Điều khiển điện áp bộ chuyển đổi Buck-Boost sử dụng điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PI

Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển trượt dựa vào mặt trượt tích phân tỷ lệ cho bộ chuyển đổi Buck-Boost. Phương pháp điều khiển trượt xuất hiện như một công cụ hiệu quả để giải quyết sự không chắc chắn và nhiễu ngoài trong hầu hết các hệ thống thực tế và là một trong các phương pháp điều khiển hồi tiếp bền vững.

TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 VOLTAGE CONTROL OF BUCK-BOOST CONVERTER USING SLIDING MODE CONTROL BASED ON PI SLIDING SURFACE Pham Thanh Tung*, Le Thanh Quang Duc Vinh Long University of Technology Education ARTICLE INFO Received: 12/12/2021 Revised: 20/01/2022 Published: 11/02/2022 KEYWORDS Sliding mode control Buck-Boost PI sliding surface Voltage control MATLAB/Simulink ABSTRACT This paper presents a method to design a sliding mode control (SMC) based on proportional integral (PI) sliding surface for a Buck-Boost converter The SMC methodologies emerged as an effective tool to tackle uncertainty and disturbances, which are inevitable in most of the practical systems and is a robust feedback control method However, one of the drawbacks of the SMC is the high frequency oscillation (chattering) around the sliding surface This paper uses the SMC combined with PI sliding surface to overcome chattering phenomenon The proposed method is test to voltage tracking control for the Buck-Boost converter Simulation results in MATLAB/Simulink show that the proposed algorithm is more effective than the SMC internal model and traditional PID with the rising time achieves 0.0022(s), the overshoot converges to zero, the steady-state error is 0.014(s), and the settling time is about 0.0041(s) ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK-BOOST SỬ DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT DỰA VÀO MẶT TRƯỢT PI Phạm Thanh Tùng*, Lê Thanh Quang Đức Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 12/12/2021 Ngày hồn thiện: 20/01/2022 Ngày đăng: 11/02/2022 TỪ KHĨA Điều khiển trượt Buck-Boost Mặt trượt PI Điều khiển điện áp MATLAB/Simulink TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp thiết kế điều khiển trượt dựa vào mặt trượt tích phân tỷ lệ cho chuyển đổi Buck-Boost Phương pháp điều khiển trượt xuất công cụ hiệu để giải không chắn nhiễu hầu hết hệ thống thực tế phương pháp điều khiển hồi tiếp bền vững Tuy nhiên, nhược điểm điều khiển trượt tượng dao động tần số cao (chattering) quanh mặt trượt Bài báo sử dụng điều khiển trượt kết hợp với mặt trượt tích phân tỷ lệ để khắc phục tượng chattering Phương pháp đề xuất kiểm chứng để điều khiển bám điện áp chuyển đổi Buck-Boost Kết mô với MATLAB/Simulink cho thấy hiệu phương pháp đề xuất so sánh với điều khiển trượt mơ hình nội điều khiển PID với thời gian tăng đạt 0,0022(s), độ vọt lố hội tụ 0, sai số xác lập 0,014(s), thời gian xác lập 0,0041(s) DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5342 * Corresponding author Email: tungpt@vlute.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 61 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 Giới thiệu Bộ chuyển đổi DC-DC loại điều chỉnh sử dụng để chuyển đổi điện áp DC từ mức sang mức khác cho điện áp ngõ phải điều chỉnh [1] Bộ chuyển đổi Buck-Boost chuyển đổi DC-DC sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng thực tế hệ thống lượng tái tạo [2], hệ thống lưu trữ lượng DC, hệ thống điều chỉnh nguồn DC, ngành hàng không, công nghệ vũ trụ [3] Điện áp ngõ chuyển đổi có giá trị âm giá trị nhỏ lớn điện áp ngõ vào [1] Điện áp ngõ Buck-Boost phụ thuộc vào thời gian hoạt động chuyển mạch IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) điều khiển điều chế độ rộng xung (pulse-width modulation - PWM) [4] Nhiều nghiên cứu ứng dụng phương pháp khác để điều khiển chuyển đổi này, tiêu biểu [1], [2] điều khiển điện áp chuyển đổi Buck-Boost với điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID: Proportional Integral Derivative), điều khiển trượt dựa vào mơ hình nội thực [3], [4], [5] điều khiển chuyển đổi Buck-Boost với điều khiển PI, điều khiển LMI (linear matrix inequalities) thực [6] để ổn định dòng điện chuyển đổi Buck-Boost [7] nghiên cứu điều khiển trượt tích phân cho Buck-Boost với thời gian xác lập 0,05(s) độ vọt lố 60(%) chattering ngõ Trong nghiên cứu công bố, tốn chattering quan tâm cịn hạn chế Vì thế, nghiên cứu đề xuất sử dụng điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PI để áp dụng điều khiển ổn định điện áp ngõ Buck-Boost Phương pháp điều khiển trượt xuất công cụ hiệu để giải không chắn nhiễu hầu hết hệ thống thực tế phương pháp điều khiển hồi tiếp bền vững [8] Cấu trúc thay đổi SMC làm cho có khả chuyển đổi luật điều khiển khác Vì SMC khơng nhạy cảm với thay đổi nhiễu nên trở thành lựa chọn cạnh tranh phương pháp điều khiển khác [9] Tuy nhiên, biên độ luật điều khiển trượt không lựa chọn phù hợp gây tượng dao động tần số cao (còn gọi chattering) quanh mặt trượt Hiện tượng chattering khơng hồn hảo chậm trễ thời gian chuyển mạch, thiết bị truyền động số thời gian nhỏ, mạch công suất dễ bị nhiệt dẫn đến hư hỏng [10] Nhiều nghiên cứu đưa giải pháp để khắc phục tượng chattering điều khiển trượt, tiêu biểu [11] thay hàm signum hàm bão hoà, sử dụng mạng nơ-ron Elman; mạng nơ-ron sử dụng [12]; điều khiển trượt đầu cuối thích nghi thảo luận [13]; [14] thực với hàm Hyperbolic Tangent Bài báo tổ chức gồm phần: phần trình bày mơ hình tốn học chuyển đổi Buck-Boost, thiết kế điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PI trình bày phần 3, kết mô đánh giá trình bày phần phần kết luận Mơ hình tốn học chuyển đổi Buck-Boost Sơ đồ nguyên lý mạch tương đương chuyển đổi Buck-Boost hai trạng thái on off biểu diễn Hình [15] * Trạng thái đóng (on) Trong suốt trạng thái đóng, dây cấp điện u1 xác định (1) Đồng thời khơng có dịng chạy đến tụ điện điện trở, iL = xác định (2) di u1 = L L (1) dt dV V 0=C C + C (2) dt R Đặt biến trạng thái (3): x1 = iL ; x2 = VC (3) Thế (3) vào (1) (2) ta (4) (5): http://jst.tnu.edu.vn 62 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch tương đương chuyển đổi Buck-Boost x1 = u1 L (4) x2 (5) RC Phương trình trạng thái Buck-Boost trạng thái đóng (6):  0 1  x1    x1     = + (6)     L  u1 x   x2    0 −    RC     * Trạng thái mở (off) Ở trạng thái mở, ta có u1 = , trạng thái ngõ VC iL đảo ngược cực tượng phóng điện cuộn cảm biểu diễn (7) (8): di −VC = − L L (7) dt dV V −iL = C C + C (8) dt R Đặt biến trạng thái tương tự (3), ta có (9) (10): x1 = x2 (9) L 1 x2 = − x1 − x2 (10) C RC Phương trình trạng thái Buck-Boost trạng thái mở (11):    x1   L   x1  0  =     +   u1 (11) x     − −   x2  0   C RC  Ta xác định ma trận trung bình A, B trạng thái đóng mở với chu kỳ chuyển mạch d (12) (13):    0   L d +  A = A( ON ) d + A( OFF ) (1 − d ) =   (1 − d ) 0 −  1   − − RC    C RC  (12) 1− d   1− d   0    L   L   = + =     d 0 −   1− d 1− d   1− d  − − −  RC   − RC   C RC   C x2 = − http://jst.tnu.edu.vn 63 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 1 d  0    B = B( ON ) d + B( OFF ) (1 − d ) = L d +   (1 − d ) =  L      0      Ta có mơ hình khơng gian trạng thái Buck-Boost (14) (15): 1− d   d    x1  L   x1    + L u1  x  =  1− d   x2      − −    C RC  i  y =  1  L  VC  (13) (14) (15) Thiết kế điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PI Trong phần này, nghiên cứu tiến hành thiết kế điều khiển trượt với mặt trượt PI (PI-SMC) chuyển đổi Buck-Boost cho điện áp thực tế bám theo điện áp tham chiếu chứng minh với luật điều khiển thiết kế ổn định theo Lyapunov Luật điều khiển PI-SMC gồm phần: - Luật điều khiển chuyển mạch usw(t) (switching control) để đưa trạng thái hệ thống đến mặt trượt s ( t ) (sliding surface); - Luật điều khiển đẳng trị ueq(t) (equivalent control) để giữ trạng thái hệ thống ổn định mặt trượt; Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt với mặt trượt PI trình bày Hình 2: Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt với mặt trượt PI Mặt trượt định nghĩa (16) [16]: t s ( t ) = s1 ( t ) + s2 ( t ) = 2e ( t ) + (  + 2 ) e ( t ) +   e ( ) d ,   0,  (16) Trong đó, mặt trượt tỷ lệ s1 ( t ) (17) mặt trượt tích phân s2 ( t ) (18): d  s1 ( t ) =  +   e ( t ) dt   d  s2 ( t ) =  +   e ( t ) ; e ( t ) =  e ( ) d  dt  Với sai số đạo hàm (19), (20) (21): e ( t ) = vcref ( t ) − vc ( t ) (17) t (18) (19) e ( t ) = vcref ( t ) − vc ( t ) (20) e ( t ) = vcref ( t ) − vc ( t ) (21) Trong đó: vcref ( t ) : điện áp tham chiếu, vc ( t ) : điện áp thực tế Đạo hàm s ( t ) (22): x 1   s ( t ) = 2e ( t ) +  e ( t ) + (  + 2 ) vcref ( t ) + x1 + x2  − (  + 2 ) d C RC  C  http://jst.tnu.edu.vn 64 (22) Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 Với luật tiếp cận tốc độ (23): s ( t ) = − sign ( s ( t ) ) ,  (23) Luật điều khiển trượt với mặt trượt PI (24):   C 1   uPISMC ( t ) = 2e ( t ) +  e ( t ) + (  + 2 ) vcref ( t ) + x1 + x2  +  sign ( s ( t ) )   x1 (  + 2 )  C RC    Để chứng minh tính ổn định, hàm Lyapunov định nghĩa (25) [3]:   C 1   uPISMC ( t ) = 2e ( t ) +  e ( t ) + (  + 2 ) vcref ( t ) + x1 + x2  +  sign ( s ( t ) )   x1 (  + 2 )  C RC    Đạo hàm (25) (26): V ( t ) = s ( t ) s ( t ) = − s ( t ) sign ( s ( t ) ) = − s ( t )  (24) (25) (26) Trong đó,   Thêm vào đó, sai số e ( t ) hội tụ dẫn theo s ( t ) → t →  Vì thế, e ( t ) , e ( t ) → t →  Kết mô đánh giá Sơ đồ MATLAB/Simulink mô điều khiển trượt với mặt trượt PI điều khiển chuyển đổi Buck-Boost trình bày Hình sau: Hình Sơ đồ mơ điều khiển trượt với mặt trượt PI Thông số điều khiển PI-SMC trình bày Bảng Bảng trình bày thơng số chuyển đổi Buck-Boost Bảng Thông số điều khiển PI-SMC α 2,5 Thông số Giá trị λ 50 η 30 Bảng Thông số chuyển đổi Buck-Boost [16] Ý nghĩa Tụ điện Cuộn dây Điện trở tải Tần số Thông số C L R f Đơn vị μF mH Ω kHz Giá trị 250 1,5 10 Đáp ứng sai số điều khiển đề xuất với tín hiệu vào Vcref = −12(v) trình bày Hình Quan sát đáp ứng Hình ta thấy rằng, điện áp thực tế Buck-Boost bám theo điện áp tham chiếu với thời gian tăng đạt 0,0022 (s), thời gian xác lập 0,0041 (s), độ vọt lố 7,9195e-05 sai số xác lập 0,014 (v) Các tiêu chất lượng thể Bảng so sánh với điều khiển trượt mơ hình nội PID truyền thống Bộ điều khiển PISMC có thời gian tăng nhỏ PID (0,008(s)) thời gian xác lập nhỏ PID điều khiển trượt mơ hình nội (tương ứng 0,16(s) 0,78(s)) Bảng Các tiêu chất lượng PI-SMC với Vcref = −12(v) Các tiêu chất lượng Thời gian tăng (s) Thời gian xác lập (s) Độ vọt lố (%) Sai số xác lập http://jst.tnu.edu.vn PI-SMC 0,0022 0,0041 7,9195e-05 0,014 SMC mô hình nội [3] 0,78 65 PID [1, 2] 0,008 0,16 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 Hình Đáp ứng sai số PI-SMC Buck-Boost Tín hiệu điều khiển PI-SMC cho Buck-Boost trình bày Hình Trong khoảng thời gian từ → 0,0041( s) , biên độ tín hiệu điều khiển khoảng 105 hệ thống trạng thái xác lập biên độ tín hiệu hội tụ khơng có dao động Điều phản ánh hiệu điều khiển đề xuất với chuyển đổi Buck-Boost Hình Tín hiệu điều khiển PI-SMC cho Buck-Boost Với ngõ vào thay đổi từ Vcref = −12 → −24(v) , đáp ứng điện áp chuyển đổi BuckBoost với PI-SMC bám theo điện áp tham chiếu với sai số xác lập hội tụ Kết mô đáp ứng điện áp sai số trình bày Hình Hình Đáp ứng sai số PI-SMC Buck-Boost Vcref = −12 → −24 (v) http://jst.tnu.edu.vn 66 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 Đáp ứng điện áp điều khiển đề xuất R = (  ) → 1( k ) R = 3(  ) → 10(k ) với Vcref = −12(v) Vcref = −12 → −24(v) trình bày Hình Điện áp thực tế Buck-Boost bám theo điện áp tham chiếu thời gian hữu hạn với tiêu chất lượng trình bày Bảng Hình Đáp ứng điện áp PI-SMC R thay đổi Bảng Các tiêu chất lượng PI-SMC R = (  ) → 1(k ) R = (  ) → 10 (k ) với Vcref = −12(v) Vcref = −12 → −24 (v) Thời gian xác lập (s) 0,0041 Độ vọt lố (%) R = (  ) → 1(k ) Thời gian tăng (s) 0,0022 3,9602e-07 Sai số xác lập 0,014 R = (  ) → 10 (k ) 0,0022 0,0041 3,9578e-08 0,014 Các tiêu chất lượng Vcref = −12(v) Quan sát tiêu chất lượng trình bày Bảng ta thấy rằng, thời gian tăng đáp ứng điện áp R = (  ) → 1( k ) 0,0022(s), thời gian xác lập 0,0041(s), sai số xác lập 0,014(v), độ vọt lố 3,9602e-07 R = 3(  ) → 10(k ) 0,0022(s), 0,0041 (s), 0,014 (v), 3,9578e-08 Đáp ứng điện áp PI-SMC chuyển đổi Buck-Boost u1 = 25 ( v ) u1 = 50 ( v ) trình bày Hình Quan sát kết mơ Hình 8, điện áp thực tế chuyển đổi bám theo điện áp tham chiếu với tiêu chất lượng trình bày Bảng http://jst.tnu.edu.vn 67 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 Hình Đáp ứng điện áp PI-SMC u1 = 25 ( v ) u1 = 50 ( v ) Bảng Các tiêu chất lượng PI-SMC u1 = 25 ( v ) u1 = 50 ( v ) Các tiêu chất lượng u1 = 25 ( v ) Thời gian tăng (s) 0,0014 Thời gian xác lập (s) 0,0028 Độ vọt lố (%) 1,4343e-04 Sai số xác lập 0,0103 u1 = 50 ( v ) 9,5760e-04 0,0018 1,5166e-04 0,0578 Quan sát tiêu chất lượng trình bày Bảng ta thấy rằng, thời gian tăng đáp ứng điện áp u1 = 25 ( v ) 0,0014(s), thời gian xác lập 0,0028(s), sai số xác lập 0,0103(v), độ vọt lố 1,4343e-04(%) u1 = 50 ( v ) 9,5760e-04(s), 0,0018(s), 0,0578(v), 1,5166e-04(%) Kết luận Bài báo thiết kế điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PI để điều khiển điện áp chuyển đổi Buck-Boost Mặt trượt PI với thông số   lựa chọn phù hợp khắc phục tượng chattering điều khiển trượt trạng thái xác lập Bộ điều khiển đề xuất đảm bảo điện áp thực tế Buck-Boost bám theo điện áp tham chiếu thời gian hữu hạn Các kết mô MATLAB/Simulink với tiêu đạt cho thấy, điều khiển PISMC hiệu điều khiển trượt mơ hình nội điều khiển PID truyền thống Tính bền vững điều khiển đề xuất khảo sát với thay đổi điện trở tải điện áp u1 Trong thời gian tới, nghiên cứu ứng dụng giải thuật thông minh để xác định giá trị   để nâng cao chất lượng hiệu suất điều khiển PI-SMC thực nghiệm mơ hình thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] M D Almawlawe and M Kovandzic, “A Modified Method for Tuning PID Controller for Buck-Boost Converter,” International Journal of Advanced Engineering Research and Science (IJAERS), vol 3, no 12, pp 20-26, 2016 [2] A Ammar, “Voltage Controller of DC-DC Buck Boost Converter with Proposed PID Controller,” International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET), vol 9, no 1, pp 2278-1323, 2020 [3] B Loarte, O Camacho, G Chavez, P Leica, and M Pozo, “Sliding Mode Control Based on Internal Model for a Non-minimum phase Buck and Boost Converter,” Enfoque UTE., vol 10, no 1, pp 4153, 2019 [4] Q Duong, V T Nguyen, N Sava, M Scripcariu, and M Mussetta, “Design and simulation of PI-type control for the Buck Boost converter,” International Conference on Energy and Environment (CIEM), 2017, pp 79-82 [5] Suhariningsih, M Mukti, and R Rakhmawati, “Implementation Buck-Boost Converter using PI Control for Voltage Stability and Increase Efficiency,” International Seminar on Application for Technology of Information and Communication (iSemantic), 2019, pp 492-496 [6] H Amirez, G Garzón, C P Torres, J Navarrete, and C Restrepo, “LMI Control Design of a NonInverting Buck-Boost Converter: A Current Regulation Approach,” TECCIENCIA vol 12, pp 79-85, 2017 [7] E R Lisy, M Nandakumar, R Anasraj, and P R Kumar, “Design of Robust Chattering Free Integral Sliding Mode Controller for Dual Input Buck Boost Converter,” International Journal of Applied Engineering Research, vol 13, no 1, pp 358-365, 2018 [8] S Balamurugan, P Venkatesh, and M Varatharajan, “Fuzzy sliding-mode control with low pass filter to reduce chattering effect: an experimental validation on Quanser SRIP,” Indian Academy of Sciences, vol 42, no 10, pp 1693-1703, 2017 http://jst.tnu.edu.vn 68 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 61 - 69 [9] K A Baghaei, H Ghaffarzadeh, S A Hadigheh, and D Dias-da-Costa, “Chattering-free sliding mode control with a fuzzy model for structural applications,” Structural Engineering and Mechanics, vol 69, no 3, pp 307-315, 2019 [10] C B Kadu and A A Khandekar, “Design of sliding mode controller with PI sliding surface for robust regulation and tracking of process control systems,” Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol 140, pp 1-11, 2018 [11] H U Suleiman, M B Mu’azu, T A Zarma, A T Salawudeen, S Thomas, and A A Galadima, “Methods of Chattering Reduction in Sliding Mode Control: A Case Study of Ball and Plate System,” International Conference on Adaptive Science & Technology (ICAST), 2018, pp 1-9 [12] N Cibiraj and M Varatharajan, “Chattering reduction in sliding mode control of quadcopters using neural networks,” International Conference on Power Engineering, Computing and Control, 2017, pp 885-892 [13] L Wan, G Chen, M Sheng, Y Zhang, and Z Zhang, “Adaptive chattering-free terminal slidingmode control for full-order nonlinear system with unknown disturbances and model uncertainties,” International Journal of Advanced Robotic Systems, vol 17, pp 1-11, 2020 [14] J - S Fang, J Tsai, Y -J Yan, and S -M Guo, “Adaptive Chattering-Free Sliding Mode Control of Chaotic Systems with Unknown Input Nonlinearity via Smooth Hyperbolic Tangent Function,” Mathematical Problems in Engineering, vol 2019, pp 1-9, 2019 [15] R H G Tan and L Y H Hoo, “DC-DC converter modeling and simulation using state space approach,” IEEE Conference on Energy Conversion (CENCON), 2015, pp 42-47 [16] C -H Lin and F -Y Hsiao, “Proportional-Integral Sliding Mode Control with an Application in the Balance Control of a Two-Wheel Vehicle System,” Applied Sciences, vol 10, pp 1-27, 2020 http://jst.tnu.edu.vn 69 Email: jst@tnu.edu.vn ... Giới thiệu Bộ chuyển đổi DC-DC loại điều chỉnh sử dụng để chuyển đổi điện áp DC từ mức sang mức khác cho điện áp ngõ phải điều chỉnh [1] Bộ chuyển đổi Buck-Boost chuyển đổi DC-DC sử dụng rộng... hạn chế Vì thế, nghiên cứu đề xuất sử dụng điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PI để áp dụng điều khiển ổn định điện áp ngõ Buck-Boost Phương pháp điều khiển trượt xuất công cụ hiệu để giải không... báo thiết kế điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PI để điều khiển điện áp chuyển đổi Buck-Boost Mặt trượt PI với thông số   lựa chọn phù hợp khắc phục tượng chattering điều khiển trượt trạng