Nâng cao chất lượng bộ biến đổi DC-DC bằng bộ điều khiển trượt

Header Page 1 of 126.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN THỤ

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ BIÊN ĐỔI DC-DC
BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

Chuyên ngành : Tự động hóa
Mã số:

60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013

Footer Page 1 of 126.


Header Page 2 of 126.
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ANH DUY

Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC

Phản biện 2: TS. TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc
sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 05 năm
2013.

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Footer Page 2 of 126.


Header Page 3 of 126.

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết đề tài
- Đối với bài toán chuyển đổi điện áp DC – DC đã có nhiều
phương pháp nghiên cứu và được ứng dụng trong thực tế như chuyển
đổi nguồn tuyến tính, nguồn ngắt mở (Switched Mode Power
Supply)…Tuy nhiên chúng có những hạn chế như độ ổn định điện áp
ra chưa cao, tổn hao năng lượng lớn, cồng kềnh, giá thành lớn.
- Điều khiển PID đã được ứng dụng cho bộ biến đổi DC-DC
nhưng chất lượng điện áp ra vẫn chưa thỏa mãn được yêu cầu.
- Bộ điều khiển trượt được thiết kế và so sánh với bộ điều khiển
PID cho thấy khả năng ứng dụng để nâng cao chất lượng của bộ biến
đổi DC-DC.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tìm hiểu bộ biến đổi DC-DC với chuyển mạch đơn bằng cách
sử dụng các phương trình toán học.
- Thực hiện bộ điều khiển PID cho bộ biến đổi DC-DC đã được
nghiên cứu trước đó.
- Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC bằng điều khiển
trượt.
- So sánh kết quả thu được từ hai phương pháp điều khiển trên và
kết luận.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu cấu trúc điều khiển và xây dựng mô hình, mô phỏng
trên phần mềm Matlab - Simulik.
5. Bố cục đề tài.

Footer Page 3 of 126.


Header Page 4 of 126.

2

Luận văn được tổ chức như sau.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn chia
thành 4 chương như sau.
Chương 1 Giới thiệu chung về bộ biến đổi DC-DC
Chương 2 Nguyên lý điều khiển trượt
Chương 3 Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC
Chương 4 Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab- Simulink Kết
luận và hướng phát triển của đề tài.
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
1.1. GIỚI THIỆU

1.2. PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN
1.3. KHÁI QUÁT VỀ MẠCH BĂM XUNG
1.3.1. Khái niệm
1.3.2. Ưu điểm của phương pháp dùng mạch băm xung
1.3.3. Phân loại
1.3.4. Nguyên tắc hoạt động chung của mạch băm xung
1.3.5. Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra
a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung
b. Phương pháp thay đổi tần số xung
1.4. CÁC BỘ BIẾN ĐổI DC-DC
1.4.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)
1.4.2. Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)
1.4.3. Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)
1.5. CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI
ĐIỆN ÁP DC-DC
1.5.1. Chế độ dòng điện liên tục
1.5.2. Chế độ dòng điện gián đoạn

Footer Page 4 of 126.


Header Page 5 of 126.

3

1.5.3 Chọn giá trị Lmin cho chuyển đổi điện áp DC-DC
1.6. KẾT LUẬN
Bộ biến đổi DC-DC có nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu mạch
đơn giản, hoạt động cho hiệu suất cao nhờ kĩ thuật băm xung áp một
chiều, tổn thất điện năng thấp. Bằng phương trình toán học cũng cho

