автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Синтез разрывного управления в многоканальных автономных системах электроснабжения с использованием скользящих режимов

л I

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИНТЕЗ РАЗРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМОВ

Специальность 05.09.03 -«Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Казаринов Л.С.

На правах рукописи

ОЗЕРОВ ЛЕОНИД АЛЕКСЕЕВИЧ

Челябинск 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................6

1. ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ И МОДУЛЬНЫХ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ.. И

1.1. Анализ структурных схем построения многоканальных и

модульных автономных систем электроснабжения........................... 11

1.1.1. Задачи управления в многоканальных и модульных автономных

системах электроснабжения со структурами видов А, Б, В........24

1.2. Анализ современных методов управления в многоканальных и модульных автономных системах электроснабжения с суммированием энергии каналов........................................................26

1.2.1. Введение.........................................................................................26

1.2.2. Регулятор с ведущим каналом.......................................................27

1.2.3. Регулятор с подчиненным управлением (с внутренней

местной обратной связью по току дросселя канала)....................37

1.2.4. Регулятор с отрицательной обратной связью по отклонению

тока дросселя канала от среднего значения тока нагрузки..........45

1.4. Постановка задачи исследования........................................................49

Выводы........................................................................................................51

2. СИНТЕЗ РАЗРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С СУММИРОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ КАНАЛОВ НА ОСНОВЕ УРАВНЕНИЙ СИСТЕМНОГО ЦЕНТРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМОВ..............................................................53

2.1. Введение...............................................................................................53

2.2. Формализация задачи синтеза разрывного управления.....................54

2.3. Вывод уравнений системного центра..................................................59

2.4. Синтез разрывного управления в многоканальных автономных

системах электроснабжения с суммированием энергии каналов......62

2.5. Условия существования скользящих режимов в каналах системы ... 64

2.6. Пример синтеза разрывного управления в многоканальной автономной системе электроснабжения с суммированием

энергии каналов...................................................................................66

Выводы........................................................................................................89

3. СИНТЕЗ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО РАЗРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ ПО ОТДЕЛЬНЫМ КАНАЛАМ НА ОСНОВЕ

СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМОВ. ОБЩИЙ СЛУЧАЙ......................90

3.1. Введение...............................................................................................90

3.2. Формализация задачи синтеза.............................................................91

3.3. Уравнения системного центра.............................................................94

3.4. Синтез децентрализованного управления...........................................95

3.5. Обсуждение результатов синтеза........................................................96

3.6. Решение уравнений системного центра..............................................97

3.7. Условия существования скользящего режима..................................100

3.8. Заключение по синтезу управления.................................................. 101

3.9. Пример синтеза децентрализованного разрывного управления

в двухканальной автономной системе электроснабжения...............103

Выводы...................................................................................................... 111

4. СИНТЕЗ РАЗРЫВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В ТИПОВЫХ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ СКОЛЬЗЯЩИХ РЕЖИМОВ И ФОРМИРУЮЩИХ ФИЛЬТРОВ. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ............ ИЗ

4.1. Синтез разрывного управления в типовых вторичных источниках питания постоянного тока на основе скользящих режимов и формирующих фильтров............................................... 113

4.2. Анализ процессов взаимодействия первичного источника питания с преобразовательной частью автономной системы электроснабжения соизмеримой мощности по координатам силовых цепей - ток, напряжение. Метод параметрического согласования первичного источника питания с модульным преобразователем энергии по цепям

питания для обеспечения динамической устойчивости контура.....133

4.3. Применение редуцированных наблюдателей состояния

для оценки токов дросселей фильтров преобразователей............... 148

4.3.1. Построение редуцированного наблюдателя полного тока дросселя фильтра преобразователя.............................................148

4.3.2. Построение редуцированного наблюдателя переменного (отклонения) тока дросселя фильтра преобразователя..............152

4.4. Выравнивание токов в каналах многоканальных преобразователей путем сохранения скользящих режимов в моменты коммутации потребителей со скачкообразным изменением тока нагрузки. Метод фильтрации заданий по току приемников энергии в

регуляторах многоканальных преобразователей..............................155

Выводы...................................................................................................... 161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................... 164

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................ 167

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ АБ - -аккумуляторная батарея АСЭС - автономная система электроснабжения ВАХ - вольт - амперная характеристика ВИЛ - вторичный источник питания ГПН - генератор пилообразного напряжения ЗУ - зарядное устройство

К, УТ - управляемые силовые ключи (транзисторы)

КПД - коэффициент полезного действия

Н - электрическая нагрузка

ООС - отрицательная обратная связь

П - приемник или потребитель энергии

ПИП - первичный источник питания

ППН - преобразователь постоянного напряжения

ПУ - пороговые устройства

ПЭ - преобразователь энергии

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина РИМ - регулятор избыточной мощности РН - регулятор напряжения РУ - разрядное устройство СБ - солнечная батарея

