Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

УДК 621.3.07

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Імпульсні системи стабілізації постійної напруги з нечіткими регуляторами

Іванець Сергій Анатолійович

Київ - 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Чернігівського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Денисов Юрій Олександрович, Чернігівський державний технологічний університет, доцент кафедри промислової електроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Смирнов Володимир Сергійович, Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій МОН України, (м. Київ), завідувач кафедри радіоелектронних систем; кандидат технічних наук Захарченко Сергій Миколайович, Інститут електродинаміки НАН України, (м. Київ), науковий співробітник відділу електроживлення технологічних систем.

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” (кафедра промислової електроніки) МОН України.

Захист дисертації відбудеться „21” червня 2006 р. об 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Київ - 57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розіслано „19” травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю. М. Гориславець.

Загальна характеристика роботи

Вступ. Системи стабілізації з імпульсними перетворювачами широко застосовуються в пристроях автоматики, обчислювальної техніки, у прецизійному електроприводі, електротранспорті для стабілізації і регулювання постійної та змінної напруг, швидкості обертання електроприводів і температури. Вони мають високий ККД, широкий діапазон регулювання вихідного параметра, малі габарити і масу. Якість процесів, що протікають в імпульсних системах стабілізації напруги, залежить від специфіки перетворювача, системи керування і від специфіки реакції регулятора на різного роду збурення, що надходять з боку навантаження і мережі живлення.

Процес забезпечення якісної стабілізації та регулювання пристроїв силової електроніки складається з двох етапів - формування доцільного закону широтно- або частотно-імпульсної модуляції силового ключа і практичну реалізацію результатів оптимізації в конкретній системі. У процесі настроювання системи фахівець використовує не тільки результати теоретичних досліджень, але й покладається на власний досвід та інтуїцію. При цьому він змушений поряд зі строгою математикою використовувати і нечітку логіку, характерну для людини в процесі прийняття рішень.

Для виявлення і, найголовніше, для практичної реалізації переваг, які надаються новими принципами керування і новою елементною базою в підвищенні техніко-економічних характеристик систем стабілізації необхідно провести їх глибокі теоретичні та експериментальні дослідження. Особливу увагу варто приділити вивченню реальних можливостей, які надає застосування нечітких регуляторів у підвищенні якості стабілізації систем силової електроніки, їхньої стійкості при різких коливаннях навантаження.

Актуальність теми. Для сучасних систем стабілізації, виконаних на основі імпульсних перетворювачів постійного струму, характерні два істотних недоліки: невисока якість стабілізації при збуреннях по навантаженню і виникнення автоколивальних режимів на субгармонійних частотах. Відзначені недоліки значною мірою пояснюються відсутністю в широко застосовуваних системах стабілізації ефективного реагування на зміни рівня швидкості помилки при збуреннях по навантаженню. Наслідком дестабілізації з боку джерела живлення буде зміна рівня помилки системи, а по навантаженню - її рівня і швидкості.

Реакцію системи на швидкість помилки можливо забезпечити введенням у закон керування диференціальної складової. Однак ефект від такого рішення при різких коливаннях навантаження буде мінімальним, тому що в цьому випадку значний за рівнем сигнал диференціальної складової спотворюється нелінійними ланками системи. Крім цього, при коливаннях навантаження змінюється його постійна часу, тому регулятор, настроєний на одержання оптимальної швидкодії по керуванню, не забезпечить необхідної якості стабілізації при збуренні по навантаженню.

Задачі якісної стабілізації при збуреннях по навантаженню і підвищення субгармонійної стійкості імпульсних систем можна ефективно вирішити використовуючи нечіткий регулятор (НР). У програмі роботи нечіткого регулятора на основі аналізу та експертних оцінок існує можливість врахувати характер і рівень збурень по навантаженню і в кожному такті сформувати керуючий вплив, що забезпечує якісну стабілізацію.

