Содержание к диссертации
Введение
1 Проектирование многоканальных импульсных систем преобразования энергии как систем энергообеспечения автоматизированных систем аналитического контроля 14
1.1 Автоматизированные системы аналитического контроля: области применения и оборудование 14
1.2 Принципы построения систем энергообеспечения автоматизированных систем аналитического контроля на базе импульсных преобразователей постоянного напряжения 18
1.3 Анализ особенностей регулирования выходных напряжений в многоканальных импульсных преобразователях прямого и обратного хода 26
1.4 Анализ основных проблем проектирования многоканальных импульсных систем преобразования энергии 28
Результаты главы 1 30
Выводы по главе 1 31
2 Математические модели многоканальных импульсных систем преобразования энергии с широтно-импульсной модуляцией 32
2.1 Формирование математических моделей многоканальных импульсных систем преобразования энергии с широтно-импульсной модуляцией 32
2.1.1 Математические модели систем рассматриваемого класса в общем виде 32
2.1.2 Математическое описание подсистемы межканальной связи 34
2.1.3 Особенности формирования математической модели силовой части импульсных систем преобразования энергии 36
2.2 Математическая модель регулятора с широтно-импульсной модуляцией 46
2.3 Решения математической модели методом точечных отображений 50
2.3.1 Получение общей формы решения 50
2.3.2 Поиск периодических решений МИСПЭ 52
2.3.3 Оценка локальной устойчивости периодических решений МИСПЭ 55
Результаты главы 2 57
Выводы по главе 2 57
3 Исследование динамических свойств многоканальных импульсных систем преобразования энергии с широтно-импульсной модуляцией 59
3.1 Исследование динамики многоканальных импульсных систем преобразования энергии 59
3.1.1 Исследование динамики математической модели МИСПЭ с П-звеном и групповым регулированием 61
3.1.2 Исследование динамики математической модели МИСПЭ с П-звеном без группового регулирования 70
3.1.3 Исследование динамики математической модели МИСПЭ с ПИ-звеном и групповым регулированием 77
3.1.4 Обоснование использования МИСПЭ с групповым регулированием (на примере двухканальной) для анализа ее динамики 85
Результаты главы 3 91
Выводы по главе 3 91
4 Экспериментальная оценка адекватности подхода к исследованию и проектированию МИСПЭ 93
4.1 Описание экспериментальной установки 93
4.2 Оценка адекватности предложенного подхода к моделированию преобразовательных систем с ШИМ 99
Результаты главы 4 113
Выводы по главе 4 114
Заключение 116
Список использованных источников 119
- Автоматизированные системы аналитического контроля: области применения и оборудование
- Математические модели систем рассматриваемого класса в общем виде
- Исследование динамики математической модели МИСПЭ с П-звеном и групповым регулированием
- Оценка адекватности предложенного подхода к моделированию преобразовательных систем с ШИМ
Введение к работе
Актуальность проблемы
Повышение уровня промышленного производства предполагает решение все более сложных технических задач, обеспечивающих улучшение качественных параметров производимой продукции, создание ее новых потребительских свойств, повышение производительности труда, экологическую безопасность производства. Решение этих проблем связано с более рациональным использованием трудовых, материальных, энергетических ресурсов, сопровождается усложнением имеющихся и разработкой новых технологических процессов, элементами которых становятся действующие в их составе автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Неотъемлемой составляющей функционирования последних является процесс получения информации о состоянии технологического объекта управления, осуществляемый с помощью автоматизированных систем аналитического контроля (АСАК). Обеспечение эффективности АСАК - одна из основных задач, решаемых в создаваемых и работающих АСУ ТП. Необходимость этих решений обусловлена, в первую очередь, задачей предотвращения аварийных ситуаций в управляемых процессах, которые могут привести к большим экономическим потерям и тяжелым экологическим последствиям.
Сказанное особенно актуально для исследовательских и аналитических работ в различных отраслях органической и неорганической химии, биохимии, нефтехимии и других областях науки. Одним из ключевых видов информации, сбор которой осуществляется с помощью АСАК, является информация об элементном составе и структуре сложных органических соединений, используемых в управляемых технологических процессах. Для получения этой информации широко используется масс-спектрометрический метод (МСМ) [33,
51, 52, 84]. Над созданием и внедрением АСАК, использующих МСМ, работают многие российские и зарубежные производители средств автоматизации и управления в промышленности, такие как: ОАО «Союзцветметавтоматика» [59], ОАО НПП «Буревестник» [60], JEOL [96].
Реализующие МСМ приборы - масс-спектрометры (МС). Одной из составных частей МС является система энергообеспечения, с различными выходными параметрами, необходимыми для питания большого количества блоков МС. Большое количество требуемых напряжений, значительный диапазон изменения нагрузки по нескольким каналам и временная неравномерность их нагружения, а также массогабаритные показатели, эффективность и себестоимость обуславливают использование многоканальных импульсных систем преобразования энергии (МИСПЭ), в которых один канал регулируется непосредственно с помощью обратной связи через систему управления (СУ), а другие - косвенно через элемент межканальной связи (ЭМС), вместо множества независимо регулируемых источников. Качество преобразуемой системой энергообеспечения энергии влияет на надежность и электромагнитную совместимость, энергосбережение, статические и динамические характеристики МС, и, как следствие, на работу всей АСАК [40,72,84].
На современном этапе развития технологии требованию эффективного преобразования энергии наилучшим образом удовлетворяет импульсное преобразование [21, 81]. Развитие импульсных систем преобразования энергии, в частности, многоканальных импульсных систем преобразования энергии (МИСПЭ), определяется существенными достижениями в области силовой электроники, цифровой управляющей техники и теории управления преобразователями энергии. Появление доступных быстродействующих силовых полупроводниковых приборов (MOSFET, IGBT, IGCT, GTO) позволяет создавать высококачественные преобразователи электроэнергии для ИСПЭ мощностью до 1000 кВт и более [77]. Параллельно с достижениями силовой электроники два последние десятилетия характеризовались интенсивным развитием цифровой техники для реализации практически любых алгоритмов управления в реальном масштабе времени.
Существует большое количество фирм, занимающихся разработкой и проектированием МИСПЭ [90, 92, 99]. Однако их знания базируются на многолетнем опыте доводки и испытаний на опытных образцах, что сопровождается большим количеством затрат времени и экономически не выгодно.
Все это выдвигает новые требования к методам анализа и проектирования МИСПЭ, в первую очередь связанные с повышением адекватности и точности их моделирования.
Энергетические, статические и динамические характеристики функционирования МИСПЭ непосредственно определяются их динамическим режимом. Процессы, протекающие в МИСПЭ, сложны, их характер зависит от структуры и различного рода возмущений, выражающихся в изменении нагрузки, питания и параметров системы управления. С точки зрения теории регулирования МИСПЭ представляет собой сложную нелинейную систему, что обуславливает возможность возникновения в ней сложных динамических режимов (субгармонических, квазипериодических, хаотических) при объективно возможных изменениях внутренних параметров или внешних условий ее эксплуатации. Возникновение сложных движений в МИСПЭ в свою очередь обуславливает ряд проблем в сопряженных с МИСПЭ системами в составе АСУТП [15, 32, 44, 101, 103], как то: существенное ухудшение качества преобразуемой энергии; нарушение электромагнитной совместимости между МИСПЭ и сопряженными системами и, как следствие, электромагнитное воздействие на окружающую среду.
Следствием вышеизложенного может стать нарушение функционирования всей АСАК в составе АСУ ТП.
Одним из основных направлений решения перечисленных проблем является развитие общей методологии и создание конкретных методик исследования и проектирования МИСПЭ с учетом возможности возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических явлений в их динамике, на основе адекватных математических моделей, учитывающих специфику межканальной связи МИСПЭ и ее влияние на процессы регулирования (динамику).
До настоящего времени при проектировании МИСПЭ преобладал подход, основанный на линеаризации импульсного элемента и исследовании системы с использованием теории линейных систем [54, 81]. При этом, при проектировании регуляторов МИСПЭ зачастую не учитывался механизм межканальной связи и его влияние на динамику [90, 92]. Такой подход не способен учесть возможность возникновения сложных динамических режимов, присущих МИСПЭ как существенно нелинейной системе. Кроме того, процесс проектирования на основе использования такого подхода, как правило, заканчивался весьма трудоемким и дорогостоящим этапом наладочных работ на экспериментальных установках и реальных объектах [11].
Формирование новых подходов к исследованию и проектированию МИСПЭ стало возможным благодаря значительному развитию за последние десятилетия нелинейной динамики и вычислительной математики, методов математического моделирования и проектирования, рассматривающих МИСПЭ как существенно нелинейную систему.
На сегодняшний день одним из эффективных способов исследования динамики сложных нелинейных систем является использование бифуркационного подхода к анализу динамики [24, 36, 45, 68, 91, 103, 106, 107, 109, 110]. Бифуркационный подход позволяет выявлять области существования различных динамических режимов в пространстве параметров системы и дает возможность определить механизмы смены одних динамических режимов другими, а также устанавливать взаимосвязи между выявленными механизмами и структурными особенностями исследуемой системы.
Таким образом, одним из основных направлений решения перечисленных проблем является создание подхода к исследованию и проектированию МИСПЭ с учетом возможности возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических явлений в их динамике, на основе математических моделей, учитывающих структуру и параметры межканальной связи, а также методы их реализации.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов преобразования энергии в автоматизированных системах аналитического контроля путем реализации многоканального электропитания с использованием одного регулируемого канала и подсистем межканальной связи, а также формирование подхода к исследованию такого класса систем преобразования энергии, учитывающих возможность возникновения бифуркационных явлений в их динамике.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:
1 Провести анализ типовых структур МИСПЭ их схемотехнических и конструктивных особенностей с целью выявления механизмов реализации группового регулирования.
2 Сформировать и обосновать адекватные математические модели МИСПЭ.
3 Выявить характерные закономерности развития динамики МИСПЭ, обусловленные вариантом реализации межканальной связи, в условиях значительных изменений нагрузки непосредственно и косвенно регулируемых каналов.
4 Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности сформированных математических моделей и полученных результатов исследования динамики МИСПЭ.
Объектом исследований являются системы энергообеспечения автоматизированных систем аналитического контроля, построенные на базе многоканальных импульсных систем преобразования энергии.
Методы исследования
В работе использованы методы теорий систем автоматического управления, нелинейных динамических систем, обыкновенных дифференциальных уравнений, а также численные методы решения систем дифференциальных уравнений, матричного исчисления, спектрального анализа, итерационные методы решения систем нелинейных уравнений.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1 Сформированы математические модели и алгоритмы их реализации для МИСПЭ с учетом подсистем межканальной связи, как существенно нелинейных динамических систем, учитывающие возможность возникновения субгармонических, квазипериодических и хаотических процессов.
2 Изучен механизм взаимовлияния непосредственно и косвенно регулируемых каналов друг на друга в зависимости от режима функционирования каждого из каналов (непрерывный или прерывистый ток в дросселе выходного фильтра) при значительных изменениях нагрузки каждого канала.
3 Получены теоретические и экспериментальные результаты исследования динамики МИСПЭ, на основании которых выявлены закономерности возникновения сложных динамических режимов (субгармонических, квазипериодических, хаотических). Установлено: результаты моделирования динамики МИСПЭ с ЭМС существенно (качественно и количественно) отличаются от результатов аналогичного исследования нескольких соизмеримых одноканальных ИСПЭ; наличие межканальной связи существенно изменяет (сужает) область устойчивости синхронного режима. В то же время возможное возникновение режима прерывистых токов (РПТ) в не регулируемом канале существенно увеличивает область устойчивости синхронного режима, однако значительно ухудшает групповое регулирование.
4 Экспериментально и теоретически подтверждена возможность и изучены механизмы возникновения субгармонических и хаотических явлений в МИСПЭ, причем субгармонический режим может возникать как мягко (через "N - бифуркацию" удвоения периода), так и жестко (через "С - бифуркацию" удвоения периода) [77].
Научные положения, выносимые на защиту
1 Сформированные математические модели МИСПЭ с широтно- импульсной модуляцией (ШИМ) адекватно описывающие механизм межканальной связи и учитывающие возможность возникновения в МИСПЭ субгармонических, квазипериодических и хаотических явлений, а также алгоритмы реализации сформированных моделей.
2 Результаты исследования динамики многоканальных импульсных систем преобразования энергии автоматизированных систем аналитического контроля, учитывающие механизмы возникновения сложных динамических явлений.
Практическая значимость и внедрение
Практическая ценность работы состоит в формировании подхода к исследованию МИСПЭ, позволяющего повысить эффективность работы рассматриваемых систем, и заключающегося в:
1 Сформированных адекватных математических моделях, позволяющих учесть возможность возникновения бифуркационных, квазипериодических и хаотических явлений и тем самым спрогнозировать поведение МИСПЭ при существенных изменениях ее нагрузки и/или условий эксплуатации в процессе проведения анализа в АСАК.
2 Созданных алгоритмах исследования сформированных математических моделей, позволяющих выявлять закономерности развития динамики МИСПЭ и определять области их устойчивого функционирования при различных режимах работы в пространстве параметров, а также определять направления коррекции параметров регуляторов МИСПЭ, с целью исключения недетерминированной динамики и обеспечения заданных характеристик.
Результаты диссертационной работы и созданная экспериментальная установка использовались:
1 При проектировании многоканальной импульсной системы преобразования энергии, масс-спектрометра МХ1331, (ЗАО «Научприбор» г. Орел).
2 В учебном процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Основы автоматики и системы автоматического управления» и «Электропитание радиоустройств» на кафедре ПТЭиВС ОрелГТУ.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-ой международной школе-семинаре "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (г. Алушта, Крым, Украина, сентябрь 2002 г), на 6-ом всероссийском молодежном семинаре "Проблемы управления" (г. Москва, ГАУ имени Серго Орджоникидзе, 1998 г), на молодежной научно-технической конференции технических вузов Центральной России (г. Брянск, 2000 г) и на научных семинарах кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ в 1998 - 2003 гг.
Публикации По результатам исследований по теме диссертации опубликованы 5 статей в научных журналах и сборниках.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего ПО наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 41 рисунок и 5 таблиц.
Автоматизированные системы аналитического контроля: области применения и оборудование
Развитие производства привело к значительному ужесточению требований к оперативности и качеству аналитического контроля параметров технологических процессов. В этих условиях актуальной задачей стало внедрение производительных высоконадежных автоматизированных методов анализа в состав АСАК [33, 40, 72]. Так, например, регулярный контроль химического состава вещества в технологических процессах производства лекарственных средств, генной инженерии и биохимии.
Для решения этих задач широко применяется масс-спектрометрический метод анализа [33, 40, 51, 52, 72, 84]. Такие свойства масс-спектрометров как хорошая воспроизводимость результатов, высокая чувствительность и производительность, возможность полной автоматизации процесса измерения, сравнительная простота расшифровки спектра делают их незаменимыми при анализе состава веществ, осуществляемого в АСУ ТП, например: - изотопный анализ обогащенного урана; - анализ молекулярного состава вещества; - анализ микропримесей в веществе; - определение состава остаточных газов в вакуумных системах и др. Использование МСМ в АСУ ТП для контроля технологических процессов, в качестве датчика элементного состава и структурирования сложных органических соединений, привело к возможности создания автоматизированных систем аналитического контроля (АСАК). В настоящее время многие десятки АСАК работают в сельскохозяйственной и нефтехимической промышленности, медицине и на металлургических предприятиях. Одной из основных составляющих АСАК (его технических решений) являются масс-спектрометры JEOL JMS-700D, MX 1321, MX 1321 A, MX 1331 и др. [51, 52, 72] . Одним из характерных представителей МС является MX 1331, разработанный ЗАО «Научприбор», г. Орел. Масс-спектрометр MX 1331 предназначен для - получения информации об элементном составе исходного исследуемого вещества и о структуре сложных органических соединений; - идентификации анализируемых соединений; - качественного и количественного анализа смесей газов, жидкостей и твердых веществ, переходящих в газообразное состояние при температуре до 400 С; - обнаружения и контроля микропримесей; - автоматической обработки и документирования масс-спектрометрической и хроматографической информации. Структурная схема MX 1331 приведена на рисунке 1.1 [72]. В источнике ионов происходит ионизация молекул исследуемого вещества. Образовавшиеся ионы с помощью устройства формирования ионного пучка получают ускорение в электрическом поле. Далее ионный пучок проходит в блок фокусировки, и попадая в поперечное магнитное поле секторного типа, разлагается на ионные лучи, отличающиеся друг от друга отношением массы ионов к их заряду. Пройдя блок фокусировки, ионный луч через узкую щель в приемнике ионов попадает на коллектор, возбуждая электрический ток в его цепи. Меняя величину напряженности магнитного поля (регулируя силу тока электромагнита), из всего множества ионов можно выбрать ионы, имеющие необходимое отношение заряда к массе. Автоматическая регулировка тока электромагнита дает возможность с помощью блока преобразования и анализа информации записать спектр масс исследуемого вещества. Блок центрального управления обеспечивает проведение всего масс-спектрального анализа по заданной программе и передачу полученной аналитической информации в АСАК, а также управление всеми блоками спектрометра. Можно выделить три энергетических канала масс-спектрометра MX 1331: 1 электропитание преобразовательной, аналитической и управляющей части; 2 электропитание источника и приемника ионов, а также блока фокусировки; 3 электропитание насосов, нагревателей и вентилей. Подобное разделение обусловлено тем, что для питания различных блоков требуется электрическая энергия существенно отличающаяся по величине и качеству. Качество энергии первого энергетического канала является одним из определяющих факторов надежности масс-спектрометра, а следовательно, и всей АСАК, построенной на их основе. Остановимся подробнее на блоке источников питания, входящего в состав 1-го энергетического канала. В силу особенностей алгоритма работы масс-спектрометра MX 1331, ему требуются большое количество питающих напряжений с различными номиналами. Поэтому для уменьшения массогабаритных, энергоемких и экономических показателей блок источников питания построен по распределенному принципу и осуществляет двухступенчатое преобразование электроэнергии, поступающей из сети (рисунок 1.2). Из напряжения питающей сети 220В с помощью преобразователя напряжения формируется напряжение 48 В, используемое для питания преобразователей напряжения, обеспечивающих все остальные необходимые для функционирования масс-спектрометра питающие напряжения (-5,2В; +6,ЗВ; ±15В, +24В).
Математические модели систем рассматриваемого класса в общем виде
Построение математической модели выходных каналов МИСПЭ связано с необходимостью получения адекватных эквивалентных схем замещения и на их основе описания различных подсистем межканальной связи. Элементы эквивалентных схем замещения подсистем межканальной связи отражают их конструктивные параметры и протекающие в них физические процессы [30, 39], оказывающие существенное влияние на динамику системы в целом.
В качестве ЭМС в преобразователе выступает электромагнитный дроссель. Возможны два варианта реализации его на практике: когда обмотки намотаны бифилярно, т.е. коэффициент связи ксв - 1 (так называемая "плотная связь"), и "в навал", т.е. коэффициент связи кСв 1 ("слабая связь"). Схематичное изображение обоих вариантов приведено на рисунке 2.1 а,б соответственно [20, 62, 104]. Схема замещения ЭМС изображена на рисунке 2.2 [104].
Для схем замещения ЭМС на рисунке 2.1 и 2.2, приняты следующие обозначения: і] и і2 - токи в первичной и вторичной обмотках ЭМС соответственно; UjHu2- напряжения на первичной и вторичной обмотках ЭМС соответственно; W/ и w2 - число витков первичной и вторичной обмоток соответственно; Г] и г2 - сопротивления первичной и вторичной обмоток соответственно; S - площадь сечения сердечника; h - величина воздушного зазора; г - радиус средней линии тороидального сердечника ЭМС; kTR - коэффициент трансформации, кт = wj/w2; Lpi и Lp2 - индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток соответственно; LM - индуктивность намагничивания. Математическая модель ЭМС, описываемая через индуктивности намагничивания и рассеяния, в соответствии со схемой замещения представленной на рисунке 2.2 имеет вид: Построение математической модели силовой части МИСПЭ (рисунок 1.3) связано с необходимостью получения эквивалентных схем замещения преобразователя и фильтрующего устройства. Элементы эквивалентных схем замещения отражают их конструктивные параметры и протекающие в них физические процессы, оказывающие существенное влияние на процессы регулирования и на динамику системы в целом. Схемы замещения силовой части МИСПЭ с групповым регулированием (с ЭМС) представлены на рисунке 2.3 и 2.4. Построение схем замещения МИСПЭ с групповым регулированием проводится с учетом общепринятых схем замещения отдельных элементов системы при принятии определенных допущений: - схемы замещения силовой части МИСПЭ с групповым регулированием для проводящего силового ключа и непроводящего диода, и наоборот представлены на рисунках 2.3 а,б, если диод и силовой ключ в канале / находятся в непроводящем состоянии, а в канале II силовой ключ в непроводящем состоянии а диод проводящем, т.е. канал / в режиме прерывистых токов, а канал II в режиме непрерывных токов - рисунок 2.4 а, если наоборот - рисунок 2.4 б, если диод и силовой ключ находятся в непроводящем состоянии в обоих каналах, т.е. в обоих каналах существует режим прерывистых токов - рисунок 2.4 в. - элементы обладают временной и температурной стабильностью; - ключевые элементы преобразователя представлены идеальными ключами без потерь, при этом состояние ключей описывается коммутационно разрывной функцией KF; потери в реактивных элементах Г-образного LC фильтра представляются эквивалентными сопротивлениями; - силовой понижающий трансформатор в изолированной топологии преобразователя считают идеальным, а его паразитные параметры пересчитывают в выходные каналы, поэтому в схемах замещения (рисунки 2.3 и 2.4) входные напряжения каналов принимают равными UQC И gUcc, где g -коэффициент связи между источниками питания (подразумевается, что используется единый трансформатор с двумя вторичными обмотками).
Исследование динамики математической модели МИСПЭ с П-звеном и групповым регулированием
Построение математической модели выходных каналов МИСПЭ связано с необходимостью получения адекватных эквивалентных схем замещения и на их основе описания различных подсистем межканальной связи. Элементы эквивалентных схем замещения подсистем межканальной связи отражают их конструктивные параметры и протекающие в них физические процессы [30, 39], оказывающие существенное влияние на динамику системы в целом.
В качестве ЭМС в преобразователе выступает электромагнитный дроссель. Возможны два варианта реализации его на практике: когда обмотки намотаны бифилярно, т.е. коэффициент связи ксв - 1 (так называемая "плотная связь"), и "в навал", т.е. коэффициент связи кСв 1 ("слабая связь"). Схематичное изображение обоих вариантов приведено на рисунке 2.1 а,б соответственно [20, 62, 104]. Схема замещения ЭМС изображена на рисунке 2.2 [104].
Для схем замещения ЭМС на рисунке 2.1 и 2.2, приняты следующие обозначения: і] и і2 - токи в первичной и вторичной обмотках ЭМС соответственно; UjHu2- напряжения на первичной и вторичной обмотках ЭМС соответственно; W/ и w2 - число витков первичной и вторичной обмоток соответственно; Г] и г2 - сопротивления первичной и вторичной обмоток соответственно; S - площадь сечения сердечника; h - величина воздушного зазора; г - радиус средней линии тороидального сердечника ЭМС; kTR - коэффициент трансформации, Lpi и Lp2 - индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток соответственно; LM - индуктивность намагничивания. Математическая модель ЭМС, описываемая через индуктивности намагничивания и рассеяния, в соответствии со схемой замещения представленной на рисунке 2.2 имеет вид: Построение математической модели силовой части МИСПЭ (рисунок 1.3) связано с необходимостью получения эквивалентных схем замещения преобразователя и фильтрующего устройства. Элементы эквивалентных схем замещения отражают их конструктивные параметры и протекающие в них физические процессы, оказывающие существенное влияние на процессы регулирования и на динамику системы в целом. Построение схем замещения МИСПЭ с групповым регулированием проводится с учетом общепринятых схем замещения отдельных элементов системы при принятии определенных допущений: - схемы замещения силовой части МИСПЭ с групповым регулированием для проводящего силового ключа и непроводящего диода, и наоборот представлены на рисунках 2.3 а,б, если диод и силовой ключ в канале / находятся в непроводящем состоянии, а в канале II силовой ключ в непроводящем состоянии а диод проводящем, т.е. канал / в режиме прерывистых токов, а канал II в режиме непрерывных токов - рисунок 2.4 а, если наоборот - рисунок 2.4 б, если диод и силовой ключ находятся в непроводящем состоянии в обоих каналах, т.е. в обоих каналах существует режим прерывистых токов - рисунок 2.4 в. - элементы обладают временной и температурной стабильностью; - ключевые элементы преобразователя представлены идеальными ключами без потерь, при этом состояние ключей описывается коммутационно разрывной функцией KF; потери в реактивных элементах Г-образного LC фильтра представляются эквивалентными сопротивлениями; - силовой понижающий трансформатор в изолированной топологии преобразователя считают идеальным, а его паразитные параметры пересчитывают в выходные каналы, поэтому в схемах замещения (рисунки 2.3 и 2.4) входные напряжения каналов принимают равными UQC И gUcc, где g -коэффициент связи между источниками питания (подразумевается, что используется единый трансформатор с двумя вторичными обмотками).
Оценка адекватности предложенного подхода к моделированию преобразовательных систем с ШИМ
В конце каждой из четырех глав диссертационной работы приведены результаты исследований, а также выводы по всем рассматриваемым в диссертационной работе вопросам. Поэтому в заключении приведены только основные из них. 1 Установлено, что одной из составных частей масс-спектрометра как характерного представителя автоматизированных систем управления технологическими процессами является система энергообеспечения, с различными выходными параметрами, необходимыми для питания большого количества блоков МС. Специфика процесса энергообеспечения МС заключается в большом количестве относительно стабильных требуемых напряжений, значительном диапазоне изменения нагрузки по нескольким каналам и временной неравномерности их нагружения, что обуславливает необходимость использования многоканальных импульсных систем преобразования энергии. 2 Определен подход к исследованию МИСПЭ, заключающийся в формировании математических моделей, учитывающих особенности их построения и структуру элементов межканальной связи. Реализации их с использованием отображения Пуанкаре, построении областей существования заданного периодического движения, определении характеристик этих областей, выявлении характера потери устойчивости заданным периодическим движением и, тем самым, прогнозировании поведения системы в условиях вариации параметров системы. Что позволяет исследовать динамику МИСПЭ с учетом бифуркационных и хаотических явлений, обеспечивает необходимые выходные характеристики преобразователя при объективно возможных изменения параметров системы и окружающей среды. 3 Изучен механизм взаимовлияния непосредственно и косвенно регулируемых каналов друг на друга в зависимости от режима функционирования каждого из каналов (непрерывный или прерывистый ток в дросселе выходного фильтра) при значительных изменениях нагрузки каждого канала. 4 Получены теоретические и экспериментальные результаты исследования динамики МИСПЭ, на основании которых выявлены закономерности возникновения сложных динамических режимов (субгармонических, квазипериодических, хаотических). Установлено: результаты моделирования динамики МИСПЭ с ЭМС существенно (качественно и количественно) отличаются от результатов аналогичного исследования нескольких соизмеримых одноканальных ИСПЭ; наличие межканальной связи существенно изменяет (сужает) область устойчивости синхронного режима. В то же время возможное возникновение режима прерывистых токов в регулируемом канале существенно увеличивает область устойчивости синхронного режима по коэффициенту передачи пропорционального регулятора а, однако значительно ухудшает групповое регулирование. 5 Экспериментально и теоретически подтверждена возможность и изучены механизмы возникновения субгармонических и хаотических явлений в МИСПЭ, причем, субгармонический режим может возникать как мягко (через "N - бифуркацию" удвоения периода), так и жестко (через "С - бифуркацию" удвоения периода). 6 Изучено влияние корректирующего звена на динамику системы. В частности, установлено, что использование "астатического" пропорционально интегрального корректирующего звена по сравнению с пропорциональным корректирующим звеном не приводит к существенным качественным изменениям динамики МИСПЭ, количественные же различия существенны. Заключаются они, в первую очередь, в значительном увеличении области существования устойчивого синхронного режима. 7 Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о достаточной степени адекватности предложенной методики к математическому моделированию МИСПЭ и бифуркационного подхода к анализу их динамики. 8 Разработанная методика проектирования и исследования МИСПЭ внедрена на ЗАО «Научприбор», г. Орёл и используется при разработке перспективного блока источников питания масс-спектрометра MX 1331.
