Прямое апериодическое управление понижающим широтно-импульсным преобразователем

  • Альберт Саитович Исхаков
  • Владимир Яковлевич Поспелов
  • Сергей Михайлович Сковпень
  • Денис Иосифович Гладкий
Ключевые слова: широтно-импульсный преобразователь, модальное управление, апериодический регулятор, управление спектром, переходный процесс

Аннотация

В статье объясняются недостатки известного решения модального управления, препятствующие его практическому применению для достижения максимально возможных динамических показателей полупроводниковых преобразователей с ключевыми элементами. Предложен способ их устранения применительно к самостоятельному варианту модального управления с заданием нулевых корней характеристического полинома и получением нильпотентной матрицы системы. Подробно изложена методика синтеза прямого апериодического управления с нильпотентной матрицей системы для реализации конечного переходного процесса, завершающегося за число тактов, не превышающее порядок разностного уравнения, которым описывается дискретная система. В качестве объекта управления рассмотрена известная схема понижающего преобразователя постоянного напряжения с индуктивно-емкостным фильтром и пропорциональной характеристикой вход-выход, обеспечиваемой интегральным звеном в контуре обратной связи. Подтверждение эффективности предложенного варианта апериодического регулятора выполнено путём математического моделирования работы широтно-импульсного регулятора тока нагрузки. Исследованы динамические режимы работы при скачкообразном изменении сопротивления нагрузки и входного напряжения относительно их номинальных значений для системы управления с И-регулятором, ПИ-регулятором и апериодическим регулятором. Сравнение полученных результатов показывает, что переходные процессы в системе с апериодическим регулятором завершаются с максимальной скоростью – за три такта без перерегулирования, что соответствует максимальной скорости сходимости системы третьего порядка к положению равновесия.

Биографии авторов

Альберт Саитович Исхаков

доктор техн. наук, директор по инновационному развитию специальных программ АО «Корпорация «ВНИИЭМ», Москва, Россия

Владимир Яковлевич Поспелов

член коллегии Военно-промышленной комиссии Российской Федерации, Москва, Россия

Сергей Михайлович Сковпень

кандидат техн. наук, доцент кафедры «Судовая электроэнергетика и автоматика» института судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз), Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, Северодвинск, Россия

Денис Иосифович Гладкий

старший преподаватель кафедры «Судовая электроэнергетика и автоматика» института судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз), Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, Северодвинск, Россия

Литература

1. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. М.: Наука, 1981, 368 с.
2. Озеров Л.А., Разнополов О.А., Штессель Ю.Б. Синтез управления импульсным стабилизатором с двухзвенным фильтром на основе скользящих режимов. – Электричество, 1990, № 7, с. 77–79.
3. Краснобаев Ю.В. и др. Импульсный стабилизатор напряжения с цифровым управлением для автономной системы электропитания. – Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2018, т. 329, № 11, с. 61–73.
4. Вишняков А.Н., Цыпкин Я.З. Синтез модальных дискретных систем управления. – Автоматика и телемеханика, 1993, № 7, с. 86–94.
5. Simon J.D., Mitter S.K. A Theory of Modal Control. – Information and Control, 1968, vol. 13, pp. 316–353, DOI:10.1016/S0019-9958(68)90834-6.
6. Wang B., et al. Deadbeat Control for a Single-Inductor Multiple-Input Multiple-Output DC-DC Converter. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, vol. 34(2), pp. 1914–1924. DOI:10.1109/TPEL.2018.2832243.
7. Rohten J.A., et al. Multivariable Deadbeat Control of Power Electronics Converters with Fast Dynamic Response and Fixed Switching Frequency. – Energies, 2021, vol. 14(2), DOI:10.3390/en14020313.
8. Квакернаак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977, 650 с.
9. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984, 541 с.
10. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М.: Физматгиз, 1963, 968 с.
11. Белов Г.А. Полупроводниковые импульсные преобразователи постоянного напряжения. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1994, 95 с.
12. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями (системы импульсно-фазового управления). М.: Энергия, 1975, 264 с.
13. Белов Г.А., Мочалов М.Ю. Синтез оптимальных систем управления импульсными стабилизаторами напряжения на основе квадратичного критерия качества. – Электричество, 2001, № 4, с. 37–42.
14. Пат. RU 109883 U1. Система апериодического управления преобразованием электроэнергии / А.С. Исхаков, В.Я. Поспелов, 2011.
15. Iskhakov A., Skovpen S. A Direct Transformation of a Matrix Spectrum. – Advances in Linear Algebra & Matrix Theory, 2015, vol. 5 (3), pp. 109–128, DOI:10.4236/alamt.2015.53011.
16. Iskhakov A., et al. Direct Deadbeat Control of a Buck Converter. – 45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society IECON, 2019, pp. 183–188, DOI:10.1109/IECON.2019.8927163.
17. Исхаков А.С., Поспелов В.Я., Сковпень С.М. Прямое апериодическое управление и его применение в полупроводниковых преобразователях. – Электричество, 2018, № 4, c. 42–49.
18. Исхаков А.С., Поспелов В.Я., Сковпень С.М. Однофазный инвертор с апериодическим регулятором широтно-импульсного преобразователя. – Электротехника, 2014, № 1, с. 35–38.
19. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978, 598 с.
#
1. Utkin V.I. Skolʹzyashchiye rezhimy v zadachakh optimizatsii i upravleniya (Sliding Modes in Optimization and Control Problems). M.: Nauka, 1981, 368 p.
2. Ozerov L.A., Raznopolov O.A., Shtessel' Yu.B. Electrichestvo – in Russ. (Electricity), 1990, No. 7, pp. 77–79.
3. Krasnobaev Yu.V., et al. Izvestiya Tomskogo politekhnichesko-go universiteta. Inzhiniring georesursov – in Russ. (Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering), 2018, vol. 329, No. 11, pp. 61–73.
4. Vishnyakov A.N., Tsypkin Ya.Z. Avtomatika i Telemekhanika – in Russ. (Automation and Remote Control), 1993, No. 7, pp. 86–90.
5. Simon J.D., Mitter S.K. A Theory of Modal Control. – In-formation and Control, 1968, vol. 13, pp. 316–353, DOI:10.1016/S0019-9958(68)90834-6.
6. Wang B., et al. Deadbeat Control for a Single-Inductor Multiple-Input Multiple-Output DC-DC Converter. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, vol. 34(2), pp. 1914–1924. DOI:10.1109/TPEL.2018.2832243.
7. Rohten J.A., et al. Multivariable Deadbeat Control of Power Electronics Converters with Fast Dynamic Response and Fixed Switching Frequency. – Energies, 2021, vol. 14(2), DOI:10.3390/en14020313.
8. Kvakernaak H., Sivan R. Lineynyye optimalʹnyye sistemy upravleniya (Linear Optimal Control Systems). M.: Mir, 1977, 650 p.
9. Izerman R. Tsifrovyye sistemy upravleniya (Digital Control Systems). M.: Mir, 1984, 541 p.
10. Tsypkin Ya.Z. Teoriya lineynykh impulʹsnykh sistem (Theory of Linear Impulse Systems). M.: Fizmatgiz, 1963, 968 p.
11. Belov G.A. Poluprovodnikovyye impulʹsnyye preobrazovateli postoyannogo napryazheniya (Semiconductor Pulse DC-DC Converters. Textbook). Cheboksary: Izd-vo Chuvash. un-ta, 1994, 95 p.
12. Pisarev A.L., Detkin L.P. Upravleniye tiristornymi preobra-zovatelyami (sistemy impulʹsno-fazovogo upravleniya) (Control of Thyristor Converters (Pulse-Phase Control Systems)). M.: Energiya, 1975, 264 p.
13. Belov G.A., Mochalov M.Yu. Electrichestvo – in Russ. (Electricity), 2001, No. 4, pp. 37–42.
14. Pаt. RU 109883 U1. Sistema aperiodicheskogo upravleniya preobrazovaniem elektroenergii (Deadbeat Control System for Electric Power Converter) / A.S. Iskhakov, V.Ya. Pospelov, 2011.
15. Iskhakov A., Skovpen' S. A Direct Transformation of a Matrix Spectrum. – Advances in Linear Algebra & Matrix Theory, 2015, vol. 5 (3), pp. 109–128, DOI:10.4236/alamt.2015.53011.
16. Iskhakov A., et al. Direct Deadbeat Control of a Buck Converter. – 45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society IECON, 2019, pp. 183–188, DOI:10.1109/IECON.2019.8927163.
17. Iskhakov A.S., Pospelov V.Ya., Skovpen' S.M. Electrichestvo – in Russ. (Electricity), 2018, No. 4, pp. 42–49.
18. Iskhakov A.S., Pospelov V.Ya., Skovpen' S.M. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2014, No. 14, pp. 35–38.
19. Samarskiy A.A., Nikolaev E.S. Metody resheniya setochnykh uravneniy (Methods for Solving Grid Equations). M.: Nauka, 1978, 598 p.
Опубликован
2022-10-27
Раздел
Статьи