автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Автоматизация анализа и синтеза импульсных преобразователей энергии с двухполярной реверсивной модуляцией

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Проблемы проектирования импульсно-модуляционных систем управления энергонасыщенными технологическими процессами

1.1. Возможности использования импульсной модуляции в системах энергообеспечения технологических процессов

12 Моделирование импульсных преобразователей электрической энергии с точки зрения открытости физических систем

13. Сравнение различных видов импульсной модуляции систем энергообеспечения технологических процессов

1.4. Особенности моделирования динамики импульсно-модуляционных преобразователей электрической энергии

Прошедшее десятилетие характеризуется процессами интеграции отечественной экономики в мировую экономическую систему, сопровождающимися выравниванием цен на все виды топливно-энергетических ресурсов. И если в добывающих отраслях промышленности заметны позитивные сдвиги за счет современных информационных технологий, то в сфере промышленного производства и коммунальной сфере обнажились противоречия энергозатратности созданных технологических процессов, итогом которых явилась неконкурентноспособность отечественных товаров даже на внутреннем рынке, но, самое главное -разразившийся энергетический кризис, по своим последствиям адекватный таковому в зарубежных странах в середине 70Л годов.

Для преодоления этого кризиса в промышленно развитых странах были реализованы международные программы энергосбережения, результатом которых явилось многократное снижение энергозатрат на единицу продукции и все виды услуг населению. В этой связи основные технические и экономические аспекты использования энергосберегающих технологий известны и достаточно подробно рассматривались как зарубежными, так и отечественными исследователями. Основной вклад в решение энергетической проблемы на западе внесло, как известно, не наращивание производства первичных энергоресурсов, а сбережение энергии. В частности, в США удельные затраты на строящиеся АЭС равны 3 ООО USD за установленный киловатт мощности, а программы энергосбережения обходятся менее чем за 350 USD в расчете на один киловатт мощности в пиковой части графика нагрузки.

В качестве примера можно привести технологические процессы (ТП) транспортировки жидких энергоносителей, энергосберегающие системы коммуникационного обеспечения народного хозяйства, технологические процессы индустриальных поточных производств, электромеханические системы электрического и смешанного подвижного состава, более подробно технологические процессы такого рода рассматриваются в I главе настоящей работы.

Энергосберегающие технологические процессы в этих отраслях базируются на современных достижениях информационной и энергетической электроники и имеют два аспекта:

• многоуровневая иерархическая структура построения систем автоматизированного управления технологическим процессом (САУ ТП);

• управление САУ ТП осуществляется как сложной динамической системой.

Проблема создания и адаптации энергосберегающих технологических процессов к каждому конкретному применению тесно связана с решением следующих задач:

• качественное проектирование малозатратных технологических процессов;

• привлечение современных технических средств информационной и энергетической электроники, как САУ ТП, которые относятся к нелинейным динамическим системам импульсно-модуляционного типа;

• математического моделирования и анализа режимов функционирования;

• управления сложными иерархическими системами, как динамическими, в реальном времени.

Создание и внедрение энергосберегающих ТП связано с увеличением электронных технических средств автоматизации и требует столь же эффективного снижения материалоемкости и энергетических затрат как на производство этих средств, так и на производство продукции и услуг для того, чтобы разорвать противоречие между растущими потребностями промышленности в энергосберегающих ТП и объемами производства добывающих и перерабатывающих отраслей.

Устройства энергетической электроники импульсно-модуляционного типа в связи с интенсивным ростом коммутируемой мощности полностью управляемыми полупроводниковыми приборами (полевые и биполярные транзисторы с изолированным затвором, запираемые тиристоры) в настоящее время становятся базовым элементом автоматизации технологических процессов и энергосберегающих технологий большой энергетики, регулируемого электропривода. Примером этому может служить однофазные и многофазные инверторы напряжения модуляционного типа систем гарантированного электропитания, частотно-регулируемых электроприводов. компенсаторов реактивной энергии и мопщости искажений, вставок постоянного тока в линиях электропередач и др.

Применительно к потенциально опасным технологиям, таким как транспортировка газа, нефти, нефтепродуктов, возникает противоречие между необходимостью насыщения технологических процессов современными техническими средствами, что влечет за собой рост вероятностных отказов и естественным требованием исключения технологических катастроф. Достаточно ярким примером может служить наличие простейших электроприводов нефтеналивных пунктов вкупе с дроссельным регулированием влекущее высокую энергозатратность при переменной величине отбора нефтепродуктов. Более глубокие процессы скрыты в динамических режимах продуктопроводов, где аварийные ситуации являются следствием не только отказа технических средств, но и порождаются сменой динамики системы.

