Автоматизация анализа и синтеза импульсных преобразователей энергии с двухполярной реверсивной модуляцией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Михальченко, Сергей Геннадьевич
- Специальность ВАК РФ05.13.18
- Количество страниц 203
Оглавление диссертации кандидат технических наук Михальченко, Сергей Геннадьевич
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Проблемы проектирования импульсно-модуляционных систем управления энергонасыщенными технологическими процессами
1.1. Возможности использования импульсной модуляции в системах энергообеспечения технологических процессов
12 Моделирование импульсных преобразователей электрической энергии с точки зрения открытости физических систем
13. Сравнение различных видов импульсной модуляции систем энергообеспечения технологических процессов
1.4. Особенности моделирования динамики импульсно-модуляционных преобразователей электрической энергии
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», 05.13.18 шифр ВАК
Моделирование динамики системы энергообеспечения с однополярной реверсивной модуляцией потенциально опасных технологических процессов2002 год, кандидат технических наук Лапонов, Сергей Николаевич
Бифуркационный анализ нелинейных динамических систем полупроводниковых преобразователей модульного типа2012 год, доктор технических наук Михальченко, Сергей Геннадьевич
Анализ и выявление закономерностей хаотической динамики системы управления преобразователем энергии2003 год, кандидат технических наук Иванова, Елена Николаевна
Динамические режимы функционирования скоростных подсистем импульсно-модуляционного типа в составе систем управления технологическими процессами2002 год, кандидат технических наук Зотин, Дмитрий Витальевич
Бифуркации и хаотические колебания в преобразователях электрической энергии с широтно-импульсной модуляцией систем автоматизации технологических процессов2000 год, кандидат технических наук Емельянова, Елена Юрьевна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация анализа и синтеза импульсных преобразователей энергии с двухполярной реверсивной модуляцией»
Прошедшее десятилетие характеризуется процессами интеграции отечественной экономики в мировую экономическую систему, сопровождающимися выравниванием цен на все виды топливно-энергетических ресурсов. И если в добывающих отраслях промышленности заметны позитивные сдвиги за счет современных информационных технологий, то в сфере промышленного производства и коммунальной сфере обнажились противоречия энергозатратности созданных технологических процессов, итогом которых явилась неконкурентноспособность отечественных товаров даже на внутреннем рынке, но, самое главное -разразившийся энергетический кризис, по своим последствиям адекватный таковому в зарубежных странах в середине 70Л годов.
Для преодоления этого кризиса в промышленно развитых странах были реализованы международные программы энергосбережения, результатом которых явилось многократное снижение энергозатрат на единицу продукции и все виды услуг населению. В этой связи основные технические и экономические аспекты использования энергосберегающих технологий известны и достаточно подробно рассматривались как зарубежными, так и отечественными исследователями. Основной вклад в решение энергетической проблемы на западе внесло, как известно, не наращивание производства первичных энергоресурсов, а сбережение энергии. В частности, в США удельные затраты на строящиеся АЭС равны 3 ООО USD за установленный киловатт мощности, а программы энергосбережения обходятся менее чем за 350 USD в расчете на один киловатт мощности в пиковой части графика нагрузки.
В качестве примера можно привести технологические процессы (ТП) транспортировки жидких энергоносителей, энергосберегающие системы коммуникационного обеспечения народного хозяйства, технологические процессы индустриальных поточных производств, электромеханические системы электрического и смешанного подвижного состава, более подробно технологические процессы такого рода рассматриваются в I главе настоящей работы.
Энергосберегающие технологические процессы в этих отраслях базируются на современных достижениях информационной и энергетической электроники и имеют два аспекта:
• многоуровневая иерархическая структура построения систем автоматизированного управления технологическим процессом (САУ ТП);
• управление САУ ТП осуществляется как сложной динамической системой.
Проблема создания и адаптации энергосберегающих технологических процессов к каждому конкретному применению тесно связана с решением следующих задач:
• качественное проектирование малозатратных технологических процессов;
• привлечение современных технических средств информационной и энергетической электроники, как САУ ТП, которые относятся к нелинейным динамическим системам импульсно-модуляционного типа;
• математического моделирования и анализа режимов функционирования;
• управления сложными иерархическими системами, как динамическими, в реальном времени.
