Система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения

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 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 кратен удвоенной величине периода ШИМ. 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, блок наблюдения состояния, блок идентификации текущего состояния и блок вычисления коэффициентов перенастройки, при этом к блоку идентификации текущего состояния подключен выход блока наблюдения состояния, выход блока идентификации текущего состояния подключен к блоку вычисления коэффициентов перенастройки, выход которого подключен ко второму входу регулятора, 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.

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 (объекта управления), имеющей в своем составе ключевой элемент и дроссель, блока наблюдения состояния в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) тока дросселя, широтно-импульсный модулятор, переключающий ключевой элемент. В данной системе к цифровому контроллеру подключен АЦП выходного напряжения силовой части, источник задающего тока и регистр, подключенный входом к цифровому контроллеру, при этом выход цифрового контроллера подключен к входу широтно-импульсного модулятора. 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 возникновения режимов работы преобразователя с периодом Т_к, кратным целому числу Т_ШИМ .

Наиболее распространенными среди таких режимов работы являются режимы с величиной Т_к, получаемой последовательным удвоением величины периода, начиная с Т _ШИМ (например, с периодами 2·Т_ШИМ, 4·Т _ШИМ, 8·Т_ШИМ и т.д.), когда коммутация ключевых элементов происходит в каждом периоде ШИМ. Указанные режимы работы являются аномальными, поскольку они отрицательно влияют на надежность и КПД импульсных преобразователей и сопряженных с ними устройств. Кроме того, экспериментальные исследования удвоения периода в импульсных преобразователях напряжения с ШИМ (Колоколов Ю.В., Косчинский С.Л., Шолоник А.П. Динамика импульсного понижающего преобразователя напряжения в режиме прерывистых токов. // Электричество, 2003, 9, с.40-53) показывают, что экспериментальная идентификация режимов с Т_к>4·Т_ШИМ становится затруднительной вследствие помех. В результате, с практической точки зрения, предотвращение аномальных режимов в первую очередь связано с предотвращением режимов с периодами Т_к=2·Т _ШИМ и Т_к=4·Т_ШИМ.

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 используется моделирование объекта управления на основе измерения его параметров. Однако, 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 данной задачи достигается тем, что система управления импульсным преобразователем напряжения содержит последовательно соединенные задающее устройство, устройство сравнения, регулятор, широтно-импульсный модулятор, импульсный усилитель, объект управления, блок наблюдения состояния, блок идентификации текущего состояния и блок вычисления коэффициентов перенастройки, при этом к блоку идентификации текущего состояния подключен выход блока наблюдения состояния, выход блока идентификации текущего состояния подключен к блоку вычисления коэффициентов перенастройки, выход которого подключен ко второму входу регулятора, 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.

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, блок наблюдения состояния 7, блок идентификации текущего состояния 8, блок вычисления коэффициентов перенастройки 9, выход которого подключен к регулятору 3, при этом второй выход 10 объекта управления 6 подключен ко второму входу устройства сравнения 2, а второй выход 11 широтно-импульсного модулятора 4 подключен ко второму входу блока наблюдения состояния 7.

На фиг.2 представлены временные диаграммы тока дросселя преобразователя и напряжения на выходе ШИМ при работе преобразователя в синхронном режиме: I - ток дросселя, U_ШИМ - напряжение на выходе широтно-импульсного модулятора. Пунктирными линиями обозначены моменты начала периода ШИМ.

На фиг.3 представлены временные диаграммы тока дросселя преобразователя и напряжения на выходе ШИМ при работе преобразователя в режиме с Т_к=2·Т _ШИМ: I - ток дросселя, U_ШИМ - напряжение на выходе широтно-импульсного модулятора. Пунктирными линиями обозначены моменты начала периода ШИМ.

На фиг.4 представлены временные диаграммы тока дросселя преобразователя и напряжения на выходе ШИМ при работе преобразователя в режиме с Т_к =4·Т_ШИМ: I - ток дросселя, U_ШИМ - напряжение на выходе широтно-импульсного модулятора. Пунктирными линиями обозначены моменты начала периода ШИМ.

На фиг.5 представлена обобщенная блок-схема алгоритма функционирования блока наблюдения состояния, блока идентификации текущего состояния и блока вычисления коэффициентов перенастройки.

