автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Импульсные усилительно-преобразовательные устройства в адаптивных системах управления

На ппавах рукописи

НИКИТИНА Мария Владимировна

ИМПУЛЬСНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА В АДАПТИВНЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Санкт-Петербург — 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель: к.т.н., доцент Толмачев Валерий Александрович

Официальные оппоненты:

д.т.н. профессор Никифоров Владимир Олегович к.т.н.. доцент Шамберов Владимир Николаевич

Ведущая организация: ФГУП ЦНИИ «Электроприбор»

Защита состоится 30 июня 2006 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.227.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики» по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, СПбГУ ИТМО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики».

Автореферат разослан 31 мая 2006 г.

Ученый секретарь д ис с ертп ци о I ш о го совета

Лямин А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Транзисторные широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного тока нашли широкое распространение в системах управления электроприводов, стабилизированных, источников электропитания и других устройствах в силу ряда их известных преимуществ (высокого КПД, быстродействия, широкого диапазона регулирования выходного напряжения и т.п.).

Специфичные свойства ШИП не позволяют точно представить их совокупностью обычных, используемых в теории автоматического регулирования типовых динамических звеньев, и, следовательно, обуславливают необходимость разработки специальных методов анализа и синтеза систем управления (СУ) применительно к конкретным задачам управления и конкретным объектам. Такие методы на протяжении последних примерно 40 лет разрабатывались в нашей стране и за рубежом. Следует отметить работы А.А. Булгакова,

B.П. Шипилло, А.Д. Поздеева, Т.А. Глазенко, Ю.И. Конева, Г.А. Белова, Г.И. Воловича,

C.С. Букреева и др.

Особую область составляют устройства, статические и динамические свойства которых в конечном итоге определяются свойствами ШИП. К числу таких устройств относятся, например, мощные источники тока программируемой формы (ИТПФ) для установок нестационарного электролиза. Основной функцией таких источников, используемых как непосредственно в производственных установках, так и в качестве универсального инструмента для исследований и отработки новых технологических процессов нанесения покрытий, является формирование в нагрузке (гальванованне) тока произвольной формы с возможностью управления его параметрами как с пульта оператора так и от ЭВМ верхнего уровня.

Анализ принципов построения ИТПФ и технических требований к ним, показал, что наиболее перспективным является "следящий" принцип формирования выходного параметра, при котором выходной сигнал усилительно-преобразовательного устройства (УГГУ) отслеживает заданное значение сигнала, формируемое контрольно-задающим устройством. Точность воспроизведения заданного переменного во времени сигнала зависит от динамических качеств УПУ.

Структурно источник содержит энергетическую и информационную подсистемы. Энергетическая подсистема, определяющая энергетические, массогабаритные и предельные динамические характеристики источника, строится на базе реверсивных транзисторных ШИП и содержит, кроме того, силовой фильтр, предназначенный для сглаживания пульсаций тока нагрузки, обусловленных импульсным характером выходного напряжения ШИП. Назначение информационной подсистемы, содержащей датчики координат и регуляторы, — формирование сигналов управления на входах ШИП в соответствии с принятым алгоритмом. Последний должен обеспечить требуемую статическую и динамическую точности воспроизведения в нагрузке заданной кривой тока в условиях ограниченной сверху частоты коммутации силовых ключей ШИП и изменяющихся в технологическом процессе покрытия параметрах энергетической подсистемы.

Проектирование универсального источника питания, генерирующего любую форму импульсного тока с широким диапазоном изменения его параметров является многоплановой задачей, решение которой требует инженерных методик синтеза СУ. Последние должны содержать выбор целесообразных структур энергетической и информационной подсистем, расчет параметров силовых фильтров и выбор коммутирующих элементов энергетической подсистемы из условия обеспечения заданных предельных динамических возможностей источника и допустимого уровня пульсаций тока в нагрузке, выбор целесообразных алгорит-

мов управления и определение их параметров (настроек регуляторов) из условия приближения статических и динамических характеристик источника к заданным (эталонным).

Целью диссертационной работы является разработка методик синтеза адаптивных СУ с УПУ на основе транзисторных ШИП. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

• Разработка рациональных структурных решений энергетических и информационных подсистем СУ ИТПФ.

• Разработка математических моделей энергетических подсистем источников тока разной степени детализации для общего случая питания нагрузки от Л^-модульного УПУ на основе транзисторных ШИП, пригодных для решения задач анализа и синтеза адаптивных СУ.

• Разработка алгоритмов расчета пульсаций тока в нагрузке и каналах /"/-модульного УПУ.

• Разработка методик синтеза замкнутых структур адаптивных СУ с УПУ на основе транзисторных ШИП.

Методы исследования включают методы теории электрических цепей, теории автоматического управления, математического моделирования и др. Для анализа электромагнитных процессов в силовых цепях САУ с транзисторными ШИП использовался метод переменных состояния. Определение расчетных соотношений для квазиустановившегося режима осуществлялось с использованием метода припасовывания. Синтез линеаризованных САУ осущестатялся с использованием обычного аппарата преобразования Лапласа. На всех этапах исследования использовался классический аппарат линейных дифференциальных уравнений.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Математические модели энергетических подсистем источхшков для общего случая управления объектом от N транзисторных ШИП, параллельно работающих на общую нагрузку, основанные на аналитическом решении системы уравнений состояния на коммутационном интервале.

• Алгоритмы и аналитические соотношения для расчета квазиустаиовишихся электромагнитных процессов в силовых цепях систем сАГ-модульными УПУ на основе транзисторных ШИП.

• Методики параметрического сиитеза адаптивных СУ контуров регулирования тока с Лг-модульными УПУ на основе транзисторных ШИП.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработаны математические модели энергетических подсистем источников электропитания для общего случая управления от N импульсных УПУ, основанные на аналитическом решении системы уравнений состояния на коммутационном интервале.

• Получены алгоритмы и точные аналитические соотношения для расчета газазиустановившихся электромагнитных процессов в энергетических подсистемах источников с N-модульными УПУ при различных типах сглаживающих фильтров.

• Предложены методики параметрического синтеза СУ из условия обеспечения заданных требований к параметрам выходного тока (тока нагрузки) в заданном диапазоне изменения параметров силовой цепи (сопротивления нагрузки и напряжения питания силовой цепи).

Практическая значимость н реализация результатов. Результаты работы использованы при выполнении госбюджетных НИР СПбГУИТМО на кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем по темам "Синтез усилительно-преобразовательных устройств мощных источников тока программируемой формы для лазерной техники и оптоакустоалекгроники" (инв. № 02.20.03 05588), "Исследование и разработка принципов построения и путей совершенствования технических характеристик электрических комплексов с полупроводниковыми преобразователями" (инв. № 0220.03 05842) и "Системы приборного электропривода с полупроводниковы-

ми преобразователями и компьютерным управлением" (инв. № 02.20.03 06207), а также гранта (АОЗ-З.16-159) по теме "Синтез адаптивных систем управления мощных источников тока для установок нестационарного электролиза".

Апробация работы. Отдельные результаты работы нашли практическое применение в учебном процессе при выполнении дипломных и курсовых работ студентами специальности 1406 "Электропривод и автоматика производственных процессов и технологических комплексов". Практические рекомендации по выбору структур и параметров системы управления, сформулированные в диссертационной работе, использованы УНПЦ «Силовая элеюроника» при разработке импульсных источников тока, предназначенных для электрохимической обработки воды ионами серебра, что обеспечило улучшение динамических параметров процесса обработки (подтверждено актом о внедрении). Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ХХХ11-ХХХУ учебно-методических и научных конференциях СПбГУ ИТМО (СПб., 2003-2006), I конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО (СПб., 2004).

Публикации. Основные результаты работы отражены в 9 публикациях, в том числе в журнале "Приборостроение", тематических выпусках научно-технического вестника СПбГУ ИТМО, материалах указанных конференций, сборнике научных статей СПбГУ ИТМО.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 84 наименований и приложений. Основной текст работы изложен на 154 страницах, включает в себя 6 таблиц и 80 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, основные положения, выдвинутые на защиту. Приведена краткая характеристика работы.

В первой главе диссертации рассмотрены принципы построения УПУ на основе транзисторных ШИП для СУ мощными источниками тока, технические требования к ним, определена рациональная структура СУ с ^-модульным УПУ для общего случая, представленная на рисунке 1, позволяющая реализовать заданные технические требования в условиях ограничения частоты коммутации силовых ключей ШИП.

Рисунок 1 - Структурная схема СУ с ^-модульным УПУ

Энергетическая подсистема содержит N идентичных реверсивных ШИП, подключенных к нагрузке /?„ через разделительные дроссели с индуктивностью Ь и активным сопротивлением г. Каждый л-й ШИП содержит выходной каскад мостового типа на четырех транзисторных ключах, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и силовой источник питания с ЭДС Еп, Выходной сигнал ШИП представляет собой последовательность импульсов постоянной частоты и амплитуды (Ел), длительность и полярность которых определяется соответственно величиной и полярностью сигнала управления иу„. Синхронизация ШИМ организуется по многофазному принципу. На каждом у-м из возможных 2И временных интервалов на периоде Гк коммутации силовых ключей выходной сигнал п-го ШИП может иметь одно из трех значений +Еп, 0 или При работе УПУ на нагрузку с малым омическим сопротивлением Л„ для сглаживания пульсаций тока в нагрузке целесообразно использовать только дроссели Ь (конденсатор С отсутствует). Основной контур регулирования содержит регулятор тока РТ, на входе которого осуществляется сравнение сигнала с датчика мгновенного значения тока нагрузки ДТН сигналом ижя, поступающим с контрольно-задающего устройства (КЗУ). Контур сигнальной адаптации содержит эталонную модель ЭМОД и корректирующее звено КЗ. N местных контуров регулирования предназначены для выравнивания токов. коммутируемых силовыми ключами ШИП, в статических и динамических режимах работы системы и содержат датчики токов сглаживающих дросселей ДТрДТ^, и усилительные звенья с коэффициентами передачи К,.

