uffile upload no title30448 8912

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU DỊNG - ÁP TÍCH HỢP THE DESIGN OF THE ADAPTIVE PID CONTROLLER FOR A DC CURRENT -VOLTAGE SUPPLY Kiều Xuân Thực, Quách Đức Cường* TÓM TẮT Bài báo giới thiệu vấn đề thiết kế nguồn chiều tích hợp hai chức nguồn dịng nguồn áp thiết bị Hệ thống thiết kế sử dụng mạch giảm áp chiều điều khiển giải thuật điều khiển PID thích nghi để đảm bảo tính ổn định tải thay đổi đồng thời cho phép nâng cao chất lượng động, chất lượng tĩnh so với giải thuật điều khiển PID truyền thống Kết mô minh chứng khả điều khiển với chất lượng vượt trội cấu trúc giải thuật đề xuất Từ khóa: Mạch giảm áp chiều; PID thích nghi; nguồn dịng; nguồn áp ABSTRACT This paper introduces the problem of designing a DC power supply with both current and voltage source functions The system uses an adaptive PID control algorithm to ensure stability with large changes of load and improvement of control quality Simulation results demonstrate the outstanding control abilities as well as control qualities of the proposed solution Keywords: DC-DC BUCK converter; Adaptive PID; current source; voltage source Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: quachcuong304@gmail.com Ngày nhận bài: 25/01/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/6/2020 Ngày chấp nhận đăng: 23/12/2020 KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị D Vin V Vout V Ý nghĩa Độ rộng xung điều chế IGBT Điện áp vào Điện áp CHỮ VIẾT TẮT Adap-PID SISO DC Bộ điều khiển PID thích nghi Hệ thống đầu vào, đầu Điện chiều MƠ HÌNH HỆ THỐNG MẠCH GIẢM ÁP MỘT CHIỀU GIỚI THIỆU Nguồn chiều sử dụng mạch giảm áp chiều (DC/DC buck converter) sử dụng phổ biến lĩnh vực cơng nghiệp dân dụng chúng có kích thước Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn nhỏ gọn, cơng suất lớn chất lượng cao [1, 2-4] Tùy thuộc điện áp hay dòng điện cần ổn định điều chỉnh được, ta có hai loại nguồn chiều nguồn áp nguồn dòng Tuy nhiên thực tế có trường hợp cần có nguồn chiều có hai chức nguồn áp nguồn dịng Ví dụ thiết bị sạc acquy: giai đoạn đầu sạc chế độ ổn dòng, acquy đầy khoảng 90% thiết bị chuyển sang làm việc chế độ sạc ổn áp sau sạc chế độ bù Khi đó, điều khiển PID có tham số cố định khơng hiệu q trình điều khiển khống chế mạch cơng suất Ngồi ra, tải thay đổi, mơ hình tốn học hệ thống thay đổi ảnh hưởng đến đáp ứng hệ Mặc dù mặt lý thuyết với PID có tham số cố định, sai số tĩnh hệ tiệm cận Tuy nhiên, chất lượng động hệ giai đoạn biến động tải khó kiểm sốt trì tốt [2, 3] Để khắc phục vấn đề có nhiều giải pháp sử dụng nguyên lý điều khiển đại, thông minh như: điều khiển mờ/neural, điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi,… để điều khiển mạch giảm áp chiều Trong báo đề xuất giải pháp sử dụng điều khiển PID thích nghi (Adap-PID) hướng tới hai mục tiêu chính: - Điều khiển mạch giảm áp chiều làm việc hai chế độ: nguồn áp nguồn dòng - Điều khiển ổn định nâng cao chất lượng động, chất lượng tĩnh tải hệ thống không ổn định Kết điều khiển kiểm chứng qua mơ hình mơ vật lý rời rạc phần mềm Matlab&Simulink thể ưu điểm giải thuật Adap-PID điều khiển mạch giảm áp chiều với tải biến động hoạt động hai chế độ nguồn áp, nguồn dịng Bài báo trình bày theo trình tự sau: phần thiết lập mơ hình hệ thống, phần thiết kế giải thuật điều khiển AdapPID, phần mô hệ thống cuối kết luận đưa phần 2.1 Hệ thống điều khiển mạch giảm áp chiều Mô hình hệ thống bao gồm mạch giảm áp chiều, điều khiển Adap-PID cập nhật tham số thông qua khâu tính tốn online tham số Kp, Ki Kd Tham số Kp, Ki Kd tính qua thơng số mạch điện giá trị tín Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 37 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 hiệu điện áp, dòng điện Vin, Vout, I mạch (hình 1) Hệ làm việc chế độ nguồn dịng/nguồn áp thơng qua khóa chuyển đổi K Tham số điện trở R thay đổi để tạo tình thử nghiệm mạch có tham số mơ hình biến đổi GVin (s)   DR  rL  R DC-DC Buck converter Vin Vout L R C I Zout (s)  V sensor D driver  r(k) PWM Adap-PID controller vin(k) PID(z) e(k) ADC Calculator Kp, Ki and Kd ADC [Kp Ki Kd] K 2.2 Mơ hình tốn học đối tượng điều khiển IGBT Vout rL L rc D R C Diode G (s )  Zout(s) GVin(s) GVd(s) V0(s) v0(s) Noise I(s) G (s )  vi(s) Vout(s) Control plant Hình Sơ đồ khối mạch giảm áp chiều Mơ hình mạch giảm áp chiều xét chế độ dòng điện liên tục mơ tả hình Chúng coi hệ SISO hàm truyền đạt xác định sau [1, 2, 5, 6]: GVd (s)  LCs  rL C LCs  L rc  (3)  r RC L  rL  R LCs2   rL C  c  s  rc  R rc  R  rc  R  (4) Vout (s) R  Vin  D( s) RLCs  Ls  R (5) rc Cs   rc  R   rLRC L  LC    s   rc C   s 1 rL  R rL  R   rL  R   I( s )  Vin  D (s ) RLCs  Ls  R (6) Từ (5) (6) thấy mơ hình nguồn áp mơ hình nguồn dịng trường hợp tải trở có đặc tính động học Tuy nhiên hệ số khuếch đại vòng hở chúng khác Từ (5), (6) mô tả hệ thống rút gọn dạng lượng tử hóa nhằm mục đích thiết kế hệ thống dạng xử lý rời rạc/xử lý số, ta có mơ hình đối tượng hình vˆ (s) dˆ (s)  Vin  vˆ i (s) I(s) Nếu xét chế độ nguồn dịng hàm truyền đạt có dạng (6) Hình Mạch giảm áp chiều d(s) r R  rLRC L  LC  c   s   rc C  s 1 rL  R rL  R   rL  R   Trong đó: D, R, rc, C, rL, L Vin độ rộng điều chế van IGBT, điện trở tải, điện trở tụ, điện dung tụ, điện trở cuộn cảm, điện cảm điện áp đầu vào Có thể thấy mơ hình hệ thống phụ thuộc tham số khó xác định xác như: điện trở tụ điện r , điện cảm L tham số biến động theo trạng thái làm việc hệ như: độ rộng điều chế D, điện trở tải R chí điện áp nguồn cấp Vin Các giá trị vˆ (s) , V0 (s) vˆ i (s) đóng vai trị thành phần dao động nhỏ, thành phần xác lập nhiễu (phụ thuộc tải) mạch Nếu coi: 1) điện trở tụ điện điện trở cuộn cảm vô bé (rc  0, rL  0); 2) ảnh hưởng dòng điện tải lên đáp ứng điện áp đầu xem nhiễu; 3) xét vai trò vˆ (s) V0 (s) q trình điều khiển; 4) Vin đóng vai trị tham số biến động hệ, từ hợp hóa (1) (2) hàm truyền đạt hệ chế độ nguồn áp có dạng (5) I Vin(s) (2) Tín hiệu điều chế cho mạch: D  D  dˆ i(k) vout (k) Hình Mơ hình thử nghiệm giải thuật Adap-PID cho mạch giảm áp chiều Quá trình hoạt động mạch, đặc biệt trạng thái dịng điện lớn, điện áp cao điện áp đầu vào biến động (do tụ lọc Cs không đủ lớn) đồng thời tải thay đổi đột ngột (mơ hình hệ thống thay đổi) đáp ứng đầu vout(k), i(k) bị ảnh hưởng Sai số tĩnh khả ổn định nhanh hệ bị suy giảm Cấu trúc AdapPID hình kỳ vọng có khả nâng cao chất lượng động, chất lượng tĩnh hệ hoạt động trạng thái nguồn dòng/nguồn áp điều kiện nguồn Vin tải R không ổn định Vin rcR  rc  R rc Cs  u(k) i(k) (1) 38 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) vout(k) KDA D ZOH Cs IGBT V sensor 220V/ 50Hz Bridge rectifier V0 (s) Vin (s) c KAD v KAD i(t) Vin LCs2 + (L/R)s + R vout (t) Zout (s) T Hình Sơ đồ mơ hình đối tượng điều khiển hệ thống điều khiển số Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI Bộ điều khiển PID thiết kế theo phương pháp triệt tiêu mẫu áp dụng cho đối tượng có dạng (5) (6) xác định theo (7) L  PID (s)  K    LCs  R s  (7) sử dụng cấu chức PID có chức anti-windup để hạn chế lượng điều chỉnh (hình 5) Hệ số phản hồi Kt sơ đồ PID có chức anti-windup xác định thông qua (12) K t (k )  Ki v out (k ) R(k )   Kd L Li(k ) (12) Mô tả (7) dạng rời rạc với chu kỳ lấy mẫu T: z  1  L T z 1  LC PID ( z )  K   Tz   R z 1 (8) Hệ số khuếch đại K xác định theo lượng thời gian xác lập ts hệ số khuếch đại vòng hở đối tượng điều khiển v 3  t s VinK AD K DA   K c  3R  t s VinK ADK DA  ; voltage source ; current source (9) Nếu hệ thống có mơ hình xác, tải khơng biến đổi theo thời gian (R = const) hồn tồn xác định tham số điều khiển PID để hệ ổn định có chất lượng động, chất lượng tĩnh mong muốn Tuy nhiên thực tế nhiều trường hợp tải biến động, nguồn không cố định (chế độ nguồn áp, chế độ nguồn dòng) điều khiển PID truyền thống khơng đạt chất lượng động chất lượng tĩnh theo yêu cầu Để giải tình trên, sử dụng mạng tính tốn online tham số K, R thông qua giá trị điện áp vào vin(k), điện áp vout(k) dòng điện tải i(k) để cập nhật cho điều khiển PID (10) v   t s vin (k)K AD K DA  ; voltage source  K(k)   c 3R  t s vin (k)K ADK DA  ; current source (10) R(k)  v out (t) i(t)  K v out (t) K i(t) c AD v AD (11) Đối với nguồn điện, lượng điều chỉnh đáp ứng (dòng điện điện áp) cần giám sát có chế khống chế tham số đảm bảo an toàn thiết bị Trong trường hợp sử dụng giải pháp khởi động mềm Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn MƠ PHỎNG HỆ THỐNG Hệ thống mơ dạng mơ hình vật lý với cấu trúc điều khiển số để kết mô tiệm cận với kết hệ thống thực tế, qua phục vụ tốt công tác thiết kế hiệu chỉnh hệ thống thực Mơ hình mơ thể hình 6, Tham số hệ thống sau: - Mạch động lực: nguồn điện AC 220V/50Hz; tụ lọc nguồn Cs = 4.700µF; điện cảm L = 10 mH; tụ điện C = 1.880 µF; giá trị điện trở tải R thay đổi tùy thuộc vào trường hợp mô - Mạch điều khiển: thời gian lấy mẫu T = 0,0001s; thời gian xác lập thiết kế ts = 0,01s; tần số băm xung fpwm = 40kHz; lọc khởi động mềm khâu quán tính bậc có số thời gian 0,02s; - Hệ số lượng tử hóa khâu ADC/DAC có độ phân giải 12-bit: khâu dịng điện K cAD  4095 20 ; khâu điện áp K vAD  4095 350 ; khâu điều chế độ rộng xung 12-bit K DA  4095 Từ (8), (9) (10) có tham số Adap-PID cập nhật miền rời rạc với chu kỳ T (11):   Li(k)    v (k)    out    T z 1     ; voltage source v  t s vin (k)K ADK DA  z   z  1     LC Tz     PID* (z)   Li(k)     v (k)    out    T z 1  3v (k)  out ; current source   t v (k)i(k)K c K  z   AD DA    s in z  1    LC Tz      Hình Bộ điều khiển PID có chức Anti-Windup - Q trình mơ so sánh kết điều khiển trúc giải thuật điều khiển Adap-PID đề xuất đáp ứng hệ có tham số PID cố định Tham số PID xác định ứng với trường hợp tải R = 25 Vin = 310V Từ (7), (8) (9) có tham số điều khiển PID (13):  63,83 127,47z1  63,68z2 ;voltage source  1 z1 PID(z)   1 2 1595,75  3186,75z 1592,00z ; current source  1 z1 (13) Hình Sơ đồ mô hệ thống điều khiển mạch giảm áp chiều Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Hình Bộ điều khiển thích nghi PID cho hệ thống tích hợp nguồn dịng/áp P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Hình 10 kết mơ hệ thống làm việc chế độ nguồn áp điện trở tải thay đổi theo mức: 20 (từ đến 0,3s); 10 (từ 0,3 đến 0,4s) 6,67 (từ 0,4 đến 0,6s) hình 9c 10c Có thể nhận thấy chế độ điều khiển điện áp, đáp ứng độ hệ đạt lượng điều chỉnh 3%, thời gian độ 0,1s (hình 9d 10d) Quá trình độ tải thay đổi hệ Adap-PID tốt so với hệ PID thông thường: i) thời gian xác lập hệ Adap-PID đạt 0,1s so với hệ PID thông thường 0,6s; ii) sai số trạng thái xác lập hệ Adap-PID 1V so với 3V hệ PID thơng thường (hình 9b 10b) Trên hình 10 cho thấy hệ làm việc điện áp cao, dòng điện lớn (từ 0,4 đến 0,6s) dung lượng tụ Cs không đủ lớn dẫn tới điện áp vào Vin thay đổi mạnh làm thay đổi hệ số khuếch đại vòng hở hệ Trong tình phản ứng hệ Adap-PID tốt (hình 10b), sai số tĩnh nhỏ khoảng thời gian biến động rút ngắn 4.2 Mơ hệ thống chế độ nguồn dịng Hình Mạng tính tốn online hệ số khuếch đại K đối tượng điện trở R tải 4.1 Mơ hệ thống chế độ nguồn áp Hình 11 Đáp ứng hệ điều khiển chế độ dịng điện 5A Hình Đáp ứng hệ thống điều khiển điện áp 100V Hình 10 Đáp ứng hệ thống điều khiển điện áp 240V Hình 12 Đáp ứng hệ điều khiển chế độ dịng điện 15A Mơ nguồn dòng thực tải thay đổi theo mức 15,0 (từ đến 0,2s), 7,5 (từ 0,2 đến 0,5s) 5,0 (từ 0,5 đến 0,8s) Kết điều khiển đáp ứng dòng điện mức 5A 15A thể hình 11 12 Kết mơ cho thấy miền dòng điện thấp lẫn dịng điện cao, hệ thống có chất lượng động tốt, thời gian xác lập ngắn, mức độ dao động tải biến động Đồng thời đảm bảo sai số tĩnh tiệm cận khoảng thời gian 0,1s KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Bài báo trình bày đề xuất giải thuật Adap-PID cho mơ hình mạch giảm áp chiều làm việc hai chế độ nguồn dịng nguồn áp Kết mơ điều kiện tải thay đổi, điện áp nguồn biến động cho thấy điện áp/dòng điện đầu bám theo tín hiệu yêu cầu 40 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 So sánh giải pháp Adap-PID PID truyền thống (tham số cố định) cho thấy hệ điều khiển theo cấu trúc Adap-PID có chất lượng động, chất lượng tĩnh tốt hẳn (hình 9b, 10b, 11 12) Đặc biệt điểm chuyển đổi giá trị tải trình động hệ với cấu trúc Adap-PID hội tụ nhanh với mức độ dao động thấp Như khả điều khiển tích hợp nguồn dịng, nguồn áp mạch giảm áp chiều Adap-PID khả thi Bước nghiên cứu hướng tới phát triển hệ thống điều khiển điện áp/dòng điện mạch giảm áp chiều có tốc độ phản ứng nhanh sai số tĩnh nhỏ LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội hỗ trợ trình nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zina Elhajji, Khadija Dehri, Ziyad Bouchama, Ahmed Said Nouri, Najib Essounbouli, 2018 Input-Output Discrete Integral Sliding Mode Controller for DCDC Buck Converter 15th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices (SSD) [2] Reza Ilka, S Asghar Gholamian, Behrouz Rezaie, Alireza Rezaie, 2012 Fuzzy Control Design for a DC-DC Buck Converter based on Recursive Least Square Algorithm International Journal on Computational Sciences & Applications (IJCSA) Vo2, No.6 [3] S A, Emami, M Bayati Poudeh, S Eshtehardiha, M Moradiyan, 2008 An Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for DC-DC Converter International Conference on Control, Automation and Systems, Seoul, Korea [4] Neal Zhang, Daniel Li, 2019 Loop Response Considerations in Peak Current Mode Buck Converter Design SLVAE09A–July 2018 [5] Ricky Yang, 2018 Modeling and Control for a Current-Mode Buck Converter with a Secondary LC Filter, Analog Dialogue 52-10 [6] Vishnu Dev, 2015 Modelling and Adaptive control of a DC-DC Buck converter Department of Electrical Engineering National Institute of Technology, Rourkela AUTHORS INFORMATION Kieu Xuan Thuc, Quach Duc Cuong Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41 ... Technology, Rourkela AUTHORS INFORMATION Kieu Xuan Thuc, Quach Duc Cuong Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY...  1 z1 (13) Hình Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển mạch giảm áp chiều Vol 56 - No (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Bộ điều khiển thích nghi PID cho hệ thống... đối tượng điều khiển IGBT Vout rL L rc D R C Diode G (s )  Zout(s) GVin(s) GVd(s) V0(s) v0(s) Noise I(s) G (s )  vi(s) Vout(s) Control plant Hình Sơ đồ khối mạch giảm áp chiều Mơ hình mạch