Создание и внедрение энергосберегающих ТП связано с увеличением электронных технических средств автоматизации и требует столь же эффективного снижения материалоемкости и энергетических затрат как на производство этих средств, так и на производство продукции и услуг для того, чтобы разорвать противоречие между растущими потребностями промышленности в энергосберегающих ТП и объемами производства добывающих и перерабатывающих отраслей.
Устройства энергетической электроники импульсно-модуляционного типа в связи с интенсивным ростом коммутируемой мощности полностью управляемыми полупроводниковыми приборами (полевые и биполярные транзисторы с изолированным затвором, запираемые тиристоры) в настоящее время становятся базовым элементом автоматизации технологических процессов и энергосберегающих технологий большой энергетики, регулируемого электропривода. Примером этому может служить однофазные и многофазные инверторы напряжения модуляционного типа систем гарантированного электропитания, частотно-регулируемых электроприводов. компенсаторов реактивной энергии и мопщости искажений, вставок постоянного тока в линиях электропередач и др.
Применительно к потенциально опасным технологиям, таким как транспортировка газа, нефти, нефтепродуктов, возникает противоречие между необходимостью насыщения технологических процессов современными техническими средствами, что влечет за собой рост вероятностных отказов и естественным требованием исключения технологических катастроф. Достаточно ярким примером может служить наличие простейших электроприводов нефтеналивных пунктов вкупе с дроссельным регулированием влекущее высокую энергозатратность при переменной величине отбора нефтепродуктов. Более глубокие процессы скрыты в динамических режимах продуктопроводов, где аварийные ситуации являются следствием не только отказа технических средств, но и порождаются сменой динамики системы.
Моделирование отказов и их прогнозирование связано с понятием открытости и энергонасыщенности физических систем. В работе под энергонасыщенными технологическими процессами будем понимать такие, отклонение которых от штатного режима функционирования сопровождаются неконтролируемым высвобождением энергии с катастрофическими последствиями. Кроме того, положение усугубляется тем, что в сложных нелинейных динамических системах переход от статического состояния к катастрофическому непредсказуем в рамках «классических» методов анализа и поэтому представляет наибольшую опасность и сопровождается тяжелыми экономическими и зачастую экологическими последствиями. Чтобы установить природу катастрофических отказов в работе исследуются такие динамические ситуации, когда сложная система качественно изменяет свое поведение.
В тех случаях, когда решая задачи энергосбережения в технологический процесс вводится частотно-регулируемый электропривод с широтно-импульсной модуляцией, то, как будет показано в этой работе, потенциальная опасность катастрофических отказов возрастает, поскольку и сам электропривод характеризуется непредсказуемыми сменами режимов функционирования [7, 21, 43, 50, 56, 57, 63, 69-75]. Несмотря на столь разнородные объекты, как движение жидкости в продуктопроводе и замкнутая система автоматического управления с импульсной модуляцией - характер поведения их как динамических систем во многом идентичен. Общие закономерности, которыми обладают колебательные процессы в системах различной физической природы, составляет предмет науки, получившей название теории колебаний [9, 18, 29, 34-36, 39, 64, 86, 87, 97, 101 -106,114] и синергетики.
В соответствии с [77, 87-90], под колебательными явлениями принято понимать либо то, что связано с фактом установившегося движения в динамической системе, либо то, что связано с переходом от одного установившегося состояния к другому. Установившееся движение можно характеризовать повторяемостью и устойчивостью, а переходные процессы характеризуются тем движением, к которому они приближаются. Множество переходных процессов данного установившегося движения образует его область притяжения. Смена установившихся движений, которая происходит не вследствие управления, а в результате изменения какого-либо физического параметра или возмущающего воздействия называется качественным изменением поведением системы или бифуркацией.