biết làm thế nào ta chọn được Lmin cho ba bộ chuyển đổi (giảm áp,
tăng áp và đảo áp) để chắc chắn hoạt động trong chế độ DĐGĐ hoặc
DĐLT điện áp.
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
2.1. GIỚI THIỆU
2.2. CÁC HỆ THỐNG CẤU TRÚC BIẾN
2.2.1. Điều khiển đối với các hệ thống điều chỉnh bằng
chuyển mạch đơn.
2.2.2. Các mặt trượt
2.2.3. Cơ sở nguyên lí điều khiển trượt
2.3. XEM XÉT NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
2.3.2. Điều kiện tồn tại
2.3.3. Điều kiện tiếp cận
2.3.4. Mô tả hệ thống trong phương thức trượt
2.3.5. Rung (chattering)
2.4. KẾT LUẬN
Chương này nêu lên những vấn đề về nguyên lý điều khiển trượt.
Sau khi tìm hiểu phương pháp điều khiển trên, tác giả luận văn chọn
phương pháp điều khiển trượt làm cơ sở cho việc nghiên cứu bởi vì
phương pháp này có các ưu điểm là tính bền vững đối với sự thay đổi
của nhiễu, đáp ứng nhanh và độ chính xác cao, phù hợp với các đối
tượng điều khiển có tính phi tuyến mạnh. Tuy nhiên phương pháp điều
khiển trượt truyền thống có nhược điểm là xuất hiện hiện tượng

Footer Page 5 of 126.


Header Page 6 of 126.

4

chattering, một hiện tượng không mong muốn, ảnh hưởng rất lớn đến
chất lượng của hệ điều khiển trượt. Việc nghiên cứu hạn chế hiện
tượng chattering là định hướng để nâng cao chất lượng hệ điều khiển
chuyển động.
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI
DC-DC
3.1. MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI
DC-DC GIẢM ÁP
Để tìm mô hình của hệ thống của bộ biến đổi giảm áp DC-DC,
trong luận án này ta chỉ xét bộ biến đổi giảm áp DC-DC hoạt động ở
chế độ liên tục.

Hình 3.1: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (u=1 là đóng, u=0 là ngắt)
Ở hình 3.1, sẽ thuận tiện hơn nếu sử dụng hệ thống mô tả liên
quan đến sai lệch điện áp ra đầu ra và đạo hàm của nó nghĩa là
(3.1)
x1  Vref  Vo
dx1
dV
i
(3.2)
 o  c
dt
dt
C
Trong đó Vref là điện áp tham chiếu (điện áp ra mong muốn), Vo là
x2 

điện áp ra thực trên tải,

ic dòng điện qua tụ. Như vậy

x1  x2
x2  

1 d
ic
C dt

Footer Page 6 of 126.

(3.3)
(3.4)


Header Page 7 of 126.

5

Xét dòng điện và điện áp của mạch điện khi khóa đóng ta suy ra
được:

x2  

V
Vin
x
1
u  1  ref 

x2
LC
LC LC RLC

(3.13)

(3.3) và (3.13) là phương trình trạng thái với các biến x1 và x2 của
bộ biến đổi DC-DC giảm áp.
3.2 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
GIẢM ÁP
3.1.1. Mặt phẳng pha mô tả điều khiển cho trượt bộ giảm
áp DC-DC
Có thể viết lại phương trình trạng thái của bộ biến đổi giảm áp
DC-DC ở dạng:

x  Ax  Bu  D

(3.19)

Trong đó u là đại lượng đầu vào gián đoạn được giả thiết có giá trị 0
hoặc 1
 0 
1 
1  , B   Vin  ,

 LC 
RL C 

 0
A   1

 LC


 0 .
D  Vref 
 LC 

(3.20)

Đáp ứng quĩ đạo pha tương ứng u  0, 1 được vẽ ở hình 3.2.
Hàm trượt được chọn là

 x  c1 x1  c2 x2  C T x  0

(3.21)

Trong đó C  c1 ,c2  là véctơ của hệ số mặt phẳng trượt và
T

x  x1 x2  T . Phương trình (3.21) mô tả đường thẳng trong mặt phẳng
pha đi qua gốc tọa độ (chính là điểm hoạt động ổn định cho bộ biển đổi
điện áp: sai lệch điện áp ra bằng 0 và đạo hàm sai lệch bằng 0).
Thay phương trình (3.3), (3.13) vào (3.21) dẫn đến

 ( x)  c1 x1  c2 x1  0

(3.22)

Phương trình (3.22) mô tả hệ thống động trong chế độ trượt.

