автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка аналитических и машинных методов исследования устойчивости необратимых широтно-импульсных стабилизаторов постоянного напряжения

- 3 ДПР

СМОЛЬНИКОВ ВЛАДИСЛАВ ЛЕОНИДОВИЧ

РАЗРАБОТКА АНАЛИТИЧЕСКИХ И МАШИННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ НЕОБРАТИМЫХ ШИРОТНО-ИЫПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05-13-05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Москва --------1997 г.

Работа выполнена в Московском энергетическом институте

Ведущое предприятие: ОАО "НИИ вычислительных комплексов им. М.А.Карцева" г.Москва

Защита состоится 24 апреля 1990 г. в Ю.00 час. на заседании диссертационного Совота К.053.16.09 при Московском энергетическом институте (техническом университете) в ауд.Г-ЗЮ по адресу: Москва, Красноказарменная ул., дом 17-

Отзывы, запоронные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

(техническом университете) на кафодре управления и информатики

Научный руководитель доктор технических наук

профессор О.М.Державин

Официальные оппоненты: доктор технических наук

щюфоссор В.А.Кузовкин

кандидат технических наук доцент М.П.Романов

УЧКШЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССИРТА! (И01IIЮГО СОРИТА К. 053.16.09

кандидат технических наук доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Проблемы электропитания элементов и устройств вычислительной техники весьма сложны и требуют неоднозначного решения. Это связано с наличием в ПЭВМ значительного числа как простых микросхем, так и достаточно сложных узлов (например, микропроцессоров). При питании отдельной ПЭВМ или группы ПЭВМ от централизованного источника энергии, будь то однофазная или трехфазная сеть переменного синусоидального тока, электромашинный генератор, аккумулятор, солнечная батарея или источники энергии других типов, внутри ПЭВМ, как правило, создаются каналы децентрализованного электропитания, необходимые для получения на отдельных элементах и узлах более стабильного питающего напряжения, чем выходное напряжение централизованного источника энергии. Таким образом, во многих случаях требуется решение задачи получения из относительно нестабильного постоянного напряжения одного уровня (например, с отклонением от номинала в пределах + 105?) стабилизированного постоянного напряжения другого уровня (папример, с отклонением от номинала в пределах + 1,5%)- Эта задача эффективно решается за счет использования в ЭВМ импульсных (и, прежде всего, широтно-импульсных) стабилизаторов постоянного напряжения, обладающих высоким (70—9755) КПД.

Поэтому представляется актуальной разработка аналитических и машинных методов исследования устойчивости одного на важнейших и распространенных классов таких устройств - необратимых широтно-импульсных стабилизаторов постоянного напряжения (ШИСГШ), относящихся с позиции теории автоматического управления к нелинейным импульсным САУ и требующих применения для их анализа разлитого математического аппарата и современных методов алгоритмизации и программирования.

Цель работы. Разработка обобщенных аналитических и машинных методов исследования устойчивости класса необратимых широтно импульсных стабилизаторов постоянного напряжения, идентифицированных коэффициентами конфигурации, повышение точности такого исследования и реализация этих методов с помощью быстродействующих машинных программ.

Пененные задачи. Поставленная цель потребовала рошония следующих задач:

1. Разработка обобщенных математических моделей объекта и

устройства управления необратимых ШИСПН с учетом неидеальности силовых элементов.

Нахождение импульсных передаточных функций силовой части необратимых ШИСПН в окрестностях особых точек для режимов непрерывного и прерывистого потока и разработка аналитических условий устойчивости САУ ШИСПН в малом.

3- Введение корректирующих связей для расширения области устойчивости ШИСПН и улучшения качества переходных процессов в системе.

4. Разработка стратегии и щюграммного пакета исследования на ЗИМ переходных и установившихся процессов в необратимых ШИСПН, обеспечивающих повышенные точность и скорость анализа.

Метода исследования. Для ркниония поставленных задач использованы методы теории управления, функционального анализа, математического и имитационного моделирования, структурного и объектно-ориентированного программирования.

'Научная новизна состоит в следующем:

1. Разработаны обобщенные математические модели и соответствующие им блок-схемы объекта управления САУ ШИСПН, учитывающие неидеальность силовых элементов.

2. Подложены математические модели и соответствующие им блок-схемы устройств управления ШИСПН с обратной связью по отклонению выходного напряжения (ОС-ШИСПН) и ШИСПН с комбинированным регулированием (КР-ШИСПН) с импульсным фильтром.

