Chương 4 : Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab& Simulink
4.1. Mạch lực bộ biến đổi
Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp với các thông số bộ biến đổi L15.91mH, C 50F,E=12V, R=52
Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp
Mơ tả tốn học bộ biến đổi:
E v u dt di L (1 ) R v i u dt dv C (1 )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
`
Hình 4.2: Mơ hình bộ biến đổi trong khối Subsystem
Hình 4.3: Bộ biến đổi tăng áp mơ hình hóa trên PLECS
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 4.1), điều khiển bộ biến đổi
- Đầu ra là các tín hiệu dịng điện, điện áp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trên mơ hình có các khối chuyển đổi giữa mơ hình Plecs và mơ hình biến đổi tốn học, bao gồm: chuyển đổi u-uav, i-x1; v-x2 như sau:
Hình 4.4: Mơ hình chuyển đổi tín hiệu u-uav
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.6: Mơ hình khối chuyển đổi v-x2 4.2 Xây dựng bộ điều khiển
4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện
Luật điều khiển bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra được xây dựng ở chương 3 như sau:
2 0 1 1 0 1 2 2 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) d av f av g V x v L h x Q x x u L h x x x Theo mơ hình
Hình 4.7: Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào
ra z = (x) Vav = -0(y-y)- 1 1 1 r j j jz - u + + - ( ) + ) ( 1 x r f g x r f av h L L h L v uav= -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.2. Bộ điều biến PWM
Trong đó khối Subsystem tạo xung 1 thực chất là bộ tạo xung PWM (pulse Width Modulation – điều biến độ rộng xung) chuyển đổi từ tín hiệu tuyến tính trong khoảng [0,1] thành tín hiệu có độ rộng xung thay đổi theo tín hiệu vào.
Hình 4.8: Ngun lý mơ hình khối tạo xung điều khiển
Xung tam giác chuẩn cần có những yêu cầu sau:
- Biên độ phù hợp. Biên độ phải lớn hơn hoặc bằng giá trị max trong dải [min max] của tín hiệu điều khiển chủ đạo. Ở đây ta chọn biên độ xung tam giác là 1.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Tần số phù hợp. Nếu tần số nhỏ quá sẽ làm cho q trình điều khiển gián đoạn nhiều, thời gian đóng cắt dài gây nên hiện tượng nhấp nhơ của tín hiệu và chế độ nhiệt của thiết bị đóng cắt. mặt khác các thiết bị đóng cắt cũng chỉ có thể làm việc ở một dải tần số nhất định, phụ thuộc vào tốc độ chuyển mạch của từng loại linh kiện bán dẫn công suất. Cụ thể với các loại Transistor trường (FET - Field Effect Transistor) và IGBT( Isulated Gate Bipolar Transistor ) thường chọn tần số đóng cắt khoảng 5-20KHz, với Transistor Bipolar công suất lại chỉ nên chọ tần số nhỏ hơn 1KHz.
Hình 4.9: Nguyên lý tạo xung tam giác
Tổng hợp lại, ta có mơ hình mơ phỏng hệ thống bộ biến đổi tăng áp một chiều trên Matlab-Simulink như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4. 1. 0 : Tổn g hợ p bộ biến đổi trên S imuli nk vớ i phản h ồi dòng đ iện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
*Các kết quả mô phỏng
Khi mong muốn điện áp ra là 24 V, các giá trị tính tốn cho dịng điện là 0.923, giá trị của tín hiệu điều khiển tương đương trung bình là 0.5
Hình 4.11: Tín hiệu điều khiển Utb theo tính tốn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.12: Mối liên hệ tín hiệu điều khiển và dịng điện qua cuộn cảm
Hình 4.13: Tín hiệu điều khiển u và tín hiệu dịng điện qua cuộn cảm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Giản đồ điện áp:
Hình 4.14: Điện áp đặt bám theo giá trị điện áp trung bình tính tốn
Với dịng điện đặt bám theo giá trị dịng điện cân bằng tính tốn theo lý thuyết, Bộ điều khiển tuyến tính hóa phản hồi vào ra đã điều khiển khóa FET đóng mở theo luật đã mô tả ở chương 3 thông qua bộ điều biến PWM cho ta điện áp ra theo yêu cầu là 24V
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.3 Bộ điều khiển PID cho dòng điện
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 thơng 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 thơng 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 thông 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 thông qua mạch vòng 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 vòng 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 dịng 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 vịng phản hồi
- Bộ điều khiển IOL cho dòng 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 thông 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 vòng 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 quá 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 mô 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 vòng điều khiển của nó đã làm tốt chức năng