Научная статья на тему 'Алгоритм работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора и его реализация в приложении Simulink пакета программ Matlab'

Алгоритм работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора и его реализация в приложении Simulink пакета программ Matlab Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
398
78
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИМПУЛЬСНЫЙ ЧАСТОТНО-ФАЗОВЫЙ ДИСКРИМИНАТОР / ЭЛЕКТРОПРИВОД С ФАЗОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ / НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / PULSE FREQUENCY-PHASE DISCRIMINATOR / ELECTRIC DRIVE WITH PHASE SYNCHRONIZATION / NONLINEAR ELEMENT

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Бубнов Алексей Владимирович, Чудинов Александр Николаевич, Емашов Василий Алексеевич

В статье разработан и реализован в приложении Simulink пакета программ Matlab алгоритм работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора. Получены временные зависимости и построены фазовые портреты работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Бубнов Алексей Владимирович, Чудинов Александр Николаевич, Емашов Василий Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The algorithm of work of computer model of pulse frequency-phase discriminator and its development in Simulink application from Matlab software

In the article the algorithm of work of computer model of the pulse frequency-phase discriminator is developed and developed in Simulink application of Matlab software. Time dependences and phase portraits of computer model operation of the pulse frequency-phase discriminator are obtained.

Текст научной работы на тему «Алгоритм работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора и его реализация в приложении Simulink пакета программ Matlab»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

%

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 62-83 А. В. БУБНОВ

А. Н. ЧУДИНОВ В. А. ЕМАШОВ

Омский государственный технический университет

АЛГОРИТМ РАБОТЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ИМПУЛЬСНОГО ЧАСТОТНОФАЗОВОГО ДИСКРИМИНАТОРА И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРИЛОЖЕНИИ ЯМШШК ПАКЕТА ПРОГРАММ MATLAB

В статье разработан и реализован в приложении ЕїтиНпк пакета программ Matlab алгоритм работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора. Получены временные зависимости и построены фазовые портреты работы компьютерной модели импульсного частотно-фазового дискриминатора.

Ключевые слова: импульсный частотно-фазовый дискриминатор, электропривод с фазовой синхронизацией, нелинейный элемент.

При анализе динамических процессов в электроприводе с фазовой синхронизацией (ЭПФС) используют модель импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД), реализованную на основе многозначной статической нелинейности [1—2], имеющей г линейных участков в соответствии с количеством меток импульсного датчика частоты вращения электродвигателя. Однако при исследовании ЭПФС методом компьютерного моделирования возникают трудности, связанные с отсутствием стандарт-

ного блока ИЧФД в библиотеке приложения Яішиїіпк пакета программ МаНаЪ.

Целью статьи являются разработка эффективного алгоритма работы компьютерной модели ИЧФД и его реализация в приложении Яішиїіпк пакета программ МаНаЪ.

На рис. 1 представлены модель ИЧФД в виде характеристики многозначной статической нелинейности и возможные траектории движения рабочей точки по характеристике нелинейного элемента (НЭ),

I Ввод исходных данных

Рис. 2. Блок-схема работы многозначной статической нелинейности

где у — выходной сигнал ИЧФД, Дан — сигнал угловой ошибки электропривода.

Разработанный в [3 — 4] алгоритм компьютерной модели ИЧФД представлен в виде блок-схемы (рис. 2). Входная величина х соответствует сигналу угловой ошибки Дан; выходная величина у соответствует выходному сигналу ИЧФД у; п — номер участка характеристики НЭ, на котором находится рабочая точка (определяется как округленное значение х/ф0 где Ф0=2п/2 —угловое расстояние между соседними метками импульсного датчика частоты); Д — параметр, определяющий режим работы электропривода в момент запуска программы. Индексы г и (г — 1) определяют значение переменной в настоящий момент времени и предыдущее ее значение соответственно.

Работа блок-схемы происходит в два этапа. На первом этапе (до запуска программы) задаются два пара-

метра: ф0, характеризующий ширину линейного участка характеристики НЭ, и Я, характеризующий режим работы ИЧФД в момент запуска программы (насыщение при разгоне электропривода, фазового сравнения импульсов входных частот или насыщения при торможении).

Второй этап начинается непосредственно в момент запуска программы моделирования (ї = 0), когда на вход блок-схемы поступает первое значение х, соответствующее абсциссе рабочей точки (рис. 1) и рассчитывается номер участка характеристики НЭ пР на котором рабочая точка находится. Величинам х-1 и п-1 присваиваются значения величин хі и пі соответственно. Значение у-1 принимается равным 0,5, нулю или минус 0,5 в зависимости от режима работы электропривода Д (режим разгона с максимальным ускорением, режим синхронизации или режим

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Рис. 3. Модифицированная блок-схема работы многозначной статической нелинейности

торможения с максимальным ускорением соответственно).