3- Впервые показана возможность существования в подклассе схем ШИСПН с коэффициентом конфигурации (¡1=0 эффекта псевдостабилизации и предложены меры по исключению этого эффекта.

4- Предложено в замкнутой системе регулирования САУ ШИСПН для улучшения динамических свойств использовать контур нелинейной обратной связи по кажущемуся току силового дросселя.

Ь• Показано, что учет неидеальности 'выходного конденсатора обусловливает необходимость корректного выбора " особых точек САУ ШИСПН при линеаризации исходной системы. Разработаны рекомендации по такому выбору. ' ••

6. Для обоих режимов работы непрерывного (РНП) и

прерывистого (ГНИ) потока - в общем' виде получены импульсные передаточные фуикции объекта управления и замкнутой САУ ШИСПН в окрюстноатях особых точек.

У. Разработана стратегия машинного исследования динамических и статических свойств замкнутых САУ ШИСПН рассматриваемого

- -

класса», основанная на совокупном использовании разработанных имитационной модели ШИСПН, методах нулевой решетки и случайных коммутяций.

Практическая ценность работы. Результаты проведенных в работе исследований позволяют:

- реализовать единую методику анализа устойчивости произвольной схемы необратимых ЩИСПН, идентифицированной соответствующими коэффициентами конфигурации;

исключить возможность возникновения в СЛУ ШИСПН аффекта псевдостабилизация;

- существенно повысить точность и скорость определения границ областей устойчивости ШИСПН за счет одновременно учета неидеяльпости силовых элементов, использования строгих аналитических методов и применения разработанного программного пакета STAB, реализующего предложенную машинную стратегию исследования;

упростить решение задач совершенствования устройств рассмотренного класса ШИСПН с заданными динамическими свойствами, используя полученные для окрестностей особых точек САУ ШИСПН импульсные передаточные функции звеньев объекта управления;

- повысить качество переходных процессов в САУ ШИСПН.

Реализация основных результатов. Результаты диссертации получены в ходе выполнения госбюджетных научно-исследовательских работ d 1993-1996 г.г. в соответствии с тематическими планами НИР МЭИ.

Разработанные при этом автором машинные программы ZOND построения регулировочных характеристик силовой части ШИСПН, UOON определения режимов работы ШИСПН для установившихся процессов и нахождения корней уравнений, описывающих эти режимы, и TREK нахождения координат особых точек стабилизатора и проверки выполнения в них условий устойчивости в малом внедрены в АО "НИИ вычислительных комплексов им. М.А.Карцева" ("НИИВК", г.Москва).

Программа ZOND использовалась в АО "НИИВК" при моделировании переходных процессов широтно-импульсного сетевого преобразователя типа ГОТО45, предназначенного для электропитания суперЭВМ типа 13М6, находящихся в настоящее время в эксплуатации на ряде объектов МО РФ. Кроме того, программы ZOND, MOON и TREK исполыюнялись на указанном предприятии в 1995-1996 годах при разработке и испытаниях ячеек электропитания с бнстрянсформяторным входом типа ЯП-1 для изделия М14-

Внедрении результатов диссертации в АО "НИИВК." подтверждено соответствующим актом, приведенным в приложении к ней.

Апробации работы и публикации.

Результаты исследований докладывались на 6 научных конференциях - Всероссийской научной конференции

"Энергоресурсосбережение и экология в текстильной промышленности" (г.Ыосква, 1994 г.), международной научной конференции "Информационные средства и технологии" (г.Москва, 1995 г.). Всероссийской научной конференции "Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем" (г. Чебоксары, 1995 г.), международной научной конференции "Информационные средства и технологии" (г.Москва, 1996 г.), научной конференции профессорско преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московской государственной текстильной академии (г.Москва, 1996 г.), 5-ой международной научной конференции "Математика, компьютер, образование" (г.Дубна, январь 1998 г.) - и нашли отражение в 9 опубликованных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и приложения с актом внедрения, имеет объем 220 страниц, из которых 142 страницы основного текста, и содержит 57 рисунков и 43 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении перечислен ряд проблем, связанных со спецификой аналитического и машинного исследования устойчивости необратимых широтно-импульсных стабилизаторов постоянного напряжения как нелинейных импульсных САУ. Раскрыта актуальность темы диссертации. Приведены данные по апробации и публикации материалов работы и результатам внедрония, а также сформулирована ее научная новизна.

