Thiết kế bộ điều khiển PID biến đổi điện áp DC DC bằng matlab simulink

Mục lục CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích đề tài 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Phương pháp kế hoạch nghiên cứu .2 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) 2.1.1 Cấu trúc Boost Converter 2.2.2 Không gian trạng thái boost converter 2.2 Cấu trúc điều khiển PID 12 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 15 3.1 Tính tốn mạch lực Boost Converter 15 3.2 Tính tốn thơng số điều khiển PID 16 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 20 4.1 Mô hệ thống Matlab&Simulink 20 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích đề tài Tìm hiểu rõ cấu trúc nguyên lý làm việc biến đổi DC – DC điều khiển PID Biết cách áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols để tìm thơng số cho điều khiển PID áp dụng vào boost converter Tích lũy kinh nghiệm để đưa lý thuyết vào với thực tế 1.2 Đối tượng nghiên cứu - Thiết kế mạch lực biến đổi DC - DC tăng áp - Thiết kế điều khiển PID cho biến đổi DC - DC tăng áp 1.3 Phương pháp kế hoạch nghiên cứu - Sử dụng điều khiển PID để nâng cao chất lượng điện áp - Tìm hiểu cấu trúc biến đổi DC - DC tăng áp biến đổi PID, xây dựng mô hình mơ phần mềm Matlab&Simulink Mục đích biến đổi DC - DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Trong số trường hợp, điện áp chiều tao cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục Bộ biến đổi DC - DC thường sử dụng yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn chiều, ví dụ máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy Ngoài biến đổi DC - DC sử dụng để điều khiển động chiều Bộ biến đổi DC - DC biến đổi cơng suất bán dẫn, có hai thực kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch dùng điện cảm chuyển mạch Bộ biến đổi DC - DC tạo điện áp chiều (DC) điều chỉnh để cung cấp cho tải thay đổi, biến đổi DC DC tăng áp sử dụng rộng rãi cơng nghiệp, chúng sử dụng để điều khiển động xe điện, cầu trục, thiết bị khai thác mỏ,… TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Ngoài ra, để giữ ổn định cho mạch chiều đưa điện áp xoay chiều (AC) lưới, người ta sử dụng thêm nghịch lưu DC – AC TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) 2.1.1 Cấu trúc Boost Converter Mục đích biến đổi DC - DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Trong số trường hợp, điện áp chiều tao cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục Bộ biến đổi DC - DC thường sử dụng yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn chiều, ví dụ máy tính, thiết bị đo lường, thơng tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy Ngồi biến đổi DC - DC sử dụng để điều khiển động chiều Bộ biến đổi DC - DC biến đổi công suất bán dẫn, có hai thực kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch dùng điện cảm chuyển mạch Dùng tụ điện chuyển mạch chúng phải tạo nguồn dòng tiến hiệu vào, cịn dùng điện cảm chuyển mạch đầu vào nguồn áp Dễ dàng nhận thấy, sử dụng điện cảm chuyển mạch đơn giản hơn, tạo nguồn áp dễ tạo nguồn dịng, cịn sử dụng mạch có cơng suất lớn Bộ biến đổi DC - DC tăng áp có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với cuộn cảm lớn có vai trị nguồn dịng Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dịng đóng mở theo chu kỳ Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm nguồn làm cho điện áp đầu tawg lên Nó thường dùng để sử dụng điều chỉnh điện áp nguồn cup cấp hãm tái sinh động DC Vấn đề điều khiển biến đổi tăng áp vấn đề phức tạp có tính phi tuyến dễ bị ảnh hưởng tác động bên TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 2.5: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt thiết bị bán dẫn Ta giả thiết thiết bị bán dẫn lý tưởng, nghĩa transistor Q phản ứng nhanh diode D có giá trị ngưỡng Điều cho phép trạng thái dẫn trạng thái khóa kích hoạt tức thời khơng thời gian Như biết, ta có: transistor trạng thái mở, diode D bị phân cực ngược Do đó, hở mạch nguồn áp E tải R Ta thấy điều hình 2.6(a) Mặt khác, transistor Q trạng thái khóa, diode D phân cực thuận, tức D dẫn Nó cho phép dịng lượng truyền từ nguồn E tới tải R, hình 2.6(b) (a) Chuyển mạch vị trí u = (b) Chuyển mạch vị trí u = Hình 2.6: Sơ đồ thay biến đổi Hai sơ đồ mạch ghép nối với biến đổi kết hợp thành sơ đồ mạch đơn cách sử dụng ý tưởng chuyển mạch lý tưởng hình 2.7: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 2.7: Sơ đồ lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 2.2.2 Khơng gian trạng thái boost converter Hình 2.8: Bộ biến đổi boost khoảng thời gian ton Trong transitor mở điện áp transitor khơng điode khơng dẫn Mạch hình 2.8 sử dụng mơ hình biến đối Boost thời gian ton Ở hình, nguồn dịng thêm vào Từ hình 2.8 ta thu phương trình sau : Biến đổi công thức (2.3) ta được: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thay (2.2) vào (2.6) Rút gọn (2.7) Bằng cách sử dụng (2.1),(2.6),(2.8) ta thu hệ thống không gian trạng thái TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 2.9: Bộ biến đổi boost khoảng thời gian toff Trong transitor khóa, điện áp qua diode vê Do mạch hình 2.9 thể mơ hình biến đơi boost thời gian t off Một mơ hình khơng gian trạng thái trình bày sau: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com : Ứng dụng không gian trạng thái trung bình, ta phương trình : TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Các biểu thức chiều nghiên cứu, ta thu : Đơn giản (2.27) V =RD’IL (2.29) Thay (2.29) vào (2.28) 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thay (2.29) vào (2.26) Điện áp chiều qua ESR tụ kết chứng minh (2.30) Giá trị trung bình dịng tải băng giá trị trung bình dịng qua diode Dịng qua diode băng dòng cuộn dây khoảng thời gian D' nêu khơng Do giá trị trung bình dịng qua diode (xấp xỉ) D'IL, kết giải thích (2.29), (2.32) cho thấy biên độ chiều biến đổi boost cao Rút hàm truyền biến đổi boost : Trở kháng đầu độ nhạy cảm suy từ hệ thống tuyến tính (2.33) giả thiết điều kiện đầu không Biến đổi laplace (2.33) ta : Phương trình mở rộng (2.35) 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Rút gọn (2.36), ta thu được: Ta thu hàm truyền biến đổi boost : Nếu bỏ qua tụ điện, ta : 2.2 Cấu trúc điều khiển PID Bộ điều khiển PID điều khiển thông dụng sử dụng từ lâu công nghiệp Đây coi điều khiển cổ điền, nhiên sử dụng rộng rãi cơng nghiệp tính ưu việt Lý 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com điều khiển sử dụng rộng rãi tính đợn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, bên cạnh cịn có khả triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng độ, giảm độ điều chỉnh tham số điều khiển chọn lựa thích hợp Do thơng dụng nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển cho đời điều khiển thương mại thông dụng Một điều khiển PID nói chung điều khiển bao gồm vòng điều chỉnh vòng phản hồi tín hiệu Cấu trúc chung PID trình bày sau: Hình 2.10: Cấu trúc chung điều khiển PID Một điều chỉnh PID bao gồm đủ thơng số P,I,D tùy u cầu hệ thơng mà điều khiển I, P, PI, PD Việc tính tốn điều khiển PID bao gồm tính tốn riêng biệt tham số: khâu tỷ lệ, khâu tích phân khâu vi phân: - Khâu tỷ lệ (P): có nhiệm vụ phục tùng thực xác nhiệm vụ giao Nếu đặt giá trị cao tốc độ đáp ứng (đạt tới giá trị đặt mong muốn) nhanh Tuy nhiên làm độ xác giảm tổn hao lượng tăng lên Nếu giá trị lớn hệ hệ thống ổn định 13 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com - Khâu tích phân (I): thực cơng việc có tích lũy kinh nghiệm đề thực tốt nhiệm vụ Nếu đặt giá trị cao trình loại trừ sai số tham số P gây (tức đưa giá trị yêu cầu) nhanh Tuy gây tượng độ lớn - Khâu vi phân (D): ln có sáng kiến phản ứng nhanh với thay đối tình trình thực nhiệm vụ Nếu giá trị cao làm giảm độ tham số I gây Đồng thời làm cho q trình đáp ứng bị chậm Nếu lớn gây ổn định hệ thống Bộ điều khiển PID thường sử dụng để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch tĩnh e(t) hệ thống cho trình độ thỏa mãn yêu câu sau: - Nếu sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần , tín hiệu điều chỉnh u(t) lớn - Nếu sai lệch e(t) chưa thơng qua thành phần , PID cịn tạo tín hiệu điều chỉnh - Nếu thay đối sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần , phản ứng thích hợp u(t) nhanh Vì điều khiển đơn giản, dễ thực hiện, triệt tiêu sai số đảm bảo hiệu suất biến đổi độ ổn định cao, nên với đồ án này, điều khiển PID lựa chọn phù hợp 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 Tính tốn mạch lực Boost Converter Thơng số yêu cầu mạch cần thiết kế: - Điện áp giả sử 10V để tính tốn thơng số mạch lực - Điện áp ra: 24V - Tần số hoạt động mạch: f=20kHz - Duty Cycle: 1− - Rload=10(Ω), dịng điện qua tảiI o=2.5 A - Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm khoảng 30% - Độ đập mạch điện áp