Điều khiển điện áp bộ biến đổi cộng hưởng dc dc

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------------

VÕ DUY ANH

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI
CỘNG HƯỞNG DC - DC
CHUYÊN NGÀNH

: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ NGÀNH

: 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2003


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến só DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG
ngày……………….tháng……………năm 2003.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,


Đại Học Quốc Gia Tp.HCM.
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
--------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
-------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN :
VÕ DUY ANH
NGÀY SINH :
01 – 01 - 1979
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN
I.

PHÁI:
NƠI SINH:

NAM
ĐỒNG THÁP

TÊN ĐỀ TÀI :

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG
HƯỞNG DC/DC.
- XÂY DỰNG ĐẶC TUYẾN TĨNH CỦA BỘ BIẾN ĐỔI.
- ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC/DC BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI VÀ MỜ.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN AÙN : 10 / 02 / 2003
IV. NGAØY HOAØN THAØNH NHIỆM VỤ :
V.

10 / 07 / 2003

HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :
Tiến só DƯƠNG HOÀI NGHĨA

VI. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:
----------------------------------------------VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:
----------------------------------------------CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CÁN BỘ NHẬN XÉT 1

CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

Tiến só Dương Hoài Nghóa

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành

Kỹ thuật Điện thông qua.
Trưởng Phòng QLKH & SĐH

Ngày
tháng
năm 2003
CHỦ NHIỆM NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gởi lời cám ơn Thầy Tiến só
Dương Hoài Nghóa đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp
đỡ tôi thực hiện Luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô trong
bộ môn Thiết Bị Điện, Khoa Điện_Điện Tử, Phòng
QLKH & SĐH cùng tất cả các Thầy Cô trường Đại
học Bách Khoa đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt
cho tôi những kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm
quý báu để tôi có thể hoàn thành Luận Văn này.
Sau cùng, tôi xin gởi lời cám ơn sâu sắc nhất
đến Gia đình, anh chị, bạn bè đã động viên, hỗ trợ
cũng như giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian
qua.
Kính chúc sức khoẻ và chân thành cảm ơn.
Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.
Tháng 08 năm 2003

Học viên thực hiện
VÕ DUY ANH

SUMMARIZATION
Synthesis of Dissipative Nonlinear Controllers for
Series Resonant DC/DC Converters
Nowadays, the guaranty of power quality is a trouble and complex problem.
In the world, this problem has been researched in many various methods.
This paper describes analytical advances and practical experiences in a
nonlinear controller design methodology for series resonant DC-DC converters.
The control goal is to maintain the output voltage (which is the only measured
variable) in the presence of large-load perturbations by varying the switching
frequency. The proposed methodology utilizes large-scale, nonlinear switched,
and generalized averaged models, and the resulting closed-loop system is
exponentially convergent under typical operating conditions.
The control structure allows for variations in both resistive and current
loads.
There are three main parts presented in this paper:
Part 1: Consists of chapter I and II. It performs gernerally in Series
Resonnant DC-DC Converters, the principle of operating, analysis of static
characteristic of converters.
Part 2: This is the main part of this paper. It is concerned with chapter III
and IV. It specifically expounds about the PI controller and fuzzy logic
controller method.
Part 3: Consists of chapter V. It includes conclusion, observation, and it
also presents to the future research of this paper.


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN
Hiện nay, việc bảo đảm chất lượng điện năng là bài toán khó khăn và
phức tạp vì nó đòi hỏi nhiều yêu cầu từ độ tương thích của thông số bài toán đến

tốc độ tính toán. Trên thế giới, bài toán này đã và đang được nghiên cứu với rất
nhiều phương pháp khác nhau.
Quyển Luận án chỉ dừng ở mức độ nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng bài
toán thiết kế một nguồn điện DC ổn định ở một giá trị điện áp đặt trong điều
kiện có các biến động của nguồn và tải bằng phương pháp điều khiển vòng kín.
Mục tiêu của Luận án là nghiên cứu giải thuật điều khiển điện áp của bộ biến
đổi cộng hưởng DC/DC.
Với mục tiêu đó, quyển Luận án được thực hiện bằng ba phần chính:
ƒ

