Автоматизация экспериментальных исследований динамики импульсных систем преобразования энергии

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011 г. Выпуск 3 (22). С. 123-127

УДК 681.518.54

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

А. В. Моновская, Е. А. Годовников Введение

Импульсный способ преобразования энергии является одним из наиболее энергоэффективных. Однако проблема возникновения аварийных ситуаций при функционировании импульсных систем преобразования энергии (ИСПЭ) [1-3], обусловленных нелинейными явлениями, потребует формирования принципиально новых методов их предотвращения.

Как вариант решения проблемы существует применение методов превентивной диагностики динамики ИСПЭ. Один из перспективных подходов к решению этой задачи предложен в рамках методологии символического прогнозирования динамики ИСПЭ [4]. Основное преимущество этой методологии - это возможность распознания направления эволюции динамики в ходе переходного процесса в режиме реального времени. Данная постановка задачи практически не рассматривается в современных методах идентификации [5-7]. На практике внедрение новых алгоритмов в системы управления ИСПЭ с использованием этой методологии только начинает рассматриваться. В этой связи возникает потребность в проведении больших объемов экспериментальных исследований.

Анализ литературы показывает, что традиционно используемые для проведения научных исследований экспериментальные установки обладают недостаточными функциональными возможностями. Для выхода из указанной проблемной ситуации необходимо проектирование и разработка автоматизированной системы научных исследований с существенно расширенными функциональными возможностями, формирование соответствующих алгоритмов, программ и методик для исследования нелинейных динамических процессов, а также алгоритмов идентификации и прогнозирования нелинейной динамики ИСПЭ. В статье представлена автоматизированная система экспериментальных исследований (АСЭИ) «Импульсный преобразователь напряжения ОС-ОС».

АСЭИ «Импульсный преобразователь напряжения БС-ОС»

АСЭИ предназначена для комплексного исследования нелинейной динамики ИСПЭ и позволяет проводить исследование стационарных процессов, бифуркационный анализ, исследование переходных процессов, а также исследование алгоритмов идентификации и прогнозирования динамики в режиме реального времени. В этой связи в АСЭИ предусмотрена функциональная избыточность, связанная, в том числе, с наличием множества регулируемых параметров, организацией многоконтурных потоков данных между блоками и централизованным хранением результатов экспериментальных исследований. Функциональная схема АСЭИ (рис. 1) состоит из подсистемы импульсного преобразования энергии и подсистемы интеллектуальной обработки данных.

В состав подсистемы импульсного преобразования энергии входят блок питания, импульсный преобразователь, ШИМ-регулятор. Блок питания осуществляет питание всех элементов АСЭИ и формирует регулируемое в интервале от 12 В до 35 В входное напряжение для импульсного преобразователя. Импульсный преобразователь построен по типовой схеме синхронного понижающего преобразователя напряжения DC-DC, в котором предусмотрено ручное варьирование эквивалентной емкости в диапазоне 10... 400 мкФ и автоматическое варьирование сопротивления нагрузки в диапазоне от 2 до 50 Ом. Датчик напряжения представляет собой гальванически связанный операционный усилитель, датчик тока выполнен на основе измерительного резистора и дифференциального усилителя. Регулятор выполнен на

аналоговых элементах и реализует широтно-импульсную модуляцию второго рода [8]. В регуляторе предусмотрены: ручная непрерывная регулировка напряжения уставки (иге/) и амплитуда пилы (Ц), а также автоматическое управление коэффициентом усиления в диапазоне 0...100 и частотой ШИМ в диапазоне 8...50 кГц посредством ЦАП и цифровых потенциометров Ю, Я2.

Рис. 1. Структурная схема АСЭИ

В состав подсистемы интеллектуальной обработки данных входят блок управления (БУ), блок сбора данных (БСД), блок обработки данных (БОД) и ЭВМ. БУ представляет собой интеллектуальный дешифратор и предназначен для декодирования и передачи большей части потоков данных. Он реализован на основе программируемой логической интегральной схемы фирмы ALTERA семейства MAX7000S и преобразователя интерфейсов FT245RL. Блок сбора данных E20-10 фирмы ООО «Л-Кард» [9] непрерывно осуществляет независимый от остальных блоков сбор синхронизированных временных рядов (напряжения на емкости Uc, тока через дроссель Il, импульсной функции KF и тактовых импульсов CF) и передачу данных на ЭВМ через интерфейс USB 2.0.

БОД реализован на основе RISC-микроконтроллера семейства ARM7 TDMI-S LPC2292 фирмы NXP/Philips [10]. Блок предназначен для сбора, фильтрации, обработки и передачи данных, а также выдачи необходимого управляющего воздействия, которые выполняются в режиме реального времени в соответствии с алгоритмами идентификации, прогнозирования и адаптации. Режим реального времени подразумевает обработку данных синхронно с протеканием динамического процесса в импульсном преобразователе, когда результаты цикла обработки выдаются не позднее чем через один период ШИМ. ЭВМ организует автоматическое управление функционированием АСЭИ в целом, а также сбор и хранение результатов работы блоков управления, сбора и обработки данных. Для реализации этих функций разработан пакет прикладных программ на языках С++ и Python.

