Như đã phân tích ở chương 3, tín hiệu điều khiển cần bám là tín hiệu dịng điện qua cuộn cảm L, giá trị dòng qua cuộn cảm sẽ bám quanh giá trị dòng cân bằng. yi . khi đó điện áp ra bộ biến đổi cũng đạt giá trị cân bằng mong muốn. mặc dù vậy, để tăng chất lượng đặc tính động của hệ thống ta phải dùng bộ điều chỉnh PID tác động vào sai lệch giữa tín hiệu dịng phản hồi và tín hiệu dịng mẫu cân bằng tính tốn Id*.
Hình 4.1.5: Cấu trúc bộ biến đổi với mạch vòng phản hồi dòng điện
+ Bộ điều khiển IOL cho dòng điện (Input-Output Linearization) là bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra
+ Bộ điều khiển PID (Proportional–Integral–Derivative controller: bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân) phải có các thơng số được lựa chọn thỏa mãn các yêu cầu động:
- Lượng quá điều chỉnh nhỏ - Thời gian quá độ nhỏ - Số lần dao động nhỏ
Bộ thơng số: hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân, hệ số vi phân chọn được là bộ thông số tối ưu làm cho đặc tính hệ thống thỏa mãn các yêu cầu động trên. Với bộ điều chỉnh PID, các thông số được của bộ điều chỉnh được chọn theo phương pháp thực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nghiệm thông qua việc thử nghiệm trên mơ hình mơ phỏng và điều chỉnh theo sự đánh giá tính chất đặc tính hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.1.7: Thơng số bộ điều chỉnh PID cho dòng điện 4.2.4 Tổng hợp, mơ phỏng mạch vịng dịng điện
Kết hợp bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra và bộ điều khiển PID cho dịng điện ta có sơ đồ mơ phỏng trên Matlab-Simulink như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tiến hành chạy mơ phỏng ta có các kết quả sau:
Hình 4. 1. 8 : Tổn g hợ p bộ biến đổi trên S imuli nk vớ i phản h ồi dịng đ iện c ó kh â u PID
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi đặt điện áp yêu cầu mong muốn là 24V, với các khâu tính tốn đã trình bày ở mục 4.1 và 1.3 ta có dịng cân bằng i0.923, trên giản đồ là tín hiệu dịng điện qua cuộn cảm bám quanh giá trị cân bằng.
Hình 4.1.9: Dịng điện qua cuộn cảm
Để đạt được dòng điện như trên là do bộ điều khiển và bộ tạo xung phải tạo ra tín hiệu điều khiển u điều khiển bộ biến đổi, chúng có mối liên hệ như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.2.0: Mối liên hệ dịng điện qua cuộn cảm và tín hiệu điều khiển u
Hình 4.2.1: Độ rộng xung điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển chủ đạo
Với giá trị các thơng số trên, ta có được giá trị điện áp ra bám quanh giá trị cân bằng mong muốn sau thời gián quá độ khoảng 0.07s.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.2.2: Điện áp ra của bộ biến đổi
Từ kết quả mô phỏng trên, ta thấy rằng bộ điều khiển tuyến tính hố phản hồi vào ra và bộ điều chỉnh PID dòng điện đã làm tốt chức năng của nó, tạo ra dịng điện qua cuộn cảm có giá trị quanh giá trị cân bằng tính tốn theo mong muốn và từ đó cho ta điện áp ra theo yêu cầu mong muốn. Đó là biện pháp điều chỉnh điện áp thơng qua điều chỉnh giá trị dòng điện. Muốn thực hiện điều này ta làm theo trình tự:
- Tính giá trị dịng điện cân bằng theo giá điện áp ra mong muốn
- Tính giá trị điều khiển trung bình cân bằng theo giá điện áp ra mong muốn - Điều khiển dòng điện của bộ biến đổi bám theo giá trị dòng điện cân bằng
mong muốn đã tính tốn.
Theo các bước ở trên ta thấy rằng quá trình điều khiển điện áp cho bộ biến đổi là không linh hoạt, khi một thông số của của mạch thay đổi (tải, điện áp vào..) thì việc tính tốn lại phải thực hiện lại, mặt khác đối với bộ một biến đổi DC-DC thì việc ổn định điện áp lại là yêu cầu quan trọng bậc nhất quyết định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
đến chất lượng của bộ biến đổi. Do đó, việc điều chỉnh điện áp cho bộ biến đổi thơng qua mạch vịng phản hồi điện áp có ý nghĩa hết sức quan trọng và cần thiết cho hệ thống.