С позиции ТАУ СУ источника тока с таким УПУ является многосвязной, поскольку электромагнитные процессы в каналах взаимосвязаны через нагрузку. Трудности анализа таких систем обусловлены высоким порядком системы дифференциальных уравнений, пропорциональным числу каналов И, и наличием в каждом го них нелинейного импульсного звена — ШИП. В результате анализа требований к статическим и динамическим качествам СУ установлена целесообразность их синтеза из условия воспроизведения в следящем режиме импульса тока с заданной амплитудой /, М11КС, временем фронта Гф, допустимым размахом пульсаций 2А/цДОП, обусловленных импульсным характером выходного напряжения УПУ и при ограниченной на уровне частотой коммутации силовых ключей ШИП,

В результате анализа существующих методов было установлено, что задачу параметрического синтеза СУ со структурной схемой, представленной на рисунке 1, целесообразно решать на основе двухэтапного подхода, при котором предварительно осуществляется расчет параметров энергетической и информационной подсистем с использованием приближенных непрерывных моделей, а окончательный анализ с уточнением результатов предварительного синтеза проводится на ПЭВМ с использованием имитационных моделей, достаточно точно отражающих электромагнитные процессы в силовой цепи УПУ. Реализация такого подхода требует решения задач, сформулированных в автореферате.

Во второй главе предложены методики синтеза одноконтурных адаптивных СУ с од-номодульными УПУ для случаев индуктивного и однозвенного индуктивно-емкостного сглаживающего фильтров. При синтезе полагаются заданными частота коммутации силовых ключей ШИП, время фронта прямоугольного импульса тока в нагрузке и допустимая амплитуда его пульсаций, характер кривой эталонного переходного процесса и диапазон изменения параметров силовой цепи. Определению подлежат параметры элементов силового фильтра и регуляторов, предельное значение коэффициента адаптации. Приведены результаты математического моделирования СУ, подтверждающие корректность расчетных соотношений, на которых базируется методика.

Далее при описании статических и динамических характеристик СУ будем использовать понятия максимального тока, потребляемого от силового источника питания ШИП /«акс, коэффициента пульсаций тока нагрузки Хдоп, индуктивной Т£ и емкостной тс постоянных времени, коэффициента передачи ШИП на линейном участке регулировочной характеристики Кши„, которые определяются следующими соотношениями

1,^Е„'(Пи-г), (1)

Хлоп ~ 2 дОП. /макс» (2)

(3)

%с= С-Л„, (4)

КщнП /иоп, (5)

где г — сопротивление, включающее внутреннее сопротивление источника питания силового каскада ШИП, выходное сопротивление силового каскада и сопротивление обмотки сглаживающего дросселя. В ряде формул будут использоваться относительные постоянные времени Р, равные соответствующим абсолютным, отнесенным к периоду коммутации 7К, т.е.

Р;: = П/Т.., рс = тс/ 71, Ту/Та (6)

где т,- - постоянная времени переходного процесса, связанная со временем фронта соотношением тч.=/ф/3 — для систем с индуктивным фильтром и т,=/ф/4.7 - для систем с индуктивно-емкостным фильтром.

Структурная схема СУ с одномодульными УПУ идентична обобщенной структурной схеме, представленной на рис. 1, при Л-1.

В качестве эталонной модели предложено выбирать звено с передаточной функцией линейной непрерывной модели замкнутой системы без канала адаптации, параметры регулятора которой выбираются из условия обеспечения заданного эталонного процесса, т.е.

(7,а)

= 1 / (2-тЛр2 + 2-т,.-р + 1]. (7,6)

соответственно для СУ с индуктивным и индуктивно-емкостным фильтром.

В качестве корректирующего звена в контуре адаптации предложено поставить регулятор с теми же параметрами, что и в основном контуре, и пропорциональное звено с коэффициентом передачи К\.

При таком подходе для синтеза СУ целесообразно использовать уже существующие методики аналогичных структур без каната адаптации, дополнив их определением параметров силовой цепи, при которых осуществляется выбор параметров фильтра и регулятора, и определением предельного значения коэффициента адаптации, которое за отсутствием расчетного соотношения предложено определять посредством математического моделирования.

Исследования, проведенные для СУ с различными исходными параметрами, показали, что наилучшее приближение переходного процесса к эталонному во всем диапазоне изменения параметров силовой цепи обеспечивается при параметрах системы, рассчитанных при максимальном из всех возможных значений сопротивления нагрузки ыакс и минимальном из всех возможных значений напряжения силового источника питания Ем =Е„ мив.

В работе приведены результаты математического моделирования, подтверждающие правомерность предложенного подхода к синтезу таких СУ. Также показано, что заданный характер переходного процесса и его время при реакции на скачок задающего воздействия обеспечиваются лишь при условии Л</1Т* где I^ - граничное значение амплитуды тока задания, зависящее от периода коммутации, глубины модуляции и от требуемого времени переходного процесса /ф. При /,>/гр ШИП в процессе отработки скачка задающего воздействия входит в режим насыщения, поэтому увеличивается длительность и изменяется характер пе-

реходного процесса. Повышение значения возможно при использовании в СУ многомодального УПУ с многофазным принципом синхронизации ШИП.

Третья глава посвящена математическому описанию и анализу электромагнитных процессов в силовых цепях Л'-модульных УПУ.

Структурная схема силовой цепи Л'-модулыюго УПУ с индуктивно-емкостным фильтром представлена на рисунке 2.

"у! 1 »>» 1 и>у I

г---— -У----——I г — —----ч г —-----1

Е^ ф

¡йт/Тяжз^

и,

КЛ4

ф

КЛ1„-КЯ4„

Е„ ф

КЛ1Х-КЛ4,

Г" Ух

Г.Ц

-4

Г,Ц

Рисунок 2 - Структурная схема силовой цепи Л'-модульного УПУ

Процессы в силовой цепи УПУ на всех временных интервалах его работы можно описать матричным уравнением

У^А-У+В-и, (8)

где А и В - квадратные матрицы размера соответственно (Л/+1 )'(№-!) и вида

(9)

а а а р

а а а р

А =

а а а р

У с/ в

" Ь\ -ь. -ь.

А* ~Ъг

-К ~Ьг -к

ГЬг ~Ь1 -ьг .

(10)

элементы которых определяются формулами

а=р-г, а=0, С?=-1/(Дн-С), &1=-р, Ь2=0;

V = [[/[ (/2 ■■•У,, ■■■ С/у] — вектор управления с элементами (/„ в виде выходных напряжений ШИП и У = [/; /2 — /„ ... /у «с] - вектор состояния с элементами в виде токов дросселей каналов 1„ и напряжения на конденсаторе фильтра

Моделирование процессов в силовой цепи многомодульного УПУ возможно на основе численного интегрирования системы уравнений (8) в пределах постоянства вектора I! и определении моментов изменения компонентов этого вектора в соответствии с используемым алгоритмом управления. Существенно большее быстродействие и точность обеспечивают модели, построенные на основе аналитического решения системы (8), наличие которого облегчает задачу синтеза замкнутой СУ, но нахождение его требует знания собственных чисел матрицы (9). Среди №1 собственных чисел матрицы (9) имеется //-1 одинаковых чисел

*1=-г/£, (11)

и пара чисел вида

' (12)

X,. = ~Ь±^5~ -со;,

* Ч 1 ,

где 5 = — -+ — » <в0 =.

21 Я -С

N + r/JR^

L-C

Собственные числа, определяющие характер свободных составляющих токов каналов ;„ и напряжения на нагрузке иа в зависимости от параметров r,L,C и числа каналов N могут быть вещественными при 5хво или комплексно-сопряженными при 5<а>о-

В случае веществешшх собственных чисел аналитическое решение системы (8) на j-м интервале постоянства элементов вектора U можно представить в виде

У/ОЩ-е11' + L l/eu' + L2fe'3' - Kj, где К - матрица-столбец, элементы K„j которой определяются как

U^ R^-ф', + U, + ■•• + {/„ + ■■■и,.) г

(13)

К- =

r-(r + N-R,)

R„-(Ul+U,+- + U„+-t\) г+ N-R

при /# = 1,2,...,//

при п - N +1

а элементы матриц-столбцов D, L\ и L2 размера (Л'+ 1)х 1, определяются формулами

>V(°)-~Z^COJ + ^-i.XJf, ПРИ » = 1.2..

при и = Л' +1

£1- =

' • ft G-, <°) + К J+D2- О д,,, (О) + Кх,и )

1

^(oj + jO+m-iy^OT + ^J

Z (у, <°) + к „) t m ■■ (кл, (0) - )

l

t(y,(0) - A-J-/J1 - Gv.,, (0) + )

при ## = 1,2,...,ЛГ

при n = N +1 при и = 1,2.....ЛГ

I

при ## = Лг +1

(14)

(15)

(16)

(17)

где 2>1 ---Р-^.-^) п2;

а - (Х3 — G) + p с/ а • (X, — G) + р • J

Для случая 5<юо решение системы (8) найдено в виде

Y/iy-D/e" ' - L/S^o/ye-6' - Kj,

, с = -1/(D1-D2), v= -o-ZJl/A', и=<т-т/М

где

¿k(Q)^J('5"G)sin(a°'ncos(n,)-

4 ' Nil

fv «П + * I (шо +2-5 G + G") - ly.v-i.j (0) + N'+I.J 1--

n=l

N-Cld rf-sin(n-f) П

при n = 1,2,

(5 + C?)-sin(Q + со s(Q-Q

при н = JV +1

а С1=т[а>1 -Sz .

При работе на низкоомную нагрузку резистивного характера целесообразно применять для сглаживания пульсаций тока в нагрузке L-фильтр. Структурная схема силовой цепи такого УГГУ может бьгхь представлена в виде рис.3, если положить СИ).

В работе показано, что процессы в силовой цепи такого УПУ на всех временных интервалах можно описать матричным уравнением (8), если состояние системы охарактеризовать вектором У = р, ¡2... /„... i,v] и в качестве матрицы А принять матрицу размера NxN вида

Га1 al • all al al ■ al

A =

(20)

а1 а1 - а1 с элементам а1=р-(гК/?„), а1=-р йя.

Среди Аг вещественных собственных чисел матрицы А имеется N-1 одинаковых чисел X, (21), не зависящих от числа каналов и параметров нагрузки, и одно число

= -(^М-Я„у1, (21)

зависящее от указанных факторов.

Аналитическое решение системы (8) для данного случая было получено в виде

УХО =Огеи "+ Ьгеи '-Щ, ' (22)

где элементы матриц-столбцов О и К размера Лгх1, определяются теми же выражениями, что и для источника с £С-фильтром, а элементы матрицы I. рассчитываются по формуле

(23)

Матричные уравнения (13), (18) и (22) вместе с формулами, определяющими их элементы, явились основой для аналитического исследования квазиустановившихся и переходных режимов работы многомодульного источника. На основе указанных уравнений были построены алгоритмы вычисления фазовых координат у„ при известных элементах вектора управления и, позволяющие избежать длительной процедуры численного интегрирования системы (8). Процессы, полученные на математических моделях, первые из которых используют численное интегрирование системы уравнений (8), а вторые - аналитические решения (13), (18) и (22), совпадают с высокой точностью, что подтверждает достоверность представленных выкладок и результатов.