Моделирование отказов и их прогнозирование связано с понятием открытости и энергонасыщенности физических систем. В работе под энергонасыщенными технологическими процессами будем понимать такие, отклонение которых от штатного режима функционирования сопровождаются неконтролируемым высвобождением энергии с катастрофическими последствиями. Кроме того, положение усугубляется тем, что в сложных нелинейных динамических системах переход от статического состояния к катастрофическому непредсказуем в рамках «классических» методов анализа и поэтому представляет наибольшую опасность и сопровождается тяжелыми экономическими и зачастую экологическими последствиями. Чтобы установить природу катастрофических отказов в работе исследуются такие динамические ситуации, когда сложная система качественно изменяет свое поведение.

В тех случаях, когда решая задачи энергосбережения в технологический процесс вводится частотно-регулируемый электропривод с широтно-импульсной модуляцией, то, как будет показано в этой работе, потенциальная опасность катастрофических отказов возрастает, поскольку и сам электропривод характеризуется непредсказуемыми сменами режимов функционирования [7, 21, 43, 50, 56, 57, 63, 69-75]. Несмотря на столь разнородные объекты, как движение жидкости в продуктопроводе и замкнутая система автоматического управления с импульсной модуляцией - характер поведения их как динамических систем во многом идентичен. Общие закономерности, которыми обладают колебательные процессы в системах различной физической природы, составляет предмет науки, получившей название теории колебаний [9, 18, 29, 34-36, 39, 64, 86, 87, 97, 101 -106,114] и синергетики.

В соответствии с [77, 87-90], под колебательными явлениями принято понимать либо то, что связано с фактом установившегося движения в динамической системе, либо то, что связано с переходом от одного установившегося состояния к другому. Установившееся движение можно характеризовать повторяемостью и устойчивостью, а переходные процессы характеризуются тем движением, к которому они приближаются. Множество переходных процессов данного установившегося движения образует его область притяжения. Смена установившихся движений, которая происходит не вследствие управления, а в результате изменения какого-либо физического параметра или возмущающего воздействия называется качественным изменением поведением системы или бифуркацией.

Как правило, математические модели автоматизированных систем управления (АСУ) импульсно-модуляционного типа содержат в себе как минимум два типа нелинейностей, одна из которых связана с нелинейным видом модуляции и, по существу, представляет собой модуль-функцию относительной длительности импульсов, а вторая - носит глобальный характер типа «насыщение». Кроме того, поскольку рассматриваемые модели можно в известной степени относить к классу открытых физических систем, то при учете возмущающих воздействий, например со стороны входа и (или) нагрузки, проявляется чувствительность моделей к образованию новых нелинейностей по типу положительной обратной связи из-за наличия диссипативных и предвключенных элементов.

В настоящее время над проблемой динамического хаоса импульсно-модуляционных систем работает довольно много научных школ, прежде всего, научная школа Неймарка Ю. И. (г. Нижний Новгород) [34, 35, 77, 87-90], коллектив МЭИ [7, 73-75], Санкт-Петербургская школа (Айзерман М. А. и Гантмахер Ф. Р.), коллективы ученых Томского университета АСУ и радиоэлектроники под руководством Кобзева А. В. [3-5, 23-28, 68], Орловского государственного технического университета под руководством Колоколова Ю. В. [21, 25, 56, 58, 70-72] и Курского государственного технического университета под руководством Жусубалиева Ж. Т. [21-23, 25, 52, 55-61, 71, 94, 98]. Сам автор относит себя к двум научным коллективам: Томского университета АСУ и радиоэлектроники [3-5, 23, 25, 27, 28, 68] и Брянского государственного технического университета [49,50,62,63,69].

Актуальность темы

Наряду с вышеперечисленными положительными качествами энергетические устройства автоматизации с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) обладают предрасположенностью (при некотором наборе параметров) к хаотизации стационарного движения. Основным режимом работы замкнутых систем преобразования электрической энергии является детерминированный режим работы с тактовой частотой колебаний ШИМ. Однако, динамика таких систем гораздо многообразнее, т. к. имеют место субгармонические режимы с частотами колебаний, кратными частоте ШИМ, возможны так же режимы квазипериодические, и, наконец, явно хаотические. Характерной чертой математических моделей с нелинейными функциями, описывающими нелинейные свойства элементов САУ является неединственность решений при некоторых параметрах, что находит свое выражение в смене характера движения при наличии возмущений и, в частности, к значительному увеличению ошибок управления, появлению перенапряженных режимов и, как следствие - катастрофических отказов. Следовательно, при проектировании ТП, необходимо обратить особое внимание на исследование всех возможных динамических режимов и на поиск путей исключающих самопроизвольную смену стационарных режимов функционирования такого рода систем на этапе моделирования.