Phần I: gồm chương I và II: Trình bày tổng quan về mạch biến đổi cộng
hưởng DC_DC, nguyên lý hoạt động, khảo sát đặc tính tónh của bộ biến
đổi, …

ƒ

Phần II: gồm chương III và IV: Trình bày chi tiết phương pháp điều
khiển PI và mờ fuzzy.

ƒ

Phần III: chương V: Kết luận, nhận xét và đề xuất hướng nghiên cứu
tiếp sâu hơn.


PHẦN I: TỔNG QUAN ..........................................................................1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU .....................................................................2
CHƯƠNG II: MẠCH BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC-DC................5
II.1 Sơ đồ mạch - Nguyên lý hoạt động..........................................5
II.2 Mô phỏng mạch biến đổi cộng hưởng DC-DC ........................7

III.3 Khảo sát đặc tuyến tónh của bộ biến đổi DC-DC ...................8

PHẦN II: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI VÀ MỜ

13

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PI ĐIỀU KHIỂN BỘ
BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC-DC
14
III.1 Giới thiệu về nguyên lý điểu khiển PID

14

III.2 Thiết kế bộ điều khiển PI cho bộ biến đổi

16

III.3 Chế độ làm việc danh định 17
III.4 Tính bền vững đối với điện áp nguồn VS

19

III.5 Tính bền vững đối với điện trở tải R

22
25

III.6 Tính bền vững đối với tải nguồn dòng I0

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MỜ ĐIỀU KHIỂN BỘ

BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC-DC
29
IV.1 Điều khiển mờ_tổng quan

29

IV.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho bộ biến đổi DC-DC 39
IV.3 Chế độ làm việc danh định

46

IV.4 Tính bền vững đối với điện áp nguồn VS

47

IV.5 Tính bền vững đối với điện trở tải R

50
53

IV.6 Tính bền vững đối với tải nguồn dòng I0
PHẦN III: KẾT LUẬN – NHẬN XÉT

57

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN

58

TÀI LIỆU THAM KHAÛO

60


PHỤ LỤC

BẢNG THÔNG KÊ CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
Hình 2.1. Sơ đồ mạch.
Hình 2.2. Bộ biến đổi điện áp DC – DC.
Hình 2.3. Khảo sát đặc tuyến tónh của Bộ biến đổi.
Hình 2.4. Quan hệ giữa điện áp xác lập U0 với ωS khi thay đổi tải R.
Hình 2.5. Quan hệ giữa điện áp xác lập U0 với ωS khi thay đổi điện áp VS.
Hình 2.6. Quan hệ giữa điện áp xác lập U0 với ωS khi thay đổi tải I0.
Hình 3.1. Thiết kế Bộ điều khiển PI cho Bộ biến đổi.
Hình 3.2. Bộ biến đổi điện áp DC –DC ở chế độ làm việc danh định.
Hình 3.3. Đặc tuyến điện áp Udc(U0), tần số góc ω và điện áp nguồn VS trong
điều khiển PI.
Hình 3.4. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp UC trong điều khiển PI.
Hình 3.5. Tính bền vững đối với VS trong điều khiển PI.
Hình 3.6. Bộ biến đổi DC – DC ở tính bền vững đối với VS trong điều khiển PI.
Hình 3.7. Đặc tuyến điện áp Udc(U0), tần số góc ω và điện áp nguồn VS trong
trường hợp tính bền vững đối với VS trong điều khiển PI.
Hình 3.8. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp UC trong trường hợp tính
bền vững đối với VS trong điều khiển PI.
Hình 3.9. Tính bền vững đối với điện trở tải R trong điều khiển PI.
Hình 3.10. Bộ biến đổi DC – DC ở tính bền vững đối với điện trở tải R trong
điều khiển PI.
Hình 3.11. Đặc tuyến điện áp Udc(U0), tần số góc ω và điện trở tải R trong
trường hợp tính bền vững đối với điện trở tải R trong điều khiển PI.