ТУ ТИМ - широтно-импульсный модулятор (модуляция) ЭДС - электродвижущая сила

Гц..^! - токи нагрузок п ВИП с общим ПИП в АСЭС вида Б

- общий ток нагрузки п ВИП с общим ПИП в АСЭС вида А Х]=[Х1ьХ12]т,---Дк=[ХкЬХк2]т _ координаты состояний АСЭС вида Б Х1=[Х11,Х12]Т,...,ХП=[ХП1,ХП2]Т, Хп+1- координаты состояний АСЭС вида А Х0, Z - координаты состояний ПИП и выход АСЭС вида А Ъ, Уь...,Ук - координаты состояний ПИП и выходы АСЭС вида Б

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Надежность и высокое качество функционирования автономного объекта техники - спутника, автоматической станции, самолета, наземного транспортного средства, узла связи и других технических средств, в большой степени зависит от надежной работы его автономной системы электроснабжения (АСЭС), которая обеспечивает объект электроэнергией.

Основными тенденциями в развитии современных АСЭС являются увеличение их сложности, длительности функционирования в автономном режиме, увеличение общей мощности АСЭС, увеличение удельного веса, объема и стоимости АСЭС от веса, объема и стоимости всего объекта (для космических летательных аппаратов до 30%), зависимость автономного срока эксплуатации объекта от автономного срока работы АСЭС (особенно для спутниковых АСЭС), унификация элементов и подсистем АСЭС, возможность гибкого изменения структуры АСЭС в зависимости от условий эксплуатации и мощности потребителей энергии на объекте, автоматизация и внедрение микропроцессорной техники во все уровни управления в АСЭС: управление преобразующими устройствами и регулирование (стабилизация) выходных параметров напряжения преобразователей, управление на уровне структуры АСЭС в зависимости от режима работы АСЭС, управление надежностью и резервом (поиск и отключение или локализация неисправных и подключение резервных элементов) в АСЭС. Требование увеличения ресурса работы АСЭС вытекают из требования увеличения срока эксплуатации автономного объекта.

Задачи увеличения ресурса работы, а, следовательно, увеличения надежности АСЭС, создания полностью автоматизированных АСЭС длительного автономного функционирования, проектирования и изготовления ряда однотипных АСЭС различной мощности с одной стороны, и требования удешевления и сокращения времени на проектирование и изготовление АСЭС

различной мощности и различного назначения, с другой стороны, обычно противоречивы.

Одним из направлений проектирования и создания высокоэффективных, надежных АСЭС с возможностью гибкого изменения назначения системы путем изменения процентного соотношения в системе модулей различного типа и установочной мощности (путем увеличения или уменьшения числа однотипных модулей) сглаживающим эти противоречия, является создание унифицированных модульных АСЭС.

Проектирование унифицированных модульных систем требует решения ряда технических задач, одной из которых является задача синтеза управления в модульных и многоканальных АСЭС содержащих преобразователи энергии.

Существующие методы управления в модульных и многоканальных системах имеют недостаточные характеристики качества и надежности или сложную процедуру синтеза регулирующих устройств, которая не учитывает нелинейные свойства системы.

Сказанное позволяет утверждать, что и сегодня актуальной является задача синтеза управления качеством стабилизации параметров электроэнергии на выходе модульной АСЭС.

Решение этой задачи позволит повысить надежность процессов управления на уровне преобразования энергии, повысить качество электроэнергии на выходе АСЭС, обеспечит равномерную загрузку модулей при параллельной работе модулей на общую шину нагрузки или независимость (автономность) работы модулей на индивидуальные нагрузки.

Актуальность данной работы подтверждается и включением ее в координационный план научно-исследовательских работ "Разработка предложений по модульному построению систем электропитания" (шифр НИР "Установка-101К", ТЗ № 353П-000-1794Э-501ТЗ).

Цель работы - синтез (разработка) управления в модульных и многоканальных АСЭС с учетом нелинейного (разрывного) характера

воздействия управления в каждом канале (модуле) с преобразователем энергии -вторичным источником питания (ВИЛ).

Идея работы - использование скользящих режимов в АСЭС как в системе с разрывным управлением, использование системных центров или предварительных фильтров для расчета координат заданий, что позволит придать АСЭС новые полезные свойства - автономности и инвариантности и упростить методику расчета и построения регуляторов АСЭС.

Научные положения и результаты выносимые на защиту.

1. Синтез разрывного управления в многоканальных АСЭС и в отдельных базовых ВИП может быть осуществлен на основе скользящих режимов и уравнений предложенного системного центра, который задает желаемое (модельное) движение системы.

2. Желаемое качество процесса стабилизации, инвариантность системы к возмущениям, автономность (независимость) каналов системы друг от друга и от первичного источника питания (ПИП), понижение порядка системы, обеспечиваются использованием в АСЭС скользящих режимов в качестве рабочих на пространстве отклонений желаемых координат от координат АСЭС.

