Система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения на основе использования прогнозирования аномальной вариации параметров 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 запаздывания адаптации посредством прогнозирования момента начала аварийной вариации параметров 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, пиковый детектор, блок наблюдения состояния, блок вычисления пульсаций, сумматор, блок адаптации, дисплей, а также содержит блок уставки пульсаций, выход которого соединен со вторым сходом сумматора, при этом второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения, а третий выход объекта управления подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, к третьему входу которого подключен второй выход широтно-импульсного модулятора, при этом второй выход блока адаптации 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, блок 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 аномальной вариации параметров преобразователя, вследствие которых эксплуатационный режим теряет устойчивость и далее процесс преобразования энергии выполняется с частотой отличной от частоты ШИМ. Аномальная вариация параметров возможна вследствие работы современных преобразователей при широкой вариации внешних и внутренних параметров (Venet P., Lahyani A., Grellet G., Ah-Jaco A. Influence of aging on electrolytic capacitors function in static converters: Fault prediction method, // The Eur. Phys. J. AP., 1999, V.5, pp.71-83). Изменение частоты преобразования является следствием «перехода» одного или нескольких параметров через т.п. 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 в принципе исключены из рассмотрения. Таким образом, в аналоге соответствующая адаптация не может быть выполнена, поскольку аномальная вариация параметров не может быть распознана.

Наиболее близкой к заявленной полезной модели является система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения на основе использования идентификации аномальной вариации параметров в режиме реального времени (патент на полезную модель RU 88870, МПК Н02М 3/02, 31.07.09), содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления, пиковый детектор, блок наблюдения состояния, при этом второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения, а третий выход объекта управления подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, к третьему входу которого подключен второй выход широтно-импульсного модулятора. В данной системе, в отличие от заявленной полезной модели, к выходу блока наблюдения состояния подключены последовательно соединенные блок идентификации текущего состояния и блок вычисления коэффициентов перенастройки, при этом выход блока вычисления коэффициентов перенастройки подключен ко второму входу регулятора. Эта система принята за прототип.

Недостатком прототипа является тот факт, что адаптация выполняется после наступления аномальной вариации параметров и время, которое остается до начала этого события, не оценивается. Кроме того, в прототипе не предусматривается вывод информации о текущем состоянии объекта управления для пользователя. В результате оперативные действия по предотвращению негативных последствий аномальной вариации параметров выполнять затруднительно.

Задача, решаемая в заявленной полезной модели, заключается в уменьшении времени запаздывания адаптации посредством прогнозирования момента начала аварийной вариации параметров 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, пиковый детектор, блок наблюдения состояния, при этом второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения, а третий выход объекта управления подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, к третьему входу которого подключен второй выход широтно-импульсного модулятора, введены последовательно соединенные блок вычисления пульсаций, сумматор, блок адаптации и дисплей, а также блок уставки пульсаций, выход которого соединен со вторым входом сумматора, при этом второй выход блока адаптации 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 аномальной вариации параметров в режиме реального времени содержит последовательно соединенные задающее устройство (ЗУ) 1, устройство сравнения 2, регулятор (Р) 3, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 4, импульсный усилитель (ИУ) 5, объект управления (ОУ) 6, пиковый детектор (ПД) 7, блок наблюдения состояния (БНС) 8, блок вычисления пульсаций (БВП) 9, сумматор 10, блок адаптации (БА) 11 и дисплей 12, а также содержит блок уставки пульсаций (БУП) 13, выход которого соединен со вторым входом сумматора, при этом второй выход объекта управления 6 подключен ко второму входу устройства сравнения 2, а третий выход объекта управления 6 подключен ко второму входу блока наблюдения состояния 8, к третьему входу которого подключен второй выход широтно-импульсного модулятора 4, при этом второй выход блока адаптации 11 соединен со вторым входом регулятора 3.