Hình 3.12. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp UC trong trường hợp tính
bền vững đối với điện trở tải R trong điều khiển PI.
Hình 3.13. Tính bền vững đối với tải nguồn dòng I0 trong điều khiển PI.


Hình 3.14. Bộ biến đổi DC – DC ở tính bền vững đối với tải nguồn dòng I0 trong
điều khiển PI.
Hình 3.15. Đặc tuyến điện áp Udc(U0), tần số góc ω và tải nguồn dòng I0 trong
trường hợp tính bền vững đối với tải nguồn dòng I0 trong điều khiển PI.
Hình 3.16. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp UC trong trường hợp tính
bền vững đối với tải nguồn dòng I0 trong điều khiển PI.
Hình 4.1. Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển mờ.
Hình 4.2. Cửa sổ chính (FIS Editor) của khâu fuzzyP trong Matlab.
Hình 4.3. Dạng tập mờ inputP và outputP.
Hình 4.4. Luật mờ của khâu fuzzyP.
Hình 4.5. Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra – Luật mờ.
Hình 4.6. Cửa sổ chính (FIS Editor) của khâu fuzzyP trong Matlab.
Hình 4.7. Dạng tập mờ inputI và outputI.
Hình 4.8. Luật mờ của khâu fuzzyP.
Hình 4.9. Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra – Luật mờ.
Hình 4.10. Bộ điều khiển mờ cho Bộ biến đổi.
Hình 4.11. Bộ biến đổi cộng hưởng DC-DC trong điều khiển mờ.
Hình 4.12. Đặc tuyến địên áp Udc (U0), tần số góc ω và điện áp nguồn VS trong
điều khiển mờ.
Hình 4.13. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp trên tụ UC trong điều
khiển mờ.
Hình 4.14. Tính bền vững đối với VS trong Bộ điều khiển mờ.
Hình 4.15. Bộ biến đổi DC – DC ở tính bền vững đối với VS trong điều khiển
mờ.
Hình 4.16. Đặc tuyến địên áp Udc (U0), tần số góc ω và điện áp nguồn VS ở tính

bền vững đối với VS trong điều khiển mờ.
Hình 4.17. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp trên tụ UC ở tính bền
vững đối với VS trong điều khiển mờ.
Hình 4.18. Tính bền vững đối với điện trở tải R trong điều khiển mờ.
Hình 4.19. Bộ biến đổi DC – DC ở tính bền vững đối với R trong điều khiển mờ.
Hình 4.20. Đặc tuyến địên áp Udc (U0), tần số góc ω và điện trở tải R ở tính bền
vững đối với R trong điều khiển mờ.


Hình 4.21. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp trên tụ UC ở tính bền
vững đối với R trong điều khiển mờ.
Hình 4.22. Tính bền vững đối với tải nguồn dòng I0 trong điều khiển mờ.
Hình 4.23. Bộ biến đổi DC – DC ở tính bền vững đối với I0 trong điều khiển mờ.
Hình 4.24. Đặc tuyến địên áp Udc (U0), tần số góc ω và tải nguồn dòng I0 ở tính
bền vững đối với I0 trong điều khiển mờ.
Hình 4.25. Đặc tuyến điện áp US(U), dòng i và điện áp trên tụ UC ở tính bền
vững đối với I0 trong điều khiển mờ.