В первой главе дан литературный обзор по теме диссертации. Рассмотрены ограничения и тенденции использования аналитических методов и средств вычислительной техники в исследовании систем стабилизации постоянного напряжения. Сформулировны цель работы и задачи, решение которых потребовалось в процессе ее выполнения.

Во второй главе рассмотрены особенности стабилизаторов класса необратимых ШИСПН как нелинейных импульсных систем автоматического управления. Показано, что САУ ШИСПН данного класса содержат объект управления с переменной структурой (блок-схема на рис.1, где * -

вектор выходных переменных (выходной вектор), *оп - вектор опорных сигналов, и - вектор управляющих воздействий (управляющий вектор), К ноктор возмущающих воздействий).

Рис. 1

С использованием уравнений состояния

*(П - A(t.m.r)X(t) + DU.m.f)

(1)

Y(t) - H»i(f»i )*(t)

(2)

разработаны две математические модели объекта управления исследуемых систем и соответствующие этим моделям блок-схемы, входящие в состав представленных на рис.2 и рис-3 блок-схем замкнутых САУ ШСПН. В выражениях (1),(2) и на рис.2,3: Ж(Т) двухкоординатный вектор состояния (.Х1 - напряжение на емкости реэистивно-емкостной схемы замещения выходного конденсатора, хг -кажущийся ток силового дросселя); Л(?,т,у), Б((,т,у) - матрицы с размерностями соответственно 2x2 и 2х1 и элементами, зависящими от коэффициентов а\ ,аг ,{>\ ,(1г конфигурации схемы, напряжения IIп питания (для вектора и параметров, комплексно

характеризующих неидеальность источника питания и силовых элементов ПМСПН (внутреннее сопротивление этого источника, активные сопротивления обмоток дросселя и трансформатора, сопротивления насыщения проводящих транзисторов, дифференциальные сопротивления и напряжения спрямления проводящих диодов и тиристоров, а также сопротивление потерь выходного конденсатора);

*(t) = iyi(t);yz(t)]

ff/H( t) ;.T2 (t) ]

(tr - символ транспонирования); UE(t) - напряжение на нагрузке Rh ст абилизятора;

1 р I Г с

И» I

1 f гc/rh

о

1 t Гс/fflf 1

K»i

1 -г Го/Ra

[1; pirc J;

индекс Hi = 1 или t = ?) - номер интервала внутри ш-ого такта коммутации (иГ) its (тТ+Т) (Г период коммутации); г о

Рис.г

г--------------------------i

опглпал управления г. переменной структурой

l/ii(£)

<t>(t-mT)

XU)

К, i

—0

х{тг+Т)

звено эаОсржки Т

Х(тТ)

у(ш)

У У

XP.(t)

ÜH(t)

ОП' рис.'у

сопротивление потерь указанного выходного Конденсатора; у (от) (= II) - коэффициент заполнения управляющих импульсов на m-ом такте коммутации, представляющий собой в общем случае некоторый функционал от входных воздействий Un.tfH(t)t)¿*оп устройства управления (УУ) на данном такте. В частных случаях этот функционал преобразуется в функцию тех хе аргументов.

Введение в замкнутую САУ ШИСПН воздействия по кажущемуся току хг(t) силового дросселя предложено впервые.

На t-ом интервале внутри m-ого такта коммутации (для РНП число таких интервалов равно двум, для РПП - трем) матрицы A(t.m,)г) и D(£,m,if) постоянны и равны соответственно Ai и Di , причем решение ураннения (1) определяется выражением

X(t) - JCf® J I ~ eA,£(*(-®Ji - ХГСоЛ. (3)

где X(to) - значение вектора состояния в момент to начала интервала; t(a>) i = = - Ai Di = const; t - t-to.

В работе обоснована правомерность для ШИСПН замены в (3) матричного экспоненциала суммой из трех первых членов разложения его в матричный ряд Тейлора и дана количественная оценка погрешности этого разложения.

Поведение САУ ШИСПН на границах мевду тактами коммутации оииснпаптсн следующим разностным уравнением:

Х(тТ+Т) -'Wi)X(mT) * ¥.(ц). (4)

[t)i 1 (у) ; biz( г) 1 [eUr) 1

, E(f)= I - матрицы, элементы

Ьг\(1) ; Ьгг(г) J Lez( jr) J

которых для ИП1 и И HI щюдстмнляют собой некоторые функции от переменной у.

