Введение к работе
Актуальность темы. Автоматизация технологических процессов и интенсивное развитие информационных технологий сопровождаются массовым распространением электронных и вычислительных средств, отличающихся повышенной чувствительностью к качеству питающего напряжения и предъявляющих в этой связи непрерывно растущие требования к системам электропитания (СЭ).
Наряду с традиционными требованиями улучшения массогабарит-ных и энергетических показателей особое значение в настоящее время придается достижению инвариантности и многофункциональности, позволяющих обеспечить заданные характеристики функционирования в условиях произвольной (искаженной) формы входного напряжения, воздействия внешних возмущений и помех, неполной и нечетко заданной информации о параметрах текущего режима.
Широкий диапазон режимов функционирования, практически всегда отличающихся от номинальных, возможность изменения вида текущего преобразования требуют применения сложных алгоритмов управления СЭ, сочетающих принципы аналоговой и цифровой обработки информации. Интенсивно развивается концепция интеллектуальных распределенных систем управления, связанная с переносом вычислительных ресурсов к исполнительным устройствам. Наиболее полно данная концепция реализована в силовых интегральных схемах, получивших название интеллектуальных благодаря объединению силовых полупроводниковых ключей с аналоговыми и цифровыми компонентами, выполняющими операции управления, защиты, диагностики. Возникшие в результате многообразие и сложность элементной базы при отсутствии формализованных методов синтеза приводят к структурной избыточности в силовых и информационных узлах СЭ, не обеспечивающей ожидаемого расширения функциональных возможностей.
Наиболее перспективным направлением минимизации объема аппаратурных затрат, сокращения номенклатуры элементной, базы служит интеллектуализация СЭ за счет перехода к многофункциональным способам осуществления энергетических и информационных преобразований, алгоритмическому управлению функциональными возможностями. Возникает важная научно-техническая проблема создания интеллектуальных СЭ на основе многофункциональных преобразователей, осуществляющих разнообразные, управляемые кодом виды регулируемого преобразования электрической энергии, например, такие типовые преобразования, как AC-DC, DC-AC, DC-DC, АС-АС, и по-
ш&
НОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ/
БИБЛИОТЕКА J
| СПсгср
1 ОЭ ПО/
зволяющих за счет повышения концентрации воспроизводимых энергетических и информационных преобразований обеспечить надежное функционирование в изменяющихся, нечетко заданных условиях. Инвариантность интеллектуальных СЭ к форме входного «напряжения и соответственно виду энергетического преобразования (функциональная инвариантность) облегчает решение ряда традиционных задач, таких как энергосбережение за счет повышения качества электропотребления и ресурсосбережение за счет высокой концентрации функциональных ресурсов при минимальном объеме аппаратурных затрат.
Однако разработка указанной проблемы в настоящее время сдерживается вследствие:
ограниченных возможностей аналитического описания традиционным математическим аппаратом информационных и энергетических процессов, одновременно протекающих в СЭ и обладающих нелинейной динамикой;
отсутствия адекватного концептуального подхода к задачам системного анализа информационных и энергетических процессов и формализации процедур схемотехнического синтеза интеллектуальных СЭ;
недостаточной концентрации воспроизводимых известными схемными элементами функций и операций, затрудняющей практическую реализацию интеллектуальных СЭ с минимальными аппаратурными затратами.
Таким образом, существующее противоречие между практической потребностью широкого использования интеллектуальных СЭ, обусловленной массовым распространением электронных и вычислительных средств, с одной стороны, и ограниченными возможностями существующих методов аналитического анализа и формализованного синтеза нелинейных систем, с другой стороны, определяют актуальность исследований в данном направлении.
Работа выполнялась с 1996 г. по 2004 г. в Тольяттинской государственной академии сервиса и соответствует направлению фундаментальных и прикладных исследований «Интеллектуальные системы», проводимых в рамках федеральной программы «Университеты России -фундаментальные исследования», а также программы «Исследования в области энергосбережения и эффективных электротехнологий» перечня приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденного Правительственной комиссией Российской Федерации по научно-технической политике 21.07.96 г.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка методологии логико-алгебраического моделирования и формата-
зованного схемотехнического синтеза интеллектуальных СЭ по критериям функциональной инвариантности, алгоритмического управления функциональными ресурсами, минимизации аппаратурных затрат.
