СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для систем с нелинейной импульсной и линейной непрерывной частью любого порядка выше нулевого, может найти широкое применение в управлении электроприводами, регулируемыми источниками питания и другими техническими устройствами.

Известны способы управления, в которых выделяют сигнал ошибки как разность выходного сигнала системы и сигнала задания, формируют пилообразный сигнал с постоянной амплитудой, управляющий сигнал, переключающий импульсный элемент, формируют из суммы сигнала ошибки и пилообразного сигнала [1-3].

Недостаток известных способов заключается в том, что изменение входного напряжения приводит к изменению коэффициента передачи прямой цепи, что ухудшает помехоустойчивость системы, кроме того, ошибка на выходе системы зависит от входного напряжения и нагрузки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что выделяют сигнал ошибки как разность выходного сигнала системы и сигнала задания, формируют пилообразный сигнал с амплитудой, пропорциональной разности напряжений, поступающих на вход непрерывной части системы до и после коммутации ключевого элемента, управляющий сигнал, переключающий импульсный элемент, формируют из суммы сигнала ошибки и пилообразного сигнала [4].

Недостаток известного способа заключается в том, что ошибка на выходе системы зависит от напряжения питания и нагрузки.

Цель изобретения состоит в уменьшении статической ошибки.

Это достигается тем, что при способе управления с широтно-импульсным регулированием, заключающемся в том, что выделяют сигнал ошибки как разность выходного сигнала системы и сигнала задания, формируют пилообразный сигнал с амплитудой, пропорциональной разности напряжений, поступающих на вход непрерывной части системы до и после коммутации ключевого элемента, формируют управляющий сигнал, переключающий ключевой элемент, кроме того, дополнительно формируют сигнал смещения, пропорциональный напряжению на индуктивности непрерывной части системы для режимов после коммутации ключевого элемента, управляющий сигнал формируют из суммы сигнала ошибки, пилообразного сигнала и сигнала смещения.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый способ управления основан на использовании для управления с широтно-импульсным регулированием пилообразного сигнала, который формируется непосредственно по критерию равенства нулю в установившемся режиме среднего за период повторения импульсов значения напряжения на индуктивности непрерывной части системы. При этом в окрестностях установившегося режима к моменту переключения ключевого элемента значение пилообразного сигнала становится равным нулю, что обеспечивает переключение ключевого элемента при отсутствии статической ошибки.

В системах с широтно-импульсным регулированием непрерывная часть обладает свойствами фильтра, следовательно, можно выделить индуктивность в цепи непрерывной части. Управление системой предлагается осуществлять по критерию равенства нулю в установившемся режиме среднего за период повторения импульсов напряжения на этой индуктивности по уравнению

Если в качестве сигнала развертки принять текущее значение U_Lcp(t), то после простых преобразований (1), приняв на интервалах коммутации импульсного элемента напряжения U1_L, U2_L постоянными, ввиду незначительного их изменения за период повторения импульсов и на основе теоремы о среднем [5], получаем закон управления вида


где х= U_вых-U_оп - сигнал ошибки, U_вых - выходной сигнал, U_оп - сигнал задания, U1_L= U1_вх-UL_вых и U2_L= U2_вх-Ul_вых - напряжение на индуктивности непрерывной части до и после коммутации импульсного элемента, U1_вх и U2_вх - напряжения на входе непрерывной части до и после коммутации импульсного элемента, UL_вых - напряжение на выходе индуктивности непрерывной части, t_k - моменты коммутации импульсного элемента, определяемые наименьшим положительным корнем уравнения F(t)= 0 при U1_вх>U2_вх (в момент коммутации импульсного элемента отключается напряжение U1_вх и подключается напряжение U2_вх) и наименьшим по модулю отрицательным корнем уравнения F(t)=0 при U1_вх<U2_вх, t_c - моменты синхронизации (возвращения импульсного элемента в исходное состояние), Т - период повторения импульсов, VT(F, t) - состояние импульсного элемента (VT= 1 подключено напряжение U1_вх, VT=0 подключено напряжение U2_вх), К_с - коэффициент связи, минимальное значение которого определяется по условию устойчивости колебаний на частоте синхронизации в стационарных режимах [6].

Согласно (1) соответствующее переключение импульсного элемента в установившемся режиме должно происходить при U_Lcp(t)=0. При этом предельный цикл, определяемый пульсирующей составляющей выходного сигнала системы, устанавливается таким образом, что х(t_k)=0, а среднее за период повторения импульсов значение сигнала ошибки х₀ может быть смещено относительно нуля на величину, не превышающую половины размаха пульсаций
x_o≤0,5(x₁-x₂)(γ-(1-γ)),
где γ - коэффициент заполнения импульса.

Систему можно рассматривать как релейную с уровнем гистерезиса, изменяемым так, что соответствующее переключение по состоянию совпадает с моментом синхронизации. Равенство x(t_k)=0 означает, что во всем диапазоне регулирования система инвариантна к возмущению по напряжению питания.

На фиг.1 представлена схема системы с широтно-импульсным регулированием, реализующей предлагаемый способ управления; на фиг.2 - предельный цикл в установившемся режиме при работе системы по предлагаемому способу управления.