Системи стабілізації постійної напруги знаходять широке застосування для живлення радіоелектронних пристроїв, пристроїв промислової автоматики, засобів зв'язку. Від якості їхньої роботи значною мірою залежить похибка перетворення і передачі інформації, точність роботи систем автоматики в промисловості. Тому задача наукових досліджень, пов'язана з підвищенням якості динамічних характеристик імпульсних систем стабілізації, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Чернігівському державному технологічному університеті по пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки України в рамках науково-дослідних робіт "Дослідження теоретичних і прикладних проблем підвищення якості електроенергії в мережі" № 55/00 (№ ДР 0100U000816) відповідно до рішення науково-експертної ради МОН України, протокол № 11 від 12.01.2000, "Дослідження теоретичних і прикладних проблем підвищення якості електроенергії в мережі" № 60/03 (№ ДР 0103U000470) відповідно до рішення науково-експертної ради МОН України, протокол № 633 від 05.11.2002. У рамках роботи № 55/00 автор розробив алгоритм роботи і систему керування перетворювачем на основі нечіткої логіки в програмованих логічних інтегральних схемах (ПЛІС). У роботі № 60/03 автор розробив алгоритм керування процесом стабілізації постійної напруги з адаптивним регулятором у ПЛІС, а також макет системи стабілізації постійної напруги з використанням принципів нечіткої логіки на базі ПЛІС.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертації є розробка методів і алгоритмів підвищення якості стабілізації електротехнічних систем із широтно-імпульсним перетворенням, зменшення нестабільності при збуренні по навантаженню, підвищення субгармонійної стійкості і швидкодії на основі використання адаптивних і нечітких регуляторів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- обґрунтування можливості підвищення якості стабілізації напруги в імпульсній системі за рахунок використання нечітких регуляторів;

- розробка оптимальної структури нечіткого регулятора для систем стабілізації постійної напруги та методу визначення його параметрів;

- розробка алгоритму роботи нечіткого регулятора і схемотехнічна реалізація його функціональних блоків;

- розробка алгоритму роботи і параметрів адаптивного регулятора з визначником зони модуляції для реалізації в системі граничної швидкодії;

- порівняльна оцінка систем стабілізації постійної напруги з різними способами включення нечіткого і звичайного регуляторів, нечіткого та адаптивного регуляторів;

- розробка експериментальних систем стабілізації постійної напруги з нечітким і адаптивним регуляторами.

Об'єктом дослідження є імпульсна система стабілізації постійної напруги з нечітким регулятором.

Предметом досліджень є процеси, що протікають у системі стабілізації постійного струму і методи настроювання нечіткого регулятора.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених у дисертації задач використовувалася теорія електричних кіл, положення фундаментальної теорії лінійних і нелінійних імпульсних систем, метод фазової площини, операторний метод, метод Z-перетворення, теорія нечітких множин, нечітка логіка, математичне і фізичне моделювання.

Математичне моделювання процесів у системі стабілізації проводилося з використанням пакетів програм MATLAB, Maple; розробка, моделювання і трасування проекту в ПЛІС - пакета MAX+PLUS II. Для одержання даних з цифрового осцилографа застосовувалося комп'ютерне програмне забезпечення WaveStar.

Наукова новизна одержаних результатів:

- одержала подальший розвиток теорія імпульсних систем стабілізації в частині збільшення їх субгармонійної стійкості і швидкодії на основі використання принципів нечіткої логіки й адаптивних регуляторів;

- вперше розроблено алгоритм визначення зони модуляції для адаптивного регулятора;

- розроблено метод настроювання нечіткого регулятора з використанням фазового портрета системи;

- вперше доведена ефективність прямого включення нечіткого регулятора у системі стабілізації постійного струму;

- обґрунтовано підвищення діапазону субгармонійної стійкості імпульсної системи стабілізації за рахунок використання коригувального включення нечіткого та адаптивного регуляторів;

- вперше розроблено метод визначення параметрів функцій приналежності і таблиця правил нечіткого регулятора для систем стабілізації.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено адаптивний регулятор з визначником зон модуляції і практично реалізовано разом з нечітким регулятором в імпульсній системі стабілізації;

- створено системи стабілізації напруги з нечіткими регуляторами, які рекомендовані для використання в розробках ВАТ "Хімтекстильмаш" та ВАТ "ЧеЗаРа";

- розроблені алгоритми роботи нечіткого й адаптивного регуляторів, експериментальні системи з нечітким регулятором використовуються в лекційних, практичних і лабораторних заняттях по курсам "Системи перетворювальної техніки", "Сучасні напрямки електроніки", а також у дипломному проектуванні на кафедрі промислової електроніки Чернігівського державного технологічного університету.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

