Thiết kế bộ điều khiển dc dc tăng áp bằng phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HỐ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: LƯU THỊ HUẾ Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - ***** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Lưu Thị Huế Lớp: CHTĐH-K11 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 7/12/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2010 BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang Lưu Thị Huế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cơng trình nghiên cứu tơi, chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày 02 tháng năm 2010 Tác giả luận văn Lưu Thị Huế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ Hình 1.1 Minh họa cách phân loại biến đổi Hình 1.2 Các biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển Hình 1.3 Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt thiết bị bán dẫn Hình 1.4 Sơ đồ thay biến đổi tăng áp Hình 1.5 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp Hình 1.6 Đặc tuyến hàm truyền biến đổi tăng áp Hình 2.1 Bộ biến đổi Boost chiều – chiều Hình 2.2 Bộ biến đổi Boost chiều – chiều với chuyển mạch lý tưởng Hình 2.3 Hàm mở rộng mặt tiếp tuyến với đa tạp trạng thái M 10 Hình 3.1 Bộ biến đổi tăng áp 11 Hình 3.2 Bộ điều khiển trực tiếp 12 Hình 3.3 Bộ điều khiển gián tiếp 13 Hình3 Bộ điều khiển phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái 14 Hình 3.5 Modul    15 Hình 3.6 Điều khiển tín hiệu đầu phản hồi qua modul    16 Hình 3.7 Mơ hình tạo xung modul    17 Hình 4.1 Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp 18 Hình 4.2 Mơ hình biến đổi khối subsystem 19 Hình 4.3 Bộ biến đổi tăng áp mơ hình hóa simpowerSystems 20 Hình 4.4 Luật điều khiển phản hồi trạng thái xây dựng MatlabSimmulink Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 Hình 4.5 Mơ hình tạo xung    modul 22 Hình 4.6 Mơ hình tạo xung khối Subsystem 23 Hình 4.7 Bộ tạo xung mơ hình hóa SimpowerSystems 24 Hình 4.8 Điều khiển phản hồi trạng thái cho biến đổi tăng áp 25 Hình 4.9 Sơ đồ khối điều khiển dịng 26 Hình 4.10 Bộ điều khiển dịng Simulink 27 Hình 4.11 Bộ điều chỉnh PI cửa sổ nhập số liệu 28 Hình 4.12 Dịng điện qua cuộn cảm L 29 Hình 4.13 Sự dao động dịng điện qua L 30 Hình 4.14 Mối quan hệ dịng phản hồi tuyến tính tín hiệu điều khiển u 31 Hình 4.15 Tín hiệu điều khiển u cho biến đổi 32 Hình 4.16 Điện áp tụ điện C 33 Hình 4.17 Sơ đồ khối hệ thống 34 Hình 4.18 Tổng hợp biến đổi simulink 35 Hình 4.19 Bộ điều chỉnh điện áp PI cửa sổ nhập số liệu 36 Hình 4.20 Đáp ứng dịng điện i* hệ thống 37 Hình 4.21 Dịng qua cuộn cảm L có điều chỉnh điện áp PI 38 Hình 4.22 Sự bám sát dịng qua cuộn cảm L có điều chỉnh điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn áp PI 39 Hình 4.23 Mối quan hệ i*, i tín hiệu điều khiển u có điều chỉnh áp PI 40 Hình 4.24 Tín hiệu điều khiển u có điều chỉnh điện áp PI 41 Hình 4.25 Điện áp có điều chỉnh điện áp PI 42 Hình 4.26 Điện áp biến đổi đặt U*=18V 43 Hình 4.27 Điện áp biến đổi đặt U*=20V 44 Hình 4.28 Điện áp biến đổi đặt U*=22V 45 Hình 4.29 Điện áp biến đổi đặt U*=24V Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời nói đầu Một mục tiêu quan trọng hàng đầu mà Đảng Nhà nước đặt tiến trình