На фиг.2 представлены схемы синхронизированных временных рядов тока дросселя (I) и сигнала ШИМ (U_шим ), которые поясняют различия между двумя качественно различными состояниями преобразователя. В первом случае (а) проиллюстрирован эксплуатационный режим, период которого равен Т_щим. Во втором случае (б) проиллюстрирован переходный процесс, не имеющий постоянного периода и амплитуды пульсаций. Также представлена диаграмма (в), которая поясняет принцип оценки времени до начала аномальной вариации параметров в системе координат U(t).

На фиг.3 представлен пример численного моделирования, поясняющий работу заявленной полезной модели. С этой целью приведены (а) бифуркационная граница потери устойчивости эксплуатационного режима до и после адаптации, а также (б) временные ряды на выходе преобразователя до и после адаптации.

На фиг.4 представлен алгоритм, поясняющий работу полезной модели. 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 значения, заданного задающим устройством (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). Пиковый детектор (фиг.1, поз.7) определяет значения минимума (U^min) и максимума (U^max) выходного напряжения, поступающего с объекта управления (фиг.1, поз.6). Блок наблюдения состояния (фиг.1, поз.8) измеряет j-e значение тока (I⁰¹_j) в момент начала переднего фронта сигнала ШИМ, поступающего с широтно-импульсного модулятора (фиг.1, поз.4), и j-е значения минимума (U^min_j) и максимума (U^max_j) выходного напряжения в моменты, определенные пиковым детектором (фиг.1, поз.7). Блок вычисления пульсаций (фиг.1, поз.9) выполняет три операции: вычисляет текущее значение пульсаций напряжения U_j=U^max_j-U^min_j, вычисляет различие значений тока для двух последовательных событий i_j=T¹⁰_j-I¹⁰_j-1; идентифицирует завершение переходного процесса (в случае выполнения условия периодичности Пуанкаре: i_j=0) и передает значение U_j на сумматор (фиг.1, поз.10). В сумматоре вычисляется разность US_j между значением предельно допустимой уставки пульсаций U_max, поступающей из блока уставки пульсаций (фиг.1, поз.13), и U_j, после чего сигнал US_j поступает в блок адаптации (фиг.1, поз.11).

В блоке адаптации (фиг.1, поз.11) выполняются три функции: оценивается время до начала аварийной вариации параметров; выполняется адаптация параметров регулятора на величину dK=K_j-K(US_j), где K_j - текущее значение параметра регулятора, зависимость K(US_j) предварительно вычисляется; предоставляется оперативная информация о динамике системы. При этом две первые функции выполняются в соответствии с методом идентификации параметров в условиях неопределенности (Kolokolov Yu., Monovskaya A., Hamzaoui A. On-line identification of multidimensional parametric vector random variation of pulse system. // Chaos, Solitons & Fractals, 2005, V.24, Issue 3, pp.825-838.). Кроме того, зависимость K(US _j) вычисляется с использованием нелинейной модели преобразователя в форме системы дифференциальных уравнений с переменной структурой.

Взаимосвязанное выполнение этих функций поясняется алгоритмом, представленным на фиг.4. В данном алгоритме используются понятия «диапазон долгосрочного прогнозирования» от 0 до U_{прогноз} «диапазон среднесрочного прогнозирования» от U_{прогноз} ДО U_max и «диапазон аномальной вариации параметров» более U_max, которые поясняются на фиг.2в. Если выполняется условие U_j>AU_max (фиг.4, блок 1), то текущее состояние системы попадает в диапазон аномальной вариации параметров, происходит аварийный останов и генерируется сообщение «Останов: непредусмотренный режим работы» (фиг.4, блок 2), которое поступает на дисплей (фиг.1, поз.12). В противном случае определяется срочность наступления аномальной вариации [параметров исходя из условия U_j<U_{прогноз}(фиг.4, блок 3). Если это условие выполняется, то состояние системы находится вдали от аномальной вариации параметров и адаптация параметров регулятора не требуется, соответственно на дисплей поступает сообщение «Прогноз долгосрочный. Адаптация ХХ-месяц-год не выполняется. Текущее значение K=K_j » (фиг.4, блок 4). Если условие U_j<U_{прогноз} не выполняется (фиг.4, блоки 3, 5, 6, 7), то состояние системы находится в той области аномальной вариации параметров, когда адаптация параметров регулятора позволяет обеспечивать «запас» устойчивости преобразователя, поскольку состояние системы находится на достаточном расстоянии от бифуркационной границы. В этом случае вычисляется значение K_j=K(US_j), соответствующий управляющий сигнал поступает на регулятор (фиг.1, поз.3) и сообщение «Прогноз среднесрочный. Адаптация ХХ-месяц-год выполнена. Текущее значение K=K_j» передается на дисплей (фиг.1, поз.12). После обработки данных о текущем состоянии наступает пауза (фиг.4, блок 8) - до начала следующего цикла адаптации.

