Лукашенко Андрій Германович. Удосконалення методів, моделей елементів та пристроїв локальних підсистем керування для рішення траєкторних задач

Краткое описание

Лукашенко Андрій Германович. Удосконалення методів, моделей елементів та пристроїв локальних підсистем керування для рішення траєкторних задач : дис... канд. техн. наук: 05.13.05 / Черкаський держ. технологічний ун-т. - Черкаси, 2005.

Лукашенко А.Г. Удосконалення методів, моделей елементів та пристроїв локальних підсистем керування для рішення траєкторних задач. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2005.
Удосконалені методи керування електричними перетворювачами, метод вимірювання струму навантаження мостового інвертора, які відзначаються високою надійністю за рахунок виключення наскрізних струмів, високою точністю завдяки виключенню впливу флуктуації нульового рівня, «вирізанню» помилкових імпульсів, що з'являються на вимірювальних елементах при перемиканні ланцюга струму навантаження. Запропонована математична модель, яка дозволяє формувати керуюче вихідне значення напруги датчика струму. На її основі розроблені образно-знакові моделі датчиків струму навантаження з високими точністю, надійністю і для різноманітних законів режиму комутації. Розроблені високоточні моделі перемножування аналогових і гібридних сигналів завдяки зменшенню динамічної похибки та модель формувача прецизійних значень континуальних функцій при використанні таблично-адитивного методу, яка має просту конструкцію.

