Thiết kế bộ điều khiển PID biến đổi điện áp DC-DC bằng matlab simulink [PDF]

Zitiervorschau

Mục lục

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI..........................................................2 1.1. Mục đích đề tài..................................................................................2 1.2. Đối tượng nghiên cứu........................................................................2 1.3. Phương pháp và kế hoạch nghiên cứu...............................................2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................4 2.1. Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter)..............................4 2.1.1. Cấu trúc bộ Boost Converter......................................................4 2.2.2. Không gian trạng thái của bộ boost converter............................6 2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID.............................................................12 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID........................................................................................................15 3.1. Tính toán mạch lực bộ Boost Converter..........................................15 3.2. Tính toán thông số bộ điều khiển PID.............................................16 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG...................................................20 4.1. Mô phỏng hệ thống trên Matlab&Simulink....................................20

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Mục đích đề tài 

Tìm hiểu rõ hơn về cấu trúc cũng như nguyên lý làm việc của bộ biến đổi DC – DC và bộ điều khiển PID.

 Biết cách áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols để tìm ra thông số cho bộ điều khiển PID áp dụng vào bộ boost converter.  Tích lũy được kinh nghiệm để đưa lý thuyết vào với thực tế 1.2. Đối tượng nghiên cứu - Thiết kế mạch lực bộ biến đổi DC - DC tăng áp. - Thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ biến đổi DC - DC tăng áp. 1.3. Phương pháp và kế hoạch nghiên cứu - Sử dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng điện áp ra. - Tìm hiểu cấu trúc bộ biến đổi DC - DC tăng áp và bộ biến đổi PID, xây dựng mô hình và mô phỏng bằng phần mềm Matlab&Simulink. Mục đích của bộ biến đổi DC - DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi. Trong một số trường hợp, điện áp một chiều được tao ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới có các điện áp biến thiên liên tục. Bộ biến đổi DC - DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy. Ngoài ra các bộ biến đổi DC - DC còn được sử dụng để điều khiển động cơ một chiều. Bộ biến đổi DC - DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai các thực hiện kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch. Bộ biến đổi DC - DC tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ biến đổi DC DC tăng áp được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, chúng có thể được sử dụng để điều khiển động cơ trong xe điện, cầu trục, các thiết bị khai thác mỏ,… 2

Ngoài ra, để giữ ổn định cho mạch một chiều và đưa điện áp xoay chiều (AC) ra lưới, người ta còn sử dụng thêm bộ nghịch lưu DC – AC

3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) 2.1.1. Cấu trúc bộ Boost Converter Mục đích của bộ biến đổi DC - DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi. Trong một số trường hợp, điện áp một chiều được tao ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới có các điện áp biến thiên liên tục. Bộ biến đổi DC - DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy. Ngoài ra các bộ biến đổi DC - DC còn được sử dụng để điều khiển động cơ một chiều. Bộ biến đổi DC - DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai các thực hiện kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch. Dùng tụ điện chuyển mạch thì chúng ra phải tạo được nguồn dòng là tiến hiệu vào, còn dùng điện cảm chuyển mạch thì đầu vào là nguồn áp. Dễ dàng nhận thấy, sử dụng điện cảm chuyển mạch sẽ đơn giản hơn, vì tạo ra một nguồn áp sẽ dễ hơn tạo ra một nguồn dòng, hơn nữa nó còn có thể sử dụng ở các mạch có công suất lớn. Bộ biến đổi DC - DC tăng áp có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với một cuộn cảm khá lớn có vai trò như một nguồn dòng. Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng này đóng mở theo chu kỳ. Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện áp đầu ra tawg lên. Nó thường dùng để sử dụng điều chỉnh điện áp nguồn cup cấp và hãm tái sinh động cơ DC. Vấn đề điều khiển bộ biến đổi tăng áp là một vấn đề phức tạp vì nó có tính phi tuyến và dễ bị ảnh hưởng của các tác động bên ngoài.

4

Hình 2.5: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn Ta giả thiết rằng các thiết bị bán dẫn là lý tưởng, nghĩa là transistor Q phản ứng nhanh khi diode D có giá trị ngưỡng bằng 0. Điều này cho phép trạng thái dẫn và trạng thái khóa được kích hoạt tức thời không mất thời gian. Như đã biết, ta có: khi transistor ở trạng thái mở, diode D sẽ bị phân cực ngược. Do đó, sẽ hở mạch giữa nguồn áp E và tải R. Ta có thể thấy điều này trên hình 2.6(a). Mặt khác, khi transistor Q ở trạng thái khóa, diode D phân cực thuận, tức là D dẫn. Nó cho phép dòng năng lượng truyền từ nguồn E tới tải R, như hình 2.6(b).

