Аннотация
В статье изложен подход к синтезу субоптимального регулятора напряжения в системе электропитания глубоководного аппарата с передачей энергии переменного тока по кабель-тросу на основе желаемой передаточной функции. При построении регулятора используются полиномы Ньютона и Баттерворта второго и третьего порядков, определяется оптимальный порядок полиномов, время регулирования и частота среза, позволяющие получить заданные требования к длительности переходного процесса в системе электропитания без значительного перерегулирования. Предложено использовать полиномы второго порядка, что значительно упрощает вид регулятора без потери качества стабилизации. В результате исследований вариантов синтезированных регуляторов установлено, что регулятор с фиксированными параметрами не позволяет отработать весь диапазон изменения нагрузки в рассматриваемой системе электропитания и обеспечить требуемое качество напряжения на нагрузке. Для расширения пределов стабилизации напряжения в системе электропитания предложено использовать регулятор с переменными параметрами, который реализуется в виде двух регуляторов, работающих в своем диапазоне изменения нагрузки. Для реальных систем электропитания мощностью 48 и 21 кВт синтезированы комбинированные регуляторы, позволяющие стабилизировать напряжение на нагрузке с заданной погрешностью в широком диапазоне ее изменения. Разработан алгоритм переключения регуляторов при изменении параметров нагрузки по сигналам, поступающим от системы управления. При этом для обеспечения более широкого диапазона действия регулятора в режиме номинальных нагрузок предложено использование положительной вольт-добавки, величина которой определяется технически измеряемым фазным током выходного фильтра автономного инвертора напряжения. Работа полученных регуляторов проверялась на имитационной модели системы электропитания телеуправляемого глубоководного аппарата, реализованной в среде Matlab.
Ключевые слова
Система электропитания, автономный объект, субоптимальный регулятор, желаемая передаточная функция, стабилизация напряжения, комбинированный регулятор, математическое моделирование, аппроксимация, Matlab/Simulink.
1. Илларионов Г.Ю., Лаптев К.З., Матвиенко А.П. Дополнительные требования к автономным необитаемым подводным аппаратам дальнего радиуса действия // Технические проблемы освоения мирового океана: материалы седьмой всероссийской научно-технической конференции (г. Владивосток, 2-6 октября 2017 г.). Владивосток: Дальнаука, 2017. С. 25-33.
2. Бочаров Л.Ю. О некоторых тенденциях в развитии автономных необитаемых подводных аппаратов // Технические проблемы освоения мирового океана: материалы пятой всероссийской научно-технической конференции (г. Владивосток, 30 сентября – 4 октября 2013 г.). Владивосток: Дальнаука, 2013. С. 12-18.
3. Макаренко С.И. Робототехнические комплексы военного назначения – современное состояние и перспективы развития // Системы управления, связи и безопасности. 2016. №2. С. 73-132.
4. Исследование режимов работы системы энергообеспечения автономного необитаемого подводного аппарата с бесконтактной передачей энергии / Герасимов В.А., Кувшинов Г.Е., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И. // Подводные исследования и робототехника. 2013. №2(16). С. 24-32.
5. Герасимов В.А., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И. Управление инвертором в системе энергообеспечения автономного необитаемого подводного аппарата с бесконтактной передачей энергии // Технические проблемы освоения мирового океана: материалы пятой всероссийской научно-технической конференции (г. Владивосток, 30 сентября – 4 октября 2013 г.). Владивосток: Дальнаука, 2013. С. 125-131.
6. Wrinch M.C. Power delivery to subsea cabled observatories // Sea Technology. 2009, 50 (7), pp. 27-29.
7. Румянцев М.Ю., Берилов А.В. Разработка системы электропитания подводных аппаратов // Практическая силовая электроника. 2012. № 1. С. 33-37.
8. Wang X., Shang J., Luo Z., Tang L., Zhang X., Li J. Reviews of power systems and environmental energy conversion for unmanned underwater vehicles // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. Vol. 16 (4). P. 1958-1970.
9. Yoshida S., Tanomura M., Hama Y., Hirose T., Suzuki A., Matsui Y., Sogo N., Sato R. Underwater wireless power transfer for non-fixed unmanned underwater vehicle in the ocean //Autonomous Underwater Vehicles. 2016, no. 7778668. P. 177-180.
10. Герасимов В.А., Филоженко А.Ю., Чепурин П.И. Структура системы электроснабжения автономного необитаемого подводного аппарата // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 3/140. С. 47-55.
11. Букреев В.Г., Шандарова Е.Б., Рулевский В.М. Многомерная модель системы электропитания погружного технологического оборудования // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 4. С. 119-132.
12. Rulevskiy V.M., Bukreev V.G., Kuleshova E.O., Shandarova E.B., Shandarov S.M., Vasilyeva Y.Z. The power supply system model of the process submersible device with AC power transmission over the cable-rope // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vоl. 177(1), no. 012098. P. 1-6.
13. Математическая модель системы электропитания телеуправляемого подводного аппарата с передачей энергии по кабель-тросу на переменном токе / Правикова А.А., Рулевский В.М., Ляпунов Д.Ю., Букреев В.Г. // Доклады томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2017. Т. 20. №1. С.131-135.
14. Хорошавин В.С., Зотов А.В., Мокрушин С.А. Общий подход к представлению динамики процесса в пространстве состояний // Advanced Science. 2017. № 2. С. 38-46.
15. Bond B., Daniel L. Stable reduced models for nonlinear descriptor systems through piecewise linear approximation and projection // IEEE Trans. on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2009. Vol. 26, no. 12. P. 2116-2129.
16. Storace M., De Feo O. Piecewise-linear approximation of nonlinear dynamical systems // IEEE Transactions on Circuits and Systems. 2004. Vol. 55 (4). P. 830-842.
17. Лозгачев Г.И., Безрядин М. М. Программная реализация алгоритма построения модального робастного регулятора по передаточной функции замкнутой системы в случае наличия возмущающего воздействия // Вестник Воронежского государственного университета. 2010. № 2. С. 50-52.
18. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.1. Линейные системы. М.: Физматлит, 2007. 312 с.
19. Синтез систем автоматического управления методом модального управления / Григорьев В.В., Журавлёва Н.В., Лукьянова Г.В., Сергеев К.А. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. 108 с.
20. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994. 352 с.