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

Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения относится к системам управления импульсными источниками вторичного электропитания.

Задача, решаемая в заявленной полезной модели, заключается в поддержании синхронного режима работы импульсного преобразователя в условиях неопределенности его параметров путем идентификации в реальном времени аномальных режимов работы преобразователя с последующей адаптацией параметров регулятора. При этом аномальными считаются режимы работы преобразователя, период которых в целое число раз кратен периоду ШИМ, а коммутация ключевого элемента происходит один раз за период. Технический результат достигается тем, что полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения содержит последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления, аналого-цифровой преобразователь, цифровой контроллер, подключенный ко второму входу регулятора, при этом второй выход широтно-импульсного модулятора подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя и второму входу цифрового контроллера, а второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения.

Ил. 7.

Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения относится к системам управления импульсными источниками вторичного электропитания.

Известна адаптивная цифровая система управления импульсным преобразователем (патент US 168198 G05F 1/10, 04.08.2005), состоящая из силовой части преобразователя, имеющей в своем составе ключевой элемент и дроссель, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) тока дросселя, подключенного к цифровому контроллеру, управляющему широтно-импульсным модулятором, переключающим ключевой элемент. В данной системе, в отличие от заявленной полезной модели, к цифровому контроллеру подключен АЦП выходного напряжения силовой части, источник задающего тока и регистр, подключенный входом к цифровому контроллеру. В эксплуатационном режиме работы преобразователя (далее синхронном режиме) период изменения величины тока дросселя Т_к равен периоду широтно-импульсной модуляции (ШИМ) Т_ШИМ . Однако, управление с ШИМ допускает возможность таких сочетаний параметров объекта управления и регулятора, при которых преобразователь может функционировать в одном из нескольких устойчивых режимов (Dai D., Tse С.К., Ма X. Symbolic analysis of switching systems: application to bifurcation analysis of dc/dc switching converters. IEEE Trans. on Circuits and Systems. 2005, Part I, Vol.52, No.8, p.1632-1643) и в каком именно - зависит от начальных условий и текущих возмущающих воздействий (Баушев B.C., Жусубалиев Ж.Т. О недетерминированных режимах функционирования стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Электричество, 1992, 8, с.47-53).

С практической точки зрения это означает, что существуют такие сочетания параметров, при которых преобразователь может устойчиво функционировать и в синхронном режиме, и в режиме с иными частотными и пульсационными характеристиками (далее аномальном режиме). Среди аномальных режимов наиболее вероятными являются режимы, период которых Т_к в целое число раз m больше Т_ШИМ, а коммутация ключевого элемента происходит один раз за период Т_к (Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Шолоник А.П. Динамика импульсного понижающего преобразователя напряжения в режиме прерывистых токов. Электричество, 9, С.40-53, 2003). Таким образом, в течение периода аномального режима существуют периоды ШИМ, в которых коммутации не происходит. Данные аномальные режимы однозначно описываются двумя целыми неотрицательными числами (m, r), где m - кратность периода аномального процесса периоду ШИМ, r - число периодов ШИМ, на протяжении которых ключ замкнут (Kolokolov Yu., Monovskaya A. From geometrical invariants and symbolical matrixes towards new perspectives on forecasting of PWM converter dynamics. Chaos, Solitons & Fractals, 2009, DOI: 10.1016/j.chaos. 2009.03.105). Аномальные режимы отрицательно влияют на надежность и КПД преобразователя, а также сопряженных с ним устройств, что обуславливает актуальность их предотвращения.

Наиболее близкой к заявленной полезной модели является система адаптивного управления нестационарным объектом (патент на полезную модель RU 80969 U1, G05B 13/00, БИПМ 6 от 27.02.2009), содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления и блок наблюдения состояния, связанный 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. Эта система принята за прототип.