Мшию t mT) ни рис. J (XloclHI'IMIinil'l' II (НХУГПОТСТНИИ с

усовершенствованной математической моделью объекта управления фо[>ми[юнанио текущих координат вектора состояния внутри m-го такта коммутации по известному значению *(mT) в начале этого такта. Поскольку такая модель не требует решения дифференциальных уравнений, что существенно (в десять и более раз) ускоряет вычислительный процесс, то она выбрана в качество основной при разработке имитационной машинной модели объекта управления.

Третья глава посвящена проблеме особых точек САУ ШИСПН. Учтено, что нормальный установившийся процесс в САУ ШИСПН соответствует режиму вынужденных колебаний с частотой синхронизации f-1/T и что для этого процесса изменение состояния

ПТИСИН при изменении времени I определяется замкнутой траекторией движении конца некоторого мерного вектора К, одной из координат которого является Uн, в соответствующем N-мерном фазовом пространство. Впервые поставлен вопрос о самом понятии "особая точка САУ ШИСГО1" с учетом возможных коммутационных скачков напряжения Уц(t), обусловленных наличием сопротивления г с потерь выходного конденсатора ШИСПН. Исходя из необходимого условия непрерывности вектора R для линеаризации исходной системы в малой окрестности ее особой точки, последней выбрана точка, для

которой Itm ЩтГ) (*(<«) - lim X(mT). 1/ц(о>) itm UnimT) ).

т**'\> * m°»«> * m+a> *

Графически особая точка OA.V ШИСПН надставляет собой точку

пересечении днух характеристик, отображающих зависимость Ulit1®) (-

1/11(0.) " Uu) от у дли установившегося процесса, - статической

регулировочной характеристики объекта управления и инверсной

модуляционной характеристики УУ. С использованием (4) получено

выражение, определяющее значение вектора состояния ШИОГШ для

установившегося щюцесса при работе схемы в И III:

/(0) - /(®) «--i--

(_! , , L=1T , -ЙЗД ,

где em^pffi ^r'ifiiflz tfipri?: -pp?.(i? )i?ift7.(ii? -fi? )н1?рг^ ы§-1/(ЬоСэ):

fiHP-lT(ri? d")tTci"i y); d?-(aii/n Q \)/T.; d?-laxUa-Qz )/i.;

<Jt Нокотоцш линейные функции от напряжений спрямления

проводящих силовых диод он и тирисго{>он соответственно на первом и втором интервалах внутри произвольного такта коммутации.

С помощью (5) для PHII получено следующее уравнение статической регулировочной характеристики объекта управления :

it ,. mi t/nlair * аг(1-1)] - Uо

"н • *,(0) * ТГВ1 + (1-Ьгог PU * Ы*-В ' (6)

,- I -

mirpu * 1 k rC/rh

где f/o - iQx f( 1

Анализ (6) • показал, что . но критерию чувствительности

регулировочных характеристик в ИШ к неидеальности силовых

(5)

элементов рассматриваемый класс ШИСПН следует разбить на два подкласса - подкласс ШИСПН с 01*0 и подкласс ШИСПН с 01=0. Для первого из них указанная неидеальность лишь незначительно влияет на ход этих характеристик и при увеличении 7 от О до 1 Е/нС у) монотонно возрастает. Для подкласса ШИСПН с 01=0 регулировочная характеристика в РНП при учете неидеальности силовых элементов принципиально отличается от характеристики, полученной при их идеализации. Впервые показано, что при таком учете для произвольной схемы данного подкласса Е/н( т) при увеличении 7 от 0 до 1 стремится не к бесконечности, а к пул». Рассчитаны координаты X и Г'лг точки У максимума этой характеристики:

агэ1 I (Агвл

г

1 4

z

0zRh lf |0гЯн

г01

02/гн

tfhf * un-

Qz г Qi - Qz-V

az -01Г + 4a' - аг--175 J

2 Írei//?H +

Г8г-Г81

PzRH

где

Aro1 = 1 -

Qz

Q2 -D5" . -5ПГ •

ai -ПтГ

reí,гэг - некоторые параметры, учитывающие неидеальность силовых элементов ШИСПН.

