Совершенствование и реализация систем управления преобразователей судовых электротехнических комплексов

Современное судно представляет собой сложную техническую систему, имеющую иерархическую структуру и состоящую из большого количества подсистем и комплексов, значительная часть которых характеризуется высокой степенью автоматизации.

Судовая электроэнергетическая система является одной из наиболее важных систем, обеспечивающих выработку и распределение электрической энергии, качество которой оказывает существенное влияние на функционирование всех электротехнических комплексов и судна в целом. Увеличение числа ответственных потребителей [23, 24, 69], чувствительных к изменению параметров электроэнергии, обусловливает рост требований к качеству электрической энергии [1].

Во многих случаях судовые электротехнические комплексы получают питание не от основной сети, а от специальных преобразователей электроэнергии [31], которые решают две основные задачи: преобразование параметров электроэнергии в соответствии с требованиями потребителей и улучшение электромагнитной совместимости нелинейных потребителей с сетью.

Поскольку от качества электропитания зависит эффективность работы комплекса в целом, то к преобразователям предъявляются самые высокие требования по всем технико-эксплуатационным показателям.

Как правило, преобразователи имеют в своем составе регулирующие устройства, совместно с которыми они образуют замкнутые динамические системы. Технические показатели определяются статическими и динамическими свойствами системы и в целом влияют на её эффективность [26]. Одним из основных динамических показателей является время переходного процесса, определяющее быстродействие системы. Под быстродействием понимается быстрота реагирования системы на появление задающих и возмущающих воздействий [10]. Как правило, уменьшение длительности переходных процессов приводит к повышению качества работы системы.

Полупроводниковые преобразователи параметров электрической энергии, включающие силовую часть и систему управления, являются техническими устройствами, которые проектируются на основе требований, предъявляемых к их качественным показателям. Основным этапом проектирования является синтез системы управления, в целом определяющей статические и динамические показатели преобразователя [6, 31].

В настоящее время при проектировании преобразователей применяются все основные принципы, разработанные в теории автоматического управления [27, 73], однако получение требуемых высоких показателей качества электроэнергии при достижении экономичности ставит задачу разработки систем управления, оптимизирующих работу преобразователя по одному (нескольким) из выбранных параметров.

Перспективным направлением в улучшении электромагнитной совместимости является применение активных преобразователей [29, 34], обеспечивающих минимальное искажающее влияние на питающую сеть за счет релейных или импульсно-модуляционных способов управления и применения замкнутых систем автоматического регулирования.

Синтез систем управления полупроводниковых преобразователей параметров электромагнитной энергии по критерию максимального быстродействия [14] позволяет уменьшить отклонения выходного напряжения (тока) от предписанного значения в переходных режимах, обеспечить минимальное время переходных процессов в преобразователях при пуске, коммутациях нагрузки, изменениях напряжения питания и т. д.

В следящих инверторах предъявляются жесткие требования к качеству динамических показателей [54], поскольку ими в большей степени определяется качество преобразователя, в частности, синусоидальность выходного напряжения. Кроме того, расширяется диапазон выходных сигналов, в котором необходимо сохранять работоспособность и качество переходных процессов.

В системах регулируемого электропривода [30] повышение быстродействия обеспечивает расширение диапазона регулирования и улучшение качества работы системы при изменениях величины нагрузки.

Таким образом, обеспечение высоких динамических показателей преобразователей при регулировании и возмущениях является актуальной задачей.

Решение этой задачи осложняется тем, что любая реальная система функционирует в условиях неопределённости. В преобразователях электроэнергии такая неопределенность обусловлена случайными изменениями нагрузки и отклонениями напряжения питания от номинальных значений.

Сегодня определились следующие направления улучшения технико-экономических показателей преобразователей [4]:

— совершенствование элементной базы ключевых элементов и реализация на их основе активных преобразователей [34];

— переход на высокую частоту переключений;

— применение высокоэффективных методов управления (адаптация, слежение, прогнозирование);

— включение в состав преобразователя микро-ЭВМ, реализующей «интеллектуальные» задачи: контроль и диагностика, режимная автоматика, защита, оптимизация режимов работы.

Перспективным, направлением в создании высококачественных и надежных преобразователей в настоящее время является применение элементов цифровой техники, микропроцессоров и микро-ЭВМ [74]. Интенсивное развитие методов и средств цифровой обработки информации позволяет обеспечить статическую точность системы на заданном уровне за счёт увеличения разрядности обрабатываемых сигналов [15]. Однако прогресс в области цифровой техники оказал меньшее влияние на развитие методов улучшения динамических показателей автоматических систем.

Как правило, разработка систем управления ведется традиционными методами, которые основаны на использовании динамических регуляторов с постоянными параметрами (примерами их могут служить типовые ПИДрегуляторы). Параметры таких регуляторов определяются известными методами теории автоматического регулирования [10]. Получение требуемого быстродействия обеспечивается при проектировании системы управления посредством выбора соответствующих элементов и корректирующих средств. Проблема получения требуемых качественных показателей (точности в типовых режимах, запаса устойчивости и быстродействия) является единой и все вопросы должны решаться совместно. Это делает всю проблему весьма сложной и для получения приемлемого решения приходится прибегать к последовательному приближению и выбору некоторого компромиссного варианта.

При наличии информации о состоянии объекта задача синтеза регулятора тривиальна, для её решения используют методы модального, оптимального управления, скользящих режимов, релейного регулирования. Однако, широкому практическому применению этих методов препятствует отсутствие отработанных инженерных методов синтеза.

Применение классических методов позволяет получить максимальное быстродействие, однако динамические показатели полученной системы достигают своих максимальных значений только при одном сочетании параметров системы и регулятора. Поэтому при изменении условий работы системы, например, при регулировании или иных внешних возмущениях, показатели динамики снижаются. Кроме того, регуляторы с постоянными параметрами не позволяют воспроизводить неоднозначные характеристики и склонны к потере устойчивости при больших возмущениях.

С целью удовлетворения требований, предъявляемых к системе по устойчивости и показателям качества (быстродействию, перерегулированию, колебательности и т. п.) применяют коррекцию её динамических свойств. Задача решается введением в систему дополнительных специальных устройств, называемых корректирующими. Используют следующие основные виды коррекции: последовательную, параллельную, смешанную и с помощью введения дополнительных обратных связей. Вопрос выбора схем включения корректирующих устройств решают исходя из преимущества и недостатков, свойственных каждому из видов коррекции. Решение задачи осложняется тем, что не существует универсального метода коррекции, гарантированно приводящего к оптимальному результату. Хорошо отработанный способ определения корректирующего устройства по логарифмическим частотным характеристикам имеет ряд существенных недостатков, основные из которых — значительная трудоемкость метода и большая погрешность. Полученная таким образом система может быть близка к оптимальной лишь для одного набора параметров объекта управления и внешних воздействий, поскольку при их изменении корректирующее устройство должно быть изменено структурно либо иметь другие параметры.

Отмеченные недостатки регуляторов с постоянными параметрами по-прежнему оставляют актуальной задачу создания адаптивных регуляторов, параметры которых автоматически изменяются при изменении условий работы преобразователя так, чтобы и в новых условиях динамические показатели соответствовали максимально возможным значениям.

Целыо диссертационной работы является разработка метода синтеза и реализация адаптивных систем управления полупроводниковых преобразователей, обеспечивающих быстродействие, близкое к теоретическому максимуму в условиях изменения внешних воздействий. Основой таких систем управления являются адаптивные регуляторы, параметры которых автоматически изменяются при изменении условий работы таким образом, что динамические показатели системы остаются на экстремальном уровне при любых её параметрах в допустимой области.

Полупроводниковые преобразователи относятся к нелинейным импульсным системам, для математического описания которых широко применяют метод нелинейных разностных уравнений. Этот метод позволяет описать динамику нелинейной импульсной системы, как для малых, так и для конечных отклонений, в отличие от известного метода z-преобразования, который применим только для решения линейной задачи.

В общем случае нелинейное разностное уравнение, описывающее динамику вентильного преобразователя, имеет вид:

F = F (xn+k,.хпНЛ, ., x") = 0, (B.l) где Fнелинейная функцияxn — дискретная переменнаяn — натуральный ряд чиселА: — порядок уравнения.

Уравнение (В.1) при выполнении равенств хп+к — x"+ka = • • • = х&bdquo- = х° (В-2) представляет в общем случае нелинейное алгебраическое уравнение:

F°(x°) = 0, (В.З) значение л:0 называется корнем, положением равновесия или неподвижной точкой [5].

В окрестности х° вместо (В.1) можно рассматривать линеаризованное уравнение:

5xn+k + fljH&Wi +. + а0дхп = 0, (В.4) где я, = с/ !ск Ci = с,(х°) = dF/dxn+i ск = ск (х°) = dF/dxn+kie [0, к-1 ].

Если для (В.4) характеристическое уравнение.

Хк + ак.{ккл +. +йт0 = 0 (В.5) имеет хотя бы один корень /е[1, к], не удовлетворяющий условию устойчивости |А.,| < 1, то решение разностного уравнения хп не будет сходиться к значению д:0, в этом случае уравнение (В.1) и положение равновесия х° называются неустойчивыми. Следовательно, процесс, например вычислительный, или техническая система, описываемые таким уравнением, являются неустойчивыми.

В работе предложен новый общий метод преобразования разностного уравнения (В.1), позволяющий изменять корни характеристического уравнения (В.5) при сохранении положения равновесия (В.З). Такое преобразование, названное инвариантным преобразованием неподвижной точки, позволяет достичь максимальной скорости сходимости решения линейного разностного уравнения к нулю, а, следовательно, и решения нелинейного уравнения к одному из положений равновесия в его окрестности за минимальное число шагов, равное порядку уравнения. Даны формальные определения инвариантного преобразования неподвижной точки и разностной коррекции.

Инвариантным преобразованием неподвижной точки для разностного уравнения (ВЛ) является преобразование вида:

F+G = 0, (В.6) где G = G (xn+q, xn+q.u., хп, 1ц, ., hq) — в общем случае нелинейная преобразующая функцияq ^ к — порядокh, ., hq — параметры, удовлетворяющая свойствам G^F и G (x°) = 0.

Инвариантное преобразование (В.6) с преобразующей функцией.

Ga = G (Акхп, Аклхп, ., х&bdquo-, hu hq), (В.7) где А’хп = Ах" 1лг"+. 1 — А’лх" - разность /-го порядка- /е[1, к] - называется разностной коррекцией уравнения (В.1), функция <7д именуется корректирующей.

Разностная коррекция с линейной корректирующей функцией (В.7) вида Ga = hkAkxn + hkAAkAxn +. +hxn, где hi = const, называется линейной разностной коррекцией (ЛРК) уравнения (В.1), коэффициенты Л, именуются коэффициентами коррекции.

На основе метода переменных состояния (фазового пространства) в гл. 2 данной работы выполнено математическое обоснование предложенного принципа линейной разностной коррекции.

Следует отметить, что задача достижения максимальной скорости сходимости решения разностного уравнения неоднократно рассматривалась и в математике, и в теории управления. В математике эта задача встречается в теории численных методов, где шаг решения разностного уравнения называется итерацией, а процесс с максимальной скоростью сходимости именуется решением за конечное число итераций [11, 64]. Различные варианты этого метода рассмотрены в [13]. В соответствии с этими вариантами после каждого шага требуется проводить пересчет специальных коэффициентов. В предлагаемом методе подобный расчет выполняется единственный раз.

В дискретных системах управления переходный процесс, сходящийся к установившемуся значению за конечное число периодов или тактов (шагов), именуется процессом конечной длительности [27, 37, 59], а устройства, вводимые в систему для получения таких процессов, называются апериодическими регуляторами. Суть отличия предложенного в работе метода от известных заключается в следующем. Если использовать аналогию между производными непрерывных функций и разностями дискретных, то линейную разностную коррекцию можно представить как сигнал обратной связи (образованный с помощью разностей координат дискретной системы), подобный сигналу, сформированному с помощью производных переменных непрерывной системы. В известных работах для сигнала обратной связи используются не разности координат, а собственно координаты системы.

Оценка влияния разностной коррекции на динамические свойства системы выполняется по скорости сходимости решения скорректированного разностного уравнения к установившемуся значению. Аналогичная оценка выполняется для физической системы по длительности переходного процесса, которая определяется как время, протекающее от момента приложения на вход системы единичного скачка до момента, после которого имеет место равенство [10]:

1><0-><�")! (В.8) где y (t) — выходная координата системыj (oo) — установившееся значение выходной координаты после завершения переходного процессаД — заданная малая постоянная величина, представляющая собой обычно допустимую ошибку.

Поскольку в работе рассматриваются дискретные системы, то в качестве показателя динамики выбрано число шагов, за которое сходится решение разностного уравнения замкнутой системы к установившемуся значению при заданных начальных условиях. Быстродействие дискретной физической системы определяется числом тактов, за которое выходная координата достигает своего установившегося значения после окончания действия возмущения. При этом для определенности вычислительный и переходный процессы считаются завершенными, если величина ошибки не превышает 5% от установившегося значения.

В данной работе анализируются возможности построения цифровых систем управления, не уступающих существующим аппаратным решениям по быстродействию и точности [35, 38, 60, 62, 65], при минимизации аппаратных затрат путем использования в контуре управления микроконтроллера со встроенным ЛЦП.

Проверка теоретических результатов выполнена на исследовательском стенде, включающем силовую часть вентильного преобразователя и систему управления. Последняя представляет собой программно-аппаратный комплекс на базе ПЭВМ типа IBM PC, модуля аналого-цифрового преобразования AI8S-5А и платы электронных ключей TBI-0/24C.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в разработке метода синтеза и реализации адаптивных систем управления полупроводниковых преобразователей^ обеспечивающих быстродействие, близкое к теоретическому максимуму в условиях изменения внешних воздействий.

Разработанный метод оптимизации систем управления позволяет формализовать процедуру синтеза корректирующего устройства, реализующего J1PK.

Применение разностной коррекции позволяет расширить область устойчивой работы преобразователей и получить практически максимальное быстродействие не только при малых, но и при больших возмущениях.

Метод JIPK упрощает процедуру синтеза систем управления полупроводниковых преобразователей и позволяет простыми средствами рассчитать корректирующее устройство и обеспечить высокие динамические показатели.

Разработанные структуры систем управления с интегральным регулятором и разностным корректором позволяют упростить реализацию адаптивных систем управления преобразователей на базе однокристальных микро-ЭВМ со встроенными АЦП. Экспериментально показаны эффективность JIPK и принципиальная возможность построения адаптивных систем управления, обеспечивающих высокое быстродействие полупроводниковых преобразователей при регулировании и возмущениях со стороны источника питания и нагрузки.

5.5. Выводы.

1. Результаты экспериментальных исследований подтвердили теоретические положения и показали высокую эффективность разностной коррекции. Переходные процессы в скорректированной системе завершаются за один-два периода работы управляемого выпрямителя и за два-три периода работы ШИП, как при больших, так и при малых отклонениях.

2. Универсальным способом построения РК является применение микропроцессорных средств. В этом случае СУ может быть выполнена на микроконтроллере со встроенными ЛЦП. При этом для ускорения работы СУ часть функций может быть реализована на аналоговых элементах.

3. Полученные результаты указывают на практическую целесообразность применения линейной разностной коррекции для разработки оптимальных по быстродействию систем управления преобразователей и принципиальную возможность их технической реализации на базе устройств микропроцессорной техники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Предложен принцип управления дискретными системами, описываемыми разностными уравнениями, с помощью нового класса регуляторов, значения параметров которых автоматически изменяются при изменении условий работы системы таким образом, что показатель динамики системы остаётся на экстремальном уровне при любых её параметрах в допустимой области.

2. Предложен новый способ коррекции замкнутых систем управления импульсных преобразователей, обеспечивающий устойчивость и высокое быстродействие в условиях изменения внешних воздействий и отличающийся простотой реализации.

3. Разработана общая методика синтеза корректирующего устройства по линеаризованной модели замкнутой системы в пространстве состояний, позволяющая с минимальными временными затратами выполнить расчет параметров разностного корректора.

4. Получены математические модели УВ и ШИП с системой управления, построенной на базе интегрального регулятора с разностной коррекцией, которые позволяют проводить анализ динамических свойств преобразователей. Математическая модель представляет собой систему нелинейных разностных уравнений, решение которой выполняется численными методами в современных программах компьютерной математики. На базе математических моделей разработаны функциональные схемы разностных корректоров для интегральных систем управления УВ и ШИП.

6. Предложенная методика синтеза корректирующего устройства позволяет значительно упростить процедуру выбора параметров корректируемой системы управления, не требует построения частотных характеристик и областей устойчивости. Теоретически, параметры исходной системы управления могут выбираться любыми. На практике их значения определяются исходя из физической реализуемости и простоты реализации.

7. Применение линейной разностной коррекции позволяет расширить область устойчивой работы преобразователя и получить практически максимальное быстродействие не только при малых, но и при больших возмущениях.

8. Предложенный способ разностной коррекции позволяет реализовать быстродействующие системы управления с постоянными параметрами настройки, а также адаптивные системы управления, обеспечивающие оптимизацию работы преобразователя в условиях возмущений.

9. Разработанные структуры и алгоритмы работы цифро-аналоговой и цифровой систем управления, реализующие линейную разностную коррекцию, позволяют обеспечить преобразователям высокие динамические качества, упростить схемотехнику систем управления и использовать для их построения типовые микроконтроллеры со встроенными ЛЦП.

10. Проведенные экспериментальные исследования показали, что во всех динамических режимах применение линейной разностной коррекции в интегральных системах управления УВ и ШИП обеспечивает устойчивость и высокие динамические показатели преобразователей.