Для достижения поставленной в диссертационной работе цели необходимо решить следующие научные задачи:
-
Обосновать адекватность логико-алгебраического аппарата предикатной алгебры выбора задачам системного анализа и схемотехнического синтеза информационных и силовых структур интеллектуальных СЭ.
-
Разработать методы логико-алгебраического моделирования информационных и энергетических процессов однофазных СЭ в базисе бинарных операций, а многофазных СЭ - в базисе многоместных операций предикатной алгебры выбора.
-
Разработать многофункциональный элементный базис силовых реляторов, осуществляющих аппаратурную реализацию бинарных и многоместных операций предикатной алгебры выбора и обладающих высокой концентрацией воспроизводимых логических и энергетических преобразований.
-
Разработать формализованные на основе законов предикатной алгебры выбора процедуры преобразований логико-алгебраических моделей в информационные и силовые структуры интеллектуальных СЭ посредством элементного базиса универсальных и силовыхреляторов.
-
Провести сопоставление традиционных и разработанных на основе логико-алгебраических моделей интеллектуальных СЭ с целью подтверждения более высокой эффективности последних.
-
Разработать методы логико-алгебраического моделирования и схемотехнического синтеза специализированных реляторных контроллеров, обеспечивающих интеллектуализацию СЭ за счет коммутационного перепрограммирования регулировочных и внешних характеристик в зависимости от вариации параметров нагрузки и питающей сети.
Методы исследования. Для решения поставленной научной проблемы использованы предметно-ориентированные математические логики, в частности непрерывнозначная логика, булева алгебра и их обобщение — предикатная алгебра выбора, а также методы теории электрических цепей и систем, теории графов, классической теории автоматического управления.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты.
1. Предложен и развит новый подход к решению задач интеллектуализации СЭ за счет повышения концентрации видов воспроизводи-
мых энергетических преобразований, основанный на логико-алгебраическом аппарате предикатной алгебры выбора, базовые операции которой, в отличие от традиционных математических логик, распространяются на бинарную, дискретную, континуальную области значений переменных и аппаратно воспроизводятся универсальными схемными элементами - одноканальными реляторами.
-
Разработаны методы логико-алгебраического моделирования СЭ в функционально полном базисе унарной, бинарных и многоместных операций предикатной алгебры выбора, основанные на процедурах отождествления предметных и предикатных переменных с параметрами информационного и энергетического процессов и позволяющие формировать на единой методологической основе логико-алгебраические модели, отражающие виды воспроизводимых энергетических преобразований, способы программного задания текущего преобразования, алгоритмы управления и регулирования выходных параметров, структуру электрической схемы.
-
Показано, что логико-алгебраическое моделирование, в отличие от известных подходов, позволяет аналитически решать широкий круг задач системного анализа и формализованного синтеза информационных и силовых структур интеллектуальных СЭ путем проведения поэтапных преобразований: логико-алгебраическая модель-топологическая модель-электрическая схема в элементном базисе реляторов.
-
Разработаны диагностические логико-алгебраические модели силовых полупроводниковых приборов в базисе многоместных операций предикатной алгебры выбора на основе отождествления предметных переменных с контролируемыми параметрами, позволяющие из множества текущих состояний выделять аномальные и аварийные ситуации путем идентификации предметными переменными.
-
Разработаны обобщенные логико-алгебраические модели однофазных и многофазных энергетических преобразований в базисе, соответственно, бинарных и многоместных операций, которые позволяют проводить процедуры формализованного синтеза однофазных интеллектуальных СЭ в элементном базисе одноканальных силовых реляторов и многофазных интеллектуальных СЭ в элементном базисе многопороговых силовых реляторов, удовлетворяющих критериям функциональной инвариантности при минимальных аппаратурных затратах.
-
Разработана обобщенная логико-алгебраическая модель реля-торного контроллера в базисе многоместных (m-арных) операций предикатной алгебры выбора на основе процедур отождествления предметных переменных с компонентами управляющего кортежа, позво-
ляющего синтезировать ml алгоритмов управления СЭ путем ситуационной идентификации соответствующей компоненты и осуществлять безинерционный выбор необходимого алгоритма методами коммутационного программирования.
7. Решены задачи логико-алгебраического моделирования в базисе многоместных операций предикатной алгебры выбора и формализованного синтеза специализированных реляторных контроллеров, которые осуществляют коммутационное программирование регулировочных и внешних характеристик широкого круга однофазных и многофазных преобразователей без запаздывания, обусловленного необходимостью выполнения большого объема вычислений в случае использования традиционных микропроцессорных средств.
К практической значимости проведенного исследования следует отнести следующее:
-
Разработаны основы силовой реляторной схемотехники, которая позволяет в едином, унифицированном элементном базисе осуществлять синтез информационной и силовой структур интеллектуальных СЭ. Представлена широкая номенклатура многофункциональных схемных элементов - одноканальных и многопороговых силовых реля-торов, обладающих за счет широких алгоритмических, комбинаторных возможностей высокой концентрацией воспроизводимых логических и энергетических преобразований, что позволяет минимизировать аппаратурные затраты по сравнению с традиционными схемотехническими решениями (а.с. СССР 944004, 1201973, 1267551, 1610553, 1746461, 1769314, патент РФ 2211484).
-
Поставлены и решены задачи логико-алгебраического моделирования типовых энергетических преобразований (выпрямление, автономное инвертирование, непосредственное преобразование частоты, преобразование и регулирование постоянного напряжения), каждое из которых воспроизводится одноканальным силовым релятором, обеспечивающего, в отличие от традиционных преобразователей, принципиальную возможность программного задания текущего преобразования без наращивания объема аппаратурных затрат.
3- Разработаны на основе логико-алгебраического моделирования методики инженерного проектирования информационных и силовых структур диодно-реляторных СЭ по критериям реализации заданных видов энергетических преобразований, формирования необходимой траектории потребляемого тока, глубокого регулирования выходного напряжения с высоким уровнем коэффициента мощности (патент РФ 2228573).
-
Предложены способ преобразования напряжений, позволяющий осуществлять коммутационное программирование вида текущего энергетического преобразования, и способ параметрического регулирования выходного напряжения, обеспечивающий активную коррекцию коэффициента мощности и высокую эффективность энергоотбора от питающей сети во всем диапазоне регулирования. Предложенные способы могут быть реализованы одноканальными силовыми реляторами с минимальными аппаратурными затратами (патент РФ 2215363).
-
Разработаны специализированные реляторные контроллеры, реализующие безинерционные алгоритмы коммутационного перепрограммирования формы внешних характеристик и обладающие однородной, регулярной структурой, ориентированной на интегральную технологию изготовления.
-
Предложены способы широтно-импульсной модуляции, основанные на прямом преобразовании вида «аналог-аналог» без промежуточного формирования цифровых потоков, и аппаратурной реализации с минимальными затратами в виде специализированных реляторных контроллеров, которые позволяют осуществлять процедуры коммутационного перепрограммирования необходимой регулировочной характеристики в течение одного тактового интервала.
На защиту выносятся следующие новые результаты и научные положения:
-
Методология логико-алгебраического моделирования интеллектуальных СЭ в базисе операций предикатной алгебры выбора на основе отождествления предикатных и предметных переменных с параметрами информационного и энергетического процессов.
-
Методы и алгоритмы формализованного схемотехнического синтеза информационных и силовых структур интеллектуальных СЭ на основе отображения логико-алгебраических моделей в структурные электрические схемы посредством элементного базиса реляторов.
-
Многофункциональные схемные элементы - одноканальные и многопороговые силовые реляторы, обладающие высокой концентрацией воспроизводимых логических и энергетических преобразований и служащие адекватным элементным базисом для проектирования интеллектуальных СЭ.
-
Методы логико-алгебраического моделирования однофазных интеллектуальных СЭ в базисе бинарных операций и алгоритмы формализованного синтеза информационных и силовых структур в элементном базисе одноканальных силовых реляторов.
-
Методы логико-алгебраического моделирования многофазных интеллектуальных СЭ в базисе многоместных операций и алгоритмы
формализованного синтеза информационных и силовых структур в элементном базисе многопороговых силовых реляторов.
-
Методы схемотехнического синтеза диодно-реляторных преобразователей на основе логико-алгебраических моделей, вариации условий отождествления предметных и предикатных переменных с параметрами информационного и энергетического процессов по критериям обеспечения заданных функциональных свойств и минимизации аппаратных затрат.
-
Методы логико-алгебраического моделирования и формализованного синтеза специализированных реляторных контроллеров, реализующих алгоритмы коммутационного программирования внешних и регулировочных характеристик интеллектуальных СЭ.
Апробация результатов работы. Материалы, составляющие основу диссертации, обсуждались на следующих конференциях:
V Всесоюзная конференция по инженерным проблемам термо
ядерных реакторов (Ленинград, 10-12 октября 1990). - М.: ЦНИИато-
минфом, 1990 г.;
Всесоюзная научно-техническая конференция «Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной преобразовательной, сильноточной и полупроводниковой техники». - М.: ВЭИ, 1990 г.;
Всероссийская научно-техническая конференция «Методы и средства измерения в системах контроля и управления». - Пенза, 2001 г.;
Международная конференция «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике» (15-17 мая 2001 года). -Ульяновск, 2001 г.;
Международная научно-техническая конференция по мягким вычислениям и измерениям SCM'2001. - Санкт-Петербург, 2001 г.;
VI Международная научно-техническая конференция «Наука-
сервису».-Москва, 2001 г.;
Международная конференция «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике» (14-16 мая 2002 года). - Ульяновск, 2002 г.;
VII Международная научно-практическая конференция «Наука-
индустрии сервиса» (22-23 апреля 2002 года). - Москва, 2002 г.;
Международная конференция «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике» (13-15 мая 2003 года). -Ульяновск, 2003 г.;
V Всероссийская научная конференция «Динамика нелинейных
дискретных электротехнических и электронных систем». - Чебоксары,
2003 г.;
VI Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям SCM'2003. - Санкт-Петербург, 2003 г.;
Научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава ТГАС 1998-2003 г.г.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты и практические разработки, в том числе защищенные патентами Российской Федерации, использованы в промышленных системах, серийно выпускаемых научно-производственной компанией «Энер-гия-Т» (г. Тольятти):
многофункциональные тиристорные пускатели ТПТ-50/0,4-УХЛ4, ТПТ-150/0,4-УХЛ4, ТПТ-250/0,4-УХЛ4 - для частых пусков нагруженных асинхронных двигателей общепромышленного применения, автоматического ввода резерва в системах гарантированного электроснабжения файл-серверов, рабочих станций, локальных вычислительных сетей, отмеченные положительными отзывами эксплуатирующих организаций, в частности ВоГЭС им. В И. Ленина;
многофункциональные прогрузочные устройства переменного тока ПН-00Е-10к-УХЛ4 - для настройки параметров электронных защит полупроводниковых и электромагнитных автоматических выключателей, отмеченных большой золотой медалью Кузбасской политехнической выставки;
многофункциональные полупроводниковые преобразователи ТМП-1000/10/0,4 (500/2000) - У1 совместно разработаны и использованы с ОАО «ЭЛУР» (г. Раменское) и НИЦ «Регулируемые электротехнические комплексы» ГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина».
Результаты диссертационной работы использованы в системах вторичного электропитания автоматизированных контрольно-измерительных комплексов лабораторий ЭМС-центра АВТОВАЗа для снижения уровня кондуктивных помех и повышения качества испытаний автомобильной электроники.
Вопросы, отраженные в диссертации, излагаются в лекционных курсах «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Электропитание и основы электромеханики», «Аналоговые электронные устройства», которые автор разработал и читает студентам специальности «Бытовая радиоэлектронная аппаратура» Тольяттинской государственной академии сервиса.
Публикации. Материалы и результаты диссертации нашли отражение в следующих публикациях: одна монография, 30 статей и тези-
сов докладов, включая шесть статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 11 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 265 с. машинописного текста, содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 133 наименований, 8 приложений и иллюстрируется 61 рис.
Личный вклад автора. Все основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации получены автором впервые и лично. Монография написана автором единолично. В работах, выполненных в соавторстве, автор является инициатором (выдвигал идею, формулировал задачу, определял пути ее решения). Все работы по внедрению и практическому использованию результатов научных исследований проведены под руководством и личном участии автора.