4.2.5 Bộ điều chỉnh điện áp
Bộ điều chỉnh điện áp sử dụng mạch vòng phản hồi điện áp, sử dụng bộ điều chỉnh PID tuyến tính, đầu vào bộ điều chỉnh là giá trị sai lệch điện áp ra và điện áp đặt e = V-V*, đầu ra là tín hiệu x1* tương ứng với i*. Như vậy hệ thống lúc này có hai mạch vịng phản hồi:
- Vịng trong là phản hồi dịng điện có tác động rất nhanh, bộ điều khiển là điều khiển tuyến tính hố nhờ phản hồi vào ra kết hợp với bộ điều chỉnh PID cho dòng điện
- Vịng ngồi: phản hồi điện áp đặt có tác động chậm hơn 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 dịng điện mong muốn trên cuộn cảm L đạt giá trị cân bằng i*
Hình 4.2.3: Mơ hình hệ thống với hai mạch vòng phản hồi
- Bộ điều khiển IOL cho dịng điện (Input-Output Linearization) là bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra.
- Bộ điều chỉnh PID cho mạch vòng dòng điện đã được xây dựng ở phần 4.2.1 và 4.2.2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Bộ điều khiển PID cho mạch vòng điện áp, thực chất là bộ điều khiển PI với các thông số Ki, Kp điều chỉnh tối ưu theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm, Kd=0. Ta chọn bộ thơng số PID tối ưu như sau:
Hình 4.2.4: Các thơng số bộ điều chỉnh mạch vịng phản hồi điện áp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4. 2. 5 : Tổn g hợ p bộ biến đổi trên S imuli nk vớ i hai mạc h vịng phản hồi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.5.1 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 q trình mơ phỏng ta cho hệ thống làm việc với sự biến động của tải thơng qua việc đóng các khóa S2, S3 để đóng thêm tải theo các mức như sau:
Mức Thời điểm tác động Điện trở đóng thêm Tải
1 0s 50 ohm 100%Pđm
2 0,2s 500 ohm 110% Pđm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Các kết quả mô phỏng:
Hình 4.2.6: Mối liên hệ tín hiệu điều khiển và dịng điện qua cuộn cảm
Tín hiệu điều khiển u cho bộ biến đổi có mối liên hệ với dịng điện như trên hình 4.2.6, với luật điều khiển đóng mở của tín hiệu u ta có giản đồ dịng điện qua cuộn cảm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.2.7: Dịng điện qua cuộn cảm
Trong đoạn 0-0.2s, hệ thống làm việc với tải định mức, dòng điện i* khởi động và đạt đến trạng thái xác lập. Tại t=0.2s bắt đầu tăng tải cho mạch làm việc với chế độ quá tải 110%, dòng điện tăng lên và xác lập sau một khoảng thời gian quá độ nhỏ (0,05s). Khi t=0.35s, hệ thống làm việc quá tải 120%, dòng điện tăng lên giá trị xác lập mới sau 0,05s như trên 4.2.7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.2.8: Điện áp ra của bộ biến đổi
Mục tiêu của bộ biến đổi là có được điện áp ra mong muốn đạt yêu cầu, Quan sát trên hình 4.2.8 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 quá điều chỉnh bé . Khi tải biến động, kéo theo sự thay đổi thơng 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 các chỉ tiêu chất lượng động và tĩnh, điện áp ra thỏa mãn yêu cầu.