Сказанное подчеркивает актуальность построения методики предсказания и предотвращения аномальной динамики в замкнутых импульсных системах автоматического управления энергоемкими технологическими процессами (ЭТП). Необходима также разработка практических рекомендаций к свойствам САУ для обеспечения заданного качества выходных параметров устройств управления потоками электрической энергии с ДРМ. Кроме того, недостатки современтхх систем проектирования требуют создания программных комплексов, позволяющих моделировать САУ ТП и базирующихся на алгоритмах, использующих аналитические методы точного решения систем нелинейных дифференциальных уравнений.

В настоящей работе предлагается поэтапное решение общей проблемы проектирования сложных динамических систем управления потенциально опасными технологическими процессами.

На первом этапе решается задача разработки численно-аналитической методики решения систем нелинейных дифференциальных уравнений с разрывной правой частью, описывающей динамику преобразователя напряжения с двухполярной реверсивной модуляцией с двумя информационными точками на периоде (ДРМ-2).

На втором этапе разрабатывается методика идентификации периодического (стационарного) режима, позволяющая выявлять границы существования установившегося типа движения при изменении параметров.

На третьем этапе определяются качественные и количественные характеристики детерминированных и стохастических режимов вектора переменных состояния исследуемой системы.

Обобщение полученных результатов позволило создать методику проектирования импульсно-модуляционных систем автоматического управления и вплотную подойти к решению задачи структурного и параметрического синтеза устройств управления, исключающих непредсказуемую смену динамических режимов функционирования.

Эти работы с 1992 г. проводились при непосредственном участии автора в НИИ автоматики и электромеханики при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) под руководством ГБаушева В. С.|, а с 1997 г. на кафедре автоматизированный электропривод Брянского государственного технического университета, под руководством Потапова Л. А.

Цель работы

Разработка комплекса программ автоматизированного анализа и синтеза импульсных преобразователей энергии с двухполярной реверсивной модуляцией, не подверженных аномальным явлениям, на основе точных методов анализа динамических свойств.

В соответствии с этим в работе решаются следующие задачи:

• Разработка математических моделей преобразователей напряжения с двухполярной реверсивной модуляцией.

• Разработка численно-аналитических методов анализа нелинейных динамических систем указанного типа.

• Создание комплекса прикладных программ автоматизированного анализа и синтеза импульсно-модуляционных устройств с ДРМ.

• Проведение анализа нелинейной динамики преобразователя частоты с ДРМ с точки зрения теории бифуркации и хаотизации.

• Разработка процедур структурного и параметрического синтеза, позволяющих добиться нормализации динамики импульсно-модуляционного устройства.

Методы исследования

Математические модели исследуемых систем построены с использованием теории множеств, матричной алгебры, теории дифференциальных уравнений и теории обобщенных функций. Анализ устойчивости динамических режимов функционирования САУ проводился в соответствии с теорией локальной устойчивости Ляпунова. Смена динамических режимов функционирования системы рассматривалась с позиций теории бифуркаций и теории нелинейных колебаний. Реализация алгоритмов, разработанных при помощи теории численных методов, выполнена на РС с помощью спроектированных автором пакетов прикладных программ и баз данных.

Научная новизна,

• Разработана методика исследования замкнутых нелинейных импульсных систем с периодическим управляющим воздействием на основе детального изучения динамических режимов с постоянным сигналом управления.

• Впервые построены математические модели для класса преобразователей напряжения с ШИМ с двухполярной реверсивной модуляцией с типовыми управляющими воздействиями на основе точечного преобразования Пуанкаре.

• Разработаны точные методы построения многопараметрических диаграмм ветвления динамических режимов в пространстве параметров модели и их интерпретации с точки зрения теории колебаний и бифуркаций.

• Обоснована и экспериментально подтверждена связь между переходом от одного режима к другому и величиной помех в информационном канале САУ.

• Установлена связь между размерами областей притяжения динамических режимов и характером бифуркационных переходов.

• Создан пакет прикладных программ, позволяющий успешно проводить автоматизированный анализ импульсных систем энергообеспечения САУШ с сильными и тонкими нелинейностями.