Анализ переходных и установившихся режимов работы систем с .^-модульным УПУ с использованием разработанных математических моделей позволил поставить исходной многосвязной импульсной системе линейную непрерывную модель, составленную относи-

тельно усредненных гладких составляющих токов каналов и нагрузки, представленную па рисунке 3,а,б соответственно для СУ с индуктивным и индуктивно-емкостным фильтром.

иу ■Кшнп уср "у ^шип

Т уср-р+ 1

уср

а2-р + аур+ 1

а б

Рисунок 3 — Линейные непрерывные модели В представленных структурах

Куср= 1 !(г + ЫЮ, Туер=Щг + ЛЛД„), а2

1 + Ы-Я1г' 1 1 + ЛГ-Л./Г*

(24)

Четвертая глава диссертации посвящена расчету и анализу параметров квазиустановившегося режима в силовых цепях многомодульных УПУ с индуктивными и индуктивно-емкостными сглаживающими фильтрами.

Для решения задачи синтеза СУ необходимо располагать расчетными соотношениями, связывающими параметры элементов силовой цепи с параметрами квазиустановившегося режима работы. К последним относятся начальные и средние значения тока нагрузки и каналов, а также амплитуды их пульсаций. Полученные в главе 3 расчетные соотношения позволили построить и реализовать достаточно точные, простые и быстродействующие алгоритмы численного расчета параметров квазиустановившегося режима и строго подойти к их аналитическому расчету.

Формулы для определения среднего значения тока нагрузки в квазиустановившемся режиме работы источника с индуктивным фильтром, минимального и максимального его значений и размаха (двойной амплитуды) его пульсаций имеют вид

2-М. = —

р Г,»Ык<т-<»-1)/»> _ е"-тч'" + еиг„.(М;\-,) _

_ V 1

(25)

(26)

(27)

(28)

где Аа1= -М£/(г + ЛГЛ„), Ш= -(М-1)Е/(г + ЛГД„), а Х2 определяется (21).

Анализ выражения (28) показывает, что при изменении у в пределах от 0 до 1 пульсации тока нагрузки ^-модульного УПУ с многофазным принципом синхронизации ШИП Л'+1 раз обращаются в ноль (через промежутки Ду=1/Л0 и N раз достигают максимальных значений (при уинкс=(2Л/-1)/2<У). Сами максимальное значение размаха пульсаций тока нагрузки определяются выражением

2-М

и падают с ростом числа модулей N при неизменных параметрах элементов фильтра и ШИП. Введя понятие относительной постоянной времени канала

Р=| 1/(Г,*о|

с учетом (2) преобразуем выражение (29) к виду

(29)

■ ■«* г + Л'-Д.

Период Г* пульсаций тока канала >■„ при (М-\)1Ы<\<ММ содержит 2Ы временных интервалов: N интервалов с длительностью Т|ж в течение которых в режиме формирования импульса работают М ШИП каналов и N интервалов с длительностью т2, в течение которых в режиме формирования импульса работают (М-1) ШИП. Аналитическое определение параметров квазиустановившегося режима для тока канала является задачей весьма трудоемкой, поскольку требует стыковки решения уравнения на границах временных интервалов. Такое решение для определения амплитуды пульсаций в работе было получено в виде

А>'л =Уср->,ьшк (32)

и сводится к отысканию среднего значения тока канала

(33)

и минимального на периоде Гк значения тока канала у„т.

На основе полученных в данной главе работы выражений были составлены алгоритмы расчета зависимостей ХнСуЛО и Хк(уД)> разработаны программы их расчета в среде МаЛсаё и проведен их анализ при различных параметрах ШИП и фильтра, который показал, что при изменении у в пределах от 0 до 1 коэффициент пульсаций тока нагрузки //-модульного УПУ с многофазным принципом синхронизации ШИП, Л/4-1 раз обращается в ноль (через промежутки Ду-1/ЛР).и N раз достигает максимального значения Хн макс; зависимости Хк(у) сохраняются неизменными при изменении числа каналов N или при любом значении у, амплитуда пульсаций Тока канала практически не зависит от ЛГ, что позволяет использовать в качестве приближенного расчетного соотношения, связывающего амплитуды пульсаций токов дросселей каналов с параметрами ШИП и фильтра, соотношения (28) и (29) при ЛГ=1.

Аналогичные результаты были получены для //-модульного УПУ с индуктивно-емкостным сглаживающим фильтром.

Формулы для определения в квазиустановившемся режиме работы размаха (двойной амплитуды) пульсаций суммарного тока каналов имеют вид

2-Д/. --±1-(34)

где определяется выражением (11), а максимальное значение этого размаха равно

2-А1 = -£-*]2-£-«-У. (35)

I мке г 7

Для связи между амплитудами пульсаций суммарного тока каналов и тока в нагрузке предложено использовать соотношение

Ыъ =Д/.-%/1+4-л2-Л:2-рс2 . (36)

В пятой главе предложены методики синтеза адаптивных СУ с многомодульными УПУ для случаев индуктивного и однозвенного индуктивно-емкостного сглаживающих фильтров, включающие в себя методики синтеза основных контуров и методики синтеза контуров сигнальной адаптации. При синтезе полагаются заданными частота коммутации силовых ключей ШИП, время фронта прямоугольного импульса тока в нагрузке, его максимальная амплитуда и допустимая амплитуда его пульсаций, характер кривой эталонного переходного процесса, диапазон изменения параметров силовой цепи. Определению подлежат число модулей УПУ, параметры элементов силового фильтра и регуляторов, предельные значения коэффициента адаптации. Приведены результаты математического моделирования СУ, под-

тверждающие корректность расчетных соотношений, на которых базируется методика. Даются описания программ машинно-орие!гтированного синтеза и моделирования систем в среде МсиИсаА, тексты которых содержатся в приложениях к диссертации.

Структурная схема адаптивной СУ представлена на рисунке 1. В случае равенства напряжений силовых каскадов всех N ШИП или при питании их от одного источника обратные связи по токам каналов не нужны, во всех остальных случаях целесообразно их введение.

При работе источника на нагрузку с малым омическим сопротивлением Л„ для сглаживания пульсаций тока в нагрузке целесообразно использовать индуктивный фильтр (емкость С на рисунке 1 отсутствует).

Параметрический синтез основного контура состоит в таком выборе числа модулей Ы, индуктивностей Ь фильтра и параметров ПИ-регулятора, чтобы с одной стороны была обеспечена допустимая амплитуда пульсаций тока в нагрузке А1Н доп, а с другой - экспоненциальный переходный процесс с постоянной времени Тц при граничном значении тока задания /грь/э макс Приведенные ниже расчетные соотношения составляют основу методики синтеза основного контура системы управления при заданных ее параметрах £„, иоп, г, Лн,

Р.

2Ыг

(37)

N■(r + N■f{,

^ + 0.5)-(38)

Тн = Туср> Кп = Туер I (Тт ■ А'шип ■ N ■ Л'уср • ¿Г 1Т ). (39)

Методика состоит в следующем: рассчитываются Хдоп и Люкс по формулам (2) и (I); строятся графики зависимостей Рг.(#,Хдоп) и Акакс) по формулам (37) и (38); по точке их пересечения находятся требуемые значения N и р/. (а, следовательно, /.); рассчитываются параметры регулятора по формулам (39).

В качестве эталонной модели и корректирующего звена выбираются те же звенья, что и для СУ с одномодульным УПУ, тогда после введения обозначений р = Л'у<т / Л"усро, V =Е„ /¿Гпо = А'щип / Л"шипО, где Лус!*>, Еяо — параметры силовой цепи, при которых осуществляется расчет настроек ПИ-регуляторов, и эквивалентных структурных преобразований передаточную функцию указанной системы приведем к виду

^Чн^гЧ'*1

И'(Р> = --' '-1---1-. (40)

Ч^уч* _2.Г . . . , +

Анализ выражения (40) показывает, что при номинальных параметрах силовой цепи передаточная функция системы соответствует эталонной при любом значении коэффициента К\. При отличных от единицы коэффициентах р и и и при достаточно высоком значении коэффициента Ка, динамические характеристики адаптивной СУ приближаются к соответствующим характеристикам эталонной модели Таким образом, точность поддержания эталонного экспоненциального процесса в условиях изменения параметров силовой цепи источника связана с предельным значением коэффициента К х- Конкретное значение предельного коэффициента адаптации целесообразно определять на основе зависимостей Лад) от изменяемых параметров для каждой конкретной системы. Из всех возможных зна-

силовой цепи будет связано лишь с увеличением значения Л'д.пр.

В случаях, когда пульсации тока в нагрузке сглаживаются с помощью однозвенного индуктивно-емкостного фильтра, структурная схема адаптивной системы примет вид, представленный на рисунке 1.

Параметрический синтез основного контура данной структуры состоит в таком выборе числа модулей Ы, параметров элементов фильтра и ПИД-регулятора тока, чтобы с одной стороны был обеспечен допустимый уровень пульсаций тока в нагрузке и с другой - эталонный переходный процесс с заданным временем Гф при граничном значении тока задания

^гр — ^ макс*

Приведенные ниже расчетные соотношения составляют основу методики синтеза основного контура СУ при заданных ее параметрах £,=[£,„, £„шс], {/сп. г, йн=[/?кшш, ^нмакс)» Тк, Адт, /змакс, Рс

Р*(Х*,) =-----, , 2 2 ■ С«)

г + Д.+Х*.^Т+4лаДГгр:

Р 4(/ ,Р,) = -

/1Р» ,

Р7Г . («)

Л'Д.

р»

Кп=а,/(2-ги-К1шт-М-Ку^-К11Т), Ти-аи Тл^а/а,. (43)

Методика заключается в следующем: после вычисления /иш<с, Хдоп и строятся графики зависимостей РДЛ^Хддя,) и рл^/зад^мо-^) по формулам (41) и (42); по точке их пересечения находятся требуемые значения N и /?/,, по формулам (43) рассчитываются параметры ПИД-регулятора.

, Используя тот же подход, что и в СУ с ЛГ-модульным УТГУ и индуктивным фильтром, с учетом обозначений р=Л„/Д„о, ^Еп/Еп0, КР=(1{но Ы+г)1(кнй И р+г), Кг=(т, +р тг)/(т,_+тс), передаточная функция системы примет вид

где Л4=2-т,Дя2/(Ка+1), Л3=(2-с0*-а1+2т„-а2)/(А'А+1), Л2=(2'Т1>2+2'Хи-л1+агЛГд+а2у(Я"д-1-1), у11=(2ти+а1Л'А+<1))/(Л"А+1), В^гт^ахКАКл-ъ+и),

Все выводы, сделанные при анализе выражения (40) справедливы и для выражения (44). То' гда, описанную методику синтеза основного контура с учетом Еп-Епи Дн=янмакю также как и в случае с индуктивным фильтром, остается дополнить определением предельного значения коэффициента адаптации К а пр. определяемым посредством математического моделирования.