4.2.5.2 Thử nghiệm tính điều chỉnh đƣợc của hệ thống
Ở phần trên, bộ biến đổi đã được thử nghiệm khi điều khiển điện áp ra theo điện áp đặt u=24V theo thiết kế ban đầu. Tuy nhiên, nếu trong q trình làm việc với tải nào đó có yêu cầu điện áp khác thì hệ thống cần phải được điều chỉnh bám theo giá trị điện áp ra yêu cầu mới bằng cách thay đổi điện áp mẫu. Sau đây ta tiến hành thử nghiệm mô phỏng với một số giá trị điện áp mẫu khác nhằm đánh giá khả năng điều chỉnh của hệ thống trong dải điều chỉnh cho phép
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thay đổi U* đặt giá trị này tại khối Constan, sau khi mơ phỏng nhiều lần trên mơ hình Simulink với các giá trị điện áp mẫu, ta thấy rằng dải điều chỉnh của bộ biến đổi tăng áp với các thông số mạch lực đã cho ban đầu có dải điều chỉnh 18- 40V cho ta điện áp ra đạt yêu cầu chất lượng. Kết quả mơ phỏng được trình bày trong hình 4.2.9 đến 4.3.3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.3.0: Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 20V
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.3.2: Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 30V
Hình 4.3.3: 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 biến đổi có dải điều chỉnh rất rộng, điện áp ra đạt chất lượng theo yêu cầu, đáp ứng nhanh, thời gian quá độ nhỏ. Ta thấy rằng bộ biến đổi với các mạch vịng điều khiển của nó đã làm tốt chức năng của một bộ biến đổi, thỏa mãn các yêu cầu chất lượng tĩnh và động.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Xuất phát từ những kết quả mơ phỏng trên, ta hồn tồn có thể thực hiện được được bộ biến đổi trong thực tế bằng các mạch điện tử với những linh kiện thông dụng kết hợp với các chip điều khiển để thực hiện các khối chức năng như sơ đồ khối đã nêu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
KẾT LUẬN
Luận văn đã giải quyết khá thành công yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi tăng áp. Đề tài này có tính cấp thiết để tối ưu hóa chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho bộ biến đổi tăng áp. Bản luận văn này đã thực hiện được các yêu cầu sau:
- Làm rõ cấu trúc, đưa ra mơ hình tốn học của bộ biến đổi tăng áp
- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra thơng qua việc nghiên cứu các khái niệm về hệ thống cấu trúc biến, điều khiển tương đương, trạng thái cân bằng, hình học vi phân,đạo hàm lie...
- Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi tăng áp trên cơ sở áp dụng nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra, khảo sát tính ổn định trên mơ hình tốn học hệ thống.
- Đưa ra cấu trúc của các bộ điều khiển trên nền Matlab & Simulink. Thực hiện mơ phỏng khảo sát các đặc tính chất lượng hệ thống, hoàn thiện thiết kế cho hệ thống
Với thời gian thực hiện luận văn hạn chế, đề tài mới chỉ thực hiện được mục tiêu chính là điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi tăng áp mà chưa đưa ra được hàm truyền chi tiết vòng phản hồi dòng điện của bộ biến đổi. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là khảo sát chi tiết và đưa ra được cấu trúc hàm truyền của mạch phản hồi dòng điện và bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra làm cơ sở để tổng hợp hệ thống tối ưu hơn.
Mặc dù đã cố gắng trong cách trình bày tuy nhiên bản luận văn vẫn tồn tại nhưng sai sót nhất định, Kính mong nhận được sự đóng góp chân thành từ các thầy cơ và các bạn đồng nghiệp cho bản luận văn được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn thầy, GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang đã giúp đỡ tơi hồn thành đề tài này, và cũng xin được bày tỏ lịng biết ơn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tới các anh các chị trong trung tâm công nghệ cao Trường đại học BKHN cũng như gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong q trình làm luận văn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hebertt Sira-Ramírez, Ramón Silva-Ortigora: Control Design Techniques in power Electronics Devices, spinger London, 2006
[2] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung: Lý thuyết điều khiển phi tuyến. NXB KH&KT Hà Nội, tái bản lần 2 có bổ xung, 2006
[3] Nguyễn Phùng Quang: MATLAB – Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. NXB KH&KT Hà Nội, 2006
[4] Lê văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh: Điện tử công suất. NXB KH&KT Hà Nội, 2004
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Danh mục hình vẽ
Chƣơng 1 Hình 1.1: Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi
Hình 1.2: Mơ hình một bộ biến đổi DC-AC
Hình 1.3: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển Hình 1.4: Sơ đồ một bộ biến đổi DC-DC và giản đồ điện áp
Hình 1.5: Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn Hình 1.6 Lý tưởng đóng cắt cho mạch giảm áp quadratic
Hình 1.7: Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi giảm áp kiểu Quadratic
Hình 1.8: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn Hình 1.9: Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi tăng áp
Hình 1.10: Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp Hình 1.11: Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp
Chƣơng 2
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC-
DC.
Chƣơng 4
Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp
Hình 4.2: Mơ hình bộ biến đổi trong khối Subsystem
Hình 4.3: Bộ biến đổi tăng áp mơ hình hóa trên PLECS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.5: Mơ hình chuyển đổi tín hiệu i-x1 Hình 4.6: Mơ hình khối chuyển đổi v-x2
Hình 4.7: Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra Hình 4.8: Ngun lý mơ hình khối tạo xung điều khiển
Hình 4.9: Nguyên lý tạo xung tam giác
Hình 4.1.0: Tổng hợp bộ biến đổi trên Simulink với phản hồi dòng điện