Робота [6] написана автором самостійно. У друкованих виданнях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачу належить: у [1] - реалізація ПІД-регулятора на ПЛІС, у [2, 7] - реалізація алгоритму визначення зони модуляції, у [5] - параметри настроювання НР, у [4] - алгоритми роботи блоків нечіткого регулятора, у [3] - модель систем у пакеті MATLAB, у [8] - реалізація експериментальних макетів систем стабілізації.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародної конференції "Проблеми сучасної електротехніки" (Київ, 2004 р.), на семінарах наукової ради НАН України з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики" (Чернігів, 2001 - 2005 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено у 6 статтях (1 стаття без співавторів), опублікованих у наукових фахових виданнях ВАК України, 1 авторському свідоцтві на винахід та 1 звіті по НДР, що має державний обліковий номер.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг роботи становить 199 сторінок, у тому числі 140 сторінок основного змісту, 72 рисунки, 10 таблиць, список використаної літератури з 102 найменувань та 5 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовані актуальність та доцільність роботи, приведений зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета і задачі досліджень, викладена наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень, зазначений особистий внесок здобувача в друкованих працях зі співавторами, зазначена апробація отриманих результатів і публікацій.

У першому розділі розглянуто процеси, що виникають у навантаженні імпульсного джерела живлення, а також вимоги, що висуваються до системи стабілізації напруги. Найбільш характерними збуреннями є стрибкоподібні зміни споживаної потужності, які можуть досягати 150%. Зміна електричного опору навантаження викликає відповідні зміни її постійної часу. Від співвідношення постійної часу навантаження і періоду роботи ключа залежить рівень пульсацій вихідної напруги перетворювача, що збільшується зі зменшенням постійної часу навантаження. При проектуванні системи стабілізації напруги подібні режими роботи повинні бути враховані, інакше вихідна напруга вийде за межі зони стабілізації, що може призвести до відмови всієї системи.

Одна з основних задач при розробці систем стабілізації полягає в настроюванні регуляторів на оптимальні показники перехідних процесів, що характеризуються максимальною швидкодією і мінімальним перерегулюванням. Вибір методу оптимізації залежить від необхідних показників якості стабілізації та інерційності системи, що оцінюється по її частоті зрізу.

Існуючі методи оптимізації імпульсних систем стабілізації оперують конкретними значеннями параметрів їх окремих ланок, які в дійсності не залишаються постійними. Процес настроювання системи особливо ускладнюється, якщо навантаження змінюється в широкому діапазоні і з великою швидкістю. Крім цього, на якість настроювання впливає і специфіка системи імпульсно-фазового керування, що може призводити до виникнення коливань на субгармонійних частотах.

Використання нечіткого регулятора (НР) в системі дозволяє помітно збільшити її запас стійкості, підвищити коефіцієнт підсилення і у підсумку - підвищити її швидкодію та точність, а застосування нечітких регуляторів, що працюють разом зі звичайними регуляторами, дозволить значно підвищити динамічні показники системи. Причому в якості “звичайного регулятора” доцільно використовувати адаптивний регулятор з інтегратором, на виході якого, в силу його специфіки, малоймовірна поява стрибкоподібних сигналів високого рівня.

У результаті проведеного аналізу елементної бази для побудови систем керування було з'ясовано, що для проектування високопродуктивних цифрових систем керування, які працюють у реальному часі, необхідно використовувати програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС), що дозволяють ефективно реалізовувати адаптивний і нечіткий регулятори і гнучко змінювати конфігурацію системи керування.

У другому розділі виконаний аналіз алгоритму роботи нечіткого регулятора Мамдані та розроблені принципи його реалізації на мікросхемах ПЛІС.

У загальному випадку нечіткий регулятор складається з блоків фаззифікації, правил, логічних висновків і дефаззифікації. На вхід регулятора надходять точні значення помилки та її похідної (швидкості), що у блоці фаззифікації перетворюються в терміни вхідних лінгвістичних змінних і значення їхніх функцій приналежності. У блоці логічних висновків ці дані оброблюються з урахуванням інформації, що зберігається в блоці правил. В результаті будуть отримані терміни вихідних лінгвістичних змінних. Ці значення потім перетворюються в точний керуючий вплив у блоці дефаззифікації відповідно до методу центра мас для одноточкових множин.

Специфіка реалізації алгоритму НР у ПЛІС полягає в конвеєрній процедурі обчислення, коли результати дискретних вибірок послідовно обробляються в різних функціональних блоках НР.