Представлены примеры и результаты моделирования, подтверждающие корректность предложенных методик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. На основе аналитических решений уравнений состояния на межкоммутационных интервалах разработаны математические модели энергетических подсистем мощных источников тока различной степени детализации, пригодные как для расчета электромагнитных нагрузок на элементы силовых цепей Л'-модульного УПУ с Транзисторными ШИП, так и для решения задач параметрического синтеза СУ.

2. На основе аналитических решений поинтервальных уравнений состояния построены быстродействующие программы расчета на ПЭВМ электромагнитных процессов в силовых цепях Л-модульного УПУ с учетом рода и глубины широтно-импульсной модуляции.

3. Проведен анализ электромагнитных процессов в силовых цепях УПУ в условиях возможного разброса параметров силовых цепей ШИП и их изменения в процессе функционирования источника. На основе проведенного анализа предложены рациональные структуры СУ, позволяющие устранять разброс токов, коммутируемых транзисторными ключами составляющих модулей в квазиустановившемся и переходных режимах работы источника и обусловленных возможной несимметрией ихриловых цепей.

4. Разработаны алгоритмы расчета параметров тока нагрузки и каналов в квазиустановив-шихся режимах работы источника с А'-модульным УПУ и многофазным принципом синхронизации работы ШИП и получены достаточно точные аналитические соотношения для их расчета, необходимые для решения задачи синтеза.

5. Разработаны машинно-ориентированные методики синтеза адаптивных СУ источников тока, позволяющие сохранять эталонные параметры переходных процессов в требуемом диапазоне изменения заданных токов нагрузки и параметров силовых цепей источника и в условиях ограничений, накладываемых на максимально-допустимую частоту коммутации, амплитуду пульсаций тока нагрузки и кан.шов. В отличии от известных, предложенные методики позволяют, исходя из заданных параметров процесса и ограничений, рассчитать в сред с Mathcad число модулей УПУ, параметры сглаживающего фильтра, параметры эталонной модели и настройки регуляторов в основном контуре и канале адаптации, рассчитать и смоделировать переходные процессы в СУ при расчетных параметрах энергетической и информационной подсистем.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах:

1. Толмачев В.А., Никитина MB. Расчет параметров квазиустановившегося режима в источнике тока с импульсным усилительно-преобразовательным устройством и индуктивным сглаживающим фильтром.// Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск 3. Физические процессы, системы и технологии точной механики / Главный редактор В Н. Васильев СПб: СП6ГИТМО(ТУ),2001.-С. 126-131.

2. Никитина М.В. К синтезу системы управления многомодульного источника тока.// Современные технологии: Сборник научных статей / Под. ред. С.А. Козлова и В.О. Никифорова. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002. - С. 276-285.

3. Толмачев В.А., Никитина М.В. Расчет параметров квазиустановившегося режима в источнике тока с импульсным усилительно-преобразовательным устройством и индуктивно-емкостным сглаживающим фильтром.// «Известия вузов. Приборостроение». 2002. -Т.45. -№8.-С. 50-57.

4. Толмачев В.А., Никитина М.В. Моделирование электромагнитных процессов в силовых цепях N-модульных импульсных источников тока программируемой формы.// Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск 10. Информация и управление в технических системах/ Главный редактор Ю А. Гатчин. СПб: СПб ШТМО (ТУ), 2003. - С. 212-217.

5. Толмачев В А., Кротенко ВВ., Никитина MB., Осипов ДВ. Адаптивная система управления программируемого источника тока, построенного на основе транзисторного ШИН// Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов / Под ред. BJL Ткалич. Том 2.-СПб: СПбГУ ИТМО,2004.-С. 149-156.

6. Толмачев В.А., Кротенко ВВ., Никитина М.В. Сиитез цифровой систем управления источником тока с многофазным усилительно-преобразовательным устройством.// Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 15. Теория и практика современных технологий/ Главный редактор д.т.н., проф. В Н. Васильев. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. - С. 330-334.

7. Толмачев В.А., Никитина М.В. Адаптивная система управления многомодульного источника тока с индуктивным сглаживающим фильтром.// «Известия вузов. Приборостроение». 2004. - Т.47. - №11. - С. 48-53.

8. Толмачев В.А., Никитина MB. Синтез адаптивной системы управления импульсного источника тока с индуктивно-емкостным фильтром.// Научно-технический вестник СПбГУИТ-МО. Выпуск 20. Современные технологические решения / Главный редактор д.т.н., проф. ВН. Васильев. -СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. -С.91-96.

9. Толмачев В.А., Никитина MB., Огородников А.Н. Многомодульное усилительно-преобразовательное устройство электропривода постоянного токаЛ Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Выпуск 20. Современные технологические решения / Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. - С.127-133.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул.,14 Тел.(812)2334669 Тираж 100 экз.

Введение

1 Импульсные усилительно-преобразовательные устройства в системах управления источников тока программируемой формы

1.1 Принципы построения и технические требования

1.2 Состояние вопроса и задачи исследований

2 Одномодульные импульсные УПУ в адаптивных системах управления

2.1 Синтез УПУ с индуктивным сглаживающим фильтром

2.2 Синтез УПУ с индуктивно-емкостным сглаживающим фильтром

2.3 Выводы по главе

3 Электромагнитные процессы в системах управления с многофазными импульсными УПУ

3.1 Математическое описание электромагнитных процессов в системе «N-модулыюе УПУ - нагрузка»

3.1.1 Лг-м о дульное УПУ с индуктивным фильтром

3.1.2 //-модульное УПУ с индуктивно-емкостным фильтром

3.2 Алгоритмы расчета электромагнитных процессов на ПЭВМ

3.3 Непрерывные линейные модели //-модульных УПУ

3.4 Анализ электромагнитных процессов в силовой цепи iV-модульных УПУ

3.5 Выводы по главе

4 Анализ квазиустановившихся режимов работы в электрических цепях многофазных УПУ

4.1 Система управления с индуктивным фильтром

4.1.1 Расчет параметров квазиустановившегося режима работы

4.1.2 Результаты моделирования параметров квазиустановившегося режима

4.2 Система управления с индуктивно-емкостным фильтром

4.2.1 Квазиустановившийся режим и проблемы его расчета

4.2.2 Упрощенное описание электромагнитных процессов

4.2.3 Расчет параметров квазиустановившегося режима работы

4.2.4 Связь пульсаций тока в нагрузке с пульсациями суммарного тока дросселей фильтра

4.2.5 Результаты моделирования параметров квазиустановившегося режима

4.3 Выводы по главе

5 Синтез TV-модульных УПУ в составе адаптивных систем управления

5.1 Расчет электромагнитных процессов: алгоритмы и программное обеспечение

5.2 Синтез JV-модульного УПУ с индуктивным сглаживающим фильтром

5.2.1 Линейная модель и передаточная функция адаптивной системы управления относительно усредненной гладкой составляющей тока нагрузки

5.2.2 Синтез основного контура регулирования

5.2.3 Синтез контура сигнальной адаптации

5.3 Синтез JV-модульного УПУ с индуктивно-емкостным сглаживающим фильтром

5.3.1 Линейная модель и передаточная функция адаптивной системы управления относительно усредненной гладкой составляющей тока нагрузки

5.3.2 Синтез основного контура регулирования

5.3.3 Синтез контура сигнальной адаптации

5.4 Выводы по главе 141 Заключение 142 Список использованных источников 146 Приложение А 155 Приложение Б 156 Приложение В 157 Приложение Г

Актуальность. Техническое перевооружение промышленности и выход на новые высокие технологии предполагает автоматизацию технологических комплексов, которая неразрывно связана с внедрением во все новые системы управления полупроводниковых управляемых преобразователей электрической энергии. Поэтому в материалах международных научно-технических конференций по полупроводниковой преобразовательной технике, автоматизированному электроприводу и электротехнологиям неоднократно подчеркивалось актуальность вопросов связанных, с умощнением, совершенствованием технических характеристик и объектной ориентацией усилительно-преобразовательных устройств (УПУ) на транзисторных широтно-импульсных преобразователях (ШИП).

Несмотря на достигнутые в этом направлении успехи, обилие работ фундаментального и прикладного плана, посвященных замкнутым системам управления с ШИП, проблема создания конкурентноспособиых, технологичных, объектно-ориентированных УПУ с отвечающими современным требованиям техническими и эксплуатационными характеристиками не нашла своего окончательного решения. Вопросы выбора оптимальных методов анализа и синтеза таких систем применительно к конкретным объектам и условиям их работы сохранят и в дальнейшем свою актуальность.

Опыт практического внедрения импульсных технологий и обширный информационный материал позволяет утверждать, что импульсный электролиз является наиболее перспективным и надежным средством простого и эффективного управления структурой и свойствами функциональных покрытий, особенно сплавов. К преимуществам импульсного электролиза относится улучшение качества гальванопокрытий (твердость, пористость, равномерность, прочность сцепления, электропроводность, толщина и т.п.), сокращение времени осаждения, возможность электроосаждения из малоконцентрированных электролитов, использование которых позволяет улучшить экологическое состояние окружающей среды, экономия осаждаемых металлов, получение сплавов осаждаемых металлов, заменяющих драгметаллы в часовой, электронной и ювелирной промышленности и др.

Для технического обеспечения указанного направления требуются специальные сильноточные импульсные источники электропитания, обладающие по сравнению с непрерывными дополнительными регулируемыми параметрами, такими как частота следования импульсов, их амплитуда и длительность, длительности фронтов самих импульсов, а в более общем виде -форма импульсов тока. Обеспечение заданных и регулируемых величин этих параметров требует использования новых структурных и схемных решений и новой элементной базы. Создание мощных импульсных источников электропитания технологических установок является важной научно-технической задачей.

Успешный опыт использования импульсного тока прямоугольной формы порождает и преимущественный спрос на такие источники, однако в целом ряде работ, отмечается, что в каждом конкретном случае для получения покрытий с требуемой структурой и физико-механическими свойствами следует применять соответствующую форму и параметры периодического тока. Отсутствие конкретных рекомендаций по использованию различных форм тока объясняется, по-видимому, отсутствием серийно изготавливаемых мощных источников тока программируемой формы (ИТПФ) и соответствующих наработок технологических процессов.