(a) Chuyển mạch ở vị trí u = 1

(b) Chuyển mạch ở vị trí u = 0

Hình 2.6: Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi Hai sơ đồ mạch ghép nối với bộ biến đổi có thể được kết hợp thành một sơ đồ mạch đơn bằng cách sử dụng ý tưởng của chuyển mạch lý tưởng như trên hình 2.7:

5

Hình 2.7: Sơ đồ lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 2.2.2. Không gian trạng thái của bộ boost converter

Hình 2.8: Bộ biến đổi boost trong khoảng thời gian ton Trong khi transitor mở thì điện áp transitor về không và điode thì không dẫn. Mạch ở hình 2.8 có thể được sử dụng như là một mô hình của bộ biến đối Boost trong thời gian ton. Ở trong hình, một nguồn dòng được thêm vào. Từ hình 2.8 ta thu được các phương trình sau :

Biến đổi công thức (2.3) ta được: 6

Thay thế (2.2) vào (2.6)

Rút gọn (2.7)

Bằng cách sử dụng (2.1),(2.6),(2.8) ta thu được hệ thống không gian trạng thái dưới đây

7

Hình 2.9: Bộ biến đổi boost trong khoảng thời gian toff Trong khi các transitor khóa, điện áp qua diode thì vê 0. Do đó mạch trong hình 2.9 thể hiện mô hình của bộ biến đôi boost trong thời gian t off .Một mô hình không gian trạng thái được trình bày như sau: 8

:

Ứng dụng không gian trạng thái trung bình, ta được các phương trình :

9

Các biểu thức một chiều bây giờ sẽ được nghiên cứu, ta thu được :

Đơn giản (2.27) V =RD’IL

(2.29)

Thay (2.29) vào (2.28)

10

Thay (2.29) vào (2.26)

Điện áp một chiều qua ESR của tụ về 0 và kết quả này được chứng minh ở (2.30). Giá trị trung bình của dòng tải sẽ băng giá trị trung bình của dòng qua diode. Dòng qua diode sẽ băng dòng của cuộn dây trong khoảng thời gian D' và nêu không thì bằng 0. Do đó giá trị trung bình của dòng qua diode (xấp xỉ) bằng D'IL, và kết quả này được giải thích ở (2.29), (2.32) cho thấy biên độ một chiều của bộ biến đổi boost và nó cao hơn 1. Rút ra hàm truyền của bộ biến đổi boost :

Trở kháng đầu ra và độ nhạy cảm bây giờ sẽ được suy ra từ hệ thống tuyến tính ở (2.33). giả thiết răng các điều kiện đầu bằng không. Biến đổi laplace của (2.33) ta được :

Phương trình đầu tiên của mở rộng (2.35)

11

Rút gọn (2.36), ta thu được:

Ta thu được hàm truyền của bộ biến đổi boost :

Nếu bỏ qua tụ điện, ta được :

2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển thông dụng được sử dụng từ lâu trong công nghiệp. Đây được coi là những bộ điều khiển cổ điền, tuy nhiên hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do tính ưu việt của nó. Lý do 12

bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì tính đợn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, bên cạnh đó nó còn có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ quá điều chỉnh nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp. Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng. Một bộ điều khiển PID nói chung là một bộ điều khiển bao gồm vòng điều chỉnh và vòng phản hồi tín hiệu . Cấu trúc chung của bộ PID được trình bày như sau:

Hình 2.10: Cấu trúc chung của bộ điều khiển PID Một bộ điều chỉnh PID có thể bao gồm đây đủ 3 thông số P,I,D hoặc tùy yêu cầu của hệ thông mà có thể là bộ điều khiển I, P, PI, PD. Việc tính toán điều khiển PID bao gồm tính toán riêng biệt các tham số: khâu tỷ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân: - Khâu tỷ lệ (P): có nhiệm vụ phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao. Nếu đặt giá trị này càng cao thì tốc độ đáp ứng (đạt tới giá trị đặt mong muốn) càng nhanh. Tuy nhiên nó cũng làm độ chính xác giảm đi và tổn hao năng lượng tăng lên. Nếu giá trị này quá lớn thì hệ quả là hệ thống sẽ mất ổn định. 13

- Khâu tích phân (I): thực hiện công việc và có tích lũy kinh nghiệm đề thực hiện tốt nhiệm vụ. Nếu đặt giá trị này càng cao thì quá trình loại trừ sai số do tham số P gây ra (tức là đưa về giá trị yêu cầu) càng nhanh. Tuy vậy nó cũng gây ra hiện tượng quá độ càng lớn.  - Khâu vi phân (D): luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh với sự thay đối tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ. Nếu giá trị này càng cao thì càng làm giảm sự quá độ do tham số I gây ra. Đồng thời nó cũng làm cho quá trình đáp ứng bị chậm đi. Nếu quá lớn sẽ gây ra sự mất ổn định hệ thống. Bộ điều khiển PID thường được sử dụng để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp như trên. Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch tĩnh e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn yêu câu sau: - Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần

, tín hiệu điều

chỉnh u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần

, PID vẫn

còn tạo tín hiệu điều chỉnh. - Nếu sự thay đối của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần , phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh. Vì là một bộ điều khiển khá đơn giản, dễ thực hiện, có thể triệt tiêu sai số cũng như đảm bảo về hiệu suất biến đổi cùng độ ổn định cao, nên với đồ án này, bộ điều khiển PID là một lựa chọn phù hợp.

14

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1. Tính toán mạch lực bộ Boost Converter Thông số yêu cầu của mạch cần thiết kế: - Điện áp đây giả sử là 10V để tính toán thông số mạch lực. - Điện áp ra: 24V - Tần số hoạt động của mạch: f=20kHz V

10 ¿ - Duty Cycle: 1− V =1− 24 =0.6 out

- Rload =10( Ω), khi đó dòng điện qua tải I o=2.5 A . - Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm khoảng 30%. - Độ đập mạch điện áp