автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования источников вторичного электропитания

РГо ОД

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

.ЯРОВОЙ Иван Федорович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность) по техническим наукам

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ, 1995

Работа выполнена в Северо-Кавказском Ордена Дружбы Народе государственном технологическом университете

Научные руководители

■ кандидат технических наук, доц. Хатагов А.Ч.

Официальные оппоненты

кандидат технических наук доц. Датиев K.M.

■ академик, доктор тсхничсс ких наук, профессор Редкозубое С.А.

• кандидат технических науа доц. Сланов В.М.

Ведущее предприятие

- НПК "Югцветмставтомат!

Защита диссертации состоится "¿О" 199<5г. в 1

заседания диссертационного совета К 063.12.03 в Северо-Кавк; государственном технологическом университете.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим напр акте адресу: 362004, РСО-Алания, г.Бладикавказ, уя.Николасва 44, Ученый СЫТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГТУ.

Автореферат разослан г.

Учсньш секретарь диссертационного совета К 063.12.13 к.т.н., доцент

БД. Хасцаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Эффективное интерактивное проектирование изделий электронной техники - одно из важнейших направлений использования персональньк ЭВМ (ПЭВМ), дающее максимальный эффект среди возможных приложений компьютеров. Основополагающий вклад в разработку вопросов, связанных с теоретическим обоснованием н практической реализацией САПР внесли труды Н.П. Буслснко, В.М. Глушкова, И.В. Прангишвши, А.Г. Алексенко, В.А. Горбатова, С.А. Редкозубова, В.П. Корячко, С.А. Майорова, Г.И. Новикова, И.П. Норенкова, В.Н. Ильина, В.П. Снгорского, А.Н. Мелихова и многих других ученых. Технология проектирования изделия электронной техники характеризуется как итеративная процедура, основными этапами которой являются: синтез проектного решения, анализ и оптимизация, оценка, представление результатов.

Этапы синтеза и анализа тесно связаны друг с другом и многократно повторяются в процессе проектирования. Итеративный характер этих этапов проявляется в том, что вначале проектировщик определяет концептуальную основу конкретного узла создаваемой системы, затем эта концепция подвергается анализу, усовершенствованию и повторному воплощению в проектное решение. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет получено решение, оптимальное в условиях проектных ограничений, учитываемых разработчиком.

Как объекты проектирования, источники вторичного электропитания (ИВЭП) имеют разные структуры, большое количество нелинейных компонентов н представляют собой сложные нелинейные системы, в которых выполнение основной функции - качественного преобразования электромагнитной энергии, - невозможно без обработки информации, определяющей динамические характеристики источника.

Проектирование ИВЭП, как изделий электронной техники, проводится на двух уровнях:

- на структурном уровне с целью выбора структурной схемы и анализа динамических характеристик;

- на схемотехническом уровне для решения специфических задач схемотехники, данные которого используются на этапе оценки полученного проектного решения.

При проектировании изделий электронной техники на схемотехническом уровне проектировщику предоставляется несколько стандартных САПР, имеющих расширенную библиотеку встроенных математических моделей компонентов аналоговых и цифровых схем, и несколько режимов анализа.

Выбор структурной схемы ИВЭП производится по результатам анализа его работы в характерных режимах для конкретного применения, что включает в себя обязательным этапом анализ статических и переходных процессов, а также расчет стохастических характеристик системы. Методы анализа должны удовлетворять не только требованиям точности расчета переходных процессов, но и учитывать специфику динамических свойств основного узла ИВЭП -вентильного преобразователя (ВП), обусловленных его дискретным управлением и неполной управляемостью вентилей, а также обеспечивать небольшие затраты времени счета к минимальный обгъем памяти, что характерно для интерактивного проектирования.

Основная цель реферируемой работы состоит: в разработке быстродействующих алгоритмов расчета переходных процессов и их программных реализаций при проектировании ИВЭП на структурном уровне; в разработке методологии автоматизации проектирования ИВЭП с учетом их особенностей; в получении моделей основных узлов ИВЭП. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка и исследование алгоритмов расчета переходных процессов ИВЭП на структурном уровне и их программная реализация.