Для вычисления коэффициентов перенастройки в прототипе требуется моделирование объекта управления на основе измерения его параметров. Данный прототип характеризуется тремя недостатками. Во-первых, использование блока эталонной модели предполагает зависимость качества управления от адекватности модели. Во-вторых, моделирование объекта управления требует больших вычислительных затрат вследствие сложности происходящих в нем нелинейных физических процессов. В-третьих, варьирование параметров силовой части вследствие внешних и внутренних возмущающих воздействий предполагает использование сложной измерительной системы для осуществления в полном объеме измерений, необходимых для моделирования. В результате при частоте ШИМ порядка 1-100 кГц выполнение вычислений коэффициентов перенастройки посредством моделирования объекта управления на основе измерения его параметров практически не представляется возможным реализовать в режиме реального времени. Соответственно, в течение этого периода времени состояние объекта управления является неопределенным и возникает проблема поддержания синхронного режима.

Задача, решаемая в заявленной полезной модели, заключается в поддержании синхронного режима работы импульсного преобразователя в условиях неопределенности его параметров путем идентификации в реальном времени аномальных режимов работы преобразователя с последующей адаптацией параметров регулятора.

Решение задачи достигается тем, что система управления импульсным преобразователем напряжения содержит последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель и объект управления, аналого-цифровой преобразователь и цифровой контроллер, при этом первый выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения, а второй выход объекта управления подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, ко второму входу которого подключен второй выход широтно-импульсного модулятора, а выход аналого-цифрового преобразователя подключен к цифровому контроллеру, выход которого подключен к регулятору, при этом второй выход широтно-импульсного модулятора подключен ко второму входу цифрового контроллера.

На фиг.1 представлена функциональная схема полезной модели системы управления импульсным преобразователем напряжения, поясняющая работу полезной модели. Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения содержит последовательно соединенные задающее устройство 1, устройство сравнения 2, регулятор 3, широтно-импульсный модулятор 4, импульсный усилитель 5, объект управления 6, аналого-цифровой преобразователь 7, цифровой контроллер 8, подключенный ко второму входу 9 регулятора 3, при этом второй выход 10 широтно-импульсного модулятора 4 подключен ко второму входу 11 аналого-цифрового преобразователя 7 и второму входу 12 цифрового контроллера, а второй выход 13 объекта управления 6 подключен ко второму входу устройства сравнения 2.

На фиг.2 представлены временные диаграммы тока дросселя (I) преобразователя и напряжения сигнала ШИМ (U_ШИМ) при работе преобразователя в синхронном режиме. Пунктирными линиями обозначены моменты начала периода ШИМ.

На фиг.3 представлены временные диаграммы тока дросселя (I) преобразователя и напряжения сигнала ШИМ (U _ШИМ) при работе преобразователя в аномальном режиме с m=7 и r=3. Пунктирными линиями обозначены моменты начала периода ШИМ.

На фиг.4 представлена блок-схема алгоритма функционирования АЦП и цифрового контроллера.

На фиг.5 представлены синхронизированные временные ряды тока дросселя (I) объекта управления, сигналов ШИМ (U_ШИМ ), а также сигналов m, dI, формируемых цифровым контроллером. Перечисленные временные ряды получены путем моделирования динамики преобразователя напряжения с использованием заявленной системы адаптивного управления. Величина сигнала ШИМ U_ШИМ приведена в относительных единицах.

На фиг.6 представлены синхронизированные временные ряды тока дросселя объекта управления (I), коэффициента усиления регулятора (К), сигналов ШИМ (U _ШИМ), а также сигналов m, dI, формируемых цифровым контроллером. Перечисленные временные ряды получены путем моделирования динамики преобразователя напряжения с использованием заявленной системы адаптивного управления. Величина сигнала ШИМ U_ШИМ приведена в относительных единицах.

Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения работает следующим образом. При включении происходит инициализация (фиг.4, блок 2) цифрового контроллера (фиг.1, блок 8). Значение выходного напряжения 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. Сигнал ШИМ поступает на импульсный усилитель (фиг.1, поз.5), после чего воздействует на ключевой элемент объекта управления (фиг.1, поз.6). Аналого-цифровой преобразователь (фиг.1, поз.7) на k-ом шаге алгоритма функционирования (фиг.4, блоки 1, 4) производит измерения (фиг.4, блоки 3, 5) тока дросселя I_k объекта управления (фиг.1, поз.6) в моменты t ⁰¹_k возникновения переднего фронта сигнала ШИМ. Далее происходит идентификация текущего режима работы преобразователя цифровым контроллером (фиг.1, поз.8).

