Управление статическим преобразователем

Статические преобразователи (СП) электроэнергии классов AC/DC, DC/DC, DC/AC и AC/DC/AC, с гальванически развязанными входами и выходами представляют собой сложные многокомпонентные технические объекты, функционирующие в условиях нестабильности входных напряжений, нагрузок и других параметров внешней и внутренней среды.

Один из вариантов типовой структуры статического преобразователя класса AC/DC/AC приведен на рис.51 и включает каскады узлов канала силовой части (выделены) и каналов управления. На схеме также приведены некоторые возмущающие воздействия, способные оказывать негативное влияние на качество работы преобразователя и на параметры качества выходной электроэнергии.

Рис.51. Структура двухступенчатого СП

Применение СП на транспорте, на флоте и в авиации, то есть в «жестких» условиях эксплуатации, накладывает повышенные требования по надежности и качеству их функционирования. Для удовлетворения этих требований разработчиками и изготовителями СП предпринимаются определенные шаги не только в силовой электротехнике (применением новых электромагнитных и полупроводниковых материалов и приборов), но и в совершенствовании алгоритмов управления. Последнее тесно связано с практическим использованием разработок в области управления техническими системами на основе алгоритмов теории нечетких множеств [1…4].

Алгоритм управления выходными параметрами СП может основываться на предположении, что путем изменений значений некоторого ограниченного набора параметров (ширины импульсов отпирания силовых триодов, амплитудного значения напряжения) в пределах имеющихся диапазонов, можно получить и удерживать выходные параметры электроэнергии вблизи некоторой точки пространства состояний, удовлетворяющих заданным критериям.

Так функционируют стабилизаторы и регуляторы напряжений, токов, мощности и устройства, реализующие различные комбинации режимов работы СП в рамках контроля перечисленных параметров.

Математическое описание СП, учитывающее всю совокупность допустимых состояний объекта управления S и его режимных параметров Si имеет вид

, (1)

где - совокупность допустимых состояний преобразователя; , - множество состояний по конкретному ( -му) параметру; - коэффициент влияния (передачи) для параметра; - допустимое множество состояний конкретного параметра; - функция передачи, позволяющая однозначно определить состояние преобразователя по текущим состояниям всех параметров, включая статические и динамические характеристики.

В реальных условиях такая классическая математическая модель не может быть использована из-за того, что не все элементы системы имеют четкое математическое и достоверное представление.

Решение может быть найдено, если всю систему отнести к классу «размытых» систем, и, используя аппарат теории нечетких множеств и функции алгоритмов нечеткого управления представить ее описание в модифицированном виде

, (2)

где – являются функциями принадлежности конкретных параметров к множеству выходных состояний.

В качестве примера, рассмотрим процесс управления статическим преобразователем, работающим в режиме стабилизации выходного напряжения.

Альтернативный классическому подход к решению, с использованием аппарата теории нечетких множеств и нечеткого вывода, требует определить базу правил нечетких продукций и реализовать нечеткий вывод заключений на основе посылок или условий, представленных в форме нечетких лингвистических высказываний.

Процесс подготовки и нечеткого вывода должен содержать следующие этапы: формирование базы правил; фаззификация входных переменных; агрегирование предусловий; активизация подзаключений; аккумулирование заключений.

База правил нечетких продукций представляет собой конечное множество выражений типа

RULE_i: IF Condition_1 THEN Conclusion-I (Fi), i= [1,n] (3),

согласованных относительно используемых в них лингвистических переменных.

Здесь через F обозначены коэффициенты определенности или весовые коэффициенты соответствующих правил, принимающие значения в интервале [0,1].

Входные лингвистические переменные – температура (T), величина выходного тока (I2), величина отклонения выходного напряжения (U2),

Выходная лингвистическая переменная – ширина импульса открытия силовых ключей (G).