2. Разработка моделей основных узлов ИВЭП, основанных на преобразовании Фурьс-Уолша и их программная реализация.

3. Разработка методики расчета статистических характеристик выходных сигналов ИВЭП.

Научная новизна работы заключается в разработке:

- моделей основных узлов ИВЭП;

- алгоритмов расчета переходных процессов ИВЭП на структурном уровне и их программной реализации;

- методологии расчета статистических характеристик выходных сигналов ИВЭП.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертация, подтверждается использованием в проводимых исследованиях спектрального метода, математического аппарата теории систем автоматического регулирования в сочетании со стандартными численными методами, а так же положительными результатами внедрения в

промышленность ИВЭП, разработанных на базе предложенных программных средств расчета переходных процессов.

Практическая значимость работы состоит:

- в разработке программных средств расчета переходных процессов в ИВЭП на структурном уровне проектирования;

- во внедрении разработанных программных средств в практику автоматизации проектирования на промышленных предприятиях, о чем имеются соответствующие акты о внедрении. Эксплуатация этих средств улучшает динамические характеристики и уменьшает время проектирования ИВЭП.

Реализация роботы. Разработанные модели, алгоритмы, программы и методология автоматизации проектирования ИВЭП внедрены: на заводе "Гран", г.Владикавказ; при проектировании системы стабилизации скорости вращения дисковых устройств магнитной записи в НПО "Маяк", г.Киев (экономический эффект - 182.88 тыс. рублей в ценах 1976 г.); в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании изделий электронной техники в СевероКавказском технологическом университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на:

- Республиканском научно-техническом семинаре "Повышение эффективности вторичных источников питания.", г.Киев, 1974;

- Республиканском научно-техническом семинаре "Применение ЭВМ для анализа и проектирования вентильных преобразователей.", г. Саратов, 1977г.;

- Республиканском научно-техническом семинаре "Математическое и программное обеспечение автоматизированного проектирования и исследования устройств электропитания на ЭВМ.", г.Киев, 1982г.;

- Ш-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники.", г.Киев, 1983г.;

- 1У-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники.", г.Киев, 1987г.;

- научно-технических конференциях Северо-Кавказского горно-металлургического института, г.Орджоникидзе, 1974-1995г.г.

Публикации. Результаты выполненных теоретических и-экспериментальных исследований представлены в 15 статьях и одном авторском свидетельстве.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит страниц машинописного

текста, 3 таблиц, 3 V рисунка, список литературы т 3? наименований, .1 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе приводятся алгоритмы получения моделей основных узлов ИВЭП на структурном уровне. В основу построения моделей положен блочно-ориентировакный спектральный метод, в котором сигналы н временные характеристики представляются в виде ортогональных рядов. Обобщенная функциональная схема ИВЭП (в замкнутом случае - с обратной связью) представлена на рис.1, где СУ - система управления, ВП - вентильный

Рис1. Обобщенная фукциональная схема ИВЭП.

преобразователь: управляемый выпрямитель (УВ) или шкротко-импульсный преобразователь (ШИП) постоянного напряжения, Ф - фильтр, ОС - цепь обратной связи.

Закон изменения задающего сигнала g(t) определяет желаемый закон изменения выходного напряжения u(t). Статическая зависимость между углом управления a(t) и управляющим сигналом x(t) имеет непрерывный характер, однако для каждого вентиля значение а является дискретным, поскольку управляющее воздействие на вентиль происходит один раз за период питающего напряжения. Источником энергии для УВ является промышленная сеть переменного напряжения 50 Гц, а для ШИП - источник постоянного или

медленно меняющегося напряжения. Э.д.с. преобразователя e(t) для УВ описывается кусочно-синусоидальными функциями времени, для ШИП -широтно-модулированмми (ШИМ) последовательностями имлульсоэ.Разложение кусочно-синусоидальных функций к ШИМ последовательностей импульсов проводится в ряд на нестационарном отрезке времени [0,t„J относительно системы ортонормированных диадно-упорядоченных функций Уолша. Здесь tn, -правый конец отрезка времени. Выбор системы функций Уолша обусловлен следующими преимуществами по сравнению с другими системами функций:

- значения +1 и -1, которые принимают функции Уолша существенно уменьшают вычислительную погрешность при расчетах на ПЭВМ;

- аппроксимацию кусочно-гладких и шнротно-модулированных импульсных последовательностей, что характерно для ВП, с большей точностью и меньшими затратами времени можно выполнить системой прямоугольных функций Уолша;

- применение системы функций Уолша в вычислительных процедурах, основанных на использовании метода последовательных приближений дает быструю сходимость итерационных процессов к за счет этого - выигрыш во времени.

Вычисление' одномерной нестационарной спектральной характеристики (НСХ) в общем случае произвольной функции временя x(t), которая является ее основной характеристикой в спектральной области, на отрезке времени [0,t„J проводится на основании метода наименьших квадратов, который приводит к системе линейных алгебраических уравнений:

WWTA=WX (1)

где: W-матркца значений функций Уолша;

ТУт-матрица, транспонированная к матрице Уолша;

Х-всктор-столбец значений функции x(t);

А-искомый вектор-столбец коэффициентов Уолша.

Система (1) легко решается приближенным численным методом. При численных расчетах, из-за наличия ошибок ограничения и округления, выбор числа аппроксимирующих функций должен производиться на основании • неравенства:

I 1|Х||2 - ||х(0||21 < 8

(2)

Где: е-заданиая величина, определяющая точность аппроксимации функции х(1) рядом Фурьс-Уолша;

][Х||-норма вектор-столбца НСХ; ||х(0||-корма фуккдкк хО). В приложении 1 диссертации приводится подпрограмма вычисления вектора А по таблично заданным значениям функции, числу аппроксимирующих функции и числу отсчетов функции х(0, которая повышает эффективность составления программ анализа работы ИВЭП.

Рассматривается два способа вычисления двухмерной нестационарной спектральной характеристики - аналога передаточной функции в спектральной области направленных линейных звеньев структуры ИВЭП:

1) по известной импульсной переходной характеристике звена К(уг), где I -физическое время, г - задержка подачи входной дельта-функции;

2) на основании связи двухмерной НСХ с дифференциальным уравнением, описывающим звено во временной области.

Вычисление двухмерной НСХ по К(1,х) проводится на основании метода наименьших квадратов, при этом составляются и решаются последовательно две системы линейных алгебраических уравнений. Число аппроксимирующих функций определяется требуемой точностью е из неравенства:

I ЦО||2-||К(1,т)||2 |<е, (3)

где: |Р||-норма матрицы двухмерной НСХ;

||К(с,г)||-норма импульсной переходной характеристики.

Разработан алгоритм вычисления двухмерной НСХ линейного звена [8]и составлена подпрограмма реализующая алгоритм, которая приводится в приложении 1. Входными параметрами подпрограммы являются: число функций Уолша, число отсчетов н матрица значений импульсной переходной функции К(1,т), верхние границы изменения I н 1. Выходным параметром является матрица двухмерной НСХ.

По второму способу двухмерная НСХ вычисляется через известную двухмерную НСХ интегрирующего звена.

На примере модели двигателя постоянного тока для режима холостого хода иллюстрируются особенности получения двухмерных НСХ обоими способами.

Из примера явно следует, что предпочтение следует отдавать второму способу, если дифференциальное уравнение имеет порядок выше двух.

Модель ШИП с СУ в спектральной области представляется в виде последовательности звеньев направленного действия, которая включает:

- звено суммирования спектров опорного сигнала к сигнала управления;

- звено восстановления функции во временной области;

- звено получения ШИМ-последователькостн импульсов;

- звено вычисления ее НСХ.

Результаты расчетов НСХ и восстановления функции во временной области сигналов с ШИМ-последовательностью показали, что точность аппроксимации повышается, если начальный шаг дискретизации выбирается равным Д1=1„/2Н и Ы=М; где: N - число функций Уолша, М - число отсчетов аппроксимирующей фукции. Для предлагаемой модели выбор начального значения М проводится из условия точности фиксации положения заднего фронта, определяемого неравенством А1<е, где е-величина, определяющая точность.

Модель же управляемого выпрямителя (УВ) с СУ в спектральной области представляется четырьмя последовательно соединенными звеньями:

- звено суммирования спектров опорного сигнала и сигнала управления;

- звено восстановления функции во временной области;

- звено, задающее кусочно-синусоидальную функцию в зависимости от величины утла управления;

- звено вычисления НСХ кусочно-синусоидальной функции.

В предложенных моделях изменение схемных решений приводит только к изменению вычислительных процедур для звеньев без изменения структуры модели. На вид модулирующих и опорных сигналов не накладывается никаких ограничений, что обуславливает универсальность предложенных моделей, а также возможность учета реальных ситуаций, возникающих в процессе работы ИВЭП.

Глава вторая посвящена разработке алгоритмов и методике расчета переходных процессов при проектировании разомкнутых и замкнутых ИВЭП.

Величина временного интервала, на котором проводится расчет; выбирается по известному из теории автоматического управления неравенству (л, а (3+5УТпиХ, где - постоянная времени самого инерционного звена анализируемой системы. Начальная величина шага дискретизации определяется выражением А1 = 1 / ((5*-10)У, где - частота ШИП ( или частота напряжения

ест к для УВ). Последующие значения шага дискретизации определяются автоматическим делением Л1 пополам до достижения заданной точности. При анализе разомкнутых ИВЭП выделяются следующие этапы: 1. По заданной структуре ИВЭП во временной области или его структурной схеме, по принципу аналогии, строится структурная схема в спектральной области. При этом УВ или ШИП представляются моделями [И], разработанными в главе 1, а линейные звенья - двухмерными НСХ. В качестве примера на рис.2 представлена структура ИВЭП во временной области и

Рис.2. Структура ИВЭП во временной области и соответствующая ей структурная схема в спектральной области.

соответствующая ей структурная схема ИВЭП с УВ в спектральной области, где система импульсно-фазового управления (СИФУ) в спектральной области представляется суммирующим звеном и звеном с оператором Фь управляемый выпрямитель (УВ) - двумя направленными звеньями с операторами Фг и Ф? и фильтр (Ф) - двухмерной НСХ Управляющий сигнал х(0, опорный сигнал СИФУ хо(0, эл.с. управляемого выпрямителя е(0 и выходное напряжение фильтра и(0 в спектральной области представляются соответственно их НСХ X,

Хо, Е и U. Оператор Ф1 определяет восстановление функции во временной области:

N-1

z(t) = Ead wal(i,t), (4)

i=o

где: wal(i,t) - функция Уолша с номером ¡;

ап- - элемент вектора х = { а?ог а^, 3^.1}; N - число функций Уолша. Оператор Фг определяет вычисление э.д.с. на п-ном интервале дискретности для к-той фазы однотактного т-фазного У В:

e(t)=

"О, при t < a(to) / со и z(t)<0;

Ещ соя (oùt+7t/m-k7i/m), при nT < t à пТ+а^Ую шш z(t) S 0; (5) Ещ cos («и-гУш-к-я/ш), при пТ+а^Усо < t < (n+l)T или z(t) > О,

где T = (2л) / (ши) - интервал дискретности УВ;

к = 0,2,4,... - принимает последовательно m значений, соответствено для первой, второй, третьей и т.д. фазы;

Ещ - амплитуда синусоидального напряжения сети;

aitn) - величина угла управления для п-ого интервала, отсчитываемая от точки естественной коммутации;

п = 0,1,2,... - номер периода дискретности УВ;

со - круговая частота синусоидального напряжения сети.

Оператор Ф3 определяет вычисление НСХ e(t) по формуле, аналогичной (1). 2. Определяется НСХ x(t) на отрезке [O.tnJ. При этом N - число функций Уолша и M - число отсчетов функции x(t) выбираются из условия (2), одновременно величина шага дискретизации вычисляется автоматически (делением At пополам), чтобы выполнялось неравенство:

At < е1 (6)

где: Gi - заданная величина, определяющая точность фиксации tn = a(t.) / «в -точек разрыва первого рода э.д.с. УВ. Найденные N н M рассматриваются в дальнейшем как исходные для расчета.

3. Аналогично определяется НСХ опорного сигнала Xo(t); полученные на этом этапе значения N и М сравниваются со значениями, рассчитанными на предыдущем этапе, и большие из ник берутся исходными для последующих этапов расчета.