Рис.4 с представленными на нем некоторыми регулировочной (максимум в точке F) и инверсной модуляционной (с участками 1,Д,1) характеристиками иллюстрирует возможность появления трех особых точек в схемах подкласса ШИСПН с 01=0. Особая точка Ai - основная. Для нормальной работы ШИСПН она должна быть устойчивой. Особая точка Az - побочная и, как правило, неустойчивая. Особая точка Аз - также побочная, но в отличие от точки Аг устойчивая в малом. Впервые выявлен эффект псевдоствбилизации, когда при выполнении определенных условий в схемах подкласса ШИСПН с 01=0 стабилизатор устойчиво работает в особой точке Аз, а его выходное напряжение существенно меньше заданного уровня. Разработан машинный метод нахождения особых точек САУ ШИСПН, обеспечивающий автоматическое определение режима работы схемы (РНП или РПП), выявление всех таких точек и определение их координат. Предложены моры, исключающие эффект псевдостабилизации. Разработаны математические

Рис. 4

модели и соответствующие им структурные схемы устройств управления параметрическими П1ИС1П1, ОС-ШИСПН и КР-ШИСПН, позволяющие использовать новые законы формирования сигналов, подаваемых на вход силовой части 01ИСГ1Н.

В четвертой главе для малых окрестностей особых точек САУ ШИСПН, как для РНП, так и для РШ1, с использованием методов вариаций и г-преобразования получены импульсные передаточные функции объекта и уст1>ойотия управления, а также всей замкнутой системы. Предложены соответствующие структурные схемы. Режим прерывистого потока анализировался на основе следующих уравнений динамики:

х?{тТ)=О, xг^mT^•|T+eT)^0,

в *> у ■

Р^ХлЫГ) Гэ

(¡¿/Ьрги&г^Т* рхи(тГ) 2 Ш

(1а/.

П?.

хиш'ГпТЮТ) - (1 -авл )х\(тТ) * ае?. ,

Х1(тт*т) - хл(тТ+1Т+вТ)е иц(тТ) -- ип(тТ) - 11ц(тТ)

Тс

Д1 (т.Т) / + Го/ЯН "

Показано, что в малой окрестности Й-ой особой точки объект управления САУ ШИСПН описывается уравнением

Шк{ъ) = 1^и)б1ги) + №п(г)бС/пи), устройство управления - уравнением

6»(г) = ^пк(г)бУп(г) - №ини)бан(г). а импульсная передаточная функция замкнутой системы равна б£/н(г) №п( и) +• ИГ7(г)№пк(7.)

ИЧг) =

I + »7(2)1УЬн(г)

(7)

(8)

(9)

№ (г),»(г) > п

61/п(-г)

где для указанной окрестности:

бин(г),бУп(2).бт(г) - г-изображения соответствующих приращений бин(тТ)^ ,бап(лГ)+ и 6т(т);

импульсные передаточные функция силовой части САУ ШИСПН соответственно по бу и бОп;

Спк^),1Гин(г) - импульсные передаточные функции соответственно параметрического канала УУ и канала обратной связи УУ по 1/н-

Структурная схема САУ ШИСПН в окрестности особой точки для дискретных переменных, построенная по выражениям (7)-(9), представлена на рис.5-

Рис.5

Полученные для (г) .^(г) и 1Т(г)_ выражения сведены в табл.1.

г(/2+01Гс/« ) - (ЬН2 2-01ГоЪН21 )/2 + ( Ьн 1 2-0 1 Гс£>Н1 1 )/< I

? ("' 1 I

• - (йН11+Ьнгг)г +■ Оегвн I;

Рнз(г) = г(/5+РлГа/б) - (Ьнгг-р1Г<=Ьн21 )/5 + (Ьюг-01ГсЬн11)/б; /2 ,/< ,/5,/в ,/г 1 4 ,/г1 5,/г 16 - некоторые константы.

где Рт (г) Рнг(г) = ( Г+Гс/Кн)[г'г

Таблица 1

run РПП

wy(5ft) 1 /г is Í f r.-./Kll z - fr 1 4

%(z) >'ht(z)/FH2(z) 1 fr 16 1 i r<VRH z - fr 1 4

t'h 1 ( z ) Ph3(z)№hk(z) fr16 + /rlsffnk(z)

i'H2(z) + PH3(z)ffWH(z) (/ + rc/ftl)(z - fr 14) + /risffun(z)

Передаточные функции 1Упк(г) и ffunt 7.) устройства управления определяются типом УУ. На основе использования в УУ импульсного фильтра я го порядка предложена обобщенная математическая модель устройства управления. для которой:

ИГпк(к) - All, Wun(z) - -Uí0 » AriZ ' + Kr,7¡ + * Aj.Z")'

где Ап,А ,А ,А ,...,А - некоторые константы, yoyiyz í ■

Покапано, что для РНП в общем случае каждая из импульсных передаточных функций замкнутой САУ ШИСПН с корректирующим импульсным фильтром может быть представлена в виде отношения многочлена от z порядка я4 1 к многочлену от 7. порядка з+*?, а для РПП - в виде отношения многочлена от z порядка s к многочлену от z порядка я»/.