Для рассматриваемого алгоритма пример формулировки одного из правил базы нечетких продукций выглядит следующим образом:

- «ЕСЛИ величина выходного напряжения (U) ниже заданного допустимого уровня (Uз минимум) и величина выходного тока (I порог) не превышает критического порога и температура (T) силовых ключей в норме, ТО ширину управляющего импульса периодического отпирания силовых транзисторов (G) следует увеличить».

Аналогичным образом должны быть описаны все пункты базы правил, с учетом возможных вариантов отклонений и сочетаний входных и выходных переменных.

Кроме этого, эти правила могут быть модифицированы, при необходимости, для создания более гибких алгоритмов, учитывающих степень величины отклонения заданного параметра от «нормы».

Следующий этап - фаззификация (введение нечеткости) необходим для определения функций принадлежности термов на основе обычных (не нечетких) исходных данных – результатов измерений.

Переменная «температура» (Т) может иметь следующие состояния: нормальная и недопустимая. Вид функции принадлежности, для шкалы в диапазоне от 20 до 150°С приведен на рис. 52, а).

Переменная «величина выходного тока» (I) может иметь следующие состояния: нормальная, незначительно превышающая, значительно превышающая (рис. 2, б)).

Переменная «величина отклонения выходного напряжения (U) может принимать следующие значения: сильно отрицательная, слабо отрицательная, близкая к заданной (нормальное), слабо положительная, сильно положительная (рис. 2 в)).

Выходная переменная - «ширина импульса» (G) может принимать одно из следующих состояний (рис. 53.):

- быть равной нулю;

- оставаться без изменений;

- увеличиваться с малым шагом;

- сильно увеличиваться,

- уменьшаться с малым шагом,

- сильно уменьшаться.

Сводка правил, соответствующая рассматриваемому примеру, выглядит так.

Правило 1: ЕСЛИ «выходной ток много больше заданного порогового значения», ИЛИ ЕСЛИ «температура больше допустимой», ТО «ширина импульса должна быть нулевой».

В сокращенной записи:

Если I >> Iз2, или Если Т > Tд,

то G =0

и далее,

Правило 2: Если I > Iз1, то G <

Правило 3: Если U << Uз, то G >>

Правило 4: Если U < Uз, то G >

Правило 5: Если U == Uз, то G const

Правило 6: Если U > Uз, то G <

Правило 7: Если U >> Uз, то G <<,

где символами «>», «>>», «<<», «<» обозначены операции увеличения или уменьшения значения переменной.

Рис. 53. Состояния выходной переменной системы регулирования.

Реализация алгоритма нечеткого вывода средствами встроенного в СП микроконтроллера заключается в следующем:

Каждому значению контролируемых параметров ставится в соответствие численное значение из таблиц функций принадлежности («Фаззификация»). Операция выполняется в десятки раз быстрее чем происходит измерение входной величины.

определяются степени (количественные значения) истинности условий по каждому правилу системы нечеткого вывода («Агрегирование»). Операция выполняется, также табличным методом.

определяются степени истинности для каждого подзаключения, с учетом задаваемых, для каждого правила, весовых коэффициентов Fi («Активизация»)

определяется функция принадлежности по выходной переменной («Аккумуляция»).

определение необходиомого значения (в данном случае - состояния) выходной переменной – кода, соответсвующего ширине управляющих импульсов («Дефаззификация»- приведение к четкости) При использовании метода центра тяжести для одноточечных множеств данная операция может сводиться к простому условному переходу в одно из семи допустимых состояний для переменной. Минимальное время исполнения данной процедуры достигается применением операторов аналогичных оператору «case» в зыке «Си» и составляет не более 4 тактов.

Изложенное позволяет сделать следующие выводы о том, что реализация алгоритмов «нечетких выводов» средствами микроконтроллеров возможна и весьма эффективна по технико-экономиче­ским показателям. Для этого требуется подготовить и «прошить» в память контроллера не только последовательность операций (алгоритм), но и таблицы, содержащие численные значения функций принадлежности по каждому параметру, значения весовых коэффициентов для правил «нечеткого вывода».