4. Вычисляется НСХ Z = Хо - X и реализуются вычисления, определяемые последовательно операторами Фь Фг и Фз. На этом этапе предусматривается коррекция значений N и М.

5. По методике, приведенной в главе 1, вычисляется W<j, - двухмерная НСХ фильтра.

6. Вычисляется НСХ выходного напряжения фильтра:

и = Щ Е (7)

Анализ ИВЭП с ШИП проводится в той же последовательности, при этом в структурной схеме используется разработанная модель ШИП в спектральной области.

Приводятся алгоритмы расчета переходных процессов в разомкнутых ИВЭП, которые имеют линейную структуру, соответствующую их структуре в спектральной области н базируются на составленных подпрограммах, реализующих вычисления, определяемые операторами Фь Фг и двухмерной НСХ \Уф.

При необходимости анализа ИВЭП с нагрузкой, обладающей большой постоянной времени применяется метод припасовывания, что приводит ж. вычислению вектора начальных условий u(t). Для оценки корректности разработанных алгоритмов проведены контрольные расчеты, из которых следует, что величина погрешности не превышает 0.04%.

При анализе ИВЭП с обратной связью [10] структурные схемы в спектральной области также строятся в соответствии со структурой ИВЭП во временной области. На рнс.З приведена структурная схема замкнутого ИВЭП с УВ в спектральной области, построенная на основании функциональной схемы, представленной на рис.1, где W« - двухмерная НСХ цепи обратной связи. Анализ замкнутого ИВЭП (рис.3) провощггея на основании метода последовательных приближений в следующей последовательности

- на отрезке времени [O.tnJ определяются НСХ g(t), Xo(t) и двухмерные НСХ \Уф и Wqc по тем же правилам, что и для разомкнутых ИВЭП;

- начальные приближения всех элементов вектора Ui полагаются равными нулю;

- первые приближения элементов вектора Z определяются преобразованием известного вектора G звеньями прямой цепи системы;

Рис. 3. Структурная схсда замкнутого ИВЭП в спектральной области.

- последующие приближения элементов вектора Z вычисляются с учетом уравнения замыкания X = в - 1ГЬ где III = ЧУ,*. II;

- итерационный процесс продолжается до тех пор, пока для 1-х приближений элементов вектора X не выполнится неравенство:

шах I а*0 - аш01) I < е2, (8)

>

где: ах1® - 1-е приближения НСХ управляющего сигнала х(1); а*^"1' - (1-1 )-е приближения НСХ управляющего сигнала х(0; i е [О, N-1 ] - номер функции Уолша;

е2 = (5% и(Опих) / (100 Ку) - величина, определяющая точность вычисления элементов спектра управляющего сигнала х(0;

8% - желаемая точность расчета выходного сигнала ИВЭП, %; Чтах(0 - максимальное значение выходного сигнала ИВЭП; Ку - коэффициент усиления прямой цели системы.

Третья слава посвящена разработке алгоритмов и методики определения статистических характеристик выходных сигналов узлов при проектировании ИВЭП с целью оценки уровня помех на выходе вентильного преобразователя ВП, которые оказывают заметное влияние как на выбор фильтра, так и на режим работы замкнутых ИВЭП в целом.

Прямое применение статистических методов теории управления для анализа ИВЭП осложняется следующими основными причинами:

- УВ и ШИП являются существенно нелинейными звеньями,

- процессы в ИВЗП являются нестационарными на рассматриваемом отрезке времени [О,^.

Рассматриваются две группы помех, действующих в ИВЭП:

- помехи, вызванные изменениями параметров электроэнергии;

- помехи в каналах управления.

Приведены два подхода к построению моделей ВП, учитывающих случайные воздействия: построение моделей на основе аналитических методов с использованием разложения выходного сигнала ВП в ряд Фурье-Уолша и построение моделей на основании спектрального метода в базисе функций Уолша.

При первом подходе [6] разложение выходного сигнала ВП (э.д.с. УВ или ШИМ-последовательность импульсов для ШИП) в ряд относительно системы функций Уолша позволяет привести систему с широтно-импульсной модуляцией к системе с амплитудно-импульсной модуляцией. В этом случае ВП и фильтр представляются многоканальной системой, каждый 1-тый канал которой есть последовательное соединение:

- звена с кусочно-линейной характеристикой, представляющей собой зависимость амплитуды 1-той гармоники Уолша от управляющего сигнала х(0 с точками излома, совпадающими с границей интервала его дискретности;

- импульсного элемента, период срабатывания которого определяется периодом дискретности ВП (периодом дискретности для УВ или периодом ШИП);

- звена-генератора соответствующей функции Уолша;

- звена, представляющего фильтр.

Для расчета статистических характеристик выходных сигналов нелинейных звеньев применяется метод статистической линеаризации. При »том используется следующая предпосылка: если сигнал на входе нелинейного звена имеет нормальное распределение, то распределение выходного сигнала в общем случае не будет нормальным; однако фильтр, который пропускает в основном низкие частоты, изменяет нерегулярное распределение, приближая его к нормальному так, что в результате выходная переменная фильтра будет иметь квазинормальное распределение.

Кусочно-линейная характеристика первого звена в 1-том канале в общем виде описывается выражением:

где - амплитуда ьтой гармоники Уолша;

X — х(1) — х([) / - относительная величина сигнала управления;

-гтах(0 - максимальное значение сигнала управления;

- динамические коэффициенты усиления импульсного элемента для

нулевого и ]-ого интервала дискретности X.

/,{Хо) - значение кусочно-линейной характеристики при х0 = 0;

X}- дискретное значение сигнала управления; ш - число интервалов дискретности х.

Статистически линеаризованный коэффициент усиления первого звена определяется выражением:

8-

(10)

где: - среднеквадраткческос отклонение X,

р(х) - плотность вероятности X. Принимая нормальный закон плотности вероятности X и подставляя (9) в (10), получим:

Л* 0 )5х

М*; > =

42л

-ч гг>-2

XI

1

XI

X -

где:

•у/^Г

- М-» - м-2 Х)в • -Х]-\е '

интефал вероятности,

(П)

/ = ///■„ - относительное время. После линеаризации определены передаточная функция каждого канала, а затем разомкнутой системы, как сумма передаточных функций каналов. Передаточная функция замкнутой системы определяется для момента

срабатывания импульсного элемента в начале периода дискретности ВП. Переход от передаточной функции импульсной системы к се частотной характеристике позволяет установить связь между спектральными плотностями входного и вьсходного сигналов, после чего получено интегральное нелинейное уравнение, из которого определяется стандартное отклонение выходного сигнала фильтра. Проведены расчеты для различных параметров фильтра, позволяющие оценить велшину среднеквадратического отклонения выходного напряжения фильтра при различных уровнях белого шума.

Приведенный подход позволяет проводить анализ ИВЭП, однако его применение при проектировании осложняется значительной работой для получения передаточной функции и большими вычислительными затратами для решения интегрального нелинейного уравнения.

При втором подходе нестационарный случайный сигнал х(0 с математическим ожиданием шх(1) и корреляционной функцией Я(1,х) описывается НСХ его математического ожидания 'Э^СиО и двумерной НСХ его корреляционной функции где I - физическое время; т - интервал

между сечениями х(0; 1 и 3 - номера функций Уолша. Вычисление ^»(Ц) и проводится по алгоритмам, приведенным в главе 1, число аппроксимирующих функций Уолша определяется из неравенств, аналогичных неравенствам (2) н (3). Корреляционная функция сигнала х(1) симметрична относительно вертикальной плоскости, проходящей через биссектрису угла координатной плоскости 10т,, поэтому ее расчет производится при 1>т, что снижает вычислительные затраты.

Рассматриваются особенности получения реализаций случайных сигналов к вычисления корреляционной функции выходного сигнала вентильного преобразователя ВП при выполнении условий, обеспечивающих режим широтно-импульсной модуляции: наличие надлежащего момента переключения вентилей, надлежащего направления переключения и отсутствие дополнительных переключений на периоде коммутации. Реализации ШИМ - последовательностей импульсов или кусочно-синусоидальных функций (в случае УВ) вычисляются с учетом двух последовательностей статистически независимых псевдослучайных чисел, законы распределения которых задаются соответствующими генераторами.