Footer Page 7 of 126.


Header Page 8 of 126.

6

Ta chọn luật điều khiển bám
 1 khi  ( x)  0
(3.23)
u
,
0 khi  ( x)  0
Khi khóa (van) ngắt thì dòng điện qua cuộn cảm ( i L ) được giả
định giá trị là không âm, i L tiến về 0 và bằng 0, tụ ngừng nạp, hàm mũ
nạp điện của tụ tiến về 0. Điều này tương ứng với chế độ dẫn gián
đoạn và đặt sự giới hạn lên biến trạng thái. Biến vùng này có thể suy
ra giới hạn iL  0 .
1
x2 
(Vref  x1 )
RLC

Hình 3.2: Quĩ đạo của hệ thống và đường trượt trong mặt phẳng pha
của bộ biến đổi giảm áp
3.1.2. Điều kiện tồn tại chế độ trượt
Để chứng minh điều kiện tồn tại chế độ trượt trong v ng trượt
của bộ giảm áp DC-DC ta lấy đạo hàm phương trình (3.21)
(3.34)
 ( x)  CT x  0

Thay phương trình (3.19) vào (3.34) ta được

Footer Page 8 of 126.


Header Page 9 of 126.

7

 ( x)  CT Ax  CT Bu  CT D

(3.35)

Với điều kiện tồn tại cho v ng trượt từ phương trình (2.11) ta có:
C T Ax  C T Bu  C T D  0 khi  ( x)  0
 ( x)   T
.
T

T
C Ax  C Bu  C D  0 khi  ( x)  0

(3.36)

Sử dụng phương trình (3.20) và (3.35) với điều kiện đầu u  0
với  ( x)  0 trong phương trình (3.23) ta được
1 ( x)  (c1 

Vref  Vin
c2

c
) x2  2 x1 
0
RL C
LC
LC

(3.38)

Tương tự với điều kiện thứ hai u  1 với  ( x)  0 trong phương
trình (3.23) ta cũng có
2 ( x)  (c1 

Vref
c2
c
) x2  2 x1 
c2  0
RL C
LC
LC

(3.40)

Phương trình 1 ( x)  0 và 2 ( x)  0 xác định hai đường thẳng
trong mặt phẳng pha với c ng độ dốc đi qua hai điểm tương ứng là
( Vref , 0 ) và ( V ref Vin ).
Vùng tồn tại chế độ trượt trong hình 3.3 cho c1  c2 RLC và
trong hình 3.4 cho c1  c2 RL C . Có thể nhìn thấy rằng, giá trị của c1
giảm thì gây ra sự suy giảm của vùng tồn tại chế độ trượt (hệ số c1

của đường trượt cũng quyết định đáp ứng động của hệ thống trong chế
độ trượt). Từ phương trình (3.22) đáp ứng động của hệ thống ở bậc 1
với hằng số thời gian   c2 c1 . Như vậy tốc độ đáp ứng cao nghĩa là
  RL C ở (3.38) và (3.40) sẽ giới hạn tồn tại chế độ trượt và là

nguyên nhân gây quá điều chỉnh trong thời gian quá độ.

Footer Page 9 of 126.


Header Page 10 of 126.

8

Hình 3.3 : Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha khi
c1 

c2 . Ranh giới các vùng được chỉ rõ bởi phương trình( 3.38) và
RL C

(3.40). Điểm (Vref ,0) chắn vùng quĩ đạo khi khóa(van) đóng và điểm
(Vref –Vin,,0) khi khóa(van) ngắt.

Hình 3.4: Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha
c
khi c1  2 . Ranh giới các vùng được chỉ rõ bởi phương trình (3.38)
RL C
và (3.40). Điểm Vref ,0) chắn vùng quĩ đạo khi khóa(van) đóng và điểm
(Vref –Vin,,0) khi khóa(van) ngắt

Footer Page 10 of 126.


Header Page 11 of 126.