При реалізації блоку фаззифікації найбільш важливим виявляється метод визначення функцій приналежності (ФП). Для скорочення обсягу обчислень необхідно робити аналіз ФП тільки на визначеній ділянці, до якої належить значення вхідної змінної. Для цього множину Х необхідно розбити на непересічні підмножини ([-а;0), [0;a]), а для кожної з них зробити аналіз двох сусідніх ФП. Всі інші ФП на цій ділянці дорівнюють нулю. Спеціальна схема повинна за значеннями вхідних змінних визначати, до якої підмножини належить величина і значення двох термів, аналізованих у цій області. В постійному запам'ятовуючому пристрої (ПЗП) записуються значення ФП, що відповідають цим термінам при конкретному вхідному впливові. Подібний метод визначення ФП дозволяє значно скоротити обсяг пам'яті і зменшити витрати на обчислювання.

Блок правил являє собою ПЗП адресою якого є значення вхідних термінів, а виходом - відповідні вихідні терміни. Блок максимуму, що реалізує конвеєрний принцип обробки, являє собою чотири послідовно з'єднаних вузли. Кожний з вузлів реалізує наступний алгоритм: запис терма, що надходить, і значення його приналежності в регістр, порівняння записаного терма з тим, що надходить до блоку максимуму, а при збігу термів - прирівнювання до нуля меншого зі значень приналежності.

Результатом роботи блоку логічних висновків є сукупність вихідних термів і значень їхніх функцій приналежності. Перш ніж реалізувати формулу дефаззифікації вихідні терми перетворюються в координати максимумів для кожного терма, що виконується за допомогою ПЗП, входом якого є номер терма, а виходом - значення центра максимуму. Описана операція дозволяє значно скоротити розмірність оброблюваних даних, тому що для кодування термів вихідних ФП необхідно три біти, а для кодування їхніх центрів - вісім.

У третьому розділі проведене моделювання системи стабілізації постійної напруги з різними способами включення нечіткого регулятора.

Для цього спочатку за допомогою фазового портрета визначені параметри ФП і таблиця правил НР. Завдяки фазовому портрету можна побачити зв'язок не тільки між абсолютними значеннями помилки регулювання та її швидкістю на різних ділянках фазової траєкторії, але і між їхніми знаками. Фазова траєкторія, розбивається на ряд ділянок, що знаходяться в межах квадратів з відповідними значеннями лінгвістичних термінів вхідних фізичних змінних. Аналізуючи співвідношення між вхідними лінгвістичними термінами, є можливість знайти відповідні їм терміни вихідної лінгвістичної змінної і значення їхніх функцій приналежності. З урахуванням сукупності можливих термінів вихідних лінгвістичних змінних складається таблиця правил роботи нечіткого регулятора.

З фазового портрета також отримують інформацію для задання функцій приналежності. Це стосується їх максимальних значень та границь нульового терма, що повинні бути рівними амплітуді пульсацій у сталому режимі або ж перевищувати її. Положення границь залежить від співвідношення постійної часу навантаження і періоду роботи імпульсного елемента. Розширення границь нульового терма призводить до збільшення ширини зони нечутливості, а їхнє зменшення вимагає зміни таблиці правил для введення зони нечутливості.

Отримані функції приналежності і таблиця правил використовуються для моделювання системи стабілізації з різними способами включення НР.

Пряме включення НР передбачає, що вихідний сигнал нечіткого регулятора керує роботою імпульсного перетворювача. Функції приналежності вхідних змінних.

При параметричному включенні НР використовується для зміни параметрів традиційного регулятора. У роботі за допомогою нечіткого регулятора змінювався коефіцієнт підсилення П-регулятора. Параметричне включення НР не забезпечує оптимального перехідного процесу і стабільної вихідної напруги в сталому режимі, а тому не представляє інтересу для подальшого дослідження.

При коригувальному включенні нечіткого регулятора вихідний сигнал НР доповнює вихідний сигнал традиційного регулятора, коригуючи сигнал керованої величини. Спільна робота нечіткого і традиційного регуляторів припускає, що їхні вихідні сигнали складаються і вже потім подаються на схему порівняння з опорною напругою. У сумарному сигналі умовно виділимо дві ділянки: ділянка великих помилок, коли сигнали обох регуляторів максимальні на періоді опорної напруги або ж обмежені за рівнем, і ділянка малих помилок, коли вихідні сигнали регуляторів на періоді опорного сигналу не перевершують його амплітуди. У першому випадку сума сигналів обмежується на рівні максимально припустимого значення і шпаруватість наближається до одиниці. У другому ж необхідно вимикати нечіткий регулятор за рахунок зміни алгоритму його роботи, коли помилка системи входить у заданий діапазон. Це дозволить плавно блокувати вихід НР і тим самим звести до нуля його вплив у сталому режимі. У цьому випадку змінюються вихідні ФП: нульовому терму (Z) повинен відповідати нуль на виході, тому що НР повинен працювати тільки в діапазоні великих помилок та їх швидкостей. В усіх інших випадках вихідний сигнал НР необхідно звести до нуля. Це відповідає створенню в ньому зони нечутливості за рахунок зміни таблиці правил. При такому алгоритмі роботи НР сигнали регуляторів необхідно складати, а отриману суму подавати на компаратор.

