CC BY
12УДК 621.316.722
ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПО БАЛАНСУ НЕОБХОДИМОЙ И НАКОПЛЕННОЙ
В СИСТЕМЕ ЭНЕРГИИ
И. С. Костарев, А. Ф. Лекарев
АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в E-mail: [email protected]
Рассматривается преобразователь напряжения с широтно-импульсной модуляцией и управляющим воздействием по балансу необходимой и накопленной в LC-фильтре энергии, используемый в комплексах автоматики и стабилизации пилотируемых космических аппаратов. Показана эффективность формирования адаптивного пилообразного сигнала.
Ключевые слова: энергетический баланс, широтно-импульсная модуляция, стабильность, преобразователь напряжения.
OPTIMIZATION OF CONTROL ON THE BALANCE OF THE NECESSARY AND ACCUMULATED IN THE SYSTEM OF ENERGY
I. S. Kostarev, А. F. Lekarev
JSC "Scientific & Industrial СеШхе "Polyus" 56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected]
We consider a voltage converter with pulse-width modulation and control action on the balance of the necessary and accumulated in the LC-filter energy, used in the automation and stabilization complexes of manned spacecraft. The efficiency offormation of an adaptive sawtooth signal is shown.
Keywords: energy balance, pulse-width modulation, stability, voltage converter.
Выполнение высоких требований к тактико- ной модуляцией [2], однако при этом появляется нетехническим характеристикам космических аппаратов значительная статическая ошибка выходного напря-связано с необходимостью совершенствования систем жения, зависящая от значения напряжения питания, управления, входящих в состав систем электропита- Эффективный способ снижения чувствительности ния. Одним из перспективных направлений при про- к изменению напряжения питания - смещение пило-ектировании систем управления с максимальным бы- образного сигнала пропорционально произведению стродействием или минимальным временем переход- амплитуды пилообразного сигнала и отношения за-ного процесса комплексов автоматики и стабилизации данного выходного напряжения к напряжения пита-напряжения пилотируемых аппаратов является фор- ния [3; 4] в соответствии с выражением мирование управляющего воздействия по балансу i t и
необходимой и накопленной в системе энергии. ^ = Ар I — _ I , (1)
Так, переключение ключевого элемента импульс- 1 п п '
ного преобразователя напряжения осуществляется по где Ар - амплитуда пилообразного сигнала; г - время
смене знака баланса между текущим значением внут- работы; Тп - длительность периода модуляции; Ц -
ренней энергии, запасенной непрерывной частью пре- выходное напряжение; Ц - напряжение питания. образователя (¿С-фильтром), и значением энергии Реализация этого решения показана на структур-
!С-фильтра при заданном выходном напряжении [1]. ной схеме преобразователя напряжения (рис. 1) с за-
Благодаря этому возможно создание высокоточных коном управления
стабильных систем с максимальным быстродействием Fу = Еэ + Ур;
и низкой чувствительностью к изменению внутренних 2 . . 2 /\\2 / /\
и внешних параметров. Вместе с тем такое переклю- ^ = Цн (г/- Ц°п + С ( Ь (г' 'н (г'' (г'ь (г'- 'н (г''; чение происходит в широком диапазоне частот ком- ( ^ ц \
мутации (пропорциональном квадратам тока нагрузки ^ = Ар \—--тн I; (2)
T U
V п п у
1 при tc < t < tK
и напряжения), что является основным препятствием его применения. F = <
Решить проблему стабилизации частоты коммута- к [0 при гк < г < гс + Тп. ции ключевого элемента можно управлением по энер- г
гетическому балансу в системе с широтно-импульс- где 1к при Fу =0, Fу >0.
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
Здесь - управляющий сигнал; - сигнал, пропорциональный текущему значению энергетического баланса системы; Ь, С - индуктивность дросселя и емкость конденсатора ЬС-фильтра; - выходное напряжение; иоп - заданное выходное напряжение;
- ток дросселя; /н(0 - ток нагрузки; sgn(iL(t) - ¡н(ф - знак тока конденсатора (определяет знак пульсирующей составляющей энергии дросселя);
и2г2
7р - пилообразный сигнал; Ар > ^С^ ~ амплитуда
пилообразного сигнала; - сигнал, управляющий состоянием ключевого элемента; /с - момент синхронизации; - момент выключения ключевого элемента, определяемый наименьшим положитель-
ным корнем уравнения = 0 на периоде модуляции.