cơng nghệ hố, đại hố đất nước Để tiến hành cơng nghệ hố, đại hố doanh nghiệp cần phải tiến hành xây dựng lại nhà máy, sở sản xuất, trang thiết bị máy móc đưa cơng nghệ đại hố vào sản xuất Hơn nữa, để vận hành tốt nhà máy cần phải có đội ngũ tri thức có kỹ thuật có trình độ chun mơn cao Là học viên tốt nghiệp Cao học ngành Tự động hoá trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên, em hiểu tự động hố cơng nghiệp đóng vai trị quan trọng phát triển ngành công nghiệp Việt Nam nói riêng phát triển đất nước Việt Nam nói chung Trong tất loại nguồn điện cung cấp cho ngành cơng nghiệp, nguồn chiều đóng vai trị quan trọng Trong thời đại ngày vấn đề lượng trở nên cấp thiết, sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) ưa chuộng Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter, viết tắt BC) hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo Cấu trúc mạch BC vốn không phức tạp, vấn đề điều khiển BC nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao bảo đảm ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu Luận văn em có nhiệm vụ thiết kế điều khiển DC-DC tăng áp phương pháp tuyến tính hố phản hồi trạng thái Để hoàn thành tốt luận văn, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy giáo GS.TS Nguyễn Phùng Quang Sau sáu tháng làm luận văn em hiểu, thiết kế điều khiển khiểm chứng điều khiển Matlab & Simmulik cho biến đổi DC-DC tăng áp Mặc dù cố gắng luận văn em khơng tránh khỏi số thiếu sót, em mong nhận bảo thầy để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo [1] Hebertt Sira-Ramírez, Ramón Silva-Ortigoza: Control Degign Tschniques in Power Electronics Devices Spring London, 2006 [2] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung: Lý thuyết điều khiển phi tuyến NXB KH&KT Hà Nội, tái lần có bổ sung, 2006 [3] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB KH&KT Hà Nội, 2006 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần mở đầu PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trong kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Bộ biến đổi DC - DC tăng áp (Boost converter, viết tắt: BC) hay sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện công suất vừa, đặc biệt hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch BC vốn không phức tạp, vấn đề điều khiển BC nhằm đạt đượ hiệu suất biến đổi cao bảo đảm ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu Bản chất mạch tăng áp có phần tử phi tuyến lựa chọn phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái phù hợp cho việc điều khiển biến đổi Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a Ý nghĩa khoa học: Bộ biến đổi DC – DC tăng áp biến đổi sử dụng nhiều thường điều khiển cấu trúc khinh điển khơng cịn thỏa mãn đòi hỏi chất lượng cao Việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến cho đối tượng quen biết có ý nghĩa khoa học b.