На фиг.6 представлена блок-схема алгоритма функционирования блока вычисления коэффициентов перенастройки для пропорционального регулятора.

На фиг.7 и 8 представлены синхронизированные временные ряды тока дросселя I, сигнала ШИМ U_ШИМ, сигналов w^<1>, w^<2>, w ^<4> на выходе блока идентификации текущего состояния, коэффициента усиления регулятора К. 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.5, блок 2) блока идентификации текущего состояния (фиг.1, блок 8). Значение выходного напряжения объекта управления (фиг.1, блок 6) с помощью устройства сравнения (фиг.1, блок 2) вычитается из значения, заданного задающим устройством (фиг.1, блок 1), сформированный сигнал ошибки поступает в регулятор (фиг.1, блок 3), где усиливается и далее поступает в широтно-импульсный модулятор (фиг.1, блок 4), формирующий управляющий импульсный сигнал. Сигнал ШИМ поступает на импульсный усилитель (фиг.1, блок 5), после чего воздействует на ключевой элемент объекта управления (фиг.1, блок 6). В моменты возникновения переднего фронта сигнала ШИМ (фиг.5, блок 3) блок наблюдения состояния (фиг.1, блок 7) производит измерения тока дросселя (фиг.5, блок 4) объекта управления (фиг.1, блок 6). Далее происходит идентификация текущего режима работы преобразователя в блоке идентификации текущего состояния (фиг.1, блок 8) в соответствии с алгоритмом (фиг.5) и корректировка параметров регулятора в блоке вычисления коэффициентов перенастройки (фиг.5, блок 15).

Идентификация текущего режима выполняется с использованием метода диагностирования динамики на основе геометрической трактовки 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 измеренные значения тока буферизируются в блоке идентификации текущего состояния (фиг.1, блок 8) по принципу очереди FIFO с глубиной i, равной пяти (фиг.5, блок 5). Далее идентифицируется завершение переходного процесса на основе сравнения значения разности w^<4>=I ₅-I₁ (фиг.5, блок 6) с уровнем помех в сигнале тока I_п (фиг.5, блок 7). Выполнение условия w ^<4>I_п свидетельствует о завершении переходного процесса. В случае идентификации завершения переходного процесса происходит анализ кратности периода режима работы Т_к периоду ШИМ Т_ШИМ. С этой целью определяется наличие в сигнале тока гармонических составляющих с периодами 2·Т _ШИМ и 4·Т_ШИМ:

где i={3; 4} (фиг.5, блок 8). Затем проверяются условия (фиг.5, блоки 10, 12):

Выполнение условий (2) свидетельствует о наличии в сигнале тока гармоник, период которых равен 2·Т _ШИМ и 4·Т_ШИМ, соответственно. При выполнении условий (2) подсчитывается число r выполненных условий w ^<1>>I_п и w^<2>>I _п (фиг.5, блоки 11, 13). Если условие w^<4>I_п было выполнено, и значение r было получено, то вычисляется значение периода текущего режима работы по формуле Т_к=2^r·Т_ШИМ (фиг.5, блок 14).

В случае идентификации режима с периодом Т_к=2·Т_ШИМ или Т_к=4·Т _ШИМ (фиг.6, блок 2) блок вычисления коэффициентов перенастройки (фиг.1, блок 9) вычисляет скорректированное значение параметра регулятора (фиг.1, блок 3) посредством итеративного приближения к оптимальному значению (фиг.6, блоки 3-10). Приближение выполняется с помощью широко известного метода бинарного поиска, основываясь на априорной информации об объекте управления. Оптимальным считается значение параметра регулятора, обеспечивающее максимальный запас по фазе и минимальную длительность переходного процесса при синхронном режиме работы преобразователя.

