Введение к работе
---' -л. .
Актуальность работы. Диссертация посвящена проблеме динамического синтеза управляемых ключевых преобразователей (УКП). Под "динамическим синтезом" понимается решение таких задач, как устойчивость процессов и положения равновесия, качество переходных процессов при включении и коммутациях нагрузки, инвариантность к возмущениям, обеспечение заданной формы переменных при различных режимах работы. Термином "управляемые ключевые преобразователи" автор объединяет широкий класс преобразовательных устройств, в которых формирование, стабилизация и регулирование переменных (напряжений, токов) осуществляется за счет управления состояниями "включено", "выключено" или обоими этими состояниями полупроводниковых управляемых ключей. Таким образом, к управляемым ключевым преобразователям относятся преобразователи постоянного напряжения, регуляторы тока, инверторы, управляемые выпрямители и т.д., т.е. любая электрическая цепь с управляемыми ключами, которая одновременно является системой управления. Следствием успешного решения перечисленных выше задач динамического синтеза обычно является улучшение массо-габаритных показателей, повышение надежности и КПД преобразователя.
Актуальность диссертации состоит в том, что существует определенное отставание'теории от практики динамического синтеза УКП, что, по мнению автора, объясняется рядом причин. Во-первых,- УКП представляют собой особый класс существенно нелинейных систем управления, в которых регулирование и стабилизация электрических переменных осуществляется за счет управления длительностью состояний полупроводниковых ключей. Однако, теория управления развивалась и продолжает развиваться в' основном как наука об управлении движением динамических (линейных и нелинейных) объектов, таких как летательные аппараты, различного рода механизмы и т. д. Это управление осуществляется с помощью непрерывных, импульсных или цифровых (при управлении от ЭВМ) сигналов, что определяет название соответствующих классов систем управления: непрерывные, импульсные, цифровые. Исходя из этого, в теории автоматического управления, в част-
г 4 -ности, для нелинейных систем принята динамическая модель, в которой выделяется непрерывная линейная часть (НЛЧ) и нелинейный импульсный элемент (НИЭ), каковым может быть реле, ШИМ, ЧИМ, ФАПЧ и т. д. В рамках этой модели опубликованы фундаментальные работы по теории релейных и время-импульсных систем.
Несмотря на то, что УКИ близки, на первый взгляд, импульсным системам , на что указывает , в частности, распространенность таких терминов, как "импульсный стабилизатор напряжения", "импульсный регулятор тока" и др., говорить об их тождественности неверно, и распространение методов анализа и синтеза нелинейных импульсных с.стем на УКП вызывает определенные трудности. Это обусловлено в первую очередь тем, что УКП не имеют в строгом смысле ни ШЧ, ни НИЭ, поскольку импульсный регулятор лишь управляет полупроводниковыми ключами, которые в свою очередь коммутируют силовую цепь (объект управления). На этот факт было обращено внимание ряда авторов еще в 60-х годах, однако при динамическом синтезе преобразователей он не получил должного отражения, повидимому, из-за отсутствия аналогов в теории управления.
Во-вторых, существующие методы динамического синтеза преобразователей ориентируются в основном на "классическую" теорию управления, разработанную для линейных (или линеаризованных) систем. Этот подход получил отражение в работах В. П. Ши-пилло, В. И. Мелешина, Г. А. Белова и ряде работ автора данной диссертации. Для перехода к "импульсной" модели уравнения динамики преобразователя (силовой цепи и время-импульсного модулятора) линеаризуются в окрестности установившегося периодического режима, что позволяет перейти к традиционной структурной схеме линейной импульсной системы управления и воспользоваться известными методами анализа и синтеза таких систем. Близким к линеаризации является метод "усреднения", развиваемый в работах Д. Митчелла, Р. Миддлбрука и других авторов.
Эти подходы занимают важное место в теории ключевых преобразователей, и благодаря им удалось получить теоретическое обоснование положительного эффекта от ряда известных вначале из практики способов коррекции динамических характеристик. Однако, общим недостатком этих подходов является то, что получаемые на их основе линейные модели, как это следует иэ самого
- 5 -способа их получения, достоверно оценивают динамические характеристики преобразователя лишь для "малых" отклонений от установившихся периодических режимов, ь окрестности которых проведена линеаризация или усреднение, и несут в себе методическую ошибку при синтезе процессов "в большом".
К' настоящему времени наряду с классической сложилась "современная" теория управления, основанная на работах Л. С. Понтрягина и Р. Беллмапа. Эта теория ставит своей задачей оптимизацию движения системы "в большом" в реальном масштабе времени за счет конструирования соответствующего оптимального регулятора. Применительно к УКП ее можно трансформировать в задачу получения желаемых переходных процессов при "больших" возмущениях по питанию и нагрузке за счет оптимального управления полупроводниковыми ключами. Этот подход получил отражение в работах Г. И. Воловича, В. И. Завьялова, 0. К Соломаха и активно развивается в данной диссертации. Несомненной заслугой этого подхода является то, что он не имеет методической ошибки, которая изначально присутствует при использовании линейных моделей к анализу и синтезу процессов "в большом". Однако, предстоит еще большая работа по разработке критериев оптимальности процессов в преобразователях,_ алгоритмов нахождения экстремума функции качества, конструированию законов управления и другим вопросам временного синтеза. Все эти вопросы не могут быть решены без активного привлечения ЭВМ. Поэтому автору диссертации видится актуальным распространение на ключевые преобразователи (с учетом их особенностей, как динамической системы) тех идей и методов современной теории управления, которые помогают решить кардинальную проблему преобразовательной техники - повышения качества электроэнергии.
Цель данной работы состоит в развитии теории ключевых полупроводниковых преобразователей путем разработки нелинейных и линейных динамических моделей, их аналитических преобразований, разработки на их основе эффективных методов синтеза оптимальных (квазиоптимальных) переходных процессов и других динамических характеристик, анализа устойчивости установившегося и переходных режимов, методик синтеза корректирующих цепей и разработки новых схем с улучшенными характеристиками.
Для выполнения поставленной цели в диссертации решены
следующие основные задачи:
- разработана нелинейная математическая модель ключевых
преобразователей, адекватно отображающая как динамические про
цессы в силовой цепи, так и механизм преобразования управляю
щего сигнала в управляемые моменты переключений силовых клю
чей;
.- разработан метод синтеза оптимальных (кваэиоптимальных) переходных процессов в виде последовательности алгоритмических операций на нелинейной модели и дано математическое обеспечение этого метода;
- проведена линеаризация нелинейной математической модели
с учетом управляющего и возмущяющего воздействий с целью полу
чения выражений для анализа устойчивости установившегося режи-
'ма, его чувствительности к возмущениям и синтеза в частотной
области; % '
-обобщены известные и предложены новые способы коррекции динамических характеристик ключевых преобразователей;
- созданы на основе разработанных теоретических положений
и методов синтеза устройства управления силовыми ключами,
обеспечивающие улучшенные динамические характеристики.
Методы исследования. Для решения^ поставленных в работе задач использованы методы теории электрических цепей - при разработке динамической модели УКП, методы теории автоматического управления - при решении задач устойчивости, чувствительности и качества процессов, отдельные положения теории оптимизации - при формировании критериев, оптимальности процессов, методы цифрового моделирования и численного анализа -при разработке алгоритмов, составляющих вычислительную основу предлложенных методов динамического синтеза УКП.
Научная новизна. В диссертации осуществлено решение круп
ной научной проблемы по развитию теории динамического синтеза
управляемых ключевых преобразователей для улучшения их техни
ческих характеристик. '
При этом получены новые научные результаты, выносимые на4
защиту:. .. ,'
1) Динамическая модель ключевого преобразователя в виде электрической цепи переменной структуры и логико-функционального устройства управления (регулятора). развертывающего типа
- адекватно отражающая динамические процессы в силовой
цепи преобразователя и механизм преобразования аналогового уп
равляющего сигнала в последовательность управляемых переключе
ний силовых ключей,
.- удобная для целей динамического синтеза в частотной и временной областях,
- суммирующая накопленный опыт синтеза устройств управ
ления силовими ключами и их коррекции.
2) Прямой (временной) метод динамического синтеза "в
большом", включающий следующие основные этапы:
разработка критерия оптимальности процессов "в большом" на базе требований ТЭ,
выбор (обоснование) "стратегии" управления на интервале переходного процесса и определение оптимальной (квазиоптимальной) последовательности переключений силовых ключей,
формирование закона управления (функции преобразования управляющего сигнала . в последовательность переключений), обеспечивающего выбранную стратегию управления.
-
Новые критерии оптимальности переходных процессов, стратегии и законы управления, предложенные для ряда схем ключевых преобразователей.
-
Аналитические выражения и алгоритмы, составляющие вычислительную основу разработанных методов и используемые в итерактивном режиме проектирования. .
-
Методика динамического синтеза 'на линейной модели, включающая такие вопросы, как устойчивость установившихся режимов и инвариантность к "малым" возмущениям.
-
Способы коррекции ключевых преобразователей, обеспечивающие существенное расширение области устойчивости и улучшение качества переходных процессов при "больших" возмущениях по питанию и нагрузке.
-
Новые схемы регуляторов, реализующие оптимальные (ква-аиоптимальные) законы управления.
Практическая ценность.
1) Полученные в работе математические модели управляемых ключевых преобразователей позволяют обеспечить решение задач динамического синтеза так в частотной, так и временной областях при высокой точности результатов.
- 8 -?.) Предложенный метод синтеза во временной области позволяет получить квазиоптимальные переходные процессы, недостижимые с помощью линейных или усредненных моделей.
-
Разработанная линеаризованная математическая модель позволяет решать такие важные для практики задачи, как расширение области устойчивости установившихся режимов и обеспечение инвариантности к низкочастотной помехе по питанию.
-
Предложенные способы коррекции время-импульсных модуляторов открывают возможность создания универсальных интегральных схем регуляторов, способных обеспечивать высокое качество динамических характеристик при различных возмущениях.
Ь) Разработанные методы динамического синтеза проиллюстрированы как общими примерами, имеющими важное значение для практики, так и применены при создании систем вторичного электропитания радиоаппаратуры и преобразовательной части бесконтактного двигателя постоянного тока.
6) На основании проведенных исследований выявлены причины возникновения дополнительных переключений в преобразователях напряжения с развертывающим 1КИМ, причины провалов и выбросов выходного напряжения в переходных режимах, а также причины возникновения провалов и выбросов фазного тока в инверторе бесконтактного двигателя постоянного тока. Предложены устройства управления, исключающие указанные явления.
Реализация результатов работы. В результате проведенных научно-исследовательских работ с использованием разработанных в диссертации методик созданы и внедрены на предприятии ОКБ МЭИ система бортового электропитания и стабилизированные моду--ли питания для наземной приємно-регистрирующей станции. В этой работе решены такие вопросы динамического синтеза, как обеспечение апериодического запуска (а. с. N 675414, авторы Соболев Л. Б., Ковальков В. К.), инвариантность к низкочастотной помехе по питанию, малые выбросы выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки, согласование с работой телеметрической аппаратуры.
По заказу предприятия ВНИИ Телевидения (г. Ленинград) с использованием разработанных в диссертации алгоритмов и программ впервые проведено комплексное цифровое моделирование различных режимов в системе бесконтактногб (вентильного) двигате-
- 9 -ля постоянного тока с высокой кратностью пускового тока. Результатом проведенных исследований явилось создание привода компрессора с БДПТ, внедренного на указанном предприятии и устройства управления торможением при постоянном моменте на валу двигателя (а. с. N 1601722, авторы Конев Ю. И., Розно Ю. Н. , Соболев Л. Б.). Акты о внедрении результатов работ прилагаются.
Еще ряд схемных решений, реализующих научные положения диссертации, защищены авторскими свидетельствами, приведенными в списке литературы.
Разработанные .алгоритмы и программы нашли широкое применение в учебном процессе и научно-исследовательской работе кафедр "Теоретическая электротехника" и "Электрооборудование ЛА" МАИ, ряде учебных заведений и предприятий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: V Всесоюзной меж-вузловской конференции "Теория нелинейных электрических цепей и систем" (Ташкент, 1975), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательнойтехники" (Киев, 1979), совещании-семинаре молодых ученых "Теоретические и прикладные вопросы разработки, внедрения и эксплуатации САПР РАЭ" (Алушта, 1979), II Всесоюзной конференции "Проблемы нелинейной электротехники" (Шацк, 1984), Межреспубликанской конференции "Методы и средства повышения эффективности информационно-вычислительных и управляющих систем (Севастополь, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции "Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами" (Москва, 1989), 'XIII и XIV Международных семинарах "Основы теории цепей и электромеханических преобразователей" (г. Гливице, Польша, 1990 и 1991 г. г.), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в энергетике (Киев, 1990), научных конференциях и семинарах кафедр "Теоретическая электротехника" и "Электрооборудо-' ванне ЛА" МАИ (Москва, 1972-1991).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены более чем в 50 опубликованных работах, в том числе 11 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий обіем работы $20 стр. , (CZ илл.