3. Предложена децентрализованная (двухуровневая) иерархия управления в АСЭС с локальными (в канале) и глобальными (в системном центре) уровнями формирования сигналов управления .

4. Проведено доказательство устойчивости скользящих режимов.

5. Выведены соотношения для определения характера взаимодействия по цепям питания между ПИП и многоканальным преобразователем энергии.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается принятыми уровнями допущений при разработке математических моделей АСЭС и преобразователей энергии, исходными посылками, вытекающими из основ теории автоматического управления, теории разрывного управления, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов исследований с результатами экспериментов на цифровых и на физических моделях.

Научное значение работы состоит в том, что разработаны методы синтеза разрывного управления в АСЭС с промежуточным звеном преобразования энергии в виде многоканальных ВИП, а так же, в отдельных базовых ВИП постоянного тока, на основе создания локальных скользящих режимов в каналах АСЭС с целью придания системе новых свойств -автономности и инвариантности к возмущениям и снижения порядка синтезируемой системы.

Для вычисления координат заданий АСЭС, разрешимости вычислительных процессов и соблюдения условий инвариантности, координаты заданий вычисляются в системном центре АСЭС (модели АСЭС пониженного порядка) или предварительном фильтре базового ВИП.

Разработана процедура параметрического согласования ПИП и многоканального ВИП по цепям питания для обеспечения динамической устойчивости комплекса ПИП - ВИП и обеспечения желаемого процесса взаимодействия.

Практическое значение работы заключается в том что, формализована процедура синтеза разрывного управления в АСЭС и разработана методика построения и расчета регуляторов многоканальных ВИП и вычислителей заданий - системных центров или предварительных фильтров базовых ВИП.

Разработаны системы управления (регуляторы) для АСЭС с суммированием мощности каналов и для АСЭС с распределением энергии по отдельным потребителям.

Разработаны регуляторы для базовых ВИП трех видов с построением предварительных фильтров.

Выведены соотношения для проверки согласования ПИП и многоканальных ВИП по цепям питания. Получены выражения для выбора параметров промежуточного фильтра с целью динамического согласования ПИП и многоканальных ВИП при их энергетической совместимости.

Реализация работы. Научные положения, выводы и рекомендации использованы в опытно-конструкторской и научно-исследовательской работе

ЦСКБ (г. Самара), СКБ "РОТОР" (г. Челябинск), НИИ Автоматики (г. Екатеринбург) по темам "Разработка модульных систем электропитания орбитальных космических аппаратов" и "Разработка многоканальных и модульных полупроводниковых преобразователей с равномерным токораспределением между модулями", а также в опытно-конструкторской работе МЭНИИ НПОЭ (г. Миасс) по теме "Синтез разрывного управления и разработка регулятора в многоканальной системе стабилизации".

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы были доложены, рассмотрены и одобрены на IX Всесоюзной научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (Рига, 1987 г.), на X Всесоюзном семинаре "Роботизация, автоматизация и управление" (Тбилиси, 1986 г.), на Всесоюзном семинаре "Кибернетика электроэнергетических систем" (Челябинск, 1990 г.), на Всесоюзной конференции "Декомпозиция и координация в сложных системах" (Челябинск, 1986 г.), на Всесоюзных семинарах "Кибернетика электротехнических систем" (Челябинск, 1974 г., 1978 г.), на Всесоюзных семинарах "Автоматизированное проектирование электротехнических устройств и комплексов в автономной электроэнергетике" (Челябинск, 1981 г., 1982 г.), на отраслевой научно-технической конференции "Проблемы комплексного проектирования и испытания энергетических устройств космических аппаратов" (Куйбышев, ЦСКБ, 1986 г.), на научно - технических конференциях ЧПИ и ЧГТУ (1986 -1996 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 152 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка на 31 листе, 1 таблицу и список использованной литературы из 153 наименований.

1. ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ И МОДУЛЬНЫХ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ

1.1. Анализ структурных схем построения многоканальных и модульных автономных систем электроснабжения

Задача многоканального или модульного построения АСЭС возникла исторически, сначала при необходимости увеличения мощности и надежности АСЭС самолетов, судов и автотракторной техники за счет установки двух, трех и более электромашинных генераторов и двух, трех и более аккумуляторных батарей и организации их параллельной работы. Развитие задача получила при появлении преобразовательных устройств, увеличении мощности приемников энергии на выходе этих устройств и установке нескольких преобразователей для обслуживания ряда приемников энергии с одним номинальным напряжением, при решении вопросов параллельного соединения аккумуляторов на борту космических аппаратов. Так возникли многоканальные и модульные ВИП и зарядно-разрядные устройства модульного типа для индивидуального обслуживания каждой аккумуляторной батареи / 16-19, 21, 25, 69, 75-99, 144 /.

В некоторых случаях использование нескольких одинаковых ПИП бы