В пятой главе получены аналитические условия устойчивости в малом замкнутых САУ ШИСПН с устройствами управления двух типов. Первое из них (УУ-1) не содержит звена импульсной коррекции, что соответствует нулевому порядку импульсного фильтра. Второе (УУ динамического типа) в tачостне звона импульсной коррекции включает в себя импульсный фильтр первого порядка, описывающийся уравнением:

U»(m) llu(mT) i K.(Uu(m.T) - Ua(mT - Т) ), + ♦ ♦

где К• - некоторая констант;), отображающая влияние на формирование переменной i на m ом такте коммутации не только напряжения на нагрузке ШИСПН непосредственно в начале этого такта (как в УУ-1), но и разности между этим напряжением и аналогичным напряжением непосредственно в начало предшествующего такта коммутации.

С использованием выражений, приведенных в табл.1, и соотношений, описывающих указанные устройства управления, для окрестностей особых точек получены импульсные передаточные функции ШИСПН с УУ-1, ОС- и КР-ШИСПН с УУ динамического типа при их работе в РНП и в РПП. Показано, что ОС- и КР-1ЦИСП11 с УУ динамического

типа н рпбочой особой точки являются систимпми тротього порядка п режиме непрерывного потока и второго порядка - в режиме прерывистого потока. Из рассмотрения этих передаточных функций как для РНП, так и для Р11П, получены условия устойчивости в малом ШИСПН указанных типов.

Шестая глава посвящена машинному исследованию устойчивости (в большом и в малом) необратимых ШИСПН и качества установившихся и переходных процессов. Предложена стратегия такого исследования, обеспечивающая, как минимум, на один- два порядка снижение затрат машинного времени при высокой точности получаемых результатов. Стрмтогия основана им совокупном использовании разработанных имитационной модели ШИСПН, методах нулевой решетки и случайных коммугнций. В отличие от p-SPlOB и других универсальных программ машинного исследования электронных схем в разработанной имитационной модели ШИСПН поставлена и решена задача возможно более полной минимизации вычислительных операций на ЭВ11 при расчете переходных процессов и существенного сокращения времени такого расчета. Это достигнуто, прежде всего, за счет исключения процедур многократного (от 2т для РНП до Эт. для РПП) решения соответствующих дифференциальных уравнений на внутренних интервалах коммутации и последовательного просчета с помощью полученных в данной диссертации формул необходимых функций только в начале и конце этих интервалов. Стратегия реализована в разработанном на основе современных методов структурного программирования и объектно-ориентированного проектирования программном пакете STAB, содержащем следующие основные программы:

- SPPN расчета переходных процессов в ШИСПН при заданных -начальных условиях;

- GSTAB - модуль описания конфигурации силовой части ШИСПН;

ZOND машинного построения регулировочных характеристик силовой части ШИСПН;

- MOON определения режимов работы ШИСПН для установившихся процессов и нахождения корней уравнений, описывающих эти режимы;

- TREK нахождения координат особых точек стабилизатора и проверки выполнения в них условий устойчивости в малом;

- PRINT132 и PRNPOINT - две утилиты, осуществляющие вспомогательные действия по выводу на печать полученных результатов.

Проверка правильности полученных для рассматриваемого класса ШИСПН математических моделей, условий устойчивости, качества

уСТЛПОПИШПИХСИ и 11<1|><1ХПДМиХ |1|>ПЦ|К:(:0|| и ||| и 1ДЛ( )ж111|||ых мптпдоп

моделирования проводилась с использованием пакета STAB на примори двух однотактных схем ШИСПН - понижающей и повышающей. При .этом для каждой из этих схем исследовалось по три парианта замкнутых САУ ШИСПН - ОС-ШИСПН с УУ 1, ОС-ШИСПН с УУ дипамичоско!'о типа и КР-ШИСПН с УУ .динамического типа. Устойчивость определялась принципиально двумя различными способами с: помощью имитационной модоли (программа RPPN) и с помощью разработанных аналитических условий (программа' 'ШИО. Полученные при этом результаты сравнивались между собой.