9

3.3. KẾT LUẬN
Qua việc phân tích tính ổn định của chế độ trượt trong mặt phẳng
pha cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp, ta nhận thấy rằng để hệ thống
hoạt động ổn định thì ta chọn hệ số c1 

c2
.
RL C

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN
MATLAB-SIMULINK
4.1. MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP
4.1.1. Xây dựng thông số mạch lực

Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC giảm áp
Tham số ban đầu của bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp được chọn
là Vin  24V , Vo  12V , RL  13, f s  100KHz Để mạch hoạt động chế
độ dòng điện liên tục thì

Lmin 

(Vin(max)  Vo )(Vo ) 2 TS

(4.1)

2Po(min)Vin(max)

Trong đó

Vin(max)  28V , Ts  1
Po(min)  Vo .I o(min) 

fs

Vo2
RL (max)

, và chọn



122
 0.11W ,
1300

Thay vào phương trình (4.1) ta được Lmin  45H

Footer Page 11 of 126.


Header Page 12 of 126.

10

- Chọn giá trị gợn sóng dòng điện iL là 1A, ta tìm được giá trị
điện cảm L cần thiết cho bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp từ phương
trình:
VL  L

iL
i
 L L  L  60H
t
DTs

- Chọn giá trị gợn sóng vc  vo  0.003V , từ phương trình
(4.3) ta tìm được giá trị tụ C.
V D(1  D)
(4.3)
vc  o
8LCf 2
 C  208F , ta chọn C  220F

4.1.2. Mô hình hóa mạch động lực trên Matlab-Simulink

Hình 4.3: Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp
4.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
4.2.1. Bộ điều khiển PID
khiển PID cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp có các thông số mạch
lực:
C  220F , L  60H , RL  13,
Vin  24V ,

Vo  12V , f s  100kHz

là
 s  3142 s  10681
Gc  10


S

 s  91106

Footer Page 12 of 126.


Header Page 13 of 126.

11

Hình 4.4: Sơ đồ khối điều khiển PID bộ giảm áp trên
Matlab-SimulinkTM
Ghép với mô hình mạch lực bộ biến đổi ta có sơ đồ mô phỏng

Hình 4.5: Điều khiển PID cho bộ biến đổi giảm áp
4.2.2. Xây dựng bộ điều khiển trượt
Sử dụng bộ điều khiển trượt với mặt trượt  ( x)  c1 x1  c2 x2 , ta
xác định luật điều khiển sau:

(c1 x1  c2 x2 )  0  u  0
(c1 x1  c2 x2 )  0  u  1
 u  sign(c1x1  c2 x2 )

Trong đó x1 là sai lệch điện áp đầu ra, x2 là đạo hàm của x1 và

Footer Page 13 of 126.


Header Page 14 of 126.

12

c1,c2 là hằng số tích phân được lấy là dương.

Hình 4.8: Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp
Giá trị c1,c2 được chọn sao cho giảm độ quá điều chỉnh thấp nhất với
điều kiện là c1  c2 . Nếu ta chọn c1 = 1 thì c2  0.0028 , qua nhiều
RL C
lần thử nghiệm ta chọn c2 = 0.0025
Mô phỏng ta được dạng sóng điện áp và dòng điện như sau.

dien áp ra (V)

12.002
12.001
12
11.999

Dong dien qua L (A)

11.998
0.182

0.182

0.182

0.182

0.182

0.182

0.182

0.182

0.182

0.182

0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821

1.5

1
0.92
0.5

0
0.182

0.182 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821

Timer(s)

Hình 4.9: Gợn sóng điện áp ra Vo và dòng điện qua cuộn cảm L

Footer Page 14 of 126.


Header Page 15 of 126.