Для получения на выходе блок-схемы ординаты рабочей точки у в программе выполняются логические и арифметические операции, при этом используются значения хм, ум, пм, соответствующие положению точки в предыдущий момент времени. Сначала проверяется, происходит движение рабочей точки влево (х1 — хм<0) или нет (точка неподвижна или движется вправо). Далее проверяется, находилась ли рабочая точка в предыдущий момент времени на линейном участке характеристики (|ум|<0,5) или на участке насыщения (|ум|>0,5). После этого проверяется, перешла ли рабочая точка на соседний участок нелинейной характеристики. Исходя из всех этих условий, текущее значение у может принимать одно из десяти возможных значений, рассчитываемое по одному из трех выражений (рис. 2). Полученное таким образом значение у поступает на выход блок-схемы. После этого величинам хм, у_1 и пм присваиваются значения величин х, у и п. соответственно, и цикл повторяется.

Данный алгоритм реализован в приложении Яішиїіпк программного пакета МаНаЪ в виде блока на основе Я-функции (стандартный блок из библиотеки Яішиїіпк) [3]. Исследование данного блока в компьютерной модели ЭПФС показало низкое быстродействие, обусловленное тем, что при работе блока на каждом шаге расчета идет обращение к жесткому диску (работа с тремя переменными: запись и считывание данных).

Для устранения отмеченного недостатка разработан новый алгоритм работы компьютерной модели ИЧФД, блок-схема которого представлена на рис. 3. При его реализации в приложении Яішиїіпк программного пакета МаНаЪ создан новый блок на основе М-функции (стандартный блок из библиотеки Яіш-иїіпк), что позволило заметно повысить быстродействие работы, за счет исключения обращений к жесткому диску на каждом шаге моделирования. Входная величина X соответствует сигналу угловой ошибки Да^; выходная величина 7-у; л — номер участка характеристики НЭ, на котором находится рабочая точка

Рис. 4. Компьютерная структурная схема для сравнительного анализа работы моделей ИЧФД

Т'Ю\ В

£ С

а)

у. Н

.V -*10' . Ъ

б)

Рис. 5. Временные диаграммы и фазовые портреты работы моделей многозначной статической нелинейности

(определяется как округленное значение X/ф0); Б — значение производной входной величины X; Д — параметр, определяющий режим работы электропривода в момент запуска программы; и и Ь — вспомогательные переменные; х=Х/ф0, у=У/ф0, и=и/ф0-приведен-ные значения X, У, и .

Работа блок-схемы происходит в два этапа. На первом этапе (до запуска программы) задаются два параметра ф0 и Д.

Второй этап начинается в момент запуска программы моделирования ^ = 0), когда на вход блока поступает первое значение X., соответствующее абсциссе рабочей точки. В начальный момент времени ({= 0) переменной и присваивается значение равное нулю. Далее рассчитываются приведенные значения х, и-1 путем деления абсолютных значений X., и-1 на Ф0, номер участка характеристики НЭ п., на котором находится рабочая точка, и значение вспомогательной переменной Ь=х—и.

Для получения на выходе блок-схемы ординаты рабочей точки У1 в программе выполняются логические и арифметические операции, при этом используется

значение и-р соответствующее положению точки в предыдущий момент времени, и значение О., соответствующее производной входной величины X. Сначала проверяется, является ли цикл первым (=0) или нет. Если да, то в зависимости от значений Д и х1 определяются выходные значения у и и. Если цикл не первый, то определяется, на каком из трех участков характеристики НЭ находится вспомогательная переменная Ь :

Ь < —0,5;

-0,5 <Ь < 0,5;

Ь > 0,5.

Далее вычисляется значение у и в зависимости от направления движения рабочей точки (переменная О) определяется необходимость перезаписи переменной и.. Если перезапись необходима, то в зависимости от значения Ь переменной и. присваивается одно из следующих значений:

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

если b < —0,5 то u=n +1; если b > 0,5 то u=n — 1; если —0,5 <b < 0,5 то u = u-1.

Далее производится перевод относительных выходных значений блок-схемы в абсолютные путем домножения ut и yt на ф0.

Для исследования и сравнительного анализа работы вышерассмотренных блоков ИЧФД разработана компьютерная структурная схема, представленная на рис. 4.