Кик иримир н 'rafni.2- /( приподены данные но исследованию с помощью ПИН устойчивости однотактного понижающего ОС ШИСПН с .V.V динамического типа дли заданного диапазона изменении II и и fti (Uli -PI. . .JA II, ifn 2...26 Um) при некотором одинаковом наборе входных параметров.

Таблица 2

IJii\Kh 2.000 8. ООО 14-ООО РО.ООО 26.000

23.000 Уст. Уст. Уст. Уст. Уст.

25.750 Уст. Уст. Уст. Уст. Уст.

28.500 Уст. Уст. Уст. Уст. Jct.

31.250 Уст. Уст. Уст. Heyст. Heyст.

34.000 Уст. Уст. Уст. Heyст. Неуст.

Таблица 3

Ип\Ин 2.0000 8.0000 14.0000 20.0000 26.0000

23-0000 25-7500 28-5000 31 - 2500 34-0000 12.5851 12.596') 12.6065 12.6145 12.6212 12.5869 12.5985 12.6079 12.6158 12.6224 12.5871 12.5987 12.6082 12.6160 12.6226 12.5872 12-5988 12.6082 12.6199 12.6578 12.5877 12.6053 12.6179 12.6254 12.6358

Таблица 4

11п\Нн 2.0000 8.0000 14-0000 20.0000 26.0000

23-0000 ?5.7500 28-5000 31-2500 34.0000 О.ОООО -0.0000 0.0000 •0.0000 0.0000 0.0000 0-0000 -О.ОООО -0.0000 О.ОООО 0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 -0.0000 0.0000 0.0000 -О.ОООО 0.0025 0.0275 0.0000 -0.0000 -0.0000 -0.0101 -0.0193

В табл.2 представлены данные по устойчивости в малом, полученные для соответствующих сочетаний Ни и Rh с помощью

программы TREK.

В табл.3 . и табл.4 соответственно приведены, полученные с

помощью программы SPPN значения №(яТ) и №(тТ) - Un(mT-T) (в

♦ ♦ *'

вольтах) для достаточно большого (после начала переходного процесса) номера т (= 2000). Наличие нулевых, элементов в табл.4 означает устойчивость (как минимум, в малом), а ненулевых элементов - неустойчивость ШИСПН в соответствующей особой точке.

Срапнение между собой табл.2 и табл.4 подтверждает справедливость проведенного в диссертации математического анализа.

Результаты машинного исследования однотактных понижающего . и повышающего ШИСПН показали, что для заданного диапазона изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки в КР-ШИСПН с УУ динамического типа по сравнению с двумя другими структурами замкнутых САУ ШИСПН (ОС-ШИСПН с УУ-1 и ОС-ШИСПН с УУ динамического тина) область устойчивости существенно шире при более высоком качестве стабилизации выходного напряжения. Отдельно исследовался вопрос об эффективности предложенной нелинейной отрицательной обратной связи по кажущемуся току силового дросселя. Исследования показали, что наличие такой обратной связи приводит к снижению в несколько раз или к полному устранению перерегулирования выходного напряжения во время переходного процесса подключения ШИСПН к источнику питания. С помощью исследований на ЭВМ реально подтверждена возможность возникновения в ШИСПН устойчивого режима псевдостабилизации и проверена действенность предложенных мер по его исключение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что в рамках теории автоматического управления класс необратимых ШИСПН, идентифицированных коэффициентами конфигурации, соответствует некоторой нелинейной импульсной САУ, содержащей объект управления с переменной структурой и реализующей в общем случае принципы регулирования по отклонению и по возмущению.

2- Предложено разбить рассматриваемый класс ШИСПН на два подкласса по значению коэффициента конфигурации j9t (f?i*0 и р 1=0), что позволяет, обобщенно классифицировать их по критерию чувствительности регулировочных характеристик к неидеальности силовых элементов. При этом показано, что регулировочная характеристика произвольной схемы подкласса ШИСПН с р i -0 в режиме

непрерывного потока при учете неидеальности силовых элементов принципиально отличается от характеристики, полученной при их идеализации.

3. Впервые теоретически выявлена и обоснована возможность существования в схемах ШИСПН эффекта псевдостабилизации. Доказано, что ШИСГ1Н, использующие обратную связь по выходному напряжению, при работе в режиме непрерывного потока всегда устойчивы в малом в особых точках, соответствующих псевдостабилизации. Предложены меры, исключающие данный эффект.

4- Поставлена и решена для класса необратимых ШИСПН с двумя накопителями анергии с: позиций корректной линеаризации системы задача выбора особой точки САУ ШИСПН при учете неидеальности выходного конденсатора.