Практическая ценность работы

Разработанные методы исследований, алгоритмы и полученные в результате данные позволяют существенно повысить надежность проектирования САУ ТП, в том числе:

• на этапе проектирования устройств обнаруживать аномальные режимы функционирования, прогнозировать возможные катастрофические явления, в том числе и отказы;

• на основе разработанных моделей создавать интеллектуальные автоматизированные системы управления, функционирующие в реальном темпе времени со встроенными наблюдателями;

• давать рекомендации по выбору структуры регулятора для систем с двухполярной реверсивной модуляцией;

• проводить параметрический анализ и синтез устройств с импульсной модуляцией;

• использовать полученные теоретические выкладки для анализа динамических свойств других видов импульсной модуляции.

Связь темы диссертационной работы с научно-техническими программами

Первоначально исследования были направлены на выяснение причин, порождающих недетерминированные состояния динамических систем, связанных с неединственностью устойчивых стационарных состояний и наличием внешних случайных помех, проводимых по программе «Автоматизация» Минвуза РФ в Томском государственном университете АСУ и радиоэлектроники.

Дальнейшие исследования проводились по планам НИОКР Брянского государственного технического университета (БГТУ), ОАО «Брянский машиностроительный завод» г. Брянска и в рамках выполнения региональной целевой программы энергосбережения Брянской области 2000-2004гг.

Реализация результатов работы

Разработанная методика анализа ИМС и созданный программный комплекс использовулась:

1) при проектировании опытного образца системы энергообеспечения собственных нужд первого российского газотепловоза ТЭМ18Г, созданного ОАО «Брянский машиностроительный завод» (БМЗ);

2) при создании частотно-регулируемого электропривода подачи индуктора технологического процесса высокочастотной закапки крупногабаритных деталей на Заводе судовых дизелей ОАО «БМЗ»;

3) в учебном процессе в Брянском государственном техническом университете при подготовке студентов специальностей 200400 - «Промышленная электроника» и 180400 -«Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», в курсах «Методы анализа и расчета электронных схем», «Теория динамической хаотизации нелинейных импульсных систем» и «Импульсно-модуляционные системы».

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах, докладывались на 54-й и 55-й конференциях профессорско-преподавательского состава БГТУ, на Региональной научно-практической конференции-ярмарке «Новые идеи, технологии и инвестиции» и на Молодёжной научно-техничекой конференции вузов приграничных регионов славянских государств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые построены математические модели преобразователей электрической энергии с двухполярной реверсивной модуляцией с постоянным и синусоидальным управляющим воздействием в базисе коммутационных разрывных функций.

2. Разработаны алгоритмы, позволяющие находить точные решения нелинейных систем дифференциальных уравнений с обобщенными функциями в правой части и определять локальную устойчивость полученного множества решений.

3. Проведены многопараметрические исследования динамики, построена общая картина (в целом) разбиения пространства параметров на области устойчивости т-цикловьпс движений, детализированная в виде двухпараметрических бифуркационных диаграмм, рассчитанных с нулевых и с локально изменяемых начальных условий.

4. Приведен сопоставительный анализ динамики системы управления параметрами электрической энергии с ДРМ, показывающий увеличение размеров рабочей области в 2.4 раза, а размеров существования области устойчивости основного режима в 2.15 раза по коэффициенту усиления по сравнению с OHM.

5. Установлено, что мягкие и жесткие бифуркационные переходы характеризуются соответственно непрерывными и скачкообразными изменениями размеров областей притяжения динамических режимов.

6. Рассчитаны интегральные характеристики движения вектора переменных состояния, соответствующие предельно возможным перенапряженным режимам функционирования. Установлено, что амплитуда пульсаций последних в 10 и более раз превышает аналогичные показатели основного режима.

7. Впервые создана модель случайного возмущающего воздействия (помехи) в цепи управления преобразователя электрической энергии с ДРМ. Установлена связь между длительностью помехи и реакцией системы на случайное

184 возмущение и зависимость критической фазы помехи от интервала, на котором произошло возмущение. Построена модель помехи, нормализующей динамику преобразователя электрической энергии.

8. Разработан программный комплекс «ДРМ-2» автоматизированного анализа и синтеза нелинейных динамических систем, позволяющий определять пути нормализации структуры преобразователя, проектировать энергетические устройства низового уровня САУ ТП.

9. Приведены описания внедренных САУ ТП, проектирование которых осуществлялось с использованием разработанной методики, подтверждающие результаты моделирования и эффективность созданного программного комплекса.