Функциональная схема АСЭИ

I

І

1

Контур 1

Контур 2

Контур 3

Алгоритм

фрагментации

(еления

-параметра

прогнозирования

Алгоритм

идентификации

Алгоритм

прогнозирования

Рис. 2. Перечень алгоритмов функций выполняемых контурами АСЭИ

В экспериментальной системе можно условно выделить 3 функциональных информационных контура - в зависимости от целей экспериментов. Перечень алгоритмов функций выполняемых контурами АСЭИ приведен на рис. 2.

Каждый контур выполняет свою задачу, что во многом обуславливает различие в наборе функций и различия в составе функциональных блоков. Каждому контуру соответствует свой набор алгоритмов и программ ЭВМ для управления установкой и для апостериорной обработки данных. Различается также программное обеспечение, «зашитое» в микроконтроллер (МК), и ПЛИС. Многоконтурное решение является функционально избыточным, но при этом позволяет гибко планировать эксперимент и получать только требуемые экспериментальные данные, что существенно ускоряет их обработку и проведение эксперимента в целом.

На рис. 3 представлен контур 1, предназначенный для получения синхронизированных временных рядов тока и напряжения от датчиков тока (ДТ) и напряжения (ДН) с синхроимпульсом Сб и функцией коммутации Кб, получаемых посредством БСД (платы сбора), который снимает данные непрерывным потоком с частотой до 10 МГц.

Контур 2, представленный на рис. 4, необходим для реализации алгоритмов фрагментации, прогнозирования и идентификации аварийных состояний в режиме реального времени. В контуре используются выходные данные КР, Сб и ток, поступающие на вход Блока обработки данных, где происходит их обработка и передача результатов на ЭВМ при помощи Блока управления. Отличительная особенность данного контура заключается в том, что БОД может управлять экспериментальной системой посредством БУ. Данная функция необходима для осуществления корректирующего воздействия по результатам работы алгоритмов идентификации и прогнозирования аварийных ситуаций.

Контур 3 позволяет проводить экспериментальные исследования по оценке рабочего параметра алгоритмов идентификации и прогнозирования. Этим параметром является среднеквадратическое отклонение (а(ё1)) абсолютной разницы соседних мгновенных значений тока силовой цепи, взятых в момент начала периода ШИМ. При определении а(Ш) для работы алгоритма идентификации и прогнозирования в режиме реального времени на МК необходимы данные от АЦП БОД. Для выполнения указанных алгоритмов посредством ЭВМ на основе полученных ранее синхронизированных временных рядов, для определения с(ё1) необходимы данные полученные БСД.

Рис. 3. Контур получения временных рядов

Рис. 4. Контур реализации алгоритмов прогнозирования и идентификации в режиме реального времени

Рис. 5. Контур определения параметра алгоритма о

Заключение

В статье проиллюстрированы основные возможности АСЭИ «Импульсный преобразователь напряжения DC-DC». Стоит отметить, что реализованная система является модульной, и заложенная в ней функциональная избыточность не ограничивается перечисленными функциями. Это позволяет в перспективе расширить их спектр путем модификации программного обеспечения или добавлением новых блоков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Mazumder, S. K., Theoretical and experimental investigation of the fast- and slow-scale instabilities of a DC-DC converter / S. K. Mazumder, A. H. Nayfeh, D. A. Borojevich // IEEE Trans. Power Electron. - 2001. - V. 16. - No. 2. - Р. 201-216.

2. Kolokolov, Yu.V. Experimental Dynamics of Electromechanical Pulse Energy Conversion System / Yu. V. Kolokolov, S. L. Koschinsky, V. V. Bagrov // IEEE Trans. Instrument. Measurement. - 2006. - V. 55. - No. 1. - P. 35-43.

3. Zhusubaliyev, Zh. T. Border Collision Route to Quasiperiodicity: Numerical Investigation and Experimental Confirmation / Zh. T. Zhusubaliyev [etc] // Chaos. - 2006. - 16. 023122. 1-11.

4. Kolokolov, Yu. Application of Qualitative Peculiarities of Synchronous Time Series in Forecasting Abnormal Processes in Dynamics of Pulse Energy Conversion Systems / Yu. Kolokolov, A. Monovskaya // J. of Automation and Information sciences. - V. 39. - Is.5. - Pp. 5773. - 2007.

5. De Gooijer, J. G. 25 years of time series forecasting (A review) / J. G. De Gooijer // Int. J. forecasting. - 2006. - V. 22. - P. 443-473.

6. Терехов, В. А. Эволюция и проблемы теории адаптивных систем управления [Текст] /

В. А. Терехов, И. Ю. Тюкин // Мехатроника. Автоматизация. Управление. - 2003. -№ 6. - С. 9-18.

7. Fildesl R. Forecasting and operational research: a review / R. Fildesl, K. Nikolopoulos, S. F. Cronel, A. A. Syntetos // J. Oper. Res. Soc. - 2008. - URL : http://www.palgrave-journals.com/jors (дата обращения: 10.05.2009).

8. Цыпкин, Я. З. Теория линейных импульсных систем [Текст] / Я. З. Цыпкин. - М. : Физ-матгиз, 1963. - 968 с.

9. Внешние модули АЦП/ЦАП [Электронный ресурс] // Внешние модули ввода-вывода | E20-10. - Режим доступа : http://www.lcard.ru/lindex.php?id= 10103 (дата обращения: 10.03.2010).

10. SDK-2.0 Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс] // Учебный лабораторный стенд SDK-2.0. - Режим доступа : http://embedded.ifmo.ru/sdk/sdk20/doc/SDK-2.0_user_manual.pdf (дата обращения: 10.03.2010).