Ь- Получены импульсные передаточные функции силовой части необратимых ШИСПН в окрестностях особых точек как для режима непрерывного, так и для режима прерывистого потока, и выявлены характерные свойства этих передаточных функций.

6. Дли повышения надежности работы силовых элементов и улучшония динамических свойств предложено ввести в замкнутую систему рогулирюнания САУ ШИСПН контур нелинейной обратной связи но кажущомусн току еилоппго д(к>г.селл.

7- Для построения унифицированной блок-схемы устройства управления СЛУ ШИСПН предложено в ее математической модели использовать один нелинейный импульсный элемент

широтно-импульсного типа с базовой частотой, соответствующей частоте изменения кажущегося тока силового дросселя.

В. Щюдложена обобщенная математическая модель устройства управления с имиу.т.спим фи.л (,т|х>м, обеспечивающая эффективную КОР1К1КЦИЮ динамических свойств ШИс'1111.

'). Получены импульсные перюдаточные функции замкнутой СЛУ ШИСПН в окрестностях особых точек и выявлены характерные свойства этих нерюдаточных функций. Для обоих режимов работы (РНП и РПП) получены соответствующие структурные схемы замкнутых систем, а также условия устойчивости в малом ШИСПН различных типов.

10. Предложена и реализована с помощью разработанного программного пакета STAB стратегия машинного исследования устойчивости замкнутых нообрптимых ШИСПН, основанная на совокупном использовании разработанных имитационной модели ШИСПН, методах нулевой рошетки и случайных коммутаций и обеспечивающая существенное снижение затрат машинного времени (как минимум, на

один- два порядка) при повышенной точности получаемых результатов.

11. Результаты машинного исследования однотактных понижающего и повышающего ШИСПН показали, что КР-ШИСПН с УУ динамического типа по сравнению с двумя другими структурами замкнутых САУ ШИСПН (ОС-ШИСПН с УУ-1.и ОС-ШИСПН с УУ динамического типа) обеспечивает лучшее качество переходных и установившихся процессов в системе.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Державин О.М., Смольников В.Л. Устойчивость стабилизаторов постоянного напряжения в режиме непрерывного потока // Электричество.-1996.-J* 8.-С.65-69-

2. Смольников B.JI. Динамические свойства широтно-иыпульсных преобразователей постоянного напряжения в режиме прерывистого потока // Электричество.-1996.-J» 12.-С.25-31-

3- Державин О.М., Смольников В.Л. Устойчивость широтпо-импульсных стабилизаторов постоянного напряжения с модулятором динамического типа в режиме непрерывного потока// Информационные средства и технологии: Тез.докл. международной научной конференции.-М., 1996.-Т.1-С.247-252.

4. Смольников Л.Е., Смольников В.Л. Устойчивость двухтактного вольтовычитающего стабилизатора постоянного напряжения с ШИМ-1// Научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТА: Тез.докл.-М., 1996.

С.75-77.

5. Смольников В.Л. Имитационная модель широтно-импульсных стабилизаторов постоянного напряжения// Информационные средства и технологии: Тез.докл. международной научной конференции. -Н., 1995--С.93.

6. Державин О.М., Смольников В.Л. Устойчивость двухтактного понижающего широтно-импульсного стабилизатора постоянного напряжения в зоне стабилизации // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Тез. докл. Всероссийской научной конференции. -Чебоксары, 1995.-С.5-7.

7. Державин О.М., Смольников В.Л. Импульсные передаточные функции обратноходового стабилизатора постоянного напряжения для режима непрерывного потока // Информационные средства и технологии: Тез.докл. международной научной конференции.

М., 1995--С.91-92.

8. Смольников Л.Е., Смольников В.Л. Влияние коэффициентов конфигурации и неидеальности элементов на регулировочную характеристику широтно-импульсных преобразователей постоянного

- го -

напряжения // Системы и устройства :>локт[юпитяния К) Л /Под Гюд.В.А.Колосова. -М., 1994 --Вын.4•-С.29-42.

9- Смольников Л.К., Смольников В.Л. Устойчивость двухтактного повышающего широтно-импульсного стабилизатора постоянного напряжения в зоне стабилизации // Эноргоресурсосбережение и экология в текстильной промышленности: Тез.докл. Всероссийской научной конференции. М., 1994.-С.10-11.

Псч. л. /Я Тираж МО Заказ Л/Ц

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.