Идентификация текущего режима выполняется с использованием метода диагностирования динамики на основе геометрической и символической трактовок инвариантов фазовых образов (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), который позволяет идентифицировать режим работы преобразователя посредством распознания качественных изменений рельефа временного ряда. С этой целью контроллер (фиг.1, поз.8) вычисляет кратность m_k длительности сигнала тока, формируемого в течение времени между двумя последовательными замыканиями ключевого элемента, периоду ШИМ (фиг.4, блок 6):

m_k=E(t⁰¹_k-t⁰¹_k-1/Т_ШИМ),

где Е - функция, округляющая до ближайшего целого. В этом же блоке алгоритма контроллер вычисляет абсолютное значение разности токов dI _k=|I_k-I_k-1|. Далее (фиг.4, блок 7) проверяется первое условие:

где dI_п - уровень помех в сигнале тока дросселя (I) объекта управления. Выполнение условия (1) свидетельствует о завершении переходного процесса. В случае выполнения условия (1) проверяется второе условие (фиг.4, блок 8):

Выполнение условия (2) свидетельствует об идентификации аномального режима с периодом Т_к=m·Т _ШИМ, где mN, m>1. В этом случае цифровой контроллер (фиг.1, поз.8) выполняет адаптацию параметра регулятора (фиг.4, блок 9), основываясь на априорной информации об объекте управления.

В качестве априорной информации об объекте управления используются параметры регулятора, синтезированного широко используемым частотным методом на основе малосигнальной модели преобразователя напряжения (Р.Севернс, Г.Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. с англ. под ред. Л.Е.Смольникова. М.: «Энергоатомиздат», 1988. - 294 с). Например, в случае пропорционального закона регулирования корректируемым параметром регулятора является коэффициент усиления регулятора К. Априорной информацией, необходимой для корректировки являются опорное значение К* и начальное значение коэффициента усиления К₀. Опорное значение коэффициента усиления К* вычисляется исходя из практических рекомендаций обеспечения отношения частоты ШИМ к частоте единичного усиления разомкнутого контура управления f_ШИМ/f_1P=15. Значение К* соответствует наименьшей вероятности возникновения упомянутых аномальных режимов, но приводит к заведомо худшему качеству регулирования (Мелешин В.И. Получение непрерывной линейной модели силовой части импульсного преобразователя как начальный этап проектирования его динамических свойств. Электричество, 2002, 10, с.38-43). Т.е. при значении К* считается, что существование аномальных режимов исключено. Начальное значение коэффициента усиления К₀ вычисляется исходя из требования обеспечения запаса по фазе не менее 45° при разомкнутом контуре управления (когда выход импульсного усилителя отсоединен от ключевого элемента). Данное условие соответствует высокой степени устойчивости малосигнальной модели преобразователя напряжения и лучшему быстродействию системы управления (Banerjee, S.Nonlinear phenomena in power electronics: attractors, bifurcations, chaos, and nonlinear control. S.Banerjee, G.C.Verghese (Eds.). - New York: IEEE Press, 2001. - 441 p), но не исключает возникновения аномальных режимов. Т.е. К*<К ₀ и в некоторой окрестности U₀ точки К₀ возможно, помимо синхронного режима, существование аномальных режимов, но величина окрестности U₀ является неопределенной. Физическая сущность адаптации основана на следующем эффекте (Фейгин М.И. Вынужденные колебания систем с разрывными нелинейностями. М.: «Наука», 1994, 312 с): если в некоторой области значений параметров существуют несколько устойчивых периодических процессов, то в случае варьирования параметров переходный процесс будет сходиться к периодическому процессу того типа, с начальных условий которого данная вариация параметров началась. В соответствии с этим эффектом, если при К=К₀ устанавливается аномальный режим, то для перевода системы из аномального режима работы в синхронный режим достаточно скорректировать значение коэффициента усиления таким образом, чтобы оно оказалось вне окрестности U ₀. Для этого цифровой контроллер (фиг.1, поз.8) устанавливает значение коэффициента усиления, равное К* (фиг.4, блок 9). В этом случае параметры системы выводятся из окрестности U ₀, и система возвращается к синхронному режиму работы. После завершения переходного процесса и идентификации синхронного режима цифровой контроллер изменяет значение коэффициента усиления на К₀ (фиг.4, блок 10).

Принцип работы заявленной полезной модели поясняется на фиг.5-7 посредством синхронизированных временных рядов тока дросселя I объекта управления, коэффициента усиления регулятора К, а также сигналов ШИМ, m, dI. Представленные временные ряды получены для модели импульсного преобразователя с заявленной системой управления и пропорциональным законом регулирования. Модель имеет следующие параметры: Т _ШИМ=4·10^-5 с; К₀=250; К*=7,9, I_п=1·10^-4 А. На фиг.5 представлен пример, когда после включения преобразователя переходный процесс сходится к синхронному режиму. Синхронный режим работы идентифицируется цифровым контроллером (фиг.1, поз.8) в соответствии с алгоритмом (фиг.4) в момент времени t₁. Однако, при данном значении коэффициента усиления возможно функционирование системы и в аномальном режиме. В частности, изменение направления сходимости переходного процесса может произойти в результате внешних возмущающих воздействий. Пример воздействия помехи, приводящей к установлению аномального режима, демонстрируется на фиг.6-7. В этом случае в момент времени t₁ вносится помеха, которая изменяет направление сходимости переходного процесса, после завершения которого устанавливается аномальный режим (фиг.3), который характеризуется кратностью m=7 к периоду ШИМ. Цифровой контроллер (фиг.1, поз.8) идентифицирует аномальный режим в соответствии с алгоритмом (фиг.4) в момент времени t₂ и устанавливает значение коэффициента усиления К*=7,9 (фиг.4, поз.9). Эта вариация параметра К приводит к возникновению переходного процесса. После завершения этого переходного процесса (фиг.7) в момент времени t₃ идентифицируется синхронный режим, и цифровой контроллер (фиг.1, поз.8) возвращает значение коэффициента усиления к К₀ (фиг.4, поз.10). После завершения переходного процесса в момент времени t₄ идентифицируется синхронный режим и адаптация завершается.

Введение в систему управления аналого-цифрового преобразователя и цифрового контроллера позволяет реализовать алгоритм адаптации параметров регулятора в режиме реального времени. Этот алгоритм осуществляет координацию двух взаимосвязанных процессов: идентификация текущего режима работы импульсного преобразователя (в соответствии с методом диагностирования динамики путем распознания качественных изменений рельефа временного ряда на основе геометрической и символической трактовок инвариантов фазовых образов) и корректировка параметров регулятора (в соответствии с особенностями динамики систем с разрывными нелинейностями, а также ограничениями на выбор параметров регулятора, полученными с использованием частотного метода синтеза регулятора на основе малосигнальной модели импульсного преобразователя напряжения). Поскольку адаптация параметров регулятора происходит только в случае идентификации аномального режима работы импульсного преобразователя, а результатом ее выполнения является устранение этого аномального режима, соответственно, система адаптивно управления обеспечивает непрерывное поддержание синхронного режима работы в условиях неопределенности параметров импульсного преобразователя.

Система управления импульсным преобразователем напряжения, содержащая последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель и объект управления, отличающаяся тем, что в систему введены аналого-цифровой преобразователь и цифровой контроллер, при этом первый выход объекта управления подключен ко второму входу регулятора, а второй выход объекта управления подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу цифрового контроллера, выход которого подключен ко второму входу регулятора, при этом второй выход широтно-импульсного модулятора подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя и ко второму входу цифрового контроллера.