Введение к работе
Актуальность темы. Источники вторичного электропитания являются основной частью любого электронного устройства. Первичные источники питаП1я - промышленная сеть переменного тока в стационарных установках, электрохимические источники тока, солнечные батареи, термоэлементы - не в состоянии удовлетворить всем требованиям, предъявляемым современной аппаратурой к качеству питающих напряжений. Современной аппаратуре требуется большое количество номиналов питающего напряжения в диапазоне от долей до десятков тысяч вольт при различных значениях потребляемых токов. Нормальная работа большинства электронных устройств обеспечивается лишь при поддержании питающих напряжений с заданной степенью точности в тече-нии rcеto тшемени пяботы Эти и ряд дпугих задач решаются источниками вTO-ричного электропитания (ИВЭШ Поэтому повышение надежности и эконо-mZocth работГ сшшение массы объема и сто Гти электоонной аппаоату-d Гвзначительной ^ш ZT^TnZm^Z^o^^^^Z рованияниковкричного эле^оТи^
Значительные колебания напряжения первичных источников электропитания, широкий рабочий диапазон температур, влияние электрических и магнитных полей и других воздействий приводят к тому, что стабилизация напряжения является одной из основных функций, выполняемых источниками вторичного электропитания.
Обеспечить необходимые надежность и качество функционирования сложной электронной аппаратуры, ослабить взаимные связи приемников электроэнергии через общий источник питания, можно лишь обеспечив высокую стабильность выходного напряжения источника электропитания, в том числе и в условиях интенсивных динамических возмущений. Решить эту проблему без увеличения установленной мощности, массогабарнтов и стоимости оборудования можно лишь путем оптимизации регуляторов ИВЭП.
Основной причиной нестабильности выходного напряжения ИВЭП являются возмущения, в первую очередь, тока нагрузки и напряжения цепи первичного источника энергии. Для обеспечения наилучшего качества электроэнергии (в первую очередь, стабильности напряжения) ИВЭП необходимо так управлять его схемой чтобы возмущения компенсировались в кратчайшие сро-кии чтобы при этом отклонения выходного напряжения от ном-шального зна-чения были минимальны. Такая задача по своей сути является задачей оптимального управления В частности компенсация возмущения в кратчайшие сроки обеспечивается управлением, оптимальным по быстродействию
Предельное быстродействие ИВЭП следует рассматривать как критерий синтеза его закона управления.
лям преобразовательной техники. Решение этой задачи, при действии малых возмущений, то есть формирование оптимальных законов управления ИСН с ШИМ, работающего в режиме "малого" сигнала, достаточно полно исследуется в работах Иванчуры В И., Манакова А.В., Соустина Б.П. В них используются методы анализа и синтеза основанные на представлении ИСН с ШИМ как ам-плитудно - импульсной системы. То есть ИСН с ШИМ, работающим в режиме "малого" сигнала, может быть представлен линейной импульсной системой ав-томатического регулирования, а задачи анализа и синтеза оптимального побьют-родействию йСН с ШИМ рещаются с применением линейных методов.
При действии больших возмущений, ИСН с ШИМ ведет себя как существенно нелинейная, релейная система автоматического регулирования и применение для анализа таких систем линейных методов некорректно. Для синтеза ИСН с ШИМ оптимального по быстродействию, при действии больших возмущений, необходимо использовать методы теории оптимального управления, на основе которых решаются задачи построения систем оптимальных по быстродействию. Задача синтеза ИСН с ШИМ оптимального по быстродействию, при действии больших возмущений, поставлена в работах Воловича Г. И. В общем виде, в них сделана попытка применить методы теории оптимального управления ДЛЯ синтеза оптимального по быстродействию ИСН с ШИМ, но сама возможность осуществить это и сделанные выводы не имеют обоснования, и не подтверждены практически.
Поскольку, при решении задач синтеза оптимальных по быстродействию систем и их реализации производят ряд упрощений и идеализируют характеристики элементов, реальный ИСН с ШИМ всегда будет квазиоптнмальным по быстродействию.
Под синтезом квазиоптимального по быстродействию ИСН с ШИМ подразумевается определение законов управления ИСН, обеспечивающих компенсацию больших возмущений в кратчайшие сроки. При этом необходимо решить задачу обеспечения надежности полученных законов управления, что связано с разработкой методики определения квазиоптимальных законов управления и исследованием влияния различных факторов на квазиоптимальные по быстродействию законы управления.
Не смотря на имеющийся опыт в использовании, проектировании и расчете широтно - импульсных стабилизаторов напряжения, вопросы синтеза квазиоптимального по быстродействию ИСН с ШИМ, при действии больших возмущений, остаются не изученными. В связи с этим задача синтеза квазиоп-тимaльногo по быстродействию ИСН с ШИМ, при действии больших возмущений, то есть разработка методики синтеза, исследование, а также разработка средств автоматизации процесса проектирования являются актуальными.
Цель работы. Синтез квазиоптимального по быстродействию импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ, при действии больших возмущений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методику синтеза квазиоптимального по быстродействию ИСН с ШИМ, при действии больших возмущений, опираясь на теорию оптимального управления, используя математические модели ИСН;
исследовать влияние параметров ИСН с ШИМ на квазиоптимальный по быстродействию закон управления;
исследовать влияние технологического разброса параметров элементов ИСН с ШИМ на квазиоптималньый по быстродействию закон управления; исследовать влияние коммутации нагрузки на квазиоптимальный по быстродействию закон управления ИСН с ШИМ;
разработать методику применения систем автоматизированного проектирования (САПР), для синтеза и построения модели квазиоптимального по быстродействию ИСН с ШИМ.
Методы синтеза и исследования. Методы теории оптимального управления, методы теории автоматического управления, методы моделирования с помощью САПР.
Научная новизна. Разработана методика синтеза квазиоптимального по быстродействию импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ, при действии больших возмущений.
Определено влияние параметров импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ на квазноптимальный по быстродействию закон управления.
Предложены методика и алгоритм применения программ автоматизированного проектирования, для синтеза и построения модели квазиоптимального по быстродействию импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ.
Практическая значимость результатов работы. Практическую ценность диссертационной работы представляют:
совокупность математических моделей и методика синтеза, позволяющие получить единый подход к синтезу и исследованию квазиоптимального по быстродействию ИСН с ШИМ, при действии больших возмущений, на различных этапах проектирования;
графики, отражающие зависимость параметра квазиоптимального по быстродействию закона управления от параметров системы, которые можно использовать для получения квазиоптимального по быстродействию закона управления при конкретных значениях параметров ИСН с ШИМ, из исследованного диапазона;
методика определения и условие выбора параметра квазиоптнмального по быстродействию закона управления ИСН с ШИМ, при котором влияние больших возмущений на этот закон управления может быть сведено к минимуму;
схематическое решение построения модели ИСН с ШИМ квазиоптимального по быстродействию, обладающего высокими показателями качества выходного напряжения;
рекомендации на ограничение технологического разброса параметров . ИСН с ШИМ;
рекомендации на ограничение емкости нагрузки, для обеспечения требуемых показателей качества переходного процесса ИСН с ШИМ, при коммутации нагрузки;
методика применения программы для математических расчетов MathCAD 7.0 Professional и алгоритм применения программы схемотехнического моделирования PSpice 5.1 для синтеза и построения модели квазиоптимального по быстродействию ИСН с ШИМ;
дано теоретическое обоснование тому, что последовательное корректирующее устройство, предложенное ранее при синтезе оптимального (квазиоптимального) по быстродействию ИСН с ШИМ, при действии малых возмущений, будет обеспечивать ИСН с ШИМ квазиоптимальность по быстродействию и при действии больших возмущений; уточнены параметры корректирующего устройства для обеспечения ИСН с ШИМ квазноптимальности по быстродействию, при действии больших возмущений.
Практическая реализация. Научные результаты диссертационной работы включены в программу курса САПР САУ, читаемого в Сибирской аэрокосмической академии и Красноярском государственном техническом университете, используются при проведении лабораторных, курсовых, дипломных работ.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы при проведении научно - исследовательских работ в области coздания высокоэффективных систем электроснабжения КА в Сибирской аэрокосмической академии и Красноярском государственном техническом университете, выполняемых по заданию НПО ПМ (г. Железногорск) и НПО "Полюс" (г. Томск) (Программа конверсии и высокие технологии. Проект "Поток-2").
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на межрегиональной конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции", Красноярск, САА, 1997 год; на заседании кафедры Системы Автоматического Управления в Сибирской Аэрокосмической Академии, 1999 год; на научном семинаре факультета "Информатики и процессов управления" в КГТУ, 1999год.
Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, 25 таблиц, 44 рисунка, 16 страниц приложения, список литературы из 65 наименований.