13

Ta thấy độ dao động dòng điện là 1A quanh giá trị cân bằng 9.2A
và độ dao động điện áp rất nhỏ khoảng 0.003V.
4.3. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
VỚI ĐIỀU KHIỂN PID
Các kết quả sau đây được thực hiện mô phỏng điều khiển trượt
với điều khiển PID trên cùng mô hình bộ biến đổi điện áp DC-DC
giảm áp
4.3.1. Thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh
PID
15

Qua dieu chinh =3V

12

V

10

5
Thoi gian xac lap =0.002s
0

0.002

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.015

0.02

0.025

30

20

A

Qua dieu chinh =28A
10

2
0

0.002

0.005

0.01
Timer(s)

Hình 4.12: Điện áp ra Vo và dòng điện qua L bằng điều khiển PID
Cho ta thấy thời gian xác lập là 0.002s và độ quá điều chỉnh dòng
điện là 28A và điện áp ra là 3V.

Footer Page 15 of 126.


Header Page 16 of 126.

14
SMC

16
12

V

10

5

Thoi gian xac lap = 0.011s
0

0

0.005

0.011

0.015

0.02

0.025

0.011
0.015
Timer(s)

0.02

0.025

3

2

A

Thoi gian xac lap = 0.011s
1.2
1
0.5
0

0

0.005

Hình 4.13 : Điện áp ra Vo và dòng điện qua L của điều khiển trượt
Cho ta thấy thời gian xác lập là 0.011s và độ quá điều chỉnh dòng
điện không đáng kể.
Bảng so sánh 4.1: Thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh
Bộ điều khiển

Điều khiển PID

Điều khiển trượt

Thời gian

Độ quá

Thời gian

Độ quá

xác lập

điều chỉnh

xác lập

điều chỉnh

Điện áp ra (Vo)

0.002s

3V

0.011s

0V

Dòng điện qua L

0.002s

28A

0.011s

0A

Thông số

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.1, ta thấy bộ điều khiển trượt có
thời gian xác lập lớn (0.011s) gấp 9 lần so với PID (0.002s), nhưng b

lại độ quá điều chỉnh không đáng kể so với PID.

Footer Page 16 of 126.


Header Page 17 of 126.

15

4.3.2. Tác động của sự thay đổi điện áp vào (Vin)
a. Điện áp vào Vin tăng từ 24V lên 28V
PID

Vo

12.2
12
11.8

0.02

0.021

0.022

0.023

0.024

0.021

0.022

0.023

0.024

0.025

0.026

0.027

0.028

0.029

0.03

0.025 0.026
Timer(s)

0.027

0.028

0.029

0.03

28

Vin

27
26
25
24
0.02

Hình 4.14: Điện áp ra của điều khiển PID khi Vin từ 24V lên 28V

Vo

SMC

12.2
12
11.8

0.02

0.021

0.022

0.023

0.024

0.021

0.022

0.023

0.024

0.025

0.026

0.027

0.028

0.029

0.03

0.025 0.026
Timer(s)

0.027

0.028

0.029

0.03

28

Vin

27
26
25
24
0.02

Hình 4.15: Điện áp ra điều khiển trượt khi Vin tăng từ 24V lên 28V

Footer Page 17 of 126.


Header Page 18 of 126.

16

Bảng so sánh 4.2: Hệ thống làm việc khi điện áp vào từ 24V lên 28V
Bộ điềukhiển

Điều khiển PID

Điều khiển trượt

Thời gian

Dao động

Thời gian

Dao động

xác lập

đỉnh-đỉnh

xác lập

đỉnh-đỉnh

 0s

 0V

 0s

 0V

Thông số
Điện áp ra (Vo)

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.2 ta thấy điện áp ra cả hai bộ
điều khiển cho độ ổn định rất tốt điện áp ra khi điện áp vào Vin tăng.
b. Điện áp vào Vin giảm từ 24V xuống 18V
PID

Vo

12.4
12.15

Dao dong dinh-dinh =0.2V

12
11.9
0.029

0.0295

0.03

0.0305

0.031

0.0315

0.032

0.0295

0.03

0.0305

0.031

0.0315

0.032

0.03

0.0305
Timer(s)

0.031

0.0315

0.032

Vin

24
22
20
18
0.029

iL

3.5
3
2

Dao dong dinh-dinh =3.5A

0
0.029

0.0295

Hình 4.16: Điện áp ra điều khiển PID khi Vin giảm từ 24V đến 18V

Footer Page 18 of 126.