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

PHẦN I

TỔNG QUAN

1


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU
Ngày nay, con người đã tạo ra ngày càng nhiều của cải vật chất cho xã
hội, trong đó có năng lượng. Có rất nhiều dạng năng lượng trong tự nhiên và
điện năng là một trong các nguồn năng lượng dồi dào và phổ biến nhất, sản
lượng hằng năm trên thế giới ngày càng tăng và chiếm hàng nghìn tỷ KWh.
Sở dó điện năng thông dụng như vậy là nhờ các ưu điểm sau: dễ dàng chuyển
thành các dạng năng lượng khác (cơ, hóa, nhiệt, …), dễ dàng truyền tải đi xa,
hiệu suất lại cao, …
Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, đòi hỏi ngày càng nhiều
nguồn năng lượng điện phục vụ. Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp điện
một nhiệm vụ khó khăn là vừa phải thỏa mãn lượng điện năng tiêu thụ và vừa
phải đảm bảo được chất lượng của nó (qua thông số điện áp và tần số). Ngoài
ra, chất lượng điện năng còn được đánh giá qua chỉ tiêu độ tin cậy của hệ
thống cung cấp điện, đó là tính liên tục cung cấp điện. Giữ cho độ lệch điện
áp và dao động tần số nằm trong phạm vi cho phép là nhiệm vụ của nhà máy
điện.
Trong những năm gần đây, con người có khả năng thu thập một khối
lượng lớn thông tin với thời gian cực ngắn, những thông tin này xử lý bằng
máy tính, lập trình làm việc.
Lý thuyết và kỹ thuật điều khiển tự động các quy trình sản xuất, công
nghệ, các đối tượng công nghiệp, quốc phòng, y tế, … trong những năm gần
đây có những bước tiến nhảy vọt nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi
xử lý và công nghệ thông tin.
Hệ thống điều khiển tự động ngày càng có vai trò quan trọng trong việc
phát triển và tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại. Các yếu tố
hợp thành một hệ thống điều khiển tự động bao gồm: mục tiêu điều khiển, các
phần tử của hệ thống điều khiển và kết quả điều khiển.
2

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

MỤC TIÊU

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

KẾT QUẢ

Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
Để duy trì sự điều khiển chính xác, tín hiệu ra phải được lấy về so sánh
với tín hiệu vào và tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai lệch giữa đầu vào và ra
phải được gửi đến hệ thống để hiệu chỉnh sai lệch. Hệ thống với một hay
nhiều đường hồi tiếp như vậy được gọi là hệ thống điều khiển vòng kín. Hồi
tiếp được sử dụng với mục đích làm giảm sai biệt giữa tín hiệu vào và ra của
hệ thống. Hồi tiếp có ảnh hưởng đến các đặc tính chất lượng của hệ như: độ
ổn định, băng thông, độ lợi, nhiễu loạn và độ nhạy.
Hệ thống tuyến tính không tồn tại trong thực tế vì tất cả các hệ thống
vật lý đều phi tuyến. Hệ thống hồi tiếp tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn
giản hóa quá trình phân tích và thiết kế hệ thống. Các đặc tính phi tuyến
thường được đưa vào hệ thống điều khiển nhằm cải thiện chất lượng hay tăng
hiệu quả điều khiển.
Mục tiêu của Luận án: Nghiên cứu giải thuật điều khiển điện áp của Bộ
biến đổi cộng hưởng DC/DC.
Yêu cầu của luật điều khiển là:
- Sai số xác lập với bước nhảy đơn vị bằng 0,
- Đáp ứng nhanh,
- Vọt lố nhỏ,
- Ít bị ảnh hưởng bởi các biến động của tải và nguồn.

Để thiết kế Bộ điều khiển như yêu cầu trên, Luận án đã tiến hành:
- Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả Bộ biến đổi,
- Xây dựng đặc tuyến tónh của Bộ biến đổi (Quan hệ điện áp – tần số)
ứng với các giá trị khác nhau của tải và nguồn.

3


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

Hai phương pháp thiết kế được khảo sát, đó là:
- Phương pháp PI,
- Phương pháp điều khiển mờ.
Để khảo sát đặc tuyến tónh của Bộ biến đổi cộng hưởng DC-DC, chúng
ta sang Chương II.