Ý nghĩa thực tiễn DC – DC tăng áp sử dụng nhiều cơng nghiệp, điều làm nên ý nghĩa thực tiễn luận văn Mục đích đề tài Ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái để điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao, bảo đảm ổn định cấu trúc mạch biến đổi DC – DC tăng áp không phức tạp Tạo sở khoa học để cán kỹ thuật nắm rõ làm chủ công nghệ trình giám sát, vận hành Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- CHƯƠNG MƠ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP 1.1 Giới thiệu biến đổi bán dẫn Các biến đổi bán dẫn đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khóa bán dẫn, cịn gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa khơng cho dịng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện mà khơng gây nên tia lửa điện,khơng bị mài mịn theo thời gian.Tuy đóng ngắt dịng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện cơng suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khóa điện tử, khơng đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi cịn có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động tự động hóa Đây đặc tính mà biến đổi có tiếp điểm kiểu điện từ khơng thể có Các mạch điện tử cơng suất nói chung hoạt động hai chế độ sau: tuyến tính (linear) chuyển mạch (switching) Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại linh kiện tích cực, chế độ xung sử dụng linh kiện tích cực khóa (van) với hai trạng thái đóng (bão hịa) ngắt Chế độ tuyến tính cho phép mạch điều chỉnh cách liên tục nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển Tuy nhiên, chế độ tuyến tính thường sinh tổn thất công suất tương đối cao so với cơng suất tồn mạch dẫn đến hiệu suất mạch khơng cao Hiệu suất khơng cao Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 28 - Hàm mở rộng  ( x ) có tính chất sau:  1) Hàm mở rộng  ( x ) coi không suy biến x có dim(  ( x )) >    2) Cho hai hàm mở rộng trơn  1( x )  2( x ) Tổng  ( x ) chúng, định nghĩa    bởi:    ( x)   f ( x)  g ( x)  h( x) | g ( x)  1 ( x) h( x)   ( x)                Cũng hàm mở rộng trơn 3) Giao   1   hai hàm mở rộng trơn  1( x )  2( x ) hàm mở   rộng trơn (điều ngược lại không đúng) 4) Khái niệm hàm mở rộng xoắn: Hàm mở rộng  ( x ) có số chiều d với sở  f1 ( x), f ( x), , f d ( x) lân cận x , gọi xoắn (involutive) tích Lie        hai phần tử thuộc  ( x ) thuộc  ( x )   Ngoài ra, cần đủ để: ( x)  span ( f1 ( x), f ( x), , f d ( x) )        Là hàm mở rộng xoắn    f i ( x ), f j ( x )  ( x )    với  i, j  d 2.5 Tuyến tính hố nhờ phản hồi trạng thái Tuyến tính hố phản hồi trạng thái đạt đầu hệ thống y = h(x) có số bậc n Tức là, khơng có động học khơng kết hợp với đầu y Nhưng hệ thống đầu y thoả mãn yêu cầu này, cách tiến hành nghiên cứu tuyến tính hố, hay thẳng (flat) hàm đầu h(x) Trong hệ SISO trở nên có tính hệ thống (systematic) để giải Nếu ta gọi ma trận  C ( x)  g , ad f g , ad f g , , ad nf1 g  “ma trận có khả điều khiển” (The controllability matrix) hệ thống, có đủ   hạng, có trường vectơ g , ad f g , ad 2f g , , ad nf2 g xoắn(involutive), Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 29 - hàng građiên phẳng đầu h, biểu diễn hệ tọa độ dh  h / x T , tính tích hàng cuối ma trận nghịch đảo ma trận điều khiển C(x) nhân tố vô huớng khác khơng dh  h   ( x)0 1C 1 ( x) x Để chứng minh kết này, tiến hành sau: nhận thấy T tìm hàm đầu y = h(x) có số bậc n, thỏa mãn điều kiện sau j  0,1, , n  2, L g Lnf1h( x)   ( x)  L g Lif h( x)  0, Đầu tiên với bậc n-1 phương trình vi phân phần có bậc cao độ phức tạp cao khơng dễ để giải Ta sử dụng mối quan hệ biết trước L f L g h( x)  L g L f h( x)  L f , g