Header Page 19 of 126.

17
SMC

Vo

12.4

12
11.8
0.029

0.0295

0.03

0.0305

0.031

0.0315

0.032

0.0295

0.03

0.0305

0.031

0.0315

0.032

0.0305

0.031

0.0315

0.032

Vin

24

18
0.029

2

iL

Dao dong dinh-dinh =1A
1.4
1
0.4
0
0.029

0.0295

0.03

Timer(s)

Hình 4.17: Điện áp ra điều khiển trượt khi Vin giảm từ 24V đến 18V
Bảng so sánh 4.3: Hệ thống làm việc khi Vin từ 24V xuống 18V
Bộ điều khiển

Điều khiển PID

Điều khiển trượt

Thời gian

Dao động

Thời gian

Dao động

xác lập

đỉnh-đỉnh

xác lập

đỉnh-đỉnh

Điện áp ra (Vo)

 0s

0.2V

 0s

 0V

Dòng điện qua L

 0s

3.4A

 0s

1A

Thông số

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.3, ta thấy điện áp ra của bộ
điều khiển trượt vẫn ổn định trong khi điện áp ra bộ điều khiển PID
bắt đầu có gợn sóng điện áp tăng (0.2V) và dòng điện qua L là gián
đoạn.
4.3.3. Tác động sự thay đổi giá trị tải
a. Hệ thống làm việc không tải (RL = 1.3kΩ)

Footer Page 19 of 126.


Header Page 20 of 126.

18

PID

Vo

12.3
12
11.7 Dao dong dinh-dinh =0.6V
0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.08

0.09

0.1

4
3.4

iL

2
Dao dong dinh-dinh =3.4A

0
0.03

0.04

0.05

0.06
0.07
Timer(s)

Hình 4.18: Điện áp ra điều khiển PID khi hệ thống làm việc không tải
SMC

Vo

12.3
12
11.7
0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.04

0.05

0.06
0.07
Timer(s)

0.08

0.09

0.1

iL

2

1

0
0.03

Hình 4.19: Điện áp ra điều khiển trượt khi khi hệ thống làm việc
không tải

Footer Page 20 of 126.

Header Page 21 of 126.

19

Bảng so sánh 4.4: Hệ thống làm việc không tải (RL = 1.3kΩ)
Bộ điều khiển

Điều khiển PID

Điều khiển trượt

Thời gian

Dao động

Thời gian

Dao động

xác lập

đỉnh-đỉnh

xác lập

đỉnh-đỉnh

Điện áp ra (Vo)

 0s

 0 .6 V

 0s

 0V

Dòng điện qua L

 0s

3.4A

 0s

 0A

Thông số

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.4, ta thấy điện áp ra và dòng điện
qua L của điều khiển trượt rất ổn định so với điều khiển PID.
b. Hệ thống làm việc quá tải (RL = 1.3Ω)
PID
12.05
11.95

V

Dao dong dinh - dinh =0.1V

11.6
11.4
11.2
0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.03

0.035
Timer(s)

0.04

0.045

15

A

11.2
9.2 Dao dong
dinh - dinh =4A
7.2

0
0.025

Hình 4.20: Điện áp ra điều khiển PID khi hệ thống làm việc quá tải

Footer Page 21 of 126.


Header Page 22 of 126.