В связи с этим актуальной является проблема создания импульсных источников с широкими функциональными возможностями, используемых в качестве универсального инструмента для исследований и отработки новых технологических процессов. Более простые и потому более дешевые источники строятся обычно путем упрощения структурных схем и функциональных узлов таких универсальных источников. Точностные характеристики и КПД мощных источников практически полностью определяются КПД и динамическими качествами УПУ.

В диссертации решаются проблемы исследования и проектирования ИТПФ с транзисторными ШИП в контурах управления. Потребность в таких устройствах велика в станкостроении, робототехнике, электрохимии, астрофизике и т.п.

С позиции теории управления системы с ШИП относятся к нелинейным импульсным системам, регулярных методов анализа и синтеза которых не существует. Многообразие и в ряде случаев противоречивость требований, предъявляемых к параметрам тока в нагрузке обуславливают необходимость синтеза энергетических и информационных подсистем ИТПФ из условия обеспечения минимального времени фронта выходного импульса, максимально широкой полосы пропускания контура (предельное быстродействие в малом), минимальных пульсаций тока в квазиустановившемся режиме работы источника.

Обзор публикаций, посвященных теории замкнутых систем управления с широтно-импульсной модуляцией сигналов управления, предложенных там методов анализа их устойчивости с учетом рода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и расчета квазиустановившихся и переходных режимов, позволяет заключить, что наиболее перспективной и практически применимой на современном этапе является ориентированная на ПЭВМ двухэтапная методика, при которой предварительный синтез осуществляется аналитически с использованием приближенных непрерывных моделей (линейных или нелинейных), а окончательный анализ с уточнением результатов предварительного синтеза проводится на ПЭВМ, с использованием иммитационных моделей, достаточно точно отражающих электромагнитные процессы в системе "ШИП-нагрузка".

Удовлетворение требований к статическим, динамическим и энергетическим характеристикам ИТПФ обуславливает разработку новых структур систем управления, алгоритмов управления и как следствие, совершенствования традиционных и разработку новых методов, методик и математических моделей для проектирования, анализа и синтеза САУ.

Кроме того, сокращение продолжительности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при создании современных САУ с транзисторными ШИП в контурах управления делает актуальным разработку математических и программных средств автоматизации процесса проектирования.

Применение импульсного регулирования остро ставит проблему сглаживания пульсирующей составляющей тока в нагрузке, которая оказывает негативное влияние на качество покрытий и требует установки сглаживающих фильтров, существенно снижающих предельные динамические свойства источников при ограниченной частоте коммутации силовых ключей и точность воспроизведения в нагрузке тока заданной амплитуды, частоты и формы.

Помимо всего вышесказанного, актуальной является задача сохранения статических и динамических характеристик ИТПФ в условиях изменения в течение процесса электролиза как сопротивления нагрузки, так и напряжения питания силового каскада ШИП.

Повышение предельных динамических возможностей системы и сохранение ее статических и динамических характеристик при ограниченной частоте коммутации силовых ключей и изменяющихся параметров силовой цепи возможно в структурах с многомодульными УПУ и адаптивными алгоритмами управления. Однако внедрение их в устройствах указанного типа сдерживается из-за отсутствия регулярных методов синтеза их энергетических и информационных подсистем.

Из изложенного следует, что создание современных методов исследования и проектирования ИТПФ для электротехнологических установок является актуальной задачей.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методик синтеза адаптивных систем управления ИТПФ с УПУ на основе транзисторных ШИП. Поставленная цель требует решения задач, сформулированных в главе 1 данной диссертации.

Методы исследования включают методы теории линейных и нелинейных, импульсных и непрерывных динамических систем, методы теории электрических цепей, теории автоматического управления, переменных состояния, математического моделирования и др.

Научная новизна диссертационной работы состоит в развитии теории расчета и проектирования замкнутых адаптивных систем управления применительно к ИТПФ с одномодульными и многомодульными УПУ на основе транзисторных ШИП в энергетических подсистемах.

В частности:

1. Разработаны математические модели энергетических подсистем источников электропитания для общего случая управления объектом от N транзисторных ШИП, параллельно работающих на общую нагрузку, основанные на аналитическом решении системы уравнений состояния на коммутационном интервале.

2. Получены алгоритмы и точные аналитические соотношения для расчета квазиустановившихся электромагнитных процессов в энергетических подсистемах источников с многомодульными УПУ при различных типах сглаживающих фильтров.

3. Предложены методики синтеза адаптивных систем управления из условия обеспечения заданных требований к параметрам выходного тока в заданном диапазоне изменения параметров силовой цепи.

Практическая ценность. Результаты работы составляют основу исследования и проектирования систем управления ИТПФ для установок нестационарного электролиза. Конкретно практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели, способствующие как расширению и углублению представлений о характере электромагнитных и информационных процессов в системах управления с многомодульными УПУ на основе транзисторных ШИП, так и реализации двухэтапной методики их синтеза.

2. Разработаны структуры, алгоритмы функционирования и конкретные схемы систем управления ИТПФ с транзисторными ШИП в контурах управления, позволяющие реализовать источники с заданными статическими и динамическими характеристиками.

3. Разработаны инженерные методики параметрического синтеза систем управления ИТПФ. Указанные методики позволяют осуществлять целенаправленное проектирование систем управления источников из условия обеспечения заданных требований к параметрам тока нагрузки в заданном диапазоне изменения параметров силовой цепи.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР СПб ГУ ИТМО по темам "Синтез усилительно-преобразовательных устройств мощных источников тока программируемой формы для лазерной техники и оптоакустоэлектроники" (инв. № 02.20.03 05588), "Исследование и разработка принципов построения и путей совершенствования технических характеристик электрических комплексов с полупроводниковыми преобразователями" (инв. № 02.20.03 05842) и "Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением" (инв. № 02.20.03 06207), гранта по теме "Синтез адаптивных систем управления мощных источников тока для установок нестационарного электролиза". Отдельные результаты нашли практическое применение в учебном процессе при выполнении дипломных и курсовых работ студентами специальности 1406 "Электропривод и автоматика производственных процессов и технологических комплексов" (акт представлен в приложении А). Практические рекомендации по выбору структур и параметров системы управления, сформулированные в диссертационной работе, использованы УНПЦ «Силовая электроника» при разработке импульсных источников тока, предназначенных для электрохимической обработки воды ионами серебра, что обеспечило улучшение динамических параметров процесса обработки (акт представлен в приложении Б).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XXXII, XXXIII и XXXIV учебно-методических и научных конференциях СПбГУ ИТМО (СПб., 2003-2005), I конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО (СПб., 2004).

Публикации. Основные результаты работы отражены в 7 публикациях, в том числе в журнале "Приборостроение", тематических выпусках научно-технического вестника СПбГУ ИТМО, материалах указанных конференций, сборнике научных статей СПбГУ ИТМО.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 84 наименований.

Основные результаты данной работы состоят в следующем:

1. Разработаны математические модели TV-модульных УПУ на основе транзисторных ШИП с многофазным принципом синхронизации и различными типами сглаживающего фильтра, основанные на аналитическом решении матричных уравнений. Данные модели реализуют быстродействующие алгоритмы расчета фазовых координат, позволяющие избежать процедуры численного интегрирования системы уравнений и тем самым сократить время на вычислительные затраты.

2. Проведено математическое моделирование и анализ электромагнитных процессов в энергетической подсистеме ./V-модульного УПУ при наличии разброса напряжений силовых источников питания модулей. Показано, что незначительный разброс указанных напряжений приводит к значительному разбросу мгновенных значений токов каналов относительно их номинальных усредненных значений.

3. Разработана математическая модель и программа расчета в среде Mathcad электромагнитных процессов в энергетической подсистеме N-модульного источника с обратными связями по отклонениям токов каналов от усредненного значения тока нагрузки. Показано, что введение таких связей является эффективным средством устранения разброса тока каналов, обусловленного разбросом напряжений силовых источников питания ШИП. Для реализации такой структуры в каждом канале может быть использован П-регулятор с коэффициентом передачи, по величине ограниченным условиями устойчивости системы. Предельное значение коэффициента передачи ввиду отсутствия требуемых расчетных соотношений целесообразно проводить на основе математического моделирования.

4. В результате анализа квазиустановившихся режимов работы в системах управления с iV-модельными УПУ и различными типами сглаживающих фильтров были получены расчетные соотношения, связывающие амплитуду пульсаций тока нагрузки с числом модулей, периодом коммутации силовых ключей, сопротивлением нагрузки и параметрами фильтра. Анализ данных выражений показал, что максимальное значение амплитуды пульсаций снижается с ростом числа модулей и ростом параметров фильтров, что подтверждает целесообразность применения в контурах управления нескольких идентичных ШИП.

5. Предложена концепция автоматизированного параметрического синтеза системы управления источника тока с ШИП и ограниченной частотой коммутации силовых ключей, предполагающая выбор параметров элементов энергетической и информационной подсистем из условия обеспечения как заданного по характеру и времени переходного процесса, таки и допустимого коэффициента пульсаций тока в нагрузке при отработке задающего воздействия с заданной амплитудой. К числу подлежащих определению параметров энергетической подсистемы кроме параметров сглаживающего фильтра и выбранного алгоритма управления относится и число N ШИП.

6. Проведено математическое моделирование и анализ электромагнитных процессов в замкнутой по току нагрузки системе управления //-модульного источника в заданном диапазоне изменения параметров силовой цепи. Показано, что амплитуда пульсаций тока нагрузки в квазиустановившемся режиме работы при изменении ее сопротивления в указанном диапазоне увеличивается с повышением сопротивления нагрузки и уменьшается со снижением сопротивления нагрузки. Характер отклонения кривой тока нагрузки от расчетной (эталонной) зависит от того, при каком начальном значении сопротивления RHo осуществлялся синтез системы управления.

7. Проведено математическое моделирование и анализ электромагнитных процессов в замкнутой по току нагрузки системе управления //-модульного источника в заданном диапазоне изменения значения напряжения питания ШИП. Показано, что амплитуда пульсаций тока нагрузки в квазиустановившемся режиме работы при изменении напряжения в указанном диапазоне практически не изменяется и соответствует расчетной. Характер отклонения кривой тока нагрузки от расчетной (эталонной) зависит от того, при каком начальном значении напряжения Епо осуществлялся синтез системы управления.

8. Сохранение заданных динамических качеств системы управления источника тока с TV-модульным УПУв условиях изменяющихся параметрах силовой цепи возможно при введении дополнительного контура сигнальной адаптации с эталонной моделью в виде апериодического звена первого порядка с заданной постоянной времени Тт и ЯЯ-регулятором в случае индуктивного фильтра, и с эталонной моделью в виде звена второго порядка с малой некомпенсируемой постоянной rv и ПИД-регулятором в случае индуктивно-емкостного фильтра.

9. Предложены непрерывные модели адаптивных систем с индуктивным и индуктивно-емкостным фильтрами относительно гладких составляющих токов каналов и нагрузки, определена передаточная функция «ток нагрузки -напряжение задания» и показано, что при использовании идентичных по типу и параметрам регуляторов в основном контуре и в контуре адаптации динамическая точность воспроизведения в нагрузке эталонного процесса повышается с ростом коэффициента адаптации Ка, предельное значение которого при заданной частоте коммутации силовых ключей ограничено условиями устойчивости системы.

10. Параметрический синтез основного контура адаптивной системы управления целесообразно производить, используя методики синтеза систем с TV-модульными УПУ и соответствующими фильтрами, если в качестве исходных параметров принять максимальное из возможных значений сопротивления нагрузки, минимальное из возможных значений напряжения силового источника питания.

11. Выбор предельного значения коэффициента адаптации ввиду отсутствия требуемых расчетных соотношений целесообразно проводить на основе математического моделирования с использованием специально разработанной и реализованной в среде Mathcad программы из условия исключения скользящего режима и режима автоколебаний, а также обеспечения заданной амплитуды пульсаций тока нагрузки при максимальном задающем воздействии. Такой подход требует ограничения снизу задающих воздействий, конкретное значение которых также определяется посредством математического моделирования.

Заключение

1. ГлазенкоТ.А. Импульсные полупроводниковые преобразователи в электроприводах / Т.А. Глазенко. M.-JL: Энергия, 1965. - 188 с.

2. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока / Т.А. Глазенко. JL: Энергия, 1973. - 303 с.

3. ЧиженкоИ.М. Основы преобразовательной техники / И.М. Чиженко, B.C. Руденко, В.И. Сенько. М.: Высшая школа. 1974.

4. РозановЮ.К. Основы силовой электроники / Ю.К.Розанов. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с.

5. Берзниекс JI.B. Импульсные преобразователи постоянного тока / J1.B. Берзниекс. М.: Энергоиздат, 1981.

6. Ромаш Э.М. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш. М.: Радио и связь, 1988. - 287 с.

7. ГлазенкоТ.А. Полупроводниковые широтно-импульсные преобразователи для быстродействующих следящих систем / Т.А. Глазнко, А.Н. Пискарев, В.А. Синицын, В.А. Толмачев, B.C. Томасов. Л.: ЛДНТП, 1974.-32 с.

8. Башарин А.В. Полупроводниковые преобразователи с повышенными показателями для быстродействующего электропривода постоянного тока / А.В. Башарин и др. // Электротехническая промышленность, сер. Электропривод- 1977.- Вып. 6. С. 25-29.

9. КобзевА.В. Многозонная импульсная модуляция / АВ.Кобзев. -Новосибирск: Наука, 1979. 304 с.

10. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления / В.М. Кибакин М.: Энергия, 1980.-232 с.

11. Костин Н.А. Перспективы развития импульсного электролиза в гальванотехнике / Н.А. Костин // Гальванотехника и обработка поверхности. -1992.-Том 1,№1-2.-С. 16-18.

12. Костин Н.А. Импульсный электролиз / Н.А.Костин, B.C. Кублановский, В.А. Заблудовский. Киев : Наук, думка, 1989. - 168 с.

13. Костин Н.А. Импульсный электролиз сплавов / Н.А.Костин, B.C. Кублановский. Киев : наукова думка, 1996. - 204 с.

14. Костин Н.А. Принципы оценки параметров импульсного тока при электроосаждении металлов / Н.А.Костин // Электрохимия. 1991. - т.27, вып.5.-С. 605-612.

15. Кублановский B.C. Влияние режима электролиза на структуру и физико-механические свойства золотых покрытий / B.C. Кублановский, К.И. Литовченко, В.В. Емельянов, Л.П. Анафриев // Гальванотехника и обработка поверхности. 1993. - Том 2, № 3. - С. 33-35.

16. КоломбиниК. Применение импульсных источников тока при твердом хромировании / К. Коломбини // Гальванотехника и обработка поверхности. 1993. - Том 2, № 3. - С. 58-61.

17. КоломбиниК. Использование импульсных источников тока при анодировании / К. Коломбини // Гальванотехника и обработка поверхности. -1992. Том 1, № 3-4. - С. 76-78.

18. Синицын В.А. Принципы построения и пути совершенствования технических характеристик мощных источников электропитания с программируемой формой выходного параметра / В.А. Синицын,

19. В.А. Толмачев, B.C. Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. - Т.39, N4. -С. 46-54.

20. ГлазенкоТ.А. Состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей в приборостроении / Т.А. Глазенко, B.C. Томасов // Известия вузов. Приборостроение. 1996. - N3. - С. 5-13.

21. Толмачев В.А. Электрические комплексы и системы с полупроводниковыми преобразователями / В.А. Толмачев, B.C. Томасов // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. - Т.43, N1-2. - С. 70-74.

22. Денисов К.М. Контрольно-задающее устройство на базе однокристальной микро-ЭВМ / К.М. Денисов, В.А. Гурьянов // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. - Т.39, N3. - С. 67-71.

23. Толмачев В.А. Проблемы реализации микропроцессорных систем управления источников тока программируемой формы / В.А. Толмачев, К.М. Денисов // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. - Т.43, N1-2. - С. 75-80.

24. Разработка и изготовление источника импульсного электропитания гальванованны: отчет о НИР: СПбГУИТМО; рук. СиницынВ.А.; исполн.: Томасов B.C. и др. Санкт-Петербург, 2000. - 30 с. - Инв. № 02.20.00 03686.

25. Разработка полупроводниковых преобразователей для современных технологических установок: отчет о НИР: СПб ГУ ИТМО; рук. Толмачев В.А.; исполн.: Томасов B.C. и др. Санкт-Петербург, 1995. - 276 с. - Инв. № 02.960.00562.

26. Кротенко В.В. Широтно-импульсный преобразователь на защищенных транзисторных ключах / В.В. Кротенко, В.А. Синицын, В.А. Толмачев, B.C. Томасов // Ленинград, ЛДНТП. 1988. - Сер. Механизация и автоматизация производственных процессов.

27. СиницынВ.А. Контур регулирования тока микромашины постоянного тока / В.А. Синицин, В.А. Толмачев, B.C. Томасов // Электротехн. пром-сть. Сер. Электропривод. 1984. -Вып.5(127). - С. 13-15.

28. Разработка методов автоматизированного расчета и проектирования систем электропривода с полупроводниковыми преобразователями: отчет о

29. НИР (4.2 Синтез силовых транзисторных ключей): ЛИТМО; рук. Глазенко Т.А.; исполн.: Томасов B.C. и др. - Ленинград, 1988. - 95 е.- Инв. № 01850006606.

30. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / М.Е. Гольц, А.Б. Гудзенко, В.М. Остреров и др. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 184 с.

31. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования / Э. Джури -М.: Физматгиз, 1963. 465 с.

32. Кузин Л.Т. Расчет и проектирование дискретных систем управления / Л.Т. Кузин М.: Машгиз, 1962. - 683 с.

33. Цыпкин Я.З. Теория нелинейных импульсных систем / Я.З. Цыпкин, Ю.С. Попков -М: Наука, 1973.-416 с.

34. Белов Г.А. Анализ динамики импульсного стабилизатора напряжения / Г.А. Белов // ЭТВА. 1983. - Вып. 14. - С.100.

35. Букреев С.С. Силовые электронные устройства / С.С. Букреев М.: радио и связь, 1982.-256 с.

36. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская фирма, 1994. -318 с.

37. ВоловичГ.И. Динамика вентильных вторичных источников электропитания постоянного тока / Г.И. Волович М.: Энергоатомиздат, 1991. -197 с.

38. Источники вторичного электропитания / Под ред. Ю.И. Конева. -М.: Радио и связь, 1990. 278 с.

39. Гладышев С.П. Динамика дискретно-управляемых полупроводниковых преобразователей / С.П. Гладышев, В.Б. Павлов Киев: наукова думка, 1983.-224 с.

40. МелешинВ.И. Формирование динамических свойств устройств вторичного электропитания с ШИМ2 / В.И. Мелешин, В.И. Опадчий, В.В. Мосин // ЭТВА / М.: Сов. радио, 1985. Вып.16. - С. 5-43.

41. Мелешин В.И. Анализ структурных схем и переходных процессов в источниках электропитания с ШИШ / В.И. Мелешин, Ю.С. Гришанин // ЭТВА /М.: Сов. радио, 1986. Вып. 17. - С. 58-70.

42. Мелешин В.И. Динамические свойства преобразователей с ШИМ2 в режимах прерывистого и непрерывного токов / В.И. Мелешин // ЭТВА / М.: Сов. радио, 1986. Вып.17. - С. 35-58.

43. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания / П. Чети М.: Энергоатомиздат, 1990.

44. Коротеев И.Е. Расчет коэффициента стабилизации импульсных преобразователей с ШИМ-2 / И.Е. Коротеев, Н.Е. Артеменок // Энергетика. -1987.-№12.-С. 8-14.

45. Коротеев И.Е. Анализ устойчивости в малом широтно-импульсных преобразователей с ШИМ-2 / И.Е. Коротеев, Ю.В. Руденко // Техническая электродинамика. 1986. - №6. - С. 43-47.

46. Коротеев И.Е. Анализ устойчивости в большом импульсных преобразователей постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией / И.Е. Коротеев, В.В. Перекрест // Электричество. 1992. - №2. - С. 42-46.

47. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М. Чиженко. Киев: "Техника", 1978.

48. Справочник: Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры / Под ред. Г.С. Нейвельта М.: Радио и связь, 1985. - 376 с.

49. Поздеев А.Д. Динамическая модель для малых отклонений систем с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией / А.Д. Поздеев, В.М. Никитин // Электричество. 1981. - № 9. - С. 66-68.

50. ШипиллоВ.П. Устойчивость замкнутой системы с широтно-импульсным преобразователем / В.П. Шипилло, П.И. Чикотило // Электричество. 1978. -№1. - С. 50-53.

51. ШипиллоВ.П. Применение Z-преобразования для нахождения фактора пульсаций в замкнутых системах с вентильными преобразователями / В.П. Шипилло // Электричество. 1974. - №9. - С. 68-71.

52. Глазенко Т.А. Сравнительный анализ динамических характеристик транзисторных широтно-импульсных преобразователей / Т.А. Глазенко, В.А. Синицын, В.А. Толмачев // Электротехника. 1988. -N3. - С. 70-74.