Как правило, математические модели автоматизированных систем управления (АСУ) импульсно-модуляционного типа содержат в себе как минимум два типа нелинейностей, одна из которых связана с нелинейным видом модуляции и, по существу, представляет собой модуль-функцию относительной длительности импульсов, а вторая - носит глобальный характер типа «насыщение». Кроме того, поскольку рассматриваемые модели можно в известной степени относить к классу открытых физических систем, то при учете возмущающих воздействий, например со стороны входа и (или) нагрузки, проявляется чувствительность моделей к образованию новых нелинейностей по типу положительной обратной связи из-за наличия диссипативных и предвключенных элементов.
В настоящее время над проблемой динамического хаоса импульсно-модуляционных систем работает довольно много научных школ, прежде всего, научная школа Неймарка Ю. И. (г. Нижний Новгород) [34, 35, 77, 87-90], коллектив МЭИ [7, 73-75], Санкт-Петербургская школа (Айзерман М. А. и Гантмахер Ф. Р.), коллективы ученых Томского университета АСУ и радиоэлектроники под руководством Кобзева А. В. [3-5, 23-28, 68], Орловского государственного технического университета под руководством Колоколова Ю. В. [21, 25, 56, 58, 70-72] и Курского государственного технического университета под руководством Жусубалиева Ж. Т. [21-23, 25, 52, 55-61, 71, 94, 98]. Сам автор относит себя к двум научным коллективам: Томского университета АСУ и радиоэлектроники [3-5, 23, 25, 27, 28, 68] и Брянского государственного технического университета [49,50,62,63,69].
Актуальность темы
Наряду с вышеперечисленными положительными качествами энергетические устройства автоматизации с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) обладают предрасположенностью (при некотором наборе параметров) к хаотизации стационарного движения. Основным режимом работы замкнутых систем преобразования электрической энергии является детерминированный режим работы с тактовой частотой колебаний ШИМ. Однако, динамика таких систем гораздо многообразнее, т. к. имеют место субгармонические режимы с частотами колебаний, кратными частоте ШИМ, возможны так же режимы квазипериодические, и, наконец, явно хаотические. Характерной чертой математических моделей с нелинейными функциями, описывающими нелинейные свойства элементов САУ является неединственность решений при некоторых параметрах, что находит свое выражение в смене характера движения при наличии возмущений и, в частности, к значительному увеличению ошибок управления, появлению перенапряженных режимов и, как следствие - катастрофических отказов. Следовательно, при проектировании ТП, необходимо обратить особое внимание на исследование всех возможных динамических режимов и на поиск путей исключающих самопроизвольную смену стационарных режимов функционирования такого рода систем на этапе моделирования.
Сказанное подчеркивает актуальность построения методики предсказания и предотвращения аномальной динамики в замкнутых импульсных системах автоматического управления энергоемкими технологическими процессами (ЭТП). Необходима также разработка практических рекомендаций к свойствам САУ для обеспечения заданного качества выходных параметров устройств управления потоками электрической энергии с ДРМ. Кроме того, недостатки современтхх систем проектирования требуют создания программных комплексов, позволяющих моделировать САУ ТП и базирующихся на алгоритмах, использующих аналитические методы точного решения систем нелинейных дифференциальных уравнений.
В настоящей работе предлагается поэтапное решение общей проблемы проектирования сложных динамических систем управления потенциально опасными технологическими процессами.
На первом этапе решается задача разработки численно-аналитической методики решения систем нелинейных дифференциальных уравнений с разрывной правой частью, описывающей динамику преобразователя напряжения с двухполярной реверсивной модуляцией с двумя информационными точками на периоде (ДРМ-2).
На втором этапе разрабатывается методика идентификации периодического (стационарного) режима, позволяющая выявлять границы существования установившегося типа движения при изменении параметров.
На третьем этапе определяются качественные и количественные характеристики детерминированных и стохастических режимов вектора переменных состояния исследуемой системы.
Обобщение полученных результатов позволило создать методику проектирования импульсно-модуляционных систем автоматического управления и вплотную подойти к решению задачи структурного и параметрического синтеза устройств управления, исключающих непредсказуемую смену динамических режимов функционирования.