4


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

CHƯƠNG II

MẠCH BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG
DC - DC
II.1. Nguyên lý hoạt động:
Nhiệm vụ của mạch biến đổi cộng hưởng DC – DC là biến đổi
nguồn một chiều Vs thành điện áp một chiều U0.
Nguồn một chiều Vs có thể chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều (một
pha hoặc ba pha)hay từ một nguồn điện bất kỳ có được.

Kích các cặp Transistor (T1 & T4) và (T2 & T3) để tạo ra điện áp
u(t) có dạng sóng vuông lưỡng cực với biên độ Vs và tần số góc ωs (ωs
cũng là tần số kích đóng ngắt các cặp Transistor).
Vai trò của mạch cộng hưởng LC: khi tần số góc ωs thay đổi, làm
thay đổi giá trị hiệu dụng dòng điện i(t) sẽ ảnh hưởng đến dòng nạp tụ
C0, từ đó điện áp ngõ ra U0 thay đổi.
Điện áp ra một chiều U0 được chỉnh lưu điện áp sóng vuông lưỡng
cực u(t) qua bộ chỉnh lưu cầu (T1, T2, T3, T4).
Bộ điều khiển DSP lấy tín hiệu từ điện áp một chiều ngõ ra U0 và
so sánh với giá trị điện áp đặt Uref để điều khiển đóng cắt các cặp
Transistor (T1 & T4) và (T2 & T3).
Tải của điện áp một chiều ngõ ra phổ biến là tải điện trở R và
nguồn dòng I0.

5


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

Nguyên lý làm việc:
•

Ở lân cận tần số cộng hưởng (ω ≅ ω0), dòng i(t) lớn (trị hiệu
dụng) nên dòng nạp của tụ C0 cũng lớn, dẫn đến điện áp
ngõ ra U0 lớn.

•

Ở xa tần số cộng hưởng (ω rất khác ω0), dòng i(t) nhỏ nên
dòng nạp tụ C0 bé, dẫn tới điện áp ngõ ra U0 bé.

Trong quá trình làm việc, các thay đổi của điện áp nguồn Vs và
tải (tải điện trở R hoặc tải nguồn dòng I0) sẽ tác động làm thay đổi điện
áp ngõ ra U0.
Uref.

Ứng dụng: Tạo nguồn DC ổn định U0 ở một giá trị điện áp đặt

Mục tiêu: Thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín để giữ điện áp
U0 ở một giá trị cho trước Uref trong điều kiện có các biến động (thay
đổi) của nguồn Vs và tải ở phạm vi cho phép.
Yêu cầu của luật điều khiển là:
- Sai số xác lập với bước nhảy đơn vị bằng 0,
- Đáp ứng nhanh,
- Vọt lố nhỏ,
- Ít bị ảnh hưởng bởi các biến động của tải và nguồn.
Thực tế, ta thấy rằng điện áp lưới điện luôn dao động và giá trị tải
thường thay đổi sẽ ảnh hưởng lên điện áp ngõ ra một chiều U0. Trong
giới hạn của quyển Luận án này sẽ trình bày chủ yếu hai phương pháp
điều khiển, đó là điều khiển PI và điều khiển mờ.

6


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

II.2. Mô phỏng mạch biến đổi cộng hưởng DC-DC:
Theo lý thuyết mạch điện, hệ phương trình Kirchoff 1 và 2 viết
cho mạch điện Hình 2 là:
L(di/dt)

= - UC – U0.sgn(i) + VS.sgn[sin(ωst)] ,
C(dU/dt)
=i
, (1)
C0(dU0/dt) = abs(i) – U0 /R – I0
.
Dựa vào điều kiện thực tế, sơ đồ mô phỏng Bộ biến đổi cộng
hưởng DC-DC được xây dựng trên MATLAB – một phần mềm ứng
dụng phổ biến, tiện ