Система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения на основе использования прогнозирования аварийных режимов в режиме реального времени

Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения относится к области электротехники, а именно к системам управления импульсными преобразователями постоянного напряжения, и может быть использована в источниках вторичного электропитания. Задача, решаемая в заявленной полезной модели, заключается в уменьшении времени на распознание перехода состояния системы через бифуркационную границу посредством уменьшения влияния помех и предоставления оперативной информации о динамике системы. Технический результат достигается тем, что полезная модель содержит последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления, блок наблюдения состояния, блок сглаживания первой гармоники, сумматор первой гармоники, блок адаптации и дисплей, а также последовательно соединенные блок сглаживания второй гармоники и сумматор второй гармоники, а также последовательно соединенные блок сглаживания четвертой гармоники и сумматор четвертой гармоники, а также уставку первой гармоники, соединенную со вторым входом сумматора первой гармоники, уставку второй гармоники, соединенную со вторым входом. сумматора второй гармоники, и уставку четвертой гармоники, соединенную со вторым входом сумматора четвертой гармоники, при этом блок наблюдения состояния вторым выходом соединен с блоком сглаживания второй гармоники, третьим выходом соединен с блоком сглаживания четвертой гармоники, при этом второй вход блока адаптации соединен с выходом сумматора второй гармоники, третий вход соединен с сумматором четвертой гармоники, а второй выход соединен со вторым входом регулятора. Ил.4.

Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения относится к области электротехники, а именно к системам управления импульсными преобразователями постоянного напряжения, и может быть использована в источниках вторичного электропитания.

Известна система адаптивного управления нестационарным объектом (патент на полезную модель RU 80969 U1, ПМК G05B 13/00, 27.02.2009), содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления и блок наблюдения состояния. В данной системе, в отличие от заявленной полезной модели, выход блока наблюдения состояния связан с устройством сравнения, первым входом анализатора начального состояния, первым входом блока вычисления функции Гамильтона, который вторым входом подключен к блоку показателей качества управления, третьим входом подключен к блоку эталонной модели, четвертым входом подключен к широтно-импульсному модулятору, первым выходом подключен к первому входу блока вычислений коэффициентов перенастройки, выход которого соединен с регулятором, а второй вход соединен с блоком эталонной модели, который первым входом подключен к блоку наблюдения состояния, вторым входом подключен к широтно-импульсному модулятору, третьим входом подключен к блоку задания начального состояния, а выходом подключен ко второму входу анализатора начального состояния, который третьим входом подключен к блоку задания начального состояния, а выходом подключен к импульсному усилителю.

Недостатком данной системы является отсутствие возможности адаптации параметров регулятора в случае возникновения аварийных режимов работы преобразователя - в ходе которых процесс преобразования энергии выполняется с частотой отличной от частоты ШИМ (частоты эксплуатационного режима). Причиной таких режимов является качественное изменение состояния преобразователя вследствие «перехода» одного или нескольких его параметров через т.н. бифуркационную границу (Banerjee S. Nonlinear phenomena in power electronics: attractors, bifurcations, chaos and nonlinear control / S.Banerjee, G.C.Verghese. - New York: IEEE Press, 2001. - 441 p.). Недостаток аналога обусловлен тем, что в нем для вычисления коэффициентов перенастройки используется малосигнальная модель преобразователя (Мелешин В.И. Получение непрерывной линейной модели силовой части импульсного преобразователя как начальный этап проектирования его динамических свойств // Электричество. 2002. 10. С.38-43), в которой бифуркационные явления и, следовательно, аварийные режимы в принципе исключены из рассмотрения. Таким образом, в аналоге не может быть выполнена соответствующая адаптация.

Наиболее близкой к заявленной полезной модели является система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения (патент на полезную модель RU 88869, МПК Н02М 3/02, 21.07.09), содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления и блок наблюдения состояния, при этом второй выход широтно-импульсного модулятора подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, а второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения. В данной системе, в отличие от заявленной полезной модели, к выходу блока наблюдения состояния подключен блок идентификации текущего состояния, к выходу которого подключен блок вычисления коэффициентов перенастройки, выход которого подключен ко второму входу регулятора. Эта система принята за прототип.

Недостатком прототипа является тот факт, что распознание аварийных режимов в нем выполняется с погрешностью, обусловленной влиянием помеховой составляющей, когда переход через бифуркационную границу распознается с существенным запаздыванием. В результате некоторое время режим функционирования системы является аварийным, однако он не распознается и корректирующее воздействие не оказывается. Кроме того, в системе прототипе не предусматривается вывод информации о текущем состоянии объекта управления для пользователя, что затрудняет последнему повысить оперативность действий по предотвращению или устранению негативных последствий аварийных режимов.

Задача, решаемая в заявленной полезной модели, заключается в уменьшении времени на распознание перехода состояния системы через бифуркационную границу посредством уменьшения влияния помех и предоставления оперативной информации о динамике системы.

Решение указанной задачи достигается тем, что в систему адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения, содержащую последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления, блок наблюдения состояния, где второй выход широтно-импульсного модулятора соединен со вторым входом блока наблюдения состояния, а второй выход объекта управления соединен со вторым входом устройства сравнения, введены последовательно соединенные блок сглаживания первой гармоники, сумматор первой гармоники, блок адаптации и дисплей, а также введены последовательно соединенные блок сглаживания второй гармоники и сумматор второй гармоники, а также введены последовательно соединенные блок сглаживания четвертой гармоники и сумматор четвертой гармоники, а также введены уставка первой гармоники, соединенная со вторым входом сумматора первой гармоники, уставка второй гармоники, соединенная со вторым входом сумматора второй гармоники, и уставка четвертой гармоники, соединенная со вторым входом сумматора четвертой гармоники, при этом блок наблюдения состояния первым выходом соединен с блоком сглаживания первой гармоники, вторым выходом соединен с блоком сглаживания второй гармоники, третьим выходом соединен с блоком сглаживания четвертой гармоники, при этом сумматор второй гармоники соединен со вторым входом блока адаптации, сумматор четвертой гармоники соединен с третьим входом блока адаптации, второй выход которого соединен со вторым входом регулятора.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявленной полезной модели, поясняющая ее работу. Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения на основе прогнозирования аварийных режимов в режиме реального времени содержит последовательно соединенные задающее устройство 1, устройство сравнения 2, регулятор 3, широтно-импульсный модулятор 4, импульсный усилитель 5, объект управления 6, блок наблюдения состояния 7, блок сглаживания первой гармоники 8, сумматор первой гармоники 9, блок адаптации 10 и дисплей 11, а также последовательно соединенные блок сглаживания второй гармоники 12 и сумматор второй гармоники 13, а также последовательно соединенные блок сглаживания четвертой гармоники 14 и сумматор четвертой гармоники 15, а также уставку первой гармоники 16, соединенную со вторым входом сумматора первой гармоники 9, уставку второй гармоники 17, соединенную со вторым входом сумматора второй гармоники 13, и уставку четвертой гармоники 18, соединенную со вторым входом сумматора четвертой гармоники 15, при этом блок наблюдения состояния 7 вторым выходом соединен с блоком сглаживания второй гармоники 12, третьим выходом соединен с блоком сглаживания четвертой гармоники 14, при этом второй вход блока адаптации 10 соединен с выходом сумматора второй гармоники 13, третий вход соединен с сумматором четвертой гармоники 15, а второй выход соединен со вторым входом регулятора 3.

На фиг.2 представлены схемы синхронизированных временных рядов тока дросселя (I) и сигнала ШИМ (U_ШИМ); которая поясняет различия между тремя качественно различными состояниями преобразователя. В первом случае (а) проиллюстрирован эксплуатационный режим, период которого равен Т_ШИМ. Во втором случае (б) проиллюстрирован аварийный режим, период которого равен 2Т_ШИМ и амплитуда пульсаций в той или иной степени превышает амплитуду пульсаций эксплуатационного режима. В третьем случае (в) проиллюстрирован переходный процесс, не имеющий постоянного периода и амплитуды пульсаций.

На фиг.3 представлен пример численного моделирования, поясняющий принцип работы заявленной полезной модели. С этой целью приведены (а, б) временной ряд выходного напряжения преобразователя (U), синхронизировано с которым приведены временные ряды (в) четвертой (w^<4>), (г) второй (w^<2>) и (д) первой (w^<1>), гармоник, получаемые на основе измерений тока дросселя (I) в моменты возникновения переднего фронта сигнала ШИМ (U_ШИМ ).

На фиг.4 представлен алгоритм, поясняющий работу блока адаптации.

Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения работает следующим образом. Значение выходного напряжения (U) объекта управления (фиг.1, поз.6) с помощью устройства сравнения (фиг.1, поз.2) вычитается из уставки задающего устройства (фиг.1, поз.1). Сформированный сигнал ошибки поступает в регулятор (фиг.1, поз.3), где усиливается и далее поступает в широтно-импульсный модулятор (фиг.1, поз.4), формирующий управляющий сигнал ШИМ (U_ШИМ). Сигнал U_ШИМ поступает на импульсный усилитель (фиг.1, поз.5), после чего воздействует на ключевой элемент объекта управления (фиг.1, поз.6). Блок наблюдения состояния (фиг.1, поз.7) последовательно выполняет три операции: измерение тока дросселя (I), поступающего с объекта управления (фиг.1, поз.6) в моменты возникновения переднего фронта сигнала ШИМ (U_ШИМ) в широтно-импульсном модуляторе (фиг.1, поз.4); буферизацию измеренных значений по принципу очереди FIFO; вычисление значении первой w^<1>, второй w^<2>и четвертой w^<4>гармоник в соответствии с методом диагностики состояния импульсного преобразователя на основе распознания качественных изменений рельефа временного ряда (Колоколов Ю.В., Моновская А.В. Превентивное диагностирование сценариев кратного изменения периода в динамике импульсных преобразователей энергии. Автоматика и телемеханика, 2009, 7, с.151-167). Поскольку временные ряды этих гармоник различны по рельефу и частотным характеристикам, то далее они передаются на параллельную обработку. В частности, сигнал первой гармоники (w^<1>) поступает в блок сглаживания первой гармоники (фиг.1, поз.8) и обрабатывается по методу сглаживания рельефа временного ряда (Box GE, Jenkins GM, Reinsel GC. Time series analysis, forecasting and control. 3rd ed. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall; 1994), далее сигнал поступает на сумматор первой гармоники (фиг.1, поз.9) для сравнения с заданным уровнем нуля, поступающим из уставки первой гармоники (фиг.1, поз.16), а сигнал после сравнения (w^<1>) поступает в блок, адаптации (фиг.1, поз.10). Аналогичная обработка выполняется со второй гармоникой (w^<2>) и с четвертой гармоникой (w^<4> ), в результате все три гармоники оказываются в блоке адаптации (фиг.1, поз.10). Этот блок выполняет три функции: диагностику состояния преобразователя согласно упомянутому ранее методу (Колоколов Ю.В., Моновская А.В. Превентивное диагностирование сценариев кратного изменения периода в динамике импульсных преобразователей энергии. Автоматика и телемеханика, 2009, 7, с.151-167); адаптацию параметров регулятора на величину (dK), соответствующую зоне неопределенности вблизи бифуркационной границы (Колоколов Ю.В., Моновская А.В., Устинов П.С., Багров В.В. Проблема неопределенности в динамике импульсного электропривода постоянного тока. // Системы управления и информационные технологии, 1.2(39), с.304-308, 2010); передачу сообщений о выполнении этапов управления на дисплей.

Взаимосвязанное выполнение этих функций поясняется алгоритмом, представленным на фиг.4. После инициализации (блок 1) проверяется условие завершения переходного процесса w^<4>=0 (блок 2). В случае переходного процесса, в зависимости от значения флага выполнения коррекции (flag_K), на дисплей передаются сообщения «Переходный процесс. Коррекция завершена» (блоки 3, 4) или «Переходный процесс. Коррекция не выполнялась» (блоки 3, 5). Эксплуатационный режим идентифицируется исходя из условия w^<2>=0 и w^<1>=0 (блоки 6, 8, 9) и, если он не является следствием коррекции (flag_K=0), то параметры регулятора остаются без изменений, а на индикацию отправляется сообщение «Эксплуатационный режим. Коррекция не выполнялась» (блоки 9, 10, 12). Факт реализации бифуркационной ситуации и прогнозирование аварийного режима диагностируется в случае сочетания w^<2>=0 и w^<1>*0 (блоки 6, 8, 13, 15), что означает коррекцию параметра К регулятора (фиг.1, поз.3) посредством уменьшения его значения на величину dK и установлением флага «коррекция выполнена» (flag_K=l). На индикацию отправляется сообщение «Коррекция аварийного режима». Корректность выполнения коррекции будет проверена в следующем цикле: если режим системы вернулся к эксплуатационному, то флаг коррекции обнуляется и на индикацию отправляется сообщение «Эксплуатационный режим. Коррекция завершена» (блоки 10, 11), в противном случае диагностируется «ошибка» и останов работы преобразователя с индикацией сообщения «Непредусмотренные параметры аварийного режима» (блоки 13, 14). Также останов работы преобразователя с соответствующим сообщением происходит в случае, если в системе установится непредусмотренный аварийный режим (блоки 6, 7). Блок адаптации 10 связан с дисплеем 11, который предназначен для вывода на экран переданных сообщений о состоянии преобразователя.

Результат работы заявленной полезной модели иллюстрируется на примере, когда после завершения переходного процесса на выходе преобразователя устанавливается эксплуатационный режим (фиг.3а), увеличенный фрагмент которого проиллюстрирован на фиг.3б. На синхронизированных временных рядах фиг.3 в, г, д иллюстрируются преобразования, которые происходят с гармониками w^<4>, w^<2>, w^<1> , соответственно. При этом тонкой линией показан вид гармоник в блоке наблюдения состояния (фиг.1, поз.7), а утолщенной линией показан результат преобразования гармоник в соответствующих блоках сглаживания (фиг.1, поз.14, 12, 8) и сумматорах (фиг.1, поз 15, 13, 9). После обработки гармоник по алгоритму фиг.4 в блоке адаптации (фиг.1, поз.10) к моменту времени t_s происходит распознание установившегося стационарного процесса, который является эксплуатационным режимом. Сообщения, которые поступают в данном примере на дисплей 11 проиллюстрированы на фиг.3 в кавычках на выносных полочках фиг.3а и 3в.

Введение в структуру системы трех параллельных «ветвей», каждая из которых предназначена для дополнительной обработки временного ряда одной гармоники, и состоит из трех аналогичных специализированных для данной гармоники блоков (блок сглаживания, сумматор и уставка гармоники) позволяет сгладить рельефы временных рядов и, тем самым, снизить влияние помеховой составляющей при анализе тренда этих рядов. Соответственно, в блоке адаптации появляется возможность уменьшить погрешность диагностики текущего состояния, при том, что сложность алгоритма не повышается, а время на выполнение новых функций обработки гармоник снижено за счет распараллеливания этого процесса. Уменьшение погрешности диагностики текущего состояния приводит к уменьшению времени запаздывания при распознании перехода состояния системы через бифуркационную границу. Это приводит к тому, что аварийный режим распознается на более ранней стадии своего зарождения, пока его негативное влияние не проявилось в полной мере. Кроме того, введение в систему дисплея, подключенного к выходу блока адаптации, позволяет дополнительно выводить на экран протокол выполнения всех стадий адаптации, что расширяет возможности анализа эволюции состояния и вариантов управляющих воздействий.

Система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения, содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления и блок наблюдения состояния, при этом второй выход широтно-импульсного модулятора подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, а второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения, отличающаяся тем, что в систему введены последовательно соединенные блок сглаживания первой гармоники, сумматор первой гармоники, блок адаптации и дисплей, введены последовательно соединенные блок сглаживания второй гармоники и сумматор второй гармоники, введены последовательно соединенные блок сглаживания четвертой гармоники и сумматор четвертой гармоники, а также введены уставка первой гармоники, соединенная со вторым входом сумматора первой гармоники, уставка второй гармоники, соединенная со вторым входом сумматора второй гармоники, и уставка четвертой гармоники, соединенная со вторым входом сумматора четвертой гармоники, при этом блок наблюдения состояния первым выходом соединен с блоком сглаживания первой гармоники, вторым выходом соединен с блоком сглаживания второй гармоники, третьим выходом соединен с блоком сглаживания четвертой гармоники, при этом сумматор второй гармоники соединен со вторым входом блока адаптации, сумматор четвертой гармоники соединен с третьим входом блока адаптации, второй выход которого соединен со вторым входом регулятора.