Система адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения на основе использования идентификации аномальной вариации параметров 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 предотвращении аномальных пульсаций и потери устойчивости эксплуатационного режима работы преобразователя путем адаптации параметров регулятора на основе диагностирования в реальном времени недопустимой вариации параметров объекта управления. 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, пиковый детектор, блок наблюдения состояния, блок идентификации текущего состояния и блок вычисления коэффициентов перенастройки, 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 выход блока вычисления коэффициентов перенастройки подключен ко второму входу регулятора.

Ил. 5.

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 объекта управления (силовой части преобразователя), имеющего в своем составе ключевой элемент и дроссель, блока наблюдения состояния в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП), широтно-импульсного модулятора, переключающего 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, при этом выход цифрового контроллера подключен к входу широтно-импульсного модулятора. Известно, что современные импульсные преобразователи напряжения функционируют в условиях вариации внешних и внутренних параметров в широком диапазоне. В частности, варьирование таких параметров, как емкость и индуктивность выходного фильтра объекта управления носит неопределенный характер, поскольку может происходить, например, в результате температурного воздействия, старения элементов со временем (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) и т.д. Вариация значений емкости и индуктивности приводит к изменениям пульсационных характеристик тока дросселя преобразователя и выходного напряжения. При этом пульсационные характеристики могут либо уменьшаться (при увеличении емкости и индуктивности), либо увеличиваться (при уменьшении емкости и индуктивности). Кроме того, одновременно с изменением пульсационных характеристик происходит смещение границы области устойчивости эксплуатационного процесса (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), что предполагает необходимость изменения значений параметров системы управления для обеспечения аналогичного качества сигнала на выходе преобразователя.

Данные закономерности динамики не учитываются в аналоге при осуществлении управления. Однако превышение допустимого уровня пульсационных характеристик (далее аномальные пульсации) и потеря устойчивости эксплуатационного режима (далее аномальный режим) порознь или совместно могут оказать отрицательное влияние на надежность и КПД преобразователя, а также сопряженных с ним устройств. В этой связи своевременное предотвращение аномальных пульсации в ходе эксплуатационного процесса и аномальных режимов является актуальным, и интерес представляет идентификация тенденции изменения значений емкости и индуктивности в режиме реального времени.

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, моделирование объекта управления требует использования сложной измерительной системы для осуществления в полном объеме измерений, необходимых для моделирования. При частоте ШИМ порядка 1-100 кГц указанные измерения и вычисления практически не представляется возможным реализовать в режиме реального времени, что предполагает затраты дополнительного времени на устранение аномальных пульсации и аномальных режимов.

Задача, решаемая в заявленной полезной модели, заключается в предотвращении аномальных пульсаций и потери устойчивости эксплуатационного режима преобразователя путем адаптации параметров регулятора на основе диагностирования в реальном времени недопустимой вариации параметров объекта управления. Теоретическая основа для ее решения связана с тем, что каждому сочетанию значений емкости (С) и индуктивности (L) однозначно соответствует пара чисел (i, u), обозначающих, соответственно, величину пульсаций тока дросселя и выходного напряжения. Существует подход (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), который позволяет идентифицировать вариацию параметров импульсной системы. На основе данного подхода можно выделить область в системе координат (1, u) с допустимыми в эксплуатационном режиме работы преобразователя значениями пульсаций (i, u). Соответственно, на основе предварительных исследований можно установить соответствие граничных точек указанной области граничным значениям L, C - сочетаний. Таким образом, существует возможность диагностировать недопустимую вариацию емкости и индуктивности посредством измерения значений пульсаций (i, u) в режиме реального времени. При этом, используется тот факт, что в системах управления импульсными преобразователями часто уже используются датчики тока и/или напряжения.

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, пиковый детектор, блок наблюдения состояния, блок идентификации текущего состояния и блок вычисления коэффициентов перенастройки, 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 выход блока вычисления коэффициентов перенастройки подключен ко второму входу регулятора.

