наклонного на вертикальный /рис. 4, б/.

Для проверки работоспособности алгоритма формирования PBX с помощью С-параметра была смонтирована выпрямительная уставов-

ка. Для определения статических и динамических параметров преобразователя были сняты: семейство ЕВХ и характеристика разгона при равномерном увеличении сигнала управления. С использованием этих данных были синтезированы регулятор напряжения и регулятор тока, работоспособность которых была подтверждена на практике при формировании PBX трапециидальной формы для различных сопротивлений нагрузки, соответсвуших как участку стабилизации напряжения, так и участку стабилизации тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получено решение задачи построения преобразовательной системы с регулируемыми произвольнозадаваемыми внешними характеристиками. Разработанные способы решения ориентированы на применение микропроцессорной системы, поэтому потребовалось решение некоторого класса научных и практических задач.

Рассмотрены существующие и предложены новые алгоритмы формирования регулируемой внешней характеристики /РВХ/. Определена область применимости каждого из алгоритмов. Определены ограничения как по нагрузкам, так и по наклону участка PBX. Предложенный оригинальный алгоритм с использованием критерия расстояния С-параметра имеет расширенную область реализуемости по сравнению с другими.

Обеспечение высокого качества'переходных процессов в преобразователях нелинейных и импульсных систем требует применения методов современной теории управления. Выведены и проверены формулы регуляторов для управляемого выпрямителя и шяротно-им-пульсного преобразователя для достижения апериодического переходного процесса конечной длительности при ступенчатом изменении входного воздействия. .

Для формирования PBX сложной формы необходимо применение адаптивных регуляторов. Рассмотрены три известные схемы активного адаптивного управления. Показана взаимосвязь выбора алгоритма формирования PBX и способа адаптации. Рассчитаны контуры адаптации для широтно-импульсннх преобразователей с фильтром второго порядка и управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой. Преобразователи с соответствующими регуляторами

предназначены для управляемых выпрямителей в системах электро-технолог-яческих установок и широтно-импульсных регуляторов.

Рассмотрено распространение формирования PBX в область 4-х квадрантов, чем достигается имитация не только источников, но и любых двухполюсников средствами PBX, вводится понятие мгновенной линии нагрузки. Показана методика определения мгновенной линии нагрузки для случаев активно-индуктивной нагрузки и двигателя постоянного тока с независимым'возбуждением. Показано, что для любой линейной динамической нагрузки мгновенная линия нагрузки является прямой.

Рассмотрены особенности моделирования для отладки систем регулирования и управления.

Смоделирован управляемый выпрямитель как объект замкнутой системы управления применением двух различных методов: опера-торно-рекуррентного метода и кусочно-ступенчатой апроксимации форьи кривой выходного напряжения. Применением операторно-рекур-рентного метода получается более компактный алгоритм, однако его область применения ограничена область» непрерывных токов.

При математическом моделировании подтверждены свойства различных алгоритмов моделирования PBX.

Физически смакетирован управляемый выпрямитель, результаты эксперимента подтверждают возможность формирования PBX сложной формы'применением С-параметра и адаптивного самонастраивающегося регулятора.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: ' .

1. Обухов С.Г., Росинская Т.В. Алгоритмы реализации регулируемых внешних характеристик преобразователей//Электричес-тво. - 1993. - №2. - С. 38-42.

2. Исхаков A.C., Обухов С.Г., Росинская Т.В., Ушаков A.B. Алгоритмы реализации регулируемых внешних характеристик при нелинейной нагрузке//}1 Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы преобразовательной техники": Тезисы докладов, Киев, 1991, - Ч. 3. - С. 33-35. . „

3. Обухов С.Г., Росинская Т,В. Программа моделирования процессов в управляемых выпрямителях с разомкнутыми и замкну-

тыми системами управления /СВЕС/ //Каталог отраслевого 4 о ют алгоритмов и программ. - Выпуск 10. - Москва, издатольстг/.' НШВШ. 1993. - * Н92460.