Bài viết giới thiệu vấn đề thiết kế một bộ nguồn một chiều tích hợp hai chức năng nguồn dòng và nguồn áp trên cùng một thiết bị. Hệ thống được thiết kế sử dụng mạch giảm áp một chiều điều khiển bởi giải thuật điều khiển PID thích nghi để đảm bảo tính ổn định khi tải thay đổi và đồng thời cho phép nâng cao chất lượng động, chất lượng tĩnh so với giải thuật điều khiển PID truyền thống.
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 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 dòng 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): 63,83 127,47z1 63,68z2 ;voltage source 1 z1 PID(z) 1 2 1595,75 3186,75z 1592,00z ; current source 1 z1 (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 mô 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 Mô hệ thống chế độ nguồn dịng Hình Mạng tính tốn online hệ số khuếch đại K đối tượng điện trở R tải 4.1 Mô 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 dịng 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 dòng 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 Cơng nghiệp Hà Nội hỗ trợ q 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 ...KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Bộ điều khiển thích nghi PID cho hệ thống tích hợp nguồn dịng /áp P-ISSN 185 9-3 585 E-ISSN 261 5-9 619 Hình 10 kết mô hệ thống làm việc chế độ nguồn áp điện trở tải thay đổi... 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 nghi? ?n cứu hướng tới phát triển hệ thống điều khiển điện áp/ dịng... 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 dòng nguồn áp Kết mô điều kiện tải thay đổi, điện áp nguồn