h( x) Với ký hiệu  f , g   ad f g , dễ dạng nhận tương đương điều kiện Lg L f h( x)  điều kiện Lad f g h( x)  (miêu tả cho tuyến tính bậc phương trình vi phân phần cho h) Giờ ta dùng mối quan hệ sau Lad f g L f h  L f Lad f g h  L f , ad f g h  Lad g h , với điều kiện: L g L2f h( x)  xây f dựng tương đương với Lad g h  Tương tự có kết tổng quát f đẳng thức sau: Lg L jf h( x)  0, j  0,1, , n  tương đương với đẳng thức tổng quát Lad j g h  0, j  0,1, 2, , n  đẳng thức L g Lnf1h( x)   ( x) tương đương f với Lad n1g h   ( x) Cuối cùng, nhận kết phương f trình vi phân phần tuyến tính cho h   h g , ad f g , , ad nf2 g , ad nf1 g  0  ( x) T x   Tính khả tích trường vectơ g , ad f g , ad 2f g , , ad nf2 g , tức tồn hàm vô hướng trơn h(x) cho tất trường vectơ phù hợp mặt phẳng tiếp xúc, có chiều cố định n-1, điểu chỉnh mức h(x) = constant bảo đảm, theo   định lý Frobenius’s, trường vectơ g , ad f g , ad 2f g , , ad nf2 g phù hợp tập xoắn (involutive set) Trong nhận xét khác, tồn hàm vơ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 30 - hướng phẳng h(x) để “tích phân” tất trường vectơ hàng građiên, dh  h , x T nhằm triệt tiêu trường vectơ cho Tiếp theo có kết Hàm chuyển đổi, z  (x) , cho  h( x )   L h( x )   f    z   ( x)         L( n1) h( x)  f  hệ thống chuyển đổi cụ thể sau (2.19) z1  z z  z3 (2.20) z n  Lnf (h   1 )( z )  Lg Lrf1 (h   1 )( z )u av Có phép biến đổi ngược, phụ thuộc trạng thái, chuyển đổi đầu vào cho Lnf (h   1 )( z )  Lg Lrf1 (h   1 )( z )u av  vav (2.21) đưa hệ thống vào hệ kinh điển Brunovsky z1  z z  z3 (2.22) z n  vav Bộ chuyển đổi hệ thống (2.22) tương đương với phép lấy tích phân tuý hệ thống y(n) = vav Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (2.23) http://www.lrc-tnu.edu.vn - 31 - Đưa đường quỹ đạo cho trạng thái gốc x hệ thống biểu thị x*(t), quỹ đạo dịch cách trực tiếp tương ứng với đường quỹ đạo đối tượng tuyến tính hay (flat) thẳng Đầu y, biểu thị y*(t) Toạ độ chuyển đổi quy định dễ dàng thiết lập đầu vào z *  ( x * ) Ln có, đường quỹ đạo đầu vào thiết lập biểu mẫu y*(t) Đạo hàm theo thời gian quỹ đạo tham chiếu thiết lập phù hợp với giá trị danh định z*(t) biến quỹ đạo trạng thái z Quỹ đạo tham chiếu trạng thái tương ứng thu cách trực tiếp sử dụng chuyển đổi nghịch đảo x *   1 ( z ) Điều khiển phản hồi đường quỹ đạo theo hệ thống Brunovsky (2.22), thiết lập dễ dàng sau: vav  z n* (t )    j 1 ( z j  z *j (t )) (2.24) Trong  hệ số không đổi tạo tương ứng với hệ thống vịng lặp khép kín tuyến tính để ổn định với sai số e = y – y*(t) = z1 – z*1(t), biểu diễn đa thức đặc trưng sau pd (s)  s n   n1s n1    (2.25) Với tất nghiệm nằm nửa bên trái mặt phẳng phức Hệ (2.5) có bậc tương đối n Biến trạng thái cũ x đối tượng biến  trạng thái z hệ kín có quan hệ (2.19) Bộ điều khiển trạng thái có ý tưởng  thiết kế sau:   a( z )  b( z )u  u   a( z )    b( z )  Với p ( x)     Lnf h( x) Lg Lnf1h( x)   Lnf h( x)   Lg Lnf1h( x)      , q( x)    Lg Lnf1h( x)    Lg Lnf1h( x)   Khi u  p( x)  q( x)   (2.26) Ví dụ 2.3Minh hoạ phương pháp tuyến tính hố Cho đối tượng phi tuyến bậc hai (n=2) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 32 - dx  x       u  f ( x)  g ( x)u  dt  sin x        y  h( x)  x1  Vì L g h( x )    h  0 g ( x)  1 0   x   