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, пиковый детектор 7, блок наблюдения состояния 8, блок идентификации текущего состояния 9 и блок вычисления коэффициентов перенастройки 10, 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, при этом второй выход широтно-импульсного модулятора 4 подключен к третьему входу блока наблюдения состояния 8, при этом выход блока вычисления коэффициентов перенастройки п10 подключен ко второму входу регулятора 3.

На фиг.2 представлены синхронизированные временные ряды тока дросселя I, выходного напряжения преобразователя U, сигнала ШИМ U_ШИМ, коэффициента усиления регулятора К и текущих эквивалентных значений емкости С и индуктивности L выходного фильтра. 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.3 представлена траектория, отображающая в системе координат (i, u) вариацию параметров С и L выходного фильтра преобразователя напряжения, которая соответствует примеру моделирования его динамики, представленному на фиг.2. Если текущий (i, u)-образ состояния преобразователя размещается в пределах внутренней четырехугольной области (граница обозначена пунктирной линией), то диапазон вариации параметров С и L не превышает ±20% и ±10%, соответственно, и считается рабочим. Граница внешней четырехугольной области (обозначена сплошной линией) соответствует предельно допустимому диапазону вариации параметров С и L на ±50% и ±20%, соответственно. Стрелками обозначены направления вариации параметров в пределах внутренней и внешней областей.

Полезная модель системы адаптивного управления импульсным преобразователем напряжения работает следующим образом. Вначале работы происходит инициализация (фиг.4, блок 2) блока идентификации текущего состояния (фиг.1, поз.9) и блока вычисления коэффициентов перенастройки (фиг.1, поз.10). 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). Блок наблюдения состояния (фиг.1, поз.8) измеряет k-ю пару значений тока в моменты замыкания (I⁰¹_k) (фиг.4, блоки 3, 4) и размыкания (I¹⁰_k) (фиг.4, блоки 7, 8) ключевого элемента объекта управления (фиг.1, поз.6), соответствующие минимуму и максимуму тока на периоде ШИМ. Также блок наблюдения состояния (фиг.1, поз.8) измеряет значения выходного напряжения объекта управления (фиг.1, поз.6) в моменты, определенные пиковым детектором (фиг.1, поз.7) - значения минимума (U^min_k) (фиг.4, блоки 5, 6) и максимума (U^max_k) (фиг.5, блоки 9, 10) выходного напряжения объекта управления. Далее блок идентификации текущего состояния (фиг.1, поз.9) вычисляет текущие значения пульсаций тока i_k=I¹⁰_k-I⁰¹_k и напряжения u_k=U^max_k-U^min_k (фиг.5, блок 11). Далее проверяется условие (фиг.5, блок 12)

|i_k-i_k-1|<I_П,

где I _п - уровень помех в сигнале тока дросселя (I). Выполнение указанного условия свидетельствует о завершении переходного процесса. Если переходный процесс завершен, то текущие значения (i_k, u_k) сравниваются с предварительно вычисленными граничными значениями диапазонов изменения С и L (фиг.5, блоки 13, 15), и блок идентификации текущего состояния (фиг.1, поз.9) идентифицирует диапазон, к которому в данный момент принадлежат значения емкости и индуктивности выходного фильтра объекта управления (фиг.1, поз.6). Каждому диапазону значений емкости и индуктивности можно сопоставить значение коэффициента усиления системы управления К, которое гарантирует устойчивость эксплуатационного процесса, если является меньше, чем бифуркационное значение (Колоколов Ю.В., Устинов П.С., Шолоник А.П. Синтез регуляторов импульсных преобразователей энергии с применением теории бифуркаций // Электричество, 2008, 11, С.49-56). Блок вычисления коэффициентов перенастройки (фиг.1, поз.10) устанавливает предварительно вычисленное значение К, которое соответствует идентифицированному диапазону значений емкости и индуктивности (фиг.5, блоки 15, 16) - либо K₀ (для рабочего диапазона значений) либо K₁ (для предельно допустимого диапазона значений). Таким образом обеспечивается устойчивость эксплуатационного процесса для наихудшего сочетания параметров в рамках текущего диапазона. В случае вариации С и/или L более чем на 50% и 20%, соответственно, происходит аварийное завершение работы (фиг.1, поз.14).