20

SMC

Vo

12
11.8
11.6

Thoi gian xac lap =0.01s

11.4
11.2
0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.04

0.045

iL

9.2
Thoi gian
xac lap =0.005s

5

0.92
0.025

0.03

0.035
Timer(s)

Hình 4.21: Điện áp ra điều khiển trượt khi hệ thống làm việc quá tải
Bảng so sánh 4.5: Hệ thống làm việc quá tải (RL=1.3Ω)
Bộ điều khiển

Điều khiển PID

Điều khiển trượt

Thời gian

Dao động

Thời gian

Dao động

xác lập

đỉnh-đỉnh

xác lập

đỉnh-đỉnh

Điện áp ra (Vo)

 0s

 0 .1 V

 0.01s

 0V

Dòng điện qua L

 0s

4A

 0.005 s

 0A

Thông số

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.5, ta thấy điện áp ra và dòng
điện qua L bộ điều khiển trượt rất tốt so với điều khiển PID, tuy nhiên
thời gian xác lập của bộ điều khiển trượt lớn hơn gấp 10 lần so với
điều khiển PID.

Footer Page 22 of 126.


Header Page 23 of 126.

21

c. Hệ thống làm việc với tải có thành phần điện kháng
L= 100mH

RL= 1.3Ω
PID

15

Vo

12
Thoi gian xac lap =0.3s

7.5

0

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.25

0.3

0.35

0.4

29

20

iL

Thoi gian xac lap =0.3s
Dao dong dinh-dinh =4.5A

11.5
9.2
7
0

0

0.05

0.1

0.15

0.2
Timer(s)

Hình 4.22: Điện áp ra và dòng điện trên L điều khiển PID khi hệ
thống làm việc với tải có thành phần điện kháng
SMC
15

Vo

12

6

0

Thoi gian xac lap =0.02s
0 0.02

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.25

0.3

0.35

0.4

iL

10
9.2

5

0

Thoi gian xac lap =0.35s

0 0.02

0.1

0.15

0.2
Timer(s)

Hình 4.23: Điện áp ra và dòng điện trên L của điều khiển trượt khi hệ

thống làm việc với tải có thành phần điện kháng

Footer Page 23 of 126.


Header Page 24 of 126.

22

Bảng so sánh 4.6: Hệ thống làm việc với tải có điện kháng
Bộ điều khiển

Điều khiển PID

Điều khiển trượt

Thời gian

Dao động

Thời gian

Dao động

Thông số

xác lập

đỉnh-đỉnh

xác lập

đỉnh-đỉnh

Điện áp ra (Vo)

 0.3 s

Không

 0.02 s

0V

0.35s

0.5A

đáng kể
Dòng điện qua L

 0 .3 s

3.5A

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.6, ta thấy thời gian xác lập điện
áp luôn nhanh hơn thời gian xác lập dòng điện qua L, cả hai bộ điều
khiển có độ ổn định tốt.
4.4. KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI DCDC TĂNG ÁP
Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp có các thông số

mạch lực là:
C  220F , L  80H , RL  20, Vin  12V , Vo  24V , f s  100kHz

Hình 4.28: Bộ biến đổi DC-DC tăng áp

Khi mô phỏng ta thu được các kết quả sau :

Footer Page 24 of 126.


Header Page 25 of 126.

23

Dien ap ra Vo
24

20

V

15

10

5

0
0

1

2
Timer(s)

3

4
x 10

-4

Hình 4.29: Điện áp ra của bộ biến đổi DC-DC tăng áp
*Nhận xét: Ta thấy điện áp ra tiến nhanh đến giá trị cân bằng trong
thời gian rất ngắn là 0.00005s, không xảy ra quá điều chỉnh và độ dao
động điện áp ra rất nhỏ.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn đã giải quyết khá thành công yêu cầu của đề tài là
“nâng cao chất lượng bộ biến đổi DC-DC bằng điều khiển trượt”
mà cụ thể là bộ biến đổi giảm áp. Bằng việc so sánh các kết quả mô
phỏng giữa bộ điều khiển trượt và điều khiển PID ta thấy chất lượng
điện áp ra bộ điều khiển trượt luôn ổn định và điều này thể hiện khả
năng nâng cao chất lượng điện áp ra của bộ biển đổi DC-DC bằng bộ
điều khiển trượt. Luận văn này đã thực hiện được các yêu cầu sau:
- Làm rõ cấu trúc, đưa ra mô hình toán học của bộ biến
đổi giảm áp.

Footer Page 25 of 126.