Результаты исследования работы преобразователей по схеме [2] и предложенной схеме рис. 1 при воздействии синусоидальной помехи частотой 200 Гц и амплитудой 20 В в цепи питания напряжением 60 В и синусоидальной помехи частотой 200 Гц и амплитудой 10 А при токе нагрузки 15 А представлены на рис. 2.
В преобразователе по рис. 1 указанные помехи вызывают незначительные колебания выходного напряжения 5-10 мВ (соизмеримы с амплитудой пульсации на периоде коммутации) при частоте широтно-импульсной модуляции 50 кГц и параметрах сглаживающего фильтра С = 1 000 мкФ, Ь = 100 мкГн.
Рис. 1. Схема преобразователя напряжения: ГПН - генератор пилообразного сигнала 7р формируемого в соответствии с выражением (1); Е - формирователь сигнала энергетического баланса К - формирователь управляющего сигнала Ес - синхронизирующий сигнал; Т - триггер, формирующий переключающий сигнал
Рис. 2. Влияние помех: а - по цепи питания; б - по цепи нагрузки
а
б
Соответственно в преобразователе [2] с управлением без смещения пилообразного сигнала колебания выходного напряжения достигают 25-35 мВ (см. рис. 2).
Таким образом, для оптимизации управления по балансу необходимой и накопленной энергии комплексов автоматики и стабилизации предлагается:
- для уменьшения статической ошибки от изменения значения напряжения питания или выходного напряжения формировать пилообразный сигнал со смещением, пропорциональным произведения амплитуды пилообразного сигнала на отношение заданного выходного напряжения к напряжения питания;
- использовать управление с широтно-импульсной модуляцией на основе баланса между текущим значением внутренней (запасенной системой) энергии и ее значением в заданном режиме, что позволит создавать высокоточные стабильные системы с высоким быстродействием и низкой чувствительностью к изменению внутренних и внешних параметров.
Библиографические ссылки
1. Казанцев Ю. М., Лекарев А. Ф. Формирование управления по балансу необходимой и накопленной в системе энергии // Приборы и системы. Сер. Управление, контроль, диагностика. 2009. № 5. С. 17-20.
2. Казанцев Ю. М., Лекарев А. Ф. Управление в системах с широтно-импульсной модуляцией по балансу накопленной и необходимой энергии // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 315, № 4. С. 125-130.
3. Пат. № 2497266 Российская Федерация : МПКН 02 М 3/335. Способ управления импульсным преобразователем напряжения и устройство для его
реализации / Казанцев Ю. М., Лекарев А. Ф., Гаври-лов А. М., Столяров А. Н. № 2012102541/07 ; заявл. 25.01.2012 ; опубл. 27.10.2013, Бюл. № 30. 10 с.
4. Пат. № 2630962 Российская Федерация : МПКв 05 F 1/56, G05B 13/02. Способ управления преобразователем напряжения / Гаврилов А. М., Лекарев А. Ф., Нагорный В. О. № 2016131046 ; заявл. 27.07.2016 ; опубл. 15.09.2017, Бюл. № 26. 7 с.
References
1. Kazantsev Y., Lekarev A Formirovanieuprav-leniapobalansuneobhodimoyinakoplennoyenergii [Forming control over the balance of the necessary and accumulated energy in the system] Instruments and systems. Ser. Management, control, diagnostics. 2009, No. 5, P. 17-20 (In Russ.)
2. Kazantsev Y., Lekarev A. Upravlenie v sistemah s schirotno-impulsnoy modulatciey po balansu nakoplen-noyi neobhodimoy energii [Control in systems with pulse-width modulation on the balance of accumulated and necessary energy] Izvestiya Tomsk Polytechnic University. 2009. No. 4. P. 125-130 (In Russ.).
3. Kazantsev Y. M., Lekarev A. F., Gavrilov A. M., Stolyarov A. N. Sposob upravlenia preobrazovatelem napriageniai ustroystvo dlia ego realizacii [A way to control a voltage converter and a device for its implementation]. Patent RF, No. 2497266, 2013.
4. Gavrilov A. M., Lekarev A. F., Nagornyi V. O. Sposob upravlenia preobrazovatelem napryageniya [A method for controlling a voltage converter]. Patent RF, No. 2630962, 2017.
© Костарев И. С., Лекарев А. Ф., 2018