Зовнішні (а) і вихід-вхід (б) характеристики стабілізатора з різними способами включення нечіткого регулятора. Очевидно, що стабілізатор із прямим включенням НР забезпечує найбільш якісну стабілізацію по навантаженню. Зовнішні характеристики звичайного стабілізатора практично ідентичні характеристикам стабілізатора з коригувальним включенням НР (криві 2). Найгірші результати мають місце при параметричному включенні НР (криві 3).

Криві областей стійкості на основній субгармоніці для звичайного стабілізатора (розрахована теоретично - крива 1, отримана на моделі - крива 2) і стабілізатора з прямим включенням нечіткого регулятора (крива 3).

По осі ординат відкладений критичний коефіцієнт підсилення, при якому система втрачає стійкість. По осі абсцис - параметр е, що для системи з RLC-навантаженням визначається за формулою:

де R_L - опір індуктивності фільтра,

Rн - опір навантаження,

L_ф, С_ф - індуктивність та ємність фільтра;

щ - частота роботи ШІП.

У четвертому розділі проведене дослідження ефективності використання коригувального включення нечіткого та адаптивного регуляторів на прикладі системи, що використовує адаптивний ПІ-регулятор, коефіцієнти настроювання якого змінюються в залежності від номера зони модуляції.

Передаточна функція приведеної безперервної частини розімкнутої імпульсної системи:

де q₁ = -Т/Т_н, q₂=q₃=0 - корені характеристичного рівняння навантаження,

А₁, А₂, А₃ - лишки для полюсів,

.

У результаті перетворень було отримано наступні передаточні функції для різних інтервалів.

Для першого інтервалу 0?е?г₁=i/N:

Для другого інтервалу г₁=i/N?е?г₂=(i+1)/N:

Для третього інтервалу г₂=(i+1)/N?е?1:

Характеристичні рівняння для різних зон модуляції мають другий порядок і можуть бути представлені в наступному вигляді: С₂(i)z²+С₁(i)z+С₀(i)=0. Для одержання процесу кінцевої тривалості, необхідно виконати умову: С₁(i)z+С₀(i)=0.

З характеристичного рівняння визначені значення коефіцієнтів C₁(i), C₀(i), при яких виконується умова отримання процесу кінцевої тривалості. У результаті одержано значення коефіцієнтів ПІ-регулятора для різних зон модуляції. Розрахункові формули для визначення коефіцієнтів П-складової регулятора наведені в табл. 1. Для розрахунку І-складової використовуються формула q₁/(e^q1 - 1).

Для реалізації адаптивного алгоритму розроблено визначник зони ШІМ. Принцип роботи пристрою заснований на тому, що при модуляції заднього фронту широтно-імпульсного сигналу значення коефіцієнтів ряду Уолша змінюються по визначеному закону і носять кусково-лінійний характер. Шляхом порівняння значень коефіцієнтів ряду між собою є можливість визначити зону модуляції сигналу. Для чотирьох функцій Уолша одержують чотири зони модуляції.

Таблиця 1. Оптимальні коефіцієнти настроювання ПІ-регулятора для різних зон модуляції

	Зона 0	Зона 1	Зона 2	Зона 3
Кп

Моделювання показало, що коригуюче включення нечіткого та адаптивного регуляторів у порівнянні з прямим включенням дозволяє підвищити інтегральний коефіцієнт стабілізації на 20 %, а область стійкості на основній субгармоніці - на 10 %. При цьому час регулювання склав 62 мкс при інтегральному коефіцієнті стабілізації 100.

У п'ятому розділі приведені результати експериментальних досліджень практичних розробок систем стабілізації з нечіткими регуляторами. Загальна структурна схема експериментального макета, де БПО - блок попередньої обробки, Р - регулятор, К - компаратор, ГПН - генератор пилкоподібної напруги, ПрК - перетворювач коду, СТіК - система тактування і керування, ШІП - широтно-імпульсний перетворювач, Н - навантаження, АЦП - аналогово-цифровий перетворювач, П - подільник напруги, Uз - код, який відповідає напрузі, що задається, Uн - напруга на навантаженні, U_П - напруга живлення ШІП. Силова частина стабілізатора містить ключ, що працює на частоті 20 кГц, LC-фільтр (L_ф=0,5 мГн, C_ф=11 мкф), зворотній діод та навантаження. Цифрова система керування виконана на ПЛІС EPF10K20TC144-4 фірми Altera.