53. Глазенко Т.А. Выбор частоты коммутации силовых ключей замкнутых систем автоматического регулирования с транзисторными широтно-импульсными преобразователями / Т.А. Глазенко, В.А. Синицын,

54. B.А. Толмачев // Электротехника. 1988. - N10. - С. 40-46.

55. Толмачев В.А. Параметрический синтез системы управления программируемого источника тока, построенного на основе транзисторного ШИП / В.А. Толмачев, В.В. Кротенко // Изв. вузов. Приборостроение. 1999. -Т.42, N9. - С. 49-54.

56. Толмачев В.А. Синтез системы управления регулируемого источника тока с индуктивно-емкостным фильтром / В.А. Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 2001. - Т.44, N5. - С. 32-39.

57. Толмачев В.А. Алгоритм анализа устойчивости системы автоматического регулирования тока с широтно-импульсным модулятором первого рода / В.А. Толмачев, Д.В. Осипов // Изв. вузов. Приборостроение. -2002. -Т.45, N8. С. 57-62.

58. Толмачев В.А. Анализ устойчивости к автоколебаниям на субгармонических частотах импульсных источников тока программируемой формы/ В.А. Толмачев, Д.В. Осипов // Научно-технический вестник

59. СПбГИТМО(ТУ) / СПб: СПБ ГИТМО (ТУ) 2001. - Выпуск 3: Физические процессы, системы и технологии точной механики. - С. 132-136.

60. Головацкий В.А. Транзисторные импульсные усилители и стабилизаторы постоянного напряжения / В.А. Головацкий. М.: Сов. радио, 1974.- 158 с.

61. ШуваевЮ.Н. Многофазные импульсные стабилизаторы / Ю.Н. Шуваев, А.Г. Виленкин // ЭТВА / М.: Сов. радио. 1977. - Вып.9 - С. 7083.

62. Юрченко А.И. Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения / А.И. Юрченко, В.А. Головацкий, В.П. Брагин и др. // Электронная техника в автоматике: сб. статей / под ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1978.-Вып. 10. - С. 116-125.

63. Юрченко А.И. Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения на высоковольтных транзисторах / А.И. Юрченко // Электронная техника в автоматике: сб. статей / под ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1977. - Вып.9. - С. 56-60.

64. ШуваевЮ.Н. Схемы управления многофазными импульсными стабилизаторами и преобразователями напряжения / Ю.Н. Шуваев, А.Ф. Кадацкий // Электронная техника в автоматике: сб. статей / под ред. Ю.И. Конева. -М.: Радио и связь, 1984. -Вып.15. С. 83-89.

65. Букреев С.С. Об увеличении рабочей частоты многофазных импульсных преобразователей / С.С. Букреев, А.Ф. Кадацкий // Проблемы преобразовательной техники: тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф., г. Киев 2025 апр. 1979 г.-Киев, 1979. -4.5. С. 130-134.

66. Кадацкий А.Ф. Устойчивость многофазных импульсных преобразователей с заданным качеством процессов / А.Ф. Кадацкий // Электронная техника в автоматике: сб. статей / под ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1981. -Вып.12. - С. 89-94.

67. Кадацкий А.Ф. Гармоническая линеаризация нелинейностей многофазных импульсных преобразователей / А.Ф. Кадацкий // Электроннаятехника в автоматике: сб. статей / под ред. Ю.И. Конева. -М.: Радио и связь, 1983. -Вып.14.-С. 111-120.

68. Букреев С.С. Переходные процессы в многофазных импульсных преобразователях / С.С. Букреев, А.Ф. Кадацкий // Электронная техника в автоматике: сб. статей / под ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1981. -Вып.12.-С. 85-88.

69. Толмачев В.А. Уравнения электромагнитных процессов в силовой цепи источника тока с многоканальным питанием нагрузки / В.А. Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 1994. - Т. 37, № 11-12. - С. 53-59.

70. Толмачев В.А. Аналитический расчет электромагнитных процессов в источнике тока с многоканальным питанием нагрузки / В.А. Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 1995. - Т. 38, № 7-8. - С. 44-47.

71. Толмачев В.А. Электромагнитные процессы в силовой цепи программируемого источника электропитания с нагрузкой резистивного характера / В.А. Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. - Т. 39, № 3. - С.55-61.

72. Толмачев В.А. Синтез системы управления источника тока с многоканальным питанием нагрузки / В.А. Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 1995. - Т. 38, № 11-12. - С.37-40.

73. Толмачев В.А. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивным фильтром / В.А. Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 2001. - Т. 44, № 3. - С.16-22.

74. Толмачев В.А. Синтез системы управления многомодульного источника тока с индуктивно-емкостным фильтром / В.А. Толмачев // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. - Т. 45, № 4. - С.33-39.

75. Борцов Ю.А. Автоматизированный электропривод с упругими связями / Ю.А. Борцов, Г.Г. Соколовский JI.: Энергоатомиздат, 1992. - 288 с.

76. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства / Н.Т. Кузовков -М.: Машиностроение, 1976. 184 с.

77. Борцов Ю.А. Опыт разработки и применения адаптивных и модальных регуляторов электроприводов высокоточных станков / Ю.А. Борцов, Н.Д. Поляхов, В.В. Путов Л.: ЛДНТП, 1980. - 28 с.

78. Борцов Ю.А. Адаптивные электромеханические системы с эталонной моделью и стационарным динамическим наблюдателем / Ю.А. Борцов, Н.Д. Поляхов // "Вопросы кибернетики". Адаптивные системы управления. АН СССР, 1977. - С. 237-238.

79. Изерман Р. Цифровые системы управления / Р. Изерман М.: Мир, 1984.-541 с.

80. Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы/ П.В. Куропаткин М: Высш. школа, 1980. - 287 с.

81. Ким Д.П. Теория автоматического управления. В 2т. Т.2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы/ Д.П. Ким. -М: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 464 с.

82. Самонастраивающиеся системы. Справочник. / Под ред. П.И. Чинаева. Киев: «Наукова Думка», 1969 - 528 с.

83. Ту Ю. Современная теория управления / Ю. Ту М: Из-во Машиностроение, 1971. - С.32-38.1. УТВЕРЖДАЮ

84. Ректор Санкт-Петербургского Государственного университета информационных технологий, механики и оптики гн., профессор1. Н. Васильев1. OodL 2006 г.1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы НИКИТИНОЙ Марии Владимировны

85. Заведущий кафедрой электротехники и прецизионных электромеханических систем к.т.н., доцентczjcQ, Г в.С. Томасов

86. Председатель комиссии: Члены комиссии:д.т.н. профессорк.т.н.к.т.н.1. Я.А. Щеников

87. Программа автоматизированного синтеза и моделирования переходных процессов в адаптивной системе управления с импульсным усилителем мощности ииндуктивным фильтром

88. Исходные данные ============================

89. Параметры базового широтно-импульсного преобразователя:

90. Напряжение питания (Е1- точка настройки, Е2 минимальное значение, ЕЗ - номинальное значение, Е4 - максимальное значение)

91. Е1 := 21 Е2 := 21 ЕЗ := 24 Е4 := 27

92. Амплитуда пилообразного напряжения Upil:= 10

93. Частота коммутации силовых ключей Т := 25-10- 6 Активное сопротивление канала г := 0.03 Глубина модуляции m := 0.5

94. Время нарастания переднего фронта пилообразного напряжения tl := m-T tl= 1.25x10 ^

95. Требования к току нагрузки:

96. Максимальный ток задания Izad := 50

97. Время переходного процесса tf:= 3-Т tf = 7.5 х 10~ 5

98. Максимальная амплитуда пульсаций тока нагрузки Id := 11. Параметры нагрузки:

99. Сопротивление нагрузки (R1- точка настройки, R2 минимальное значение, R3 - номинальное значение, R4 - максимальное значение)

100. R1 := 0.25 R2 := 0.05 R3 := 0.15 R4 := 0.25 Коэффициент передачи датчика тока нагрузки kdt := 0.2 Коэффициент передачи датчика тока канала kdtl := 0.2

101. Данные для моделирования переходных процессов: Коэффициент адаптации Ка := 5

102. Коэффициент адаптации канала Ка1 := 0

103. Напряжение питания (задается от Е2 до Е4) Е := ЕЗ

104. Сопротивление нагрузки (задается от R2 до R4) R := R3

105. Время конца интегрированияtk = 2.25 х 10

106. Количество точек на периоде коммутации Nt := 2001. Т -7

107. Шаг интегрирования h:=— h= 1.25x101. Nt1. Ток задания Iz := 40-7

108. Напряжение задания Uz := Iz-kdt Uz = 81. Дополнительно:

109. Суммарное сопротивление силовой цепи1. Е1

110. Максимальный ток цепи Imax :=1. R0

111. R0 := Rl + г R0 = 0.28 Imax =75

112. Максимальный допустимый коэффициент пульсаций тока нагрузки xd :=tf

113. Постоянная времени переходного процесса Tt := — Tt = 2.5 х 10 '31. Upil2.Id Imaxxd = 0.0271. Синтез системы управления

114. Определение трубуемого числа каналов п: Зависимость bL(n), удовлетворяющая Izad и Tt, Imax n-RO (Tt ^ r + n-Rlbl(n) ----— + m m1.ad r I T

115. Зависимость bL(n), удовлетворяющая xdz-n-r1. R0 + xd(r+ n-Rl)1

116. RO xd (r+ n-Rl) Построение графиков зависимостей bl (n) и Ь2(п) n:= 1,1-0001. 101. Ы(п) b2(n)

117. Поиск точки пересечения b 1 (n) и Ь2(п)eps := 0.0001 n := 1 Given |bl(n) b2(n)| < eps x := Find(n)

118. Требуемое число каналов n := floor(x) +1 n = 3

119. Определение параметров фильтра (L):

120. Требуемая относительная индуктивная постоянная времени bL := Ь2(п) bL = 29.113

121. Требуемая индуктивная постоянная времени tL := bL-T tL = 7.278 х 10 Требуемое значение индуктивности L:=tL-r L = 2.183x10 ^-4

122. Определение параметров ПИ-регулятора (Ти и Кп):1. Ти :=1. Кп:=r+n-Rl L1. Tt-kdtn- ks1. Ти= 2.799 х 101. Kn = 0.693-51. Результаты синтезап = 3 1 = 2.183 x 10 5 Ти= 2.799x 10 5 Кп= 0.6931. Функции для моделирования

123. Функция определения начальной фазы n-го ШИП faz :=for i е 0.n- 1 f • Тfaz. i— infaz

124. Функция пилообразного напряжения ШИПpil(t,faz) :=t <- t + faz tt mod(t,T)-tt if tt < tl tl1 T•tt +- otherwise1. T-tl T-tl