Результат работы заявленной полезной модели иллюстрируется на фиг.3. Пусть в исходном состоянии преобразователя (при некоторых допустимых значениях U_j и С₁ где C₁ - исходное результирующее значение эквивалентной емкостной составляющей в силовом контуре) «переход» через бифуркационную границу произошел бы при К_биф=30.4 (фиг.3а, состояние под цифрой «0»), Этому бифуркационному значению соответствует рабочее значение параметра регулятора, учитывающее заданный «запас» на устойчивость с точки зрения его нелинейной модели:

К₁=K(US_j)=1/2 К_биф(U₁,С₁)=15,2.

В этом случае до бифуркационной границы остается АК_о=15,2 (фиг.3а, цифра «1»).

Пусть после уменьшения эквивалентной емкости на 40% (С₂) пульсации эксплуатационного процесса увеличиваются, но остаются в рамках допустимого коридора значений (фиг.3б, временной ряд «2»), при этом «переход» через бифуркационную границу происходит уже при К_биф =21,5 (фиг.3а, состояние под цифрой «2»), т.е. «запас» до бифуркационной границы сокращается до K₁=6,3. В тоже время, согласно зависимости K(US _j) рабочее значение параметра регулятора, соответствующее этому установившемуся значению эквивалентной емкости (С₂ ): К₂=10,5 (фиг.3а, состояние под цифрой «3»). Поскольку U_j<U_max, то состояние преобразователя находится в диапазоне «среднесрочного прогнозирования» и в отношении него выполняется адаптация параметра регулятора: из K₁ =15,2 в К₂=10,5 (фиг.3а, переход между состояниями: из «1» в «3»). В результате адаптации (фиг.3б, временной ряд «3») пульсации стационарного процесса сохраняют свое значение, но «запас» до бифуркационной границы возрастает до К₂=10,5, что соответствует заданным требованиям надежности.

Введение последовательно соединенных блока вычисления пульсаций, сумматора, блока адаптации, а также блока уставки пульсаций, выход которого соединен со вторым входом сумматора, позволяет оценивать время до начала аномальной вариации параметров, и, в зависимости от прогнозируемой срочности ее наступления, дифференцированно выбирать вариант адаптации. При этом предусмотрена приоритетная проверка условия автоматического аварийного отключения работы, что важно для краткосрочных процессов, которые могут быть реализованы в современных преобразователях данного класса вследствие высокой частоты ШИМ. Кроме того, введение в систему дисплея, подключенного к выходу блока адаптации, позволяет выводить на экран протокол выполнения всех стадий адаптации, что расширяет возможности анализа средне- и долгосрочной эволюции состояния, а также вариантов управляющих воздействий с участием оператора или эксперта.

Система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения, содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления, пиковый детектор, блок наблюдения состояния, при этом второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения, а третий выход объекта управления подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, к третьему входу которого подключен второй выход широтно-импульсного модулятора, отличающаяся тем, что в систему введены последовательно соединенные блок вычисления пульсаций, сумматор, блок адаптации и дисплей, а также блок уставки пульсаций, выход которого соединен со вторым входом сумматора, при этом второй выход блока адаптации соединен со вторым входом регулятора.