Принцип работы заявленной полезной модели поясняется на фиг.2 и 3. Пусть в начальный момент времени преобразователь функционирует при номинальных значениях С=120 мкФ, L=890 мкГн, K₀=196. В этом случае значения (i, u) представляют собой точку в пределах внутренней четырехугольной области (фиг.3, точка 1). Увеличение пульсаций происходит при уменьшении значений L и С, и это уменьшение до 10% и 20%, соответственно, считается рабочим. В момент времени t₁ (фиг.2) емкость и индуктивность начинают уменьшаться. Вычисляемые в соответствии с алгоритмом (фиг.5, блок 11) текущие значения (i_k, u_k) начинают смещаться в направлении границы рабочего диапазона и формируется последовательность точек (фиг.3, вектор из точки 1). При наихудшем сочетании параметров в пределах этого диапазона варьирования значений L и С потеря устойчивости эксплуатационного процесса в результате бифуркации возможна при К196. В момент времени t₂ (фиг.2) значения (i_k, u_k) выходят за границу рабочего диапазона (фиг.3, точка 2), и блок вычисления коэффициентов перенастройки (фиг.1, поз.10) устанавливает значение K₁=109. Указанное значение обеспечивает устойчивость эксплуатационного процесса для предельно допустимого диапазона варьирования L и С на 20% и 50%, соответственно, поскольку потеря устойчивости эксплуатационного процесса при наихудшем сочетании параметров в этом диапазоне возможна при К109. После завершения переходного процесса в момент времени t₃ (фиг.2) значения (i_k, u_k) оказываются в пределах внешней четырехугольной области (фиг.3, вектор из точки 2 в точку 3). Дальнейшее уменьшение значений емкости и индуктивности приводит к смещению значений (i_k, u_k) в направлении границы области (фиг.3, вектор из точки 3) и их выход за границу этого четырехугольника (фиг.3, точка 4) свидетельствует о превышении предельно допустимых значений емкости и индуктивности, соответственно работа преобразователя завершается (фиг.2, момент времени t₄).

Введение в систему управления пикового детектора, блока идентификации текущего состояния объекта управления и блока вычисления коэффициентов перенастройки позволяет реализовать алгоритм адаптации параметров регулятора на основе диагностирования в реальном времени недопустимой вариации параметров объекта управления. Этот алгоритм осуществляет координацию двух взаимосвязанных процессов: идентификация текущего диапазона вариации параметров импульсного преобразователя (в соответствии с методом идентификации вариации параметров объекта управления посредством измерения значений пульсаций) и корректировка параметров регулятора (в соответствии с методом синтеза параметров регулятора импульсного преобразователя энергии с применением теории бифуркаций). Поскольку адаптация параметров регулятора происходит только в случае идентификации аномальных пульсаций или/и аномального режима работы импульсного преобразователя, а результатом ее выполнения является устранение этих недостатков, соответственно, система адаптивно управления в условиях неопределенности параметров импульсного преобразователя обеспечивает непрерывное поддержание эксплуатационного режима его работы при допустимых значениях емкости и индуктивности и обеспечивает аварийное завершение работы - в случае превышения этих значений.

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, отличающаяся тем, что в систему введены пиковый детектор, блок идентификации текущего состояния и блок вычисления коэффициентов перенастройки, при этом второй выход объекта управления подключен ко второму входу устройства сравнения и к пиковому детектору, выход которого подключен ко второму входу блока наблюдения состояния, к третьему входу которого подключен второй выход широтно-импульсного модулятора, при этом выход блока наблюдения состояния подключен ко входу блока идентификации текущего состояния, выход которого подключен ко входу блока вычисления коэффициентов перенастройки, выход которого подключен ко второму входу регулятора.