1    x2   0   x2 L f h( x)  1 0  L g L f h( x)  0 1      1   sin x2      x2     sin x2 L2f h( x)  0 1    sin x2   nên đối tượng có bậc tương đối r = tồn khơng gian trạng thái Vậy, đối tượng tuyến tính hố xác điều khiển phản hồi trạng thái u  p( x)  q( x)  với p( x)     L2f h( x)   L g L f h( x )   sin x2 , q ( x)   L g L f h( x )   1  Cùng với điều khiển tìm được, hệ kín trở thành tuyến tính với mơ hình dz      z    ,  dt  0     y  z1  1 0 z  Giữa biến trạng thái cũ x biến trạng thái z có quan hệ:    z1   h( x )   x1  z        L h ( x )    z x f  2     2 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 33 - CHƢƠNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP 3.1 Đặt vấn đề Mơ hình biến đổi tăng áp làm rõ chương 1, ta thấy cấu trúc mạch biến đổi vốn không phức tạp, việc điều khiển khóa chuyển mạch u để đạt điện áp đạt yêu cầu khó khăn tính phi tuyến phần tử mạch Mặc dù với gợi mở lý thuyết điều khiển phi tuyến, cụ thể điều khiển phương pháp tuyến tính hố phản hồi trạng thái mang lại cho ta hướng điều khiển biến đổi Hình 3.1 Bộ biến đổi tăng áp Với biến đổi trên, hệ phương trình vi phân mơ tả hệ thống là: dx1  ux2  d dx2 x  ux1  d Q Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (3.1) http://www.lrc-tnu.edu.vn - 34 - Trong tham số Q nghịch đảo hệ số chất lượng mạch, tính theo công t thức Q= R C / L ,   LC Biến x1 dòng điện cảm chuẩn hóa, cịn x2 điện áp chuẩn hóa Tại điểm cân biến đổi, thông số điện áp mong muốn x2  V d , ta tính tốn được:   x1  Q Vd   U  Vd   Vd (3.2) Theo định nghĩa ký hiệu trình bày chương ta có:   f  x    ,   x2   Q   x  g  x     x1  Đối tượng điều khiển hướng tới điện áp đạt tới giá trị điện áp cân trung bình x Mơ hình chuẩn biến đổi tăng áp x1  u av x  x  u av x1  x2 Q (3.3) Để điều chỉnh giá trị trung bình điện áp đầu tụ x2 nhằm đạt tới giá trị trung bình ổn định y  Vd Tương ứng với giá trị trung bình cân x1 u cho, với x1  Vd / Q u  1/ Vd Chúng ta thực phương pháp tuyến tính, hay thẳng đầu y = h(x) Trong trường hợp này, có định nghĩa trường vector mô tả đặc điểm hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 35 -   f  x    ,   x2   Q   x  g  x     x1  (3.4) Vector g xoắn g , g   Một điều kiện để tuyến tính hố phản hồi phải thoả mãn Các vector cột “ma trận điều khiển” (controllability matrix) định thức tính x2    x2 Q  C ( x)  g , ad f g   , x1   x 1  Q    det C   x2 (1  x1 ) Q (3.5) Hệ thống thoả mãn tính chất độc lập tuyến tính miễn bậc hai nghiệm triệt tiêu detC = biểu diễn x2 = x1 = -Q / Điều kiện biểu diễn với điều khiển đối tượng, điều chỉnh điện áp đầu tới giá trị dương cân bằng, giá trị dương cân biểu diễn giá trị trung bình dịng điện qua cuộn cảm Bở giả định det C  theo quỹ đạo điều khiển hướng ổ định Gradient tuyến tính hố đầu tính sau:  x1 h  ( x) 0 11  Q  T  det C x   x1 x2   ( x) x1 Q  det C  x2   x2  (3.6) Chúng ta tuỳ ý chọn  (x) cho  ( x)   det C để hệ thống giả định điều khiển theo quỹ đạo hướng quanh điểm ổn định mong muốn đạt tới điểm cân trung bình Tuyến tính hố đầu thoả mãn cặp phương trình vi phân phần tuyến tính h  x1 , x1 h  x2 x2 Và yêu cầu biểu thức để đầu y tuyến tính cho   x1  x2 (3.7) Đầu tuyến tính, hay tuyến tính hố đầu ra, biểu diễn tổng gía trị trung bình lượng lưu trữ mạch Ta có y Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 36 - y  x1  x2 Q (3.8) y  (1  x2 )  u av x2 (1  x1 ) Q Q Chú ý biểu thức nhân điều khiển giá trị trung bình đầu vào uav detC Phụ thuộc trạng thái, nghịch đảo cục bộ, phối hợp chuyển đổi đầu vào với biến đầu vào phụ trợ vav , biểu diễn (1  Q x2 )  u av x2 (1  x1 )  vav , u av  Q (1  Q x2 )  vav (3.9) x2 (1  x1 ) Q hiệu suất hệ thống tuyến tính thứ hai cho tổng gía trị trung bình lượng lưu trữ y  v av điều khiển giá trị lượng trung bình để đạt tới giá trị cân mong muốn  y , cho biểu thức     x 2 vav  2n y  n ( y  y)  2n ( x1  )  n ( x1  x2  y) Q (3.10) với   n thông số thiết kế cho chất lượng hiệu suất đặc tính vịng khép kín hệ thống tuyến tính thứ hai tổng gía trị trung bình lượng lưu trữ Tập hợp  ,  n  đạt tiệm cận theo hàm mũ tới điểm ổn định cho hệ thống vịng khép kín Trung bình tồn trạng thái, tuyến tính cục bộ, điều khiển phản hồi để đạt tới u av     x2 (1  x2 )  2 n ( x1  )   n ( x12  x2  y ) Q Q    x2 (1  x1 ) Q 2 (3.11) Giá trị ổn định muốn có cho tổng lượng lưu trữ thích hợp cho tham số hoá giới hạn giá trị điện áp trung bình đầu muốn ổn định V d , Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 37 -  Vd y    Vd   Q  (3.12) 3.2 Phƣơng pháp điều khiển 3.2.1 Điều khiển trực tiếp Điện áp biến đổi phản hồi âm trở lại so sánh với điện áp đặt Sai số điện áp đặt điện áp đưa điều khiển để điều khiển Uv U *r ĐK U dk DC-DC boost converter Ur Hình 3.2 Bộ điều khiển trực tiếp Bộ điều khiển (ĐK): thường điều khiển PI PID Bộ điều khiển trực tiếp đơn giản ta không chọn phương pháp điều khiển có nhược điểm sau: - Khi phụ tải thay đổi (R) điện áp đầu khơng bám theo điện áp đặt (điện áp yêu cầu), nghĩa điều khiển không đáp ứng - Khi điện áp đầu vào thay đổi (Uv) điện áp đầu bị thay đổi theo khơng cịn ổn định nữa, nghĩa điều khiển khơng cịn đáp ứng điều khiển Để khắc phục khuyết điểm từ phương pháp điều khiển trực tiếp ta đưa phương pháp điều khiển gián tiếp 3.2.2 Điều khiển gián tiếp Khắc phục hoàn toàn nhược điểm điều khiển trực tiếp Bộ điều khiển gián tiếp có cấu trúc sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 38 - Uv U *r ĐKu iL* ĐKi U dk Ur DC-DC boost converter Hình 3.3 Bộ điều khiển gián tiếp Áp dụng sơ đồ điều khiển phương pháp điều khiển gián tiếp, ta có sơ đồ điều khiển cho đối tượng DC-DC phương pháp tuyến tính hố phản hồi trạng thái sau: Uv U *r ĐKu iL* ĐKi TTH Tạo xung ĐK DC-DC boost converter Ur Hình 3.4 Bộ điều khiển phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái ĐKu: Điều khiển điện áp ĐKi: Điều khiển dịng TTH: Tuyến tính hố Trong sơ đồ điều khiển phương pháp tuyến tính hố phản hồi trạng thái có tạo xung điều khiển trình bày rõ mục sau: 3.3 Tạo xung điều khiển modul    3.3.1 Modul    Sơ đồ tạo xung minh hoạ hình 3.6 phía Modul    sử dụng để truyền đạt thông tin cho hệ thống phối hợp chuyển đổi từ tương tự sang Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 39 - số, với giá trị nhị phân phi tuyến, giá trị nhận tập 0, 1 Mối quan hệ modul phương pháp điều khiển tóm tắt định lý Định lý 3.1 Modul    hình 3.5 Tín hiệu đưa đủ trơn, có giới hạn, tín hiệu  (t ) , sau sai số tín hiệu e(t) đưa qua tích phân, sai số hội tụ o thời gian th, nữa, từ giá trị e(t0), miêu tả e = với