Устройство для управления системой с широтно-импульсным регулированием, выполненное согласно предложенному способу управления (фиг.1), содержит ключевой элемент 1, непрерывную часть 2 с выделенной индуктивностью 3, три узла сравнения 4-6, сумматор 8, интегратор 7, RS - триггер 9, элемент 1 имеет два входа и один выход, первый вход элемента 1 соединен с входом U1_вх системы, второй вход элемента 1 соединен с входом U2_вx системы, непрерывная часть 2 имеет вход, соединенный с выходом элемента 1, и два выхода, один соединен с выходом системы U_вых, другой - с выходом UL_вых, выделенная индуктивность 3 в силовой цепи непрерывной части 2 соединена одним выводом с входом непрерывной части 2, второй вывод индуктивности 3 соединен с выходом UL_вых непрерывной части 2, узел сравнения 4 имеет два входа - прямой и инверсный, прямой вход узла сравнения 4 соединен с выходом системы U_вых, инверсный вход узла сравнения 4 соединен с шиной задания U_оп, узел сравнения 5 имеет два входа - прямой и инверсный, прямой вход узла сравнения 5 соединен с входом системы U2_вх, инверсный вход узла сравнения 5 соединен с выходом UL_вых непрерывной части 2, узел сравнения 6 имеет два входа - прямой и инверсный, прямой вход узла сравнения 6 соединен с входом системы U1_вх, инверсный вход узла сравнения 6 соединен с входом системы U2_вх, выход узла сравнения 6 соединен с аналоговым входом интегратора 7, управляющий вход интегратора 7 соединен с шиной синхронизации U_синх, выход интегратора 7 - U_p, выход узла сравнения 4 - х и выход узла сравнения 5 - U2_L соединены с входами сумматора 8, R - вход RS-триггера 9 соединен с шиной синхронизации U_синх, S - вход RS-триггера 9 соединен с выходом сумматора 8, выход RS-триггера 9 соединен с управляющим входом элемента 1.

Устройство работает следующим образом: на выходе узла сравнения 4 формируется сигнал ошибки х=U_вых-U_оп, на выходе узла сравнения 5 формируется сигнал, пропорциональный падению напряжения на индуктивности 3 непрерывной части 2 для режимов после коммутации ключевого элемента 1 U2_L=U2_вх-UL_вых, на выходе интегратора 7 формируется пилообразный сигнал с амплитудой, пропорциональной разности напряжений, поступающих на вход непрерывной части 2 системы до и после коммутации ключевого элемента 1

при этом на выходе RS-триггера 9 из выходного сигнала сумматора 8 формируется управляющий сигнал, который управляет состоянием элемента 1 в соответствии с законом управления (2).

В предложенном способе управления с широтно-импульсным регулированием во всем диапазоне регулирования в установившемся режиме коммутация импульсного элемента происходит при U_Lcp (t)=0. При этом предельный цикл (фиг.2), определяемый пульсирующей составляющей выходной координаты, устанавливается таким образом, что x(t_k)=0, а среднее за период пульсации значение сигнала ошибки x₀ может быть смещено относительно нуля на величину, не превышающую половины размаха пульсаций.

Литература
1. Теория систем с переменной структурой. Под ред. Емельянова С.В. - М.: Наука. 1970.

2. Теория систем с переменной структурой. Под ред. Топчеева Ю.И. - М.: Машиностроение. 1986.

3. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. Учебн. Пособие. - М.: Наука. 1988.

4. Гришанин Ю.С., Головацкий В.А., Юрченко А.И. Импульсные стабилизаторы напряжения с комбинированным координатно-параметрическим управлением //ЭТВА, 1984, вып.15, с.35-43.

5. Смирнов В.И. Курс высшей математики. - М.: Наука, 1974. - Т.1.

6. Белов Г. А. Расследование колебаний в импульсном стабилизаторе напряжения вблизи границы устойчивости //Электричество. 1990. 9. С.44-51.

Изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для систем с нелинейной импульсной и линейной непрерывной частью любого порядка выше нулевого, может найти широкое применение в управлении электроприводами, регулируемыми источниками питания и другими техническими устройствами. Технический результат состоит в уменьшении статической ошибки. Сущность изобретения: предлагаемый способ управления основан на использовании для управления с широтно-импульсным регулированием критерия равенства нулю в установившемся режиме среднего за период повторения импульсов значения напряжения на индуктивности непрерывной части системы. При этом в окрестностях установившегося режима обеспечивается переключение ключевого элемента при отсутствии статической ошибки. 2 ил.

Способ управления с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что выделяют сигнал ошибки как разность выходного сигнала системы и сигнала задания, формируют пилообразный сигнал с амплитудой, пропорциональной разности напряжений, поступающих на вход обладающей свойствами фильтра непрерывной части системы с выделенной индуктивностью до и после коммутации ключевого элемента, сигнал, переключающий ключевой элемент, формируют из управляющего сигнала, отличающийся тем, что дополнительно формируют сигнал смещения, пропорциональный напряжению на индуктивности упомянутой непрерывной части системы для режимов после коммутации ключевого элемента, а управляющий сигнал формируют из суммы сигнала ошибки, пилообразного сигнала и сигнала смещения.