У системі є можливість використовувати різні типи регуляторів: пропорційний, нечіткий або паралельне включення нечіткого та адаптивного регуляторів.

Нечіткий регулятор побудований по конвеєрній архітектурі. Кожні чотири такти на вхід регулятора надходять нові дані. Отже, у регуляторі одночасно на різних стадіях обробляються дані трьох або чотирьох вибірок.

Нечіткий регулятор виконує цикл обробки за 16 періодів тактової частоти (5 Мгц). У результаті порівняння розробленого регулятора з відомими реалізаціями видно, що швидкодія регулятора на ПЛІС на порядок вище, ніж швидкодія НР на сигнальних процесорах, навіть при меншій тактовій частоті. Крім цього, обробка даних у всіх НР, реалізованих на мікроконтролері, виробляється після обробки попередніх даних. У той же самий час регулятор на ПЛІС виконує конвеєрну обробку даних і дані можуть зчитуватися з давачів одночасно з обробкою попередніх даних.

Структурна схема адаптивного регулятора, де ГФУ - генератор функцій Уолша, БПУ - блок перетворення Уолша, RG - регістр для запам'ятовування коефіцієнтів ряду Уолша, ВЗМ - визначник зони модуляції, БК - блок коефіцієнтів, ПІ - ПІ-регулятор.

Адаптивний регулятор являє собою конвеєрну структуру, значення коефіцієнтів настроювання в якій змінюються один раз за період роботи силового ключа. У ГФУ формуються перші чотири функції Уолша, які у БПУ використовуються для одержання коефіцієнтів ряду Уолша і зберігаються в регістрі RG. В залежності від зони модуляції з блоку коефіцієнтів обираються значення коефіцієнтів настроювання регулятора, що відповідають номеру зони модуляції. Їх значення надходять на входи ПІ-регулятора.

Приведені зовнішні і вхід-вихід характеристики нечіткого та ПІ-регуляторів, - діапазони субгармонійної стійкості пропорційної складової регуляторів. З приведених рисунків видно, що нечіткий регулятор дозволяє в системі стабілізації одержати більш жорстку зовнішню характеристику і більш широкий діапазон субгармонійної стійкості, ніж у системі зі звичайним регулятором. стабілізація електротехнічний нечіткий регулятор

Показана реакція системи з коригуючим включенням нечіткого та адаптивного регуляторів на сходинку, з якого видно, що в цьому випадку процес закінчується в другому такті. Такий варіант спільного включення двох регуляторів є найбільш доцільним, тому що дозволяє реалізувати в системі граничну швидкодію, забезпечити високий коефіцієнт стабілізації при різких змінах навантаження в широкому діапазоні. Крім того стабілізатор з нечітким і адаптивним регуляторами дозволяє одержати високу якість стабілізації низьких вихідних напруг.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення якості стабілізації імпульсних систем стабілізації постійної напруги. Отримані нові науково обґрунтовані результати, які є істотними для подальшого розвитку теорії і практики систем керування з нечіткими регуляторами та розробки на їх основі нових систем стабілізації зі зменшеною нестабільністю при збуренні по навантаженню, підвищеною субгармонійною стійкістю та швидкодією. При цьому отримані наступні основні результати.

1. Обґрунтовано необхідність подальшого розвитку теорії і практики систем стабілізації на основі нечітких регуляторів. Отримані результати дозволяють створити нові імпульсні стабілізатори напруги з метою підвищення їх якісних показників.

2. Досліджено різні способи включення нечіткого регулятора в систему стабілізації постійної напруги і показана ефективність використання прямого керування імпульсним перетворювачем за допомогою нечіткого регулятора.

3. Встановлено, що використання коригувального включення нечіткого та адаптивного регуляторів дозволяє підвищити діапазон субгармонійної стійкості систем стабілізації, одержати більш жорстку навантажувальну характеристику стабілізатора.

4. Розроблено метод визначення параметрів функцій приналежності та таблиці правил нечіткого регулятора з використанням фазового портрета системи.