Эти работы с 1992 г. проводились при непосредственном участии автора в НИИ автоматики и электромеханики при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) под руководством ГБаушева В. С.|, а с 1997 г. на кафедре автоматизированный электропривод Брянского государственного технического университета, под руководством Потапова Л. А.
Цель работы
Разработка комплекса программ автоматизированного анализа и синтеза импульсных преобразователей энергии с двухполярной реверсивной модуляцией, не подверженных аномальным явлениям, на основе точных методов анализа динамических свойств.
В соответствии с этим в работе решаются следующие задачи:
• Разработка математических моделей преобразователей напряжения с двухполярной реверсивной модуляцией.
• Разработка численно-аналитических методов анализа нелинейных динамических систем указанного типа.
• Создание комплекса прикладных программ автоматизированного анализа и синтеза импульсно-модуляционных устройств с ДРМ.
• Проведение анализа нелинейной динамики преобразователя частоты с ДРМ с точки зрения теории бифуркации и хаотизации.
• Разработка процедур структурного и параметрического синтеза, позволяющих добиться нормализации динамики импульсно-модуляционного устройства.
Методы исследования
Математические модели исследуемых систем построены с использованием теории множеств, матричной алгебры, теории дифференциальных уравнений и теории обобщенных функций. Анализ устойчивости динамических режимов функционирования САУ проводился в соответствии с теорией локальной устойчивости Ляпунова. Смена динамических режимов функционирования системы рассматривалась с позиций теории бифуркаций и теории нелинейных колебаний. Реализация алгоритмов, разработанных при помощи теории численных методов, выполнена на РС с помощью спроектированных автором пакетов прикладных программ и баз данных.
Научная новизна,
• Разработана методика исследования замкнутых нелинейных импульсных систем с периодическим управляющим воздействием на основе детального изучения динамических режимов с постоянным сигналом управления.
• Впервые построены математические модели для класса преобразователей напряжения с ШИМ с двухполярной реверсивной модуляцией с типовыми управляющими воздействиями на основе точечного преобразования Пуанкаре.
• Разработаны точные методы построения многопараметрических диаграмм ветвления динамических режимов в пространстве параметров модели и их интерпретации с точки зрения теории колебаний и бифуркаций.
• Обоснована и экспериментально подтверждена связь между переходом от одного режима к другому и величиной помех в информационном канале САУ.
• Установлена связь между размерами областей притяжения динамических режимов и характером бифуркационных переходов.
• Создан пакет прикладных программ, позволяющий успешно проводить автоматизированный анализ импульсных систем энергообеспечения САУШ с сильными и тонкими нелинейностями.
Практическая ценность работы
Разработанные методы исследований, алгоритмы и полученные в результате данные позволяют существенно повысить надежность проектирования САУ ТП, в том числе:
• на этапе проектирования устройств обнаруживать аномальные режимы функционирования, прогнозировать возможные катастрофические явления, в том числе и отказы;
• на основе разработанных моделей создавать интеллектуальные автоматизированные системы управления, функционирующие в реальном темпе времени со встроенными наблюдателями;
• давать рекомендации по выбору структуры регулятора для систем с двухполярной реверсивной модуляцией;
• проводить параметрический анализ и синтез устройств с импульсной модуляцией;
• использовать полученные теоретические выкладки для анализа динамических свойств других видов импульсной модуляции.
Связь темы диссертационной работы с научно-техническими программами
Первоначально исследования были направлены на выяснение причин, порождающих недетерминированные состояния динамических систем, связанных с неединственностью устойчивых стационарных состояний и наличием внешних случайных помех, проводимых по программе «Автоматизация» Минвуза РФ в Томском государственном университете АСУ и радиоэлектроники.
Дальнейшие исследования проводились по планам НИОКР Брянского государственного технического университета (БГТУ), ОАО «Брянский машиностроительный завод» г. Брянска и в рамках выполнения региональной целевой программы энергосбережения Брянской области 2000-2004гг.
Реализация результатов работы
Разработанная методика анализа ИМС и созданный программный комплекс использовулась:
1) при проектировании опытного образца системы энергообеспечения собственных нужд первого российского газотепловоза ТЭМ18Г, созданного ОАО «Брянский машиностроительный завод» (БМЗ);
2) при создании частотно-регулируемого электропривода подачи индуктора технологического процесса высокочастотной закапки крупногабаритных деталей на Заводе судовых дизелей ОАО «БМЗ»;
3) в учебном процессе в Брянском государственном техническом университете при подготовке студентов специальностей 200400 - «Промышленная электроника» и 180400 -«Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», в курсах «Методы анализа и расчета электронных схем», «Теория динамической хаотизации нелинейных импульсных систем» и «Импульсно-модуляционные системы».
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 10 печатных работах, докладывались на 54-й и 55-й конференциях профессорско-преподавательского состава БГТУ, на Региональной научно-практической конференции-ярмарке «Новые идеи, технологии и инвестиции» и на Молодёжной научно-техничекой конференции вузов приграничных регионов славянских государств.
Похожие диссертационные работы по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», 05.13.18 шифр ВАК
Теоретические и алгоритмические основы хаотической динамики релейных и широтно-импульсных систем автоматического управления2002 год, доктор технических наук Жусубалиев, Жаныбай Турсунбаевич
Хаос в динамике стабилизированных преобразователей электрической энергии с релейным регулированием1998 год, кандидат технических наук Рудаков, Вадим Николаевич
Математическое моделирование процессов нелинейной динамики в замкнутых системах автоматического управления с однополярной реверсивной модуляцией2004 год, кандидат технических наук Андриянов, Алексей Иванович
Динамика многоканальных систем импульсного преобразования энергии в автоматизированных системах аналитического контроля2003 год, кандидат технических наук Шуплецов, Антон Валерьевич
Математическое моделирование импульсно-модуляционных систем с коррекцией коэффициента мощности2007 год, кандидат технических наук Малаханов, Алексей Алексеевич
Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Михальченко, Сергей Геннадьевич
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Впервые построены математические модели преобразователей электрической энергии с двухполярной реверсивной модуляцией с постоянным и синусоидальным управляющим воздействием в базисе коммутационных разрывных функций.
2. Разработаны алгоритмы, позволяющие находить точные решения нелинейных систем дифференциальных уравнений с обобщенными функциями в правой части и определять локальную устойчивость полученного множества решений.
3. Проведены многопараметрические исследования динамики, построена общая картина (в целом) разбиения пространства параметров на области устойчивости т-цикловьпс движений, детализированная в виде двухпараметрических бифуркационных диаграмм, рассчитанных с нулевых и с локально изменяемых начальных условий.
4. Приведен сопоставительный анализ динамики системы управления параметрами электрической энергии с ДРМ, показывающий увеличение размеров рабочей области в 2.4 раза, а размеров существования области устойчивости основного режима в 2.15 раза по коэффициенту усиления по сравнению с OHM.
5. Установлено, что мягкие и жесткие бифуркационные переходы характеризуются соответственно непрерывными и скачкообразными изменениями размеров областей притяжения динамических режимов.
6. Рассчитаны интегральные характеристики движения вектора переменных состояния, соответствующие предельно возможным перенапряженным режимам функционирования. Установлено, что амплитуда пульсаций последних в 10 и более раз превышает аналогичные показатели основного режима.
7. Впервые создана модель случайного возмущающего воздействия (помехи) в цепи управления преобразователя электрической энергии с ДРМ. Установлена связь между длительностью помехи и реакцией системы на случайное
184 возмущение и зависимость критической фазы помехи от интервала, на котором произошло возмущение. Построена модель помехи, нормализующей динамику преобразователя электрической энергии.
8. Разработан программный комплекс «ДРМ-2» автоматизированного анализа и синтеза нелинейных динамических систем, позволяющий определять пути нормализации структуры преобразователя, проектировать энергетические устройства низового уровня САУ ТП.
9. Приведены описания внедренных САУ ТП, проектирование которых осуществлялось с использованием разработанной методики, подтверждающие результаты моделирования и эффективность созданного программного комплекса.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.