Аннотация
В работе рассматривается система управления импульсным преобразователем напряжения с частотно-импульсной модуляцией, учитывающая возможность возникновения нежелательных колебаний на выходе, связанных с динамическими нелинейностями системы. Рассматриваемое в работе устройство является системой автоматического управления с обратной связью на основе пропорционального регулятора, то есть является простейшей системой с астатизмом. Предлагается структура системы управления, включающая дополнительную систему управления нелинейными динамическими процессами, построенную на основе метода направления на цель. Это позволяет обеспечивать желаемый динамический режим при изменении параметров системы или параметров внешних воздействий в широких диапазонах. Получены расчетные выражения для выбора оптимальных параметров пропорционального регулятора и задающего воздействия для обеспечения заданной точности поддержания выходного напряжения в условиях меняющейся нагрузки. Показано, что высокие значения коэффициента усиления П-регулятора в системе без управления нелинейными динамическими процессами приводят к возникновению нежелательных динамических режимов, которые могут быть устранены лишь уменьшением указанного коэффициента, что приводит к падению статической точности замкнутой системы автоматического управления. В работе приведены нелинейная динамическая модель системы в виде отображения Пуанкаре и малосигнальная структурная модель системы на основе метода направления на цель, учитывающая дискретность системы управления из-за наличия в ее составе устройств выборки-хранения. Проведены исследования систем без управления нелинейными динамическими процессами и с их управлением. Показано, что малосигнальная структурная модель системы не позволяет точно определять параметрические границы перехода системы в нежелательные режимы, что требует применения нелинейных динамических моделей для уточнения данных границ. Подтверждено, что применение метода направления на цель позволяет исключить нежелательные колебания и обеспечить устойчивость системы без изменения коэффициента пропорционального регулятора, что позволяет сохранить статическую точность. Предлагаемый подход к построению систем управления преобразователей с частотно-импульсной модуляцией может быть применен и при других типах регуляторов в основном контуре управления с целью улучшения динамики системы.
Ключевые слова
непосредственный понижающий преобразователь напряжения, частотно-импульсная модуляция, пропорциональный регулятор, малосигнальная структурная модель, нелинейная динамика, нелинейные колебания, желаемый динамический режим, запас устойчивости
1. Михальченко С.Г., Бородин К.В. Динамические режимы функционирования преобразователя напряжения с частотно-импульсной модуляцией // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2012. № 1-1 (25). С. 278-287.
2. Andriyanov A.I. Controlling Nonlinear Dynamic Processes of a DC/DC Converter with Pulse-Frequency Modulation // International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences. IEEE, 2022. Pp. 110-115. doi: 10.1109/SIBIRCON56155.2022.10016921
3. Бифуркационные явления в преобразователе напряжения c частотно-импульсным управлением для ветрогенераторной установки / С.Г. Михальченко, Г.Я. Михальченко, С.М. Семенов, П.С. Мещеряков, Н.А. Воронина, А.М. Зюзев // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. № 12(331). С. 215-225. doi: 10.18799/24131830/2020/12/2957
4. Татуйко П.С. Математическое описание режимов работы резонансного преобразователя напряжения с последовательным LC-резонансным контуром // Автоматизация и моделирование в проектировании и управлении. 2022. № 1(15). С. 73-79. doi: 10.30987/2658-6436-2022-1-73-79
5. Liu K.H., Oruganti R., Lee F.C.Y. Quasi-Resonant Converters.Topologies and Characteristics // IEEE Transactions on Power Electronics. 1987. No. 1(PE-2). Pp. 62-71. doi: 10.1109/TPEL.1987.4766333
6. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М.: Энергоатомиздат, 1988. 294 с.
7. Белов Г.А. Теория импульсных преобразователей. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2016. 330 с.
8. Андриянов А.И. Развитие теории управления нелинейными динамическими процессами импульсных систем электропитания: дис. … докт. техн. наук. 05.09.12 / Андриянов Алексей Иванович. Чебоксары, 2022.
9. Баушев В.С., Жусубалиев Ж.Т. О недетерминированных режимах функционирования стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием // Электричество. 1992. № 8. С. 47-53.
10. Zhusubaliyev Zh.T., Mosekilde E. Bifurcations and chaos in piece-wise-smooth dynamical systems. Singapore: World Scientific Pub Co Inc, 2003. 376 p.
11. Instabilities in digitally controlled voltage-mode synchronous buck converter / D. Yu, H.H.C. Iu, H. Chen, E. Rodriguez, E. Alarcon, A. El Aroudi // International Journal of Bifurcation and Chaos. 2012. No. 1(22). Pp. 1-12. doi: 10.1142/S0218127412500125
12. Batlle C., Fossas E., Olivar G. Time-delay stabilization of the buck converter // Control of Oscillations and Chaos. IEEE, 1997. Vol. 3. Pp. 590-593. doi: 10.1109/COC.1997.626675
13. Dattani J., Blake J.C.H., Hilker F.M. Target-oriented chaos control // Physics Letters A. 2011. № 45(375). Pp. 3986-3992. doi: 10.1016/j.physleta.2011.08.066
14. Андриянов А.И. Расчет оптимальных параметров систем управления нелинейными динамическими процессами импульсных преобразователей напряжения // Автоматизация и моделирование в проектировании и управлении. 2022. № 4(18). С. 87-96. doi: 10.30987/2658-6436-2022-4-87-96
15. Astrom K.J., Wittenmark B. Computer Controlled Systems. New Jersey: Prentice-Hall, 2011. 576 p.
Андриянов А.И., Пугачев А.А. Система управления импульсным преобразователем напряжения с частотно-импульсной модуляцией// Электротехнические системы и комплексы. 2023. № 2(59). С. 55-64. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2023-2(59)-55-64