125. Функция выходного напряжения ШИП ship(f,pil) :=if(f <0,-1,1) if |f| > pil 0 otherwise

126. Функция ошибки по току нагрузки основного контура eps(Uz,yn,t) := Uz kdt-yn

127. Функция ошибки по току нагузки контура адаптации epsa(Uz,yn,t) := Uz- 1 expvs

128. Функция ошибки по току канала epsk(ys,x,t) := kdtl -— kdtl-xn1. J , Ttkdt

129. Функция входного напряжения ШИП Uy(e,x,el,xl,Ka,e2,Kal) := e-Kn + х1. К" ir ( — + Ка- (1. Tu

130. Аналитическое решение системы диф. уравнений =====

131. Напряжение питания (задается "вручную", если имеет место питание каналов от разных источников)f24)1. Ep:= E Ep = 2424,

132. Формирование элементов для аналитического решения системы диф. уравнений

133. Матрица начальных условий у0:= for ie0.n+lу. <- 01. XI ± 12 :=1.L

134. Функция аналитического решения системы диф. уравненийy(t,y0) :=п-11. YS<-£ у0. i = 0xn <- eps(Uz, YS,t)-h + у0у хпxnl <- epsa(Uz, YS,t) h + y0n+11. Vl*"™1for i e 0.n- 1

135. Epi-ship(Uy(eps(Uz^S4))yn,epsa(Uz^S^)jn+rKa,epsk(YSji>t),Kal),Upilpil(t,fazi))k. <-■n-1R

136. Ep,ship(Uy(eps(Uz,YS,t),yn,epsa(Uz,YS,t))yn+1,Ka,epsk(YS,y.)t),Kal),Upilpil(t>fazJ j = 0r-(r+ n-R)for i e 0.n 1n-1d. <-y0.---YS + k.---V k. 1 1 n 1 n Jj=01 1 n1 1 <- YS + --V k. n n Z-i Jj = 0for i e 0. n 1 y. d.-exp(Xl-h) + l ex p(x.2-h) - k.

137. Решение системы диф. уравненийza :=for ie 0.n+ 1za. . yO. 0,i J lyl <- yOr . tk for 16 1. — hyy y(i h,yl) yl <-yyza <- stack (za,yyT) za1. Построение графика:

138. Программа автоматизированного синтеза и моделирования переходных процессов в адаптивной системе управления с импульсным усилителем мощности и индуктивно-емкостным фильтром

139. Параметры базового широтно-импульсного преобразователя:

140. Напряжение питания (Е1- точка настройки, Е2 минимальное значение, ЕЗ - номинальное значение, Е4максимальное значение)

141. Е1 := 32 Е2 := 32 ЕЗ := 36 Е4 := 40

142. Амплитуда пилообразного напряжения Upil := 10

143. Частота коммутации силовых ключей Т := 25-10 6

144. Активное сопротивление канала г := 0.03

145. Глубина модуляции m := 0.5

146. Время нарастания переднего фронта пилообразного напряжения tl := m-T tl= 1.25x10 ^

147. Требования к току нагрузки:

148. Максимальный ток задания Izad := 50

149. Время переходного процесса tf := 3-Т tf = 7.5 х 10 5

150. Максимальная амплитуда пульсаций тока нагрузки Id 11. Параметры нагрузки:

151. Сопротивление нагрузки (R1- точка настройки, R2 минимальное значение, R3 - номинальное значение, R4 -максимальное значение)

152. R1 := 0.5 R2 := 0.1 R3 := 0.3 R4:=0.5

153. Относительная емкостная постоянная времени be := 0.01

154. Коэффициент передачи датчика тока нагрузки kdt := 0.2

155. Коэффициент передачи датчика тока канала kdtl := 0.2

156. Данные для моделирования переходных процессов:

157. Коэффициент адаптации Ка := 10

158. Коэффициент адаптации канала Ка1 := 0

159. Напряжение питания (задается от Е2 до Е4) Е := ЕЗ

160. Сопротивление нагрузки (задастся от R2 до R4) R := R31. Исходные данные

161. Время конца интегрированияtk = 2.25 х 10-4

162. Количество точек на периоде коммутации Nt := 200Т

163. Шаг интегрирования h:=— h= 1.25x101. Nt1. Ток задания Iz := 50-7

164. Напряжение задания Uz Iz kdt Uz= 101. Дополнительно:

165. Суммарное сопротивление силовой цепи R0 := Rl + г R0 = 0.531. Е1

166. Максимальный ток цепи Imax := — Imax = 60.3771. R0

167. Максимальный допустимый коэффициент пульсаций тока нагрузки xd :=2.Id Imax

168. Постоянная времени переходного процесса tv=—— tv = 1 596x 10 ^4.7

169. Относительная постоянная времени переходного процесса bv := — bv = 0 638Т1. Upilxd = 0.0331. Синтез системы управления

170. Определение трубуемого числа каналов п: Зависимость bL(n), обеспечивающая Izad и bv-m2 , m bv - 1 + — + e n bv1. El-n-bvbl(n):1.adrbe + (m bv)1. Rl-n1 -e-m bvbe bv1. Rl-n1- m bvbc\

171. Зависимость bL(n), обеспечивающая xdb2(n) :=2.n-ln1. R0 xd-r-\i , 2 2. 2 1 + 4-tc -n -be

172. R0 + xdr\/1 + 4-jc2-n2-bc2

173. Построение графиков зависимостей bl(n) и Ь2(п) n:= 1,1.0001. 101. Ы(п) Ь2(п)

174. Поиск точки пересечения b 1 (п) и Ь2(п)eps := 0.0001 n := 1 Given |bl(n) Ь2(п)| < eps

175. Требуемое число каналов п := Поог(х) +1 п = 3х := Find(n)

176. Определение параметров фильтра (С и LV

177. Требуемая емкостная постоянная времени tc := bc-T tc = 2.5 х 10tc — 7

178. Требуемая емкость фильтра С := — С = 5 х 101. R1

179. Требуемая относительная индуктивная постоянная времени bL := Ь2(п) bL = 43.675 Требуемая индуктивная постоянная времени tL := bL-T tL = 1.092 х 10~ ^ Требуемое значение индуктивности L := tL-r L = 3.276x 10 ^

180. Определение параметров ПИД-регулятора (Tu. Td и Кп):1. Tu:=--Tu = 2.141 х 101. Rln1 +г

181. Td := Td = 2.499 х 10~ 7 tL + tc2.kdt-ntv-ks1. Результаты синтезап = 3 L= 3.276x 10" 5 С = 5х10~7 Tu = 2.141 х 10" 5 Td = 2.499 х 10"7 Кп=0.1. Функции для моделирования

182. Функция определения начальной фазы n-го ШИП faz :=for i е 0.п- 1г • Тfaz. 1—1 nfaz

183. Функция пилообразного напряжения ШИПpil(t,faz) :=t <- t + faz tt <r- mod(t,T)-tt if tt < tl tl1•tt + ■1. T-tl T-tlotherwise

184. Функция выходного напряжения ШИПship(f.pil) :=if(f <0,-1,1) if |f| > pil 0 otherwise

185. Функция ошибки по току нагрузки основного контура eps(Uz,yn,t) := Uz kdt-yn

186. Функция ошибки по току нагузки контура адаптацииepsa(Uz,yn,t) := Uz1 exp2.tvcos|- + sin2.tv J I 2-tvkdt-ynvs

187. Функция ошибки потоку канала epsk(ys,x,t) := kdtl-—— kdtl-xn

188. Функция входного напряжения ШИП1. , , , „ , т. Kn т, tv- Td Kn-Td

189. Uy(e,x,y,el,xl,yl,Ka,e2,Kal) :=--x + Kn---у +--e .1. Tu-tv . 2 tvtv1. Ka1. Kntv-Td . Kn-Td Л•xl + Kn---yl +--el1. Tu-tv „ 2 tvtve2-Kal

190. Аналитическое решение системы диф. уравнений

191. Напряжение питания (задается "вручную", если имеет место питание каналов от разных источников)fEl f36l1. Ep:= E Ep = 3636,

192. Формирование элементов для аналитического решения системы диф. уравнений-г1. Х1:= — 5:=— -+ — оп:=12 IR-C L 1 и1 г1. Х2 := -5 + 5 -со2 21. Ч LC у1. ХЪ := -б б2 - соо2)а =2 „2

193. XI =-915.85 Х2 = -2.851 х 101. ХЗ -6.639 х 10р:=— G := —— dd := — ct:=p-r а:=01.R-C С1. XI-ХЗ XI-U 1 D1 D2

194. D1 —Р—;-г-D2 := -В—;-г-а :=- v := -а--ц := ст-a-(X3 G) + Р dd a (X2-G) + p-dd D1 - D2 n nexl := exp(xi-h) ex2 := > roQ,exp(X2-h),exp(-5-h)j ex3 := exp(X3-h)

195. Матрица начальных условий yO := for i e 0. n + 4y. 4— 0

196. Функция аналитического решения системы диф, уравнений (случай вещественных корней)yRe(t,yO) :=n-11. YS*-Z ^ i = 0r1. Uz,—,t Ч к Уepsl <- eps xn epsl-h +1. Vi*-™yn+2^xn.h + yOn+2 fn+l'fvVeps2 cpsaxnl eps2-h + уОд+з

197. Решение системы диф. уравненийza :=for i е 0.n + 4 zan . <- уО.у 1 <— уО. , tk 10Г 16 1.— h

198. УУ yRc(i h,yl)) if 8 > coq

199. УУ ylm(i'h,yl)) otherwise yl <-yyza <- stack (za,yy^) za1. Построение графика:

200. Количество точек на графике к := 0. —hn-1

201. Суммарный ток каналов YS. := У za, .к / 1 k,ii = Оza. 1с п.1. Ток нагрузки YN. :=-—k R

202. Ошибка по току нагрузки основного контура е^ := eps^Uz, YN^,k-hj Ошибка по току нагрузки контура адаптации elj, := epsa^Uz.YN^.k-hj Ошибка по току 1-го канала c21k := epsk^YSk,zak Q,k hj

203. Ошибка по току 2-го канала e22k := epsk^YSk,zak j.khj

204. Ошибка по току 3-го канала e23k := epsk^YSk,zak 2,k hj

205. Входное напряжение 1-го ШИП UUlk := Uy^.za^.za^ n+1 .el^za^.za^.Ka^l^Kal)

206. Входноенапряжениег-гоШИП UU2k:= Uj^.^^.z^^^.cl^z^^^.z^^^.Ka.^.Kal)

207. Входное напряжение 3-го ШИП UU3k := Uj^.z^.z^ .^.^^^^з.Ка.й^.Ьи)