t>th, đưa điều kiện cho toàn thời gian t là:  0 (t )  Hình 3.5 Modul    3.3.2 Phản hồi modul    Chúng ta có hệ thống phi tuyến trơn miêu tả phương trình x  f ( x)  ug ( x) với u tín hiệu vào điều khiển, yêu cầu giá trị nhận u 0, 1 Chúng ta có điều khiển phản hồi đầu cho biểu thức u   k ( y,  ),    ( y,  ) , giá trị hàm tín hiệu phản hồi u(t) phải nhận giá trị 0, 1 Nếu yêu cầu điều kiện bổ xung cho tín hiệu vào điều khiển u hệ thống không dài giá trị khoảng 0, 1 , nhận giá trị hữu hạn tập 0, 1 Câu hỏi đặt làm để tiếp tục điều khiển Câu trả lời cần đặt tín hiệu điều khiển đầu vào phía trước mdul    Tín hiệu đầu modul nhận gía trị hữu hạn tập 0, 1 Vì vậy, tín hiệu đầu muốn tiếp tục điều khiển, gọi uav(t) đặt modul    Tín hiệu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 40 - modul lặp lại, yêu cầu tín hiệu vào uav(t) Hình 3.6 minh hoạ điều khiển phản hồi đầu qua modul Hình 3.6 Điều khiển tín hiệu đầu phản hồi qua modul    3.3.3 Mạch modul    Bộ điều chế xung kinh điển thường có tần số đóng cắt khố có giới hạn, kết khơng rõ ràng Vì đưa điều chế độ rộng xung điều khiển modul    , với tần số đóng cắt cho phép chọn qua người sử dụng Hình 3.7 minh hoạ mạch modul    Hình 3.7: Mơ hình tạo xung    modul Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục Lục Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ đồ thị Phần mở đầu Chương I Chương II Chương III Chương IV Trang Mơ hình biến đổi DC-DC tăng áp 1.1 Giới thiệu biến đổi bán dẫn 1.2 Phân loại biến đổi bán dẫn 1.3 Các biến đổi DC-DC 1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) 1.3.2 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter) 1.3.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) Phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái 2.1 Giới thiệu 2.2 Các hệ thống cấu trúc biến 2.2.1 Điều khiển hệ thống điều chỉnh chuyển mạch đơn 2.2.2 Ký hiệu 2.3 Hệ có cấu trúc mơ hình affine 2.4 Cơng cụ tốn học 2.5 Tuyến tính hố nhờ phản hồi trạng thái Cấu trúc điều khiển biến đổi DC-DC tăng áp 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Phương pháp điều khiển 3.2.1 Điều khiển trực tiếp 3.2.2 Điều khiển gián tiếp 3.3 Tạo xung điều khiển modul    3.3.1 Modul    3.3.2 Phản hồi modul    3.3.3 Mạch modul    Mô kiểm chứng Matlab & Simmlik 4.1 Mạch lực biến đổi 4.2 Xây dựng điều khiển 4.2.1 Bộ phản hồi trạng thái 4.2.2 Bộ tạo xung điều khiển 4.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện 4.2.4 Bộ điều chỉnh điện áp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 4 12 12 18 19 20 25 28 28 32 36 36 36 43 http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... đồ điều khiển cho đối tượng DC- DC phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái sau: Uv U *r ĐKu iL* ĐKi TTH Tạo xung ĐK DC- DC boost converter Ur Hình 3.4 Bộ điều khiển phương pháp tuyến tính. .. tuyến tính hố phản hồi trạng thái ĐKu: Điều khiển điện áp ĐKi: Điều khiển dịng TTH: Tuyến tính hố Trong sơ đồ điều khiển phương pháp tuyến tính hố phản hồi trạng thái có tạo xung điều khiển trình... đổi tăng áp 11 Hình 3.2 Bộ điều khiển trực tiếp 12 Hình 3.3 Bộ điều khiển gián tiếp 13 Hình3 Bộ điều khiển phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái 14 Hình 3.5 Modul    15 Hình 3.6 Điều