Приведены модели УВ и ШИП, структуры которых аналогичны структуре моделей для детерминированного случая, рассматриваются особенности их построения, учитывающие обе группы помех. Структурные схемы для расчета статистических характеристик случайных сигналов ИВЭП строятся по принципу

аналогии структурной схеме в спектральной области для детерминированного случая.

Приведены алгоритмы расчета статистических характеристик для разомкнугьсх ИВЭП и результаты расчета для конкретного типа фильтра.

В четвертой главе рассматривается применение разработанных моделей, алгоритмов и методики расчета ИВЭП при проектировании системы стабилизации частоты вращения дискового механизма аппарата точной магнитной записи.

Дано описание функциональной схемы системы стабилизации, построенной на основе каскадного включения двух ИВЭП. Первый источник с УВ имеет фильтр на выходе к обратную связь по выходному напряжению. Второй - с транзисторным ШИП, - имеет обратную связь по скорости вращения двигателя.

Приведены структурная схема проектируемой системы в спектральной области и алгоритмы расчета переходных процессов для решения следующих задач:

- определение величины базовых углов управления УВ и частоты ШИП, при которых пульсации скорости двигателя имеют минимальные значения;

- исследование различных видов обратной связи для второго ИВЭП по техзаданию.

Анализ системы по разработанной в диссертации методике осложнен требовниями техзадания: нагрузка второго ИВЭП - двигатель постоянного тока; необходимость просмотра промежуточных переменных не только в ИВЭП, но и в нагрузке; весьма жесткие условия стабилизации скорости вращения; большой разброс постоянных времени звеньев системы.

Эти же обстоятельства позволяют продемонстрировать сложности и преимущества предлагаемого подхода: -

- необходимость контроля промежуточных переменных усложняет структурную схему и требует значительного увеличения объема памяти;

- однако усложнение схемы не вызывает заметного замедления скорости вычислений;

- в условиях, аналогичных рассматриваемому техзаданию, использованные методы можно распространить на проектирование других сложных изделий электротехники.

Полученные результаты в полном объеме использованы при проектировании и настройке системы стабилизации скорости для точной магнитной записи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Для проектирования ИВЭП на структурном уровне разработаны методики, алгоритмы и программы вычисления нестационарных спектральных харатеристик одномерных и двумсрньсх сигналов в базисе функций Уолша.

2. Количество аппроксимирующих функций Уолша (для любого вида сигналов в вентильном преобразователе) предложено выбирать на основе метода наименьших квадратов с учетом допустимой погрешности расчетов.

3. На единой методологической основе разработаны модели основных узлов управляемых выряшггелей и шкротно-импульсных преобразователей, учитывающие род модуляции и особенности силовых схем. Разработанные модели характеризуются законченными процедурами вычислений, реализуемыми

ПЭВМ.

4. Разработаны методики и алгоритмы анализа разомкнутых и замкнутых

ИВЭП с вентильными преобразователями.

5. С учетом специфики преобразователей проведены расчеты ИВЭП для различных типов фильтров. Сопоставление результатов с результатами, полученными точными аналитическими методами, показывает, что относительная погрешность не превышает 0.04%.

6. Для оценки статистических характеристик сигналов ИВЭП в условиях

помех рассмотрены два подхода:

- на основе преобразования системы с широтно-импульснои модуляцией к системе с амплитудно-импульсной модуляцией и использованием метода

статистической линеаризации;

® I I----

автоматизации проектирования ИВЭП

- на основе спектрального метода в базисе функций Уолша. Показано, что для целей

предпочтителен второй подход.

7. Предлагаемые модели, алгоритмы и методика анализа, как доказано четвертой главе диссертации, работоспособны в расчетах достаточно сложных промышленных устройств, причем количество рассматриваемых координат системы ограничивается объемом памяти ПЭВМ, но практически не влияет на

время расчета. _„_„,«

8. Основные результаты работы приняты к использованию в практику

проектирования на заводе 'Тран", г. Владикавказ, внедрены в опытное производство ш НПО "Маяк", г. Киев, в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании в СКГТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Денисов А.И., Яровой И.Ф. Применение функций Уолша к анализу частотных характеристик широтно-импуяьсных и вентильных преобразователей // Повышение эффективности вторичных источников питания: Тез.докл.научн. семинара, (Киев, декабрь 1976г.). - Киев: Знание, 1976. - С.7.

2. Денисов А.И., Яровой И.Ф. Анализ динамических характеристик вентильных с ятем при случайных воздействиях /У Математическое и программное обеспечение цифрового моделирования вентильных преобразователей: Тез.докл.научн.семинара, (Киев, июнь 1978 г.). - С.бб-67.

3. Денисов А.И., Яровой И.Ф. Расчет переходных процессов вентильных систем при случайных воздействиях в спектральной области Н Проблемы преобразовательной техники: Тез.докл. IV Всесоюзн.научн.-техн.конф., (Киев, сент.1987 г.). - Киев: Инт-т электродинамики АН УССР. - 1987. - 4.2. - С.94-96.

4. Применение функций Уолша к анализу частотных характеристик, вентильных преобразователей / А.И. Денисов, В.И. Сенько, И.Ф. Яровой, и др. // Оптимизация устройств преобразовательной техники: Сб.науч.трудов. - Киев: Наукова думка, 1977. - С.31-36.

5. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Частотные характеристики управляемого выпрямителя с учетом углов коммутации // Применение ЭВМ для анализа н проектирования вентильных преобразователей: Тез.докл.научн.-техн.сем., (Саратов, сент.1977г.) - Саратов: Сарат.полш-ехн.ин-т. - 1977. - С164-166.

6. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Расчет характеристик случайных процессов систем электропитания с управляемыми выпрямителями // Оптимизация устройств энергетической электроники: Сб.науч.трудов.- Киев: Наукова думка, 1981. - С.77-83.

7. Яровой И.Ф. Определение -статистических характеристик сигналов систем с управляемыми выпрямителями I / НТК, посв.50-летню СКГМИ. Тезисы докладов. Орджоникидзе, 1981. - С.126-127.

8. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Спектральные характеристики сигналов систем с управляемыми выпрямителями И Математическое и программное обеспечение автоматизированного проектирования и исследования устройств электропитания на ЭВМ. - Киев: КПН. - 1983. - С.233-241. - Рукопись дея. в УКРНИИНТИ, 1983, N3991 УК-Д82.

9. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Спектральный метод анализа переходных процессов в системе с управляемыми выпрямителями И Проблемы преобразовательной техники: Тездокл. Ill Всесоюзн.научн.-техн.конф., (Киев, окт.1983 г.). - Киев: Инт-т электродинамики АН УССР. - 1983. - Ч.З. - С.49--52

10. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Применение спектрального метода к расчету переходных процессов в вентильных системах // Техническая электродинамика. - 1985. - N6. - С.44-48.

11. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Статистические модели нелинейных звеньев систем электропитания (СЭП) в спектральной области // НТК, посв.50-летию НИСа СКГМИ. Тезисы докладов. Орджоникидзе, 1988. - С.100-101.

12. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Расчет статистических характеристик выходных сигналов разомкнутых вентильных систем спектральным методом // Электронные приборы и системы в промышленности: Тез.докл.республ.НТК, (Орджоникидзе, апр.1989г.). - Орджоникидзе: СКГМИ. - 1989. - С.187-188.

13. A.c.1582199 (СССР). Устройство стабилизации скорости движения носителя магнитной записи. / С.М. Сиренко, И.Ф. Яровой, Ю.И. Яблочкина. Заявитель: Северо-кавказский горно-металлургический институт. - Опубл. 1990, БюлЛМ28.

14. Яровой И.Ф., Денисов А.И. Расчет статистических характеристик сигналов замкнутых вентильных систем спектральным методом // НТК, посв.60-летию СКГМИ. Тезисы докладов. Владикавказ, 1991. - С.187-188.

15. Яровой И.Ф. Особенности применения стандартного пакета программ MICRO-CAP III для схемотехнического моделирования источников вторичного электропитания (ИВЭП) // НТК СКГГУ. Тезисы докладов. Владикавказ, 1995. -С.6-7.

Заказ N ¿fO/ Тираж 70 экз.

Подразделение оперативной полиграфии CK ГТУ.

Владикавказ, ул. Николаева, 44