5. Показано, що використання коригувального включення нечіткого й адаптивного регуляторів дозволяє здійснювати плавне перемикання між регуляторами. Розроблений алгоритм роботи адаптивного регулятора з визначником зон модуляції дозволяє в імпульсній системі стабілізації одержати перехідний процес з граничною швидкодією.

6. Розроблено алгоритми роботи нечіткого регулятора для їх реалізації на ПЛІС, що дозволило підвищити швидкодію нечіткого регулятора у порівнянні з реалізаціями НР на мікроконтролерах та сигнальних процесорах.

7. Вірогідність і обґрунтованість наукових досліджень, висновків і рекомендацій підтверджується узгодженням теоретичних результатів з експериментальними даними і результатами моделювання.

8. Результати теоретичних досліджень, розроблені алгоритми роботи нечіткого регулятора і його параметрів рекомендовані до впровадження в розробках ВАТ "ЧеЗаРа" і ВАТ "Хімтекстильмаш". Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Чернігівського державного технологічного університету.

Перелік публікацій за темою дисертації

1. Денисов А.И., Иванец С.А. Перспективы применения программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в преобразовательной технике//Техническая электродинамика. - 2002. - № 5. - С. 28-31.

2. Денисов Ю.А., Иванец С.А. Процессы конечной длительности в системах электропитания с широтно-импульсной модуляцией//Технічна електродинаміка. - 2003. - № 2. - С.9-12.

3. Денисов Ю.А., Иванец С.А. Система стабилизации постоянного напряжения на основе нечеткой логики//Технічна електродинаміка. Темат. вип. Проблеми сучасної електротехніки. - 2004. - Ч. 2. - С. 113-118.

4. Денисов Ю.А., Иванец С.А. Фаззи-регулятор для вертикальних систем импульсно-фазового управления вентильными преобразователями// Технічна електродинаміка. - 2003. - № 3.- С. 19-24.

5. Денисов Ю.О., Іванець С.А. Фаззі-керування процесом стабілізації постійноі напруги//Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2002. -№ 15. - С. 113-117.

6. Іванець С.А. Оптимізація за швидкодією систем стабілізації на основі нечітких і адаптивних регуляторів//Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2005. - № 25.- С. 134-140.

7. Спосіб оптимізації за швидкодією системи з широтно-імпульсною модуляцією: А. с. № 8756, Україна. МКІ Н02М3/00/ Ю. О. Денисов, С. А. Іванець. - № u 2005 01596; Заявлено 21.02.2005; Опубл. 15.08.2005, Бюл. №8. - 3 с.

8. Дослідження теоретичних основ і прикладних проблем збільшення перетворювачів електроенергії з обмеженим впливом на живлячу мережу: Звіт про НДР / Чернігівський державний технологічний університет. - № ДР 0103U000470; Інв. № 0206U000470 - Чернігів, 2005. - 111 с.

Анотації

Іванець С.А. Імпульсні системи стабілізації постійної напруги з нечіткими регуляторами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена подальшому розвитку імпульсних систем стабілізації постійної напруги з нечіткими та адаптивними регуляторами.

Розроблено алгоритми роботи та схеми побудови нечіткого регулятора для реалізації його в програмованих логічних інтегральних схемах, що дозволило значно підвищити швидкодію нечіткого регулятора.

На основі фазового портрета системи розроблено методику настроювання нечіткого регулятора: отримання параметрів функцій приналежності та таблиці правил. Моделювання показало, що пряме включення нечіткого регулятора забезпечує найбільш високу якість стабілізації, збільшення діапазону субгармонійної стійкості.

Розроблено алгоритм роботи адаптивного регулятора, в якому змінюються значення коефіцієнтів в залежності від зони модуляції. Доведено, що використання паралельного включення нечіткого та адаптивного регуляторів дозволяє підвищити діапазон субгармонійної стійкості та отримати більш жорстку навантажувальну характеристику, реалізувати в системі граничну швидкодію та забезпечити високий коефіцієнт стабілізації вихідної напруги.

Ключові слова: система стабілізації, нечітка логіка, нечіткий регулятор, адаптивний регулятор, коефіцієнт стабілізації.

Иванец С.А. Импульсные системы стабилизации с нечеткими регуляторами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы". - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию теории импульсных систем стабилизации постоянного напряжения с нечеткими и адаптивными регуляторами и разработке на этой основе широтно-импульсных систем с повышенным качеством стабилизации выходного напряжения.

Анализ современного состояния динамики систем силовой электроники показывает, что для систем стабилизации, выполненных на основе импульсных преобразователей с вертикальными системами управления, характерно два существенных недостатка. Один из них состоит в том, что качество стабилизации при возмущениях по нагрузке, особенно при ее резких изменениях, невысокое, хотя при возмущениях по питанию оно может быть достаточным.

Второй недостаток связан со спецификой вертикальных систем управления преобразователями, в результате чего в выходном напряжении могут появляться автоколебания на субгармонических частотах.

Проблемы качественной стабилизации при возмущениях по нагрузке и повышения субгармонической устойчивости систем находят свое решение в результате применения нечетких регуляторов (НР). В программе работы нечеткого регулятора на основе анализа и экспертных оценок можно учесть характер и уровень возмущений по нагрузке и на каждом такте сформировать управляющее воздействие, обеспечивающее качественную стабилизацию.

Разработаны алгоритмы работы и схемы построения нечеткого регулятора для его реализации на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), что позволило значительно увеличить быстродействие нечеткого регулятора по сравнению с реализациями на микронтроллерах и сигнальных процессорах.

Нечеткий регулятор использует для работы две входные переменные - отклонение напряжения на нагрузке от заданного и первую производную от отклонения - ее скорость. На основе фазового портрета системы разработана методика настройки нечеткого регулятора, в результате чего могут быть определены параметры функций принадлежности входных переменных и таблица правил. Проведено моделирование импульсных систем стабилизации постоянного напряжения с разными способами включения нечеткого регулятора и установлено, что прямое управление импульсным преобразователем с помощью нечеткого регулятора обеспечивает наиболее высокое качество стабилизации, нечувствительность к возмущениям со стороны нагрузки и расширение диапазона субгармонической устойчивости.

На примере системы стабилизации с RL-нагрузкой проанализирован адаптивный регулятор, коэффициенты которого изменяются в зависимости от зоны широтно-импульсной модуляции. Разработан алгоритм определения зоны модуляции и схема адаптивного ПИ-регулятора, реализующего этот алгоритм. Выполнено исследование эффективности использования корректирующего включения нечеткого и адаптивного регуляторов, в результате которого выяснено, что использование корректирующего включения нечеткого и адаптивного регуляторов позволяет, по сравнению с прямым включением нечеткого регулятора, увеличить диапазон субгармонической устойчивости, получить более жесткую нагрузочную характеристику системы.

Результаты теоретических исследований и математического моделирования использованы в качестве основы для практических разработок импульсных систем стабилизации с нечеткими регуляторами. Экспериментальное исследование системы с прямым включением нечеткого регулятора подтвердило результаты моделирования, т.е. повышение диапазона субгармонической устойчивости системы, уменьшение влияния резких изменений нагрузки на выходное напряжение. Также на основе экспериментальных исследований выяснено, что параллельное включение нечеткого и ПИ-регуляторов позволяет реализовать в системе предельное быстродействие и обеспечить высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения.

Ключевые слова: система стабилизации, нечеткая логика, нечеткий регулятор, адаптивный регулятор, коэффициент стабилизации.

Ivanets S.A. Pulse systems of stabilization direct current voltage with fuzzy regulators. - Manuscript.

The dissertation for a candidate's degree on speciality 05.09.03 - electrotechnical complex and systems. - Institute of Electrodynamics of Ukrainian National Academy of Science, Kiev, 2006.

The dissertation is devoted to the further development of the theory of pulse systems of stabilization of a direct current voltage with fuzzy and adaptive regulators.

The algorithms of work and circuit of construction of a fuzzy regulator for his realization in a programmable logic devices (PLD) are developed, that has allowed considerably to increase speed of a fuzzy regulator.

On the basis of a method of the phase area the technique of adjustment of a fuzzy regulator is developed, therefore the parameters of membership functions and table of rules can be determined. The carried out modeling, that the direct inclusions of an fuzzy regulator are provided with the highest quality of stabilization, increase a range subgarmonics of stability.

The algorithm of work of an adaptive regulator is developed, in which the values of factors change depending on a zone of pulse-width modulation. As a result of modeling is found out, that use of adjusting inclusion of fuzzy and adaptive regulators allows to increase a range subgarmonics of stability and to receive more rigid load the characteristic of system, allows to realize in system limiting speed and to supply high factor of stabilization of a target voltage.

Keywords: system of stabilization, fuzzy logic, fuzzy regulator, adaptive regulator, factor of stabilization.

Размещено на Allbest.ru

...