Запропоновані методи, моделі елементів створюють можливість підвищити точнісні, експлуатаційні показники пристроїв управління, що використовуються в промисловості, космонавтиці, а також в спеціалізованих локальних підсистемах керування промислової електроніки та обчислювально-вимірювальних комплексів.
В роботі одержані такі основні результати.
1. Нові наукові результати:
Розроблений метод керування мостовим інвертором з регульованим струмом навантаження, побудований за математично обґрунтованим принципом формування управляючих імпульсів для симетричного режиму комутації з частотою формованого струму w>wгр(wгр гранична частота, що характеризує фільтруючі властивості обмотки керованого електродвигуна). Відмітною рисою цього методу є висока точність, обумовлена формуванням спектрів корисного сигналу і перешкоди, що не перекриваються. Експериментально підтверджено, що пристрій, який реалізує цей метод, має частоту керування ключами мостового інвертора майже на два порядки більшу ніж wгр. Це забезпечує мінімальну середньоквадратичну похибку фільтрування.
Удосконалено метод керування мостовим інвертором, відмітною рисою якого є підвищена точність формування струму навантаження мостового інвертування. За рахунок введення додаткових фіксованих рівнів зменшується зсув середнього струму в навантаженні, що приводить до зменшення систематичної помилки відтворення струму задання в 1,5-2 рази. Керуючі сигнали для симетричного режиму роботи всіх ключів мостового інвертора формуються за сукупністю таких прийомів: визначення величини відстані між значеннями дійсного та заданого струмів; визначення області належності миттєвого дійсного струму (додатної, від’ємної або навколо нуля); формування інтервалу часу між вимиканням ключів однієї діагоналі і вмиканням іншої, що виключає можливість появи наскрізних струмів через послідовне з'єднання відповідних ключів і тому підвищується надійність локальної підсистеми керування в цілому.
Розроблений метод вимірювання струму навантаження мостового інвертора, відмітною особливістю якого є підвищення точності завдяки «вирізанню» помилкових імпульсів. Метод ґрунтується на вимірі струму навантаження за різницею вихідних напруг одного з вимірювальних елементів; фіксації значення вимірюваного струму у момент початку перемикання ланцюга протікання струму навантаження в мостовому інверторі та використанні зафіксованого значення струму як оцінки струму навантаження протягом всього часу перемикання ланцюга протікання струму. Виграш у співвідношенні сигнал/перешкода становить (Т/t) разів, де Т інтервал часу процесу вимірювання; t тривалість фіксуючого імпульсу.
Розроблені чотири моделі датчиків струму навантаження мостового інвертора: перша і друга - розроблені на основі запропонованої математичної моделі для вихідного керуючого сигналу. Відмітною рисою цих датчиків струму є підвищення точності вимірювання струму навантаження в області малих значень струмів при несиметричному режимі комутації ключів мостового інвертора. Своєчасні зміни коефіцієнта передачі по неінвертуючому входу суматора виключають проходження інформації при протіканні струму навантаження одночасно по обох вимірювальних елементах, що збільшує точність результату вимірювання майже в два рази. Другий датчик вдосконалений щодо першого і дозволяє вимірювати струм навантаження як при симетричному, так і при несиметричному режимах комутації ключів мостового інвертора, при цьому точність підвищується і за рахунок безпосереднього визначення розподілу дійсного струму навантаження по вимірювальних елементах.
Третій і четвертий датчики струму здійснюють вимірювання струму навантаження при симетричному режимі комутації ключів мостового інвертора і побудовані з урахуванням запропонованих математичних моделей умов формування значення напруги на виході джерела опорної напруги, при реалізації яких підвищуються надійність і точність вимірювання струму навантаження при симетричному режимі комутації, оскільки виключається протікання наскрізного струму. Четвертий датчик струму вдосконалений і забезпечує вимірювання у розширеному режимі керування ключами мостового інвертора. Датчики струму випробовувалися у складі регульованого джерела струму. При напрузі живлення 150В, індуктивності навантаження 20 мГн, в діапазоні від мінус 10 А до плюс 10 А, частота формованого струму 12 кГц, максимальна частота струму завдання 300Гц. Одержана похибка вимірювання струму 0,1%.
Розроблений метод підвищення точності перемножування аналогових сигналів, який побудовано за такими ознаками: співвідношення ефективної смуги пропускання фільтра нижніх частот і спектральної характеристики корисного сигналу перемножування; співвідношення граничної частоти фільтра нижніх частот і формування значення знакозмінної несучої частоти; операція віднімання статичної перешкоди; алгоритм, який передбачає вимірювання, запам'ятовування і віднімання похибки перемножування. При цьому засобом реалізації цього методу є розроблена модель перемножувача для аналогових сигналів. Відмітною особливістю перемножувача є збільшення точності перемножування за рахунок використовування модулятора з високою несучою частотою; керованого перемикача з пам'яттю; усереднюючого суматора з широкою смугою пропускання. Оригінальне рішення схемотехніки дозволяє вимірювати, запам'ятовувати і віднімати статичну похибку, відфільтрувати перешкоди перемножування, зменшити динамічну похибку за рахунок можливості збільшення смуги пропускання ФНЧ в 2 рази.
Побудована модель перемножувача гібридних сигналів, відмітною рисою якої є висока швидкість перерозподілу зарядів завдяки формуванню високого потенціалу і мала потужність споживання (не більше 100 мкВт на одну n-розрядну комірку при Т=297К) за рахунок імпульсного живлення.
Розроблена модель формувача значень континуальних функцій, побудована на базі таблично-адитивного методу реалізації, відмітними рисами якої є: скорочення об'єму таблиць для коректуючих і управляючих констант при формуванні прецизійних значень функцій (наприклад, для реалізації з похибкою 0,003% об'єм таблиць зменшується більш ніж в 200 разів порівняно з класичним табличним методом); простий алгоритм реалізації при збереженні прецизійності, обумовлений формуванням значення функції як суперпозиції фіксованої і трансформованої по цілих степенях двійки стабілізованої незалежної змінної, адекватної вхідної інформації аргументу та уставки, яка вибрана під час дії імпульсу керування; використовування стабілізованої вхідної незалежної змінної у формувача, що забезпечує зменшення інструментальної похибки; а виключення впливу порогової напруги сприяє зменшенню динамічної похибки при відтворенні значення функції.
Наукова й інженерно-технічна новизна підтверджена патентами Україні та Росії з проведеним експериментом по суті.
2. Практична значимість одержаних результатів полягає в такому.
На основі наукових досліджень розроблені нові інженерні рішення, які знайшли застосування при проектуванні локальних підсистем керування: прості схеми датчиків вимірювання струму навантаження мостових інверторів, які використовуються в ланцюзі зворотного зв'язку по струму в обмотках керованих двигунів, що дозволяє підвищити точність управління і надійність функціонування; структурні й принципові схеми перемножувачів аналогових і гібридних сигналів, формувачів континуальних функцій, які реалізуються за мікроелектронною технологією, підвищують надійність на 3-4 порядки; методика розрахунку значень уставок і вагових коефіцієнтів для формування значень континуальних функцій, яка дозволяє скоротити час при проектуванні локальних підсистем керування.
3. Результати дисертаційних розробок і дослідженьзнайшли впровадження в промисловості України (НВО «РОТОР», ЧПКП «ІНЕКС», м. Черкаси), а також в навчальному процесі в дисциплінах «Фізичні процеси в приладах та системах» і «Оптимізація прийняття рішень в техніці» при підготовці бакалаврів, спеціалістів і магістрів Черкаського державного технологічного університету.