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 начальное значение коэффициента усиления К₀ и его опорное значение К*. 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 (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. 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). Известно, что для каждой комбинации неконтролируемых параметров объекта управления существуют некоторые граничные значения K_1-2, K_2-4, K_4-8, такие, что при K<K_1-2 Т_к=Т_ШИМ; при K_1-2<K<K_2-4 Т_к=2·Т _ШИМ; при K_2-4<K<K_4-8 Т _к=4·Т_ШИМ, а описанный способ выбора значения К* обеспечивает выполнения условия K*<K_1-2. При удвоении периода в результате изменения неконтролируемых параметров осуществляется корректировка коэффициента усиления К в три этапа (фиг.6, блоки 3, 4, 8). Вначале значение К итеративно уменьшается до тех пор, пока не достигается синхронный режим, т.е. пока не выполнится условие K*<K<K_1-2. При этом на каждом шаге значение коэффициента усиления вычисляется как среднее арифметическое между текущим значением К и К* (фиг.6, блоки 5, 9). Далее значение К итеративно увеличивается для обеспечения максимально возможного запаса по фазе и минимальной длительности переходного процесса при синхронном режиме работы преобразователя. При этом на каждом шаге значение коэффициента усиления вычисляется как среднее арифметическое между текущим значением К и К₀ (фиг.6, блок 10). Корректировка продолжается до тех пор, пока не выполняется условие K>K _1-2. При выполнении указанного условия устанавливается предыдущее значение коэффициента усиления (фиг.6, блок 7).

Принцип работы заявленной полезной модели поясняется на фиг.7 на примере синхронизированных временных рядов тока дросселя I объекта управления, сигнала ШИМ, сигналов w^<1> , w^<2>, w^<4> на выходе блока идентификации текущего состояния, коэффициента усиления регулятора К, приведенные на фиг.7, 8. Представленные временные ряды получены для модели 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=5·10^-5 А. В начальный момент времени преобразователь функционирует в синхронном режиме. В момент времени t₁ (фиг.7) скачкообразно изменяется значение напряжения на входе преобразователя с 24 В до 14,5 В, соответственно (например, в результате возникновения «провала» питающего напряжения), и начинается переходный процесс. Блок идентификации текущего состояния (фиг.1, блок 8) идентифицирует завершение переходного процесса в момент времени t₂ , поскольку w^<4><I_п (фиг.5, блок 7). При этом выполняется условие w^<1>>I _п (фиг.5, блок 10), и идентифицируется период режима Т _к=2·Т_ШИМ (фиг.5, блок 14). Согласно алгоритму происходит уменьшение значения коэффициента усиления К. Новое значение K₁ вычисляется как K₁=(K₀ +K*)/2=(250+7,9)/2=128,95 (фиг.6, блок 5). Корректировка значения К в момент времени t₂ вызывает переходный процесс. Завершение переходного процесса идентифицируется в момент времени t₃. При этом идентифицируется режим с периодом режима Т_к=Т_ШИМ, и происходит увеличение значения К. Новое значение К₂ вычисляется как K₂ =(K₁+K₀)/2=(128,95+250)/2=189,475 (фиг.6, блок 10). Корректировка значения К в момент времени t₃ вызывает переходный процесс. Завершение переходного процесса идентифицируется в момент времени t₄. При этом идентифицируется синхронный режим, и устанавливается значение коэффициента усиления К₃ аналогично тому, как это было произведено в момент времени t₃. Аналогичным образом производится корректировка в момент времени t₅ (фиг.8), при этом устанавливается значение коэффициента усиления К₄. В момент времени t₆ идентифицируется режим с периодом режима Т _к=2·Т_ШИМ, который является аномальным. Согласно алгоритму, в этом случае коэффициент усиления устанавливается в предыдущее значение: К₅=К₃ (фиг.6, блок 7). В момент времени t₇ идентифицируется синхронный режим, и корректировка завершается.

Введение в систему управления блока идентификации текущего состояния объекта управления и блока вычисления коэффициентов перенастройки 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 трактовки инвариантов фазовых образов) и корректировка параметров регулятора (в соответствии с закономерностями нелинейных явлений в сценарии кратного удвоения периода режима работы преобразователя, 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 работы, 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, объект управления и блок наблюдения состояния, отличающаяся тем, что в систему введены блок идентификации текущего состояния и блок вычисления коэффициентов перенастройки, при этом второй выход широтно-импульсного модулятора подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, а выход блока наблюдения состояния подключен к блоку идентификации текущего состояния, выход которого подключен к блоку вычисления коэффициентов перенастройки, выход которого подключен ко второму входу регулятора, а второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения.