tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế bộ BIẾN đổi DC DC TĂNG áp sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH hóa NHỜ PHẢN hồi đầu RA

Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài ”Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra ” đã ứng dụng lý thuyế

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

DƯƠNG VĂN CƯỜNG

THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI ĐẦU RA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG

Phản biện 1:

PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

Phản biện 2:

PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, ĐHTN.

Ngày…….tháng……năm 2010

Có thể tìm luận văn tại:

Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, ĐHTN

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo racác bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thướcnhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết Quátrình xử lý biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp một chiềukhác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Một bộ nâng điện áp làmột bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầuvào Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được sử dụng ở mạchmột chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suấtvừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng táitạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốnkhông phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệusuất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của cáccông trình nghiên cứu Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượngđiều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến

Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với

đề tài ”Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp sử

dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra ” đã

ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển đểđiều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp, đảm bảo hiệu suấtbiến đổi cao và ổn định

2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ

Từ lâu các bộ biến đổi bán dẫn vẫn là đối tượng nghiêncứu cơ bản của điện tử công suất Trong các bộ biến đổi cácphần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bándẫn (còn gọi là van bán dẫn) khi mở dẫn dòng thì nối tải vàonguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua Khác vớicác phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn có đặc điểm là thựchiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không

bị mài mòn theo thời gian Tuy có thể đóng ngắt các dòng điệnlớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiểnbởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tửcông suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ

đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển cácvan trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượngđược thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổichỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với côngsuất điện cần biến đổi Không những đạt được hiệu suất cao màcác bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồnnăng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quátrình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, vớichất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự độnghóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểuđiện từ không thể có được

3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM

VỤ CỦA ĐỀ TÀI.

3.1 Đối tượng nghiên cứu.

- Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp

- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờphản hồi vào ra (IOL)

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa nhờphản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp

3.3 Nhiệm vụ của đề tài.

- Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp

- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóanhờ phản hồi vào ra (IOL)

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóanhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp

- Mô phỏng kiểm chứng lý thuyết trên nền Matlab&Simulink

4 NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Nguồn tài liệu.

Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước, cáctạp chí khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liên quan

4.2 Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tài liệu kỹ

thuật để phân tích, tổng hợp các vấn đề có liên quan tới đề tài

- Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp

- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờphản hồi vào ra (IOL)

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa nhờphản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp

- Ứng dụng của Matlab và Simulink

- Phương pháp thực tiễn: Tham quan, điều tra, khảo sát để

củng cố thêm độ tin cậy chính xác của kết quả nghiên cứu lýthuyết

5 ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN.

- Luận văn đã làm rõ những vấn đề nảy sinh, những nhượcđiểm cũng như những hạn chế của các bộ biến đổi DC-DC

- Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tuyến tính hóa nhờphản hồi đầu ra và áp dụng cho điều khiển các bộ biến đổi DC-

DC tắng áp

6 KẾT CẤU LUẬN VĂN.

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Phụ lục, luận văn được

bố cục gồm 4 chương, 46 hình vẽ và 4 tài liệu tham khảo

Chương 1: Mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp.

Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ

phản hồi vào ra (IOL)

Chương 3: Điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào

ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp

Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab&

Simulink

CHƯƠNG 1

MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP

I Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn

Để phân loại các bộ biến đổi bán dẫn người ta dựavào tính chất dòng điện ngõ vào và ngõ ra Về nguyên tắc,chúng ta chỉ có dòng điện một chiều (DC) hay xoay chiều(AC), do vậy có 4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đôi dòngđiện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ước thông thường, ngõvào trước, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC,

và AC-AC

Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi

II Các bộ biến đổi DC-DC.

Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, cóhai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyểnmạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảmchuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thếhơn ở các mạch công suất lớn

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyểnmạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.2 thể hiện sơ đồ nguyên lýcủa các bộ biến đổi này

Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, vàdiode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêukhác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiệntượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ

Sơ đồ hệ thống tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho

bộ biến đổi DC-DC

Ta đặt điều khiển phản hồi trước khi thiết kế kỹ thuậttheo kiểu tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi đầu vào ra.Đây là một trong các mô hình thiết kế bộ điều khiển phản hồi

phi tuyến tường minh nhất trong các loại điều khiển bộ biến đổiDC-DC công suất Phản hồi tuyến tính hóa chính xác trạng tháiđầu vào bao nhiêu thì bộ điều khiển lại càng phải phức tạp bấynhiêu Tất nhiên với những tiến bộ nhất định, chúng ta có thểbàn tới điều đó ở phần sau.

Qua nghiên cứu lý thuyết ta thấy có nhiều chỉ tiêu chấtlượng được đặt ra cho các công việc phân tích hệ phi tuyến nhưtính ổn định, tính điều khiển được, quan sát được, khả năng tựdao động, hiện tượng hỗn loạn, phân nhánh nhưng sốphương pháp hữu hiệu phục vụ trực tiếp các công việc đó lạikhông nhiều Thường dùng nhất là phương pháp phân tích giántiếp thông qua mô hình tuyến tính tương đương của hệ phituyến trong lân cận đủ nhỏ xung quanh điểm làm việc của hệ,song phương pháp này lại không cung cấp được thông tin mộtcách đầy đủ của hệ thống trong toàn bộ không gian trạng thái.Còn đối với phương pháp phân tích trực tiếp thì ngoại trừ tiêuchuẩn lyapunov cho việc phân tích ổn định và phương phápmặt phẳng pha giới hạn ở hệ phi tuyến có hai biến trạng tháicho tới nay ta chưa có một phương pháp cụ thể nào khác Gầnđây với công cụ hình học vi phân người ta đã đi đến một sốphương pháp bù đắp phần nào khiếm khuyết trên cụ thể làphương pháp phân tích tính điều khiển được (controllable),quan sát được (obsersable) phân tích tính động học không (zero

dynamic) cũng như xác định tính pha cực tiểu (minimumphase)

II Cấu trúc affine

Cho hệ phi tuyến có cấu trúc affine

)()(

x g y

u x H x f dt

x d

(2.1)

Trong đó f(x), g(x) là các véc tơ hàm, còn H(x) là matrận hàm theo biến x , có số chiều phù hợp với số các tín hiệuvào uRm , ra y RP và trạng thái xRn , tức là :

)()()(,)(

)()(,)

(

)(

)

(

1

1 11 1

1

x h x h

x h x h x H x

g

x g x g x

Nhằm tạo ra môi trường thích hợp với công cụ hình học

vi phân, ở đây người ta đã giả thiết các véctơ tín hiệu vào/rax(t), y(t) là khả vi hạn lần tức là thuộc tập C∞ Điều này đòi hỏicác phần tử của f(x), H(x), g(x) cũng phải khả vi vô hạn lầntheo x đồng thời véc tơ tín hiệu vào u(t) cũng phải thuộc tập C∞(cũng khả vi vô hạn lần)

Việc thoả mãn tính khả vi vô hạn lần của các phần tửf(x), H(x),g(x) cũng là một hạn chế vì ta có thể thấy tất cả cáckhâu phi tuyến cơ bản đã được trình bầy trong chương 2 đềukhông thoả mãn điều kiện này Tuy nhiên ta cũng có thể an ủirằng giả thiết mô hình hệ phải có dạng (2.1) hoàn toàn không

hạn chế miền ứng dụng của nó thật vậy với hệ tự trị tổng quát

(2.4)

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI VÀO

RA CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP

Theo chương 1, ta có mô hình toán học bộ biến đổi

biến x1 và biến u cũng đạt giá trị cân bằng tương ứng:

2

1 d / , av 1/ d

x V Qu  V Ta có hai phương án xây dựng bộ điềukhiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp như sau:

I Điều khiển trực tiếp

Theo mục tiêu hàm đầu ra của hệ thống, giá trị điện áptrung bình đầu ra của bộ biến đổi trên tụ tương ứng y=x2 Phảnhồi tuyến tính hóa vào ra đạt được bằng việc cho x2 tuyến tínhhóa động với y V d được biểu diễn bởi một đường đặc tuyến

mô tả các điểm cân bằng ổn định

Áp dụng phương pháp xây dựng bộ điều khiển tuyếntính hóa nhờ phản hồi đầu ra:

2 2

Với 0  uav  1 thỏa mãn trong vòng phản hồi kín, và với 0

là một hằng số vô hướng, có giá trị dương

Theo công thức tính toán ở trên, khi đạt đến trạng tháicân bằng mong muốn, y y  , Giá trị của hàm phản hồi trungbình uav liên quan đến trạng thái ổn định của biến đầu ra trungbình được biểu diễn lại là:

Với giá trị của Q là luôn dương thì x.1 dương, do đó

bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi đầu ra sẽ không đạtđược cực tiểu về pha, do đó hệ thống sẽ không ổn định, kéotheo giá trị trung bình của biến điện áp đầu ra là không ổn định

II Điều khiển gián tiếp

Với phương pháp gián tiếp, ta cho x1 biểu thị cho giá trịdòng điện trên cuộn cảm là biến đầu ra y=x1, với mong muốn làdiều chỉnh giá trị dòng điện trung bình trên cuộn cảm đạt đếngiá trị cân bằn mong muốn x1  V Qd2/

Áp dụng phương pháp xây dựng bộ điều khiển tuyến tính hóanhờ phản hồi đầu ra, ta có:

1 1

2

2

1 ( )

h x

x x

V x

2 1

V

x x

Q

  Vì vậy giá trị biến vào điều

khiển xoay quanh giá trị: uav( ) 1/ y  x2,

Liên hệ đến biến điện áp ra:

Xác định âm với mọi giá trị trong không gian trạng thái của x2,điểm cân bằng x2  Vd là tiệm cận ổn định Bộ điều khiển thỏamãn điều kiện ổn định cho hệ thống và đầu ra x2

Kết luận

Với cách xây dựng bộ điều khiển bộ biến đổi DC-DCtăng áp theo mục II ta có được bộ điều khiển thỏa mãn tính ổnđịnh và tính điều khiển được

nếu người sử dụng muốn định nghĩa thêm một khâu mới.Ngoài ra Simulink còn tương thích với các chương trình đượclập trình trên Matlab là M-file đồng thời Tool box Plecs vàSimPower cũng tích hợp được với Simulink trong quá trìnhthực hiện và chạy các chương trình mô phỏng Điều này làmcho việc mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink thêm linhhoạt.

Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp

Mô tả toán học bộ biến đổi:

E v u dt

dv

C  ( 1  ) 

Mô hình hóa mạch động lực bộ biến đổi trên PlecsMatlab-Simulink:

Mô hình bộ biến đổi trong khối Subsystem

Bộ biến đổi tăng áp mô hình hóa trên PLECS

II Xây dựng bộ biến đổi.

Thu gọn các phần tử trong subsystem:

- Đầu vào của khối là tín hiệu u, nhận 1 trong 2 giá trị 0

và 1 đóng cắt cho khóa S1(khóa Q trên sơ đồ ), điều khiển bộbiến đổi

- Đầu ra là các tín hiệu dòng điện, điện áp

Sử dụng hai mạch vòng phản hồi:

- Vòng trong là phản hồi dòng điện có tác động rấtnhanh, bộ điều khiển là điều khiển tuyến tính hoá nhờ phản hồivào ra kết hợp với bộ điều chỉnh PID cho dòng điện

- Vòng ngoài: phản hồi điện áp đặt có tác động chậmhơn phản hồi dòng điện, sử dụng bộ điều khiển PID Khi điện

áp ra Vra đạt giá trị mong muốn thì e = Vra – V*=0, khi đó dòngđiện mong muốn trên cuộn cảm L đạt giá trị cân bằng i*

Thực hiện mô phỏng hệ thống trên Simulink với mô hình sau

Thử nghiệm các thông số hệ thống

Để đánh giá chi tiết hơn về tác dụng của bộ điều chỉnh và chất lượng động của hệ thống, trong quá trình mô phỏng ta cho hệ thống làm việc với sự biến động của tải thông qua việc đóng các khóa S2, S3 để đóng thêm tải theo các mức như sau:

Mức Thời điểm tác

động

Điện trở đóng them

Tải

Các kết quả mô phỏng:

Mối liên hệ tín hiệu điều khiển và dòng điện qua cuộn cảm

Điện áp ra của bộ biến đổi

Mục tiêu của bộ biến đổi là có được điện áp ra mongmuốn đạt yêu cầu, Quan sát trên hình ta thấy đặc tính điện áp

ra của bộ biến đổi với quá trình khởi động từ 0V lên điện áp

yêu cầu 24V trong khoảng thời gian xấp xỉ 0.07s, lượng quáđiều chỉnh bé Khi tải biến động, kéo theo sự thay đổi thông số

hệ thống thì điện áp này vẫn được giữ ổn định, thời gian quá độ

bé (xấp xỉ 0.05s) và độ sụt áp tức thời nhỏ Hệ thống đạt cácchỉ tiêu chất lượng động và tĩnh, điện áp ra thỏa mãn yêu cầu

Thử nghiệm tính điều chỉnh được của hệ thống

Dải điều chỉnh của bộ biến đổi tăng áp với các thông sốmạch lực đã cho ban đầu có dải điều chỉnh 18-40V cho ta điện

áp ra đạt yêu cầu chất lượng Kết quả mô phỏng được trình bàytrong cac hình sau

Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 18V

Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 20V

Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 27V

Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 30V

Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 40V

Với quá trình thử nghiệm như trên, ta thấy rằng bộ biếnđổi có dải điều chỉnh rất rộng, điện áp ra đạt chất lượng theoyêu cầu, đáp ứng nhanh, thời gian quá độ nhỏ Ta thấy rằng bộbiến đổi với các mạch vòng điều khiển của nó đã làm tốt chứcnăng của một bộ biến đổi, thỏa mãn các yêu cầu chất lượngtĩnh và động

KẾT LUẬN

Đánh giá nhiệm vụ:

Nhiệm vụ của luận văn là “Thiết kế điều khiển bộ biến đổi

DC-DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra” Với những kết quả đã trình bày, có thể đánh giá

một cách chủ quan rằng nhiệm vụ đã luận văn đã được hoànthành, thể hiện ở những đặc điểm sau:

- Làm rõ được cấu trúc, đưa ra mô hình toán học của bộbiến đổi tăng áp

- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờphản hồi vào ra thông qua việc nghiên cứu các khái niệm về hệthống cấu trúc biến, điều khiển tương đương, trạng thái cânbằng, hình học vi phân,đạo hàm lie

- Xây dựng bộ được điều khiển cho bộ biến đổi tăng áptrên cơ sở áp dụng nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờphản hồi vào ra, khảo sát tính ổn định trên mô hình toán học hệthống

- Đưa ra cấu trúc của các bộ điều khiển trên nền Matlab

& Simulink Thực hiện mô phỏng khảo sát các đặc tính chấtlượng hệ thống, hoàn thiện thiết kế cho hệ thống

Tính khả thi của đề tài:

Với việc thiết kế thành công bộ biến đổi và hoàn tất quátrình mô phỏng và kiểm chứng kết quả trên máy tính ta thấyhoàn toàn có thể triển khai xây dựng mô hình trong thực tế