Блок «Sine Wave» служит для формирования синусоидального сигнала; блок «Ramp» — для задания линейно нарастающего сигнала; блок «Product» осуществляет перемножение двух сигналов и формирует выходной сигнал с линейно нарастающей амплитудой колебаний (рис. 5а); в блоке nel 1 реализована компьютерная модель ИЧФД на основе блок-схемы (рис. 2) с использованием S-функции; в блоке nel 2 реализована компьютерная модель ИЧФД на основе разработанной блок-схемы (рис. 3); блок «Scope» служит для построения временных диаграмм сигналов.

Частота и амплитуда блока «Sine Wave», параметры блока «Ramp» заданы таким образом, чтобы рабочая точка на фазовом портрете проходила поочередно по всем возможным траекториям пяти ближайших участков характеристики нелинейности, что необходимо для построения характеристики НЭ и оценки её адекватности исходной характеристики (рис. 1).

Моделирование проводилось при следующих параметрах: z = 4800, время расчета i =0,1 с, шаг расчета t' = 10-5 с, блок «Sine Wave» (частота /= 200 Гц, амплитуда U=1 вольт), блок «Ramp» (напряжения изменяется от нуля до 0,5 со скоростью 0,05 В/с).

Полученные в результате моделирования временные диаграммы и фазовые портреты (рис. 5б и 5в) работы блоков ИЧФД, реализованных на основе S-функции и M-функции, полностью идентичны, при этом фазовые портреты соответствуют исходной характеристике НЭ (рис. 1). Однако проведенные исследования показали более высокое быстродействие работы предложенной компьютерной модели по сравне-

нию с известной (как минимум на порядок), за счет того, что при реализации блок-схемы (рис. 2) с использованием S-функции из одного цикла в последующий передаются значения трёх переменных (хм, ум, nM), расположенных на жёстком диске компьютера, а в предлагаемой блок-схеме записывается значение одной переменной (UM) в оперативную память компьютера, что значительно сокращает время работы программы.

Полученные в статье результаты могут быть использованы при моделировании и проектировании прецизионных электроприводов с фазовой синхронизацией.

Библиографичесикй список

1, Трахтенберг, Р.М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением / Р.М, Трахтенберг. — М.: Энергоиздат, 1982, — 168 с,

2, Бубнов, А.В. Математическая модель логического устройства сравнения для электропривода с фазовой синхронизацией / А, В, Бубнов // Электричество,—М,: ЗАО «Знак», 2005, — № 5,— C, 27-31,

3, Бубнов, А,В, Моделирование электропривода с фазовой синхронизацией в Matlab-Simulink / А.В. Бубнов, П,А, Катрич // — Известия Томского политехнического университета — Томск : Издательство ТПУ, 2006,—Том 309, — № 3. — C. 165 — 170,

4, Катрич, П.А Блок «Многозначная нелинейность»/П,А Катрич, А, С, Игнатов, — М.: ВНТИЦ, 2005, — №50200501804,

БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», заведующий секцией «Промышленная электроника».

ЧУДИНОВ Александр Николаевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника». ЕМАШОВ Василий Алексеевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», секция «Промышленная электроника».

Адрес для переписки: e-mail: footballmaster@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 27.05.2010 г.

© А. В. Бубнов, А. Н. Чудинов, В. А. Емашов

Книжная полка

621.311/П79

Проектирование источников электропитания электронной аппаратуры [Текст]: учеб. пособие для вузов по специальностям 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»... / О. К. Березин [и др.]; под ред. В. А. Шахнова.-4-е изд., перераб. и доп.-М.: КНОРУС, 2010.-532 с.: рис., табл.-Библиогр.: с. 529-530.-ISBN 978-5-406-00230-8.

Рассмотрены вопросы схемотехнического и конструкторского проектирования низковольтных и высоковольтных источников электропитания электронной аппаратуры различного назначения, а также их особенности, определяемые характеристиками систем автономного электроснабжения, характером нагрузки и условиями эксплуатации. Приведены справочные данные для курсового и дипломного проектирования. Четвертое издание дополнено результатами исследований и разработок источников электропитания на базе полевых и биполярных транзисторов с изолированным затвором, примерами расчетов.

621.311/Г51

Гиршин, С. С. Методы расчета и оптимизация режимов электроэнергетических систем [Текст]: конспект лекций / С. С. Гиршин, Л. В. Владимиров; ОмГТУ.-Омск, 2010.-47 с.: рис.-Библиогр.: с. 47.

В конспекте лекций изложены методы расчета установившихся режимов электрических систем, включая несимметричные и несинусоидальные режимы. Рассмотрены задачи оптимизации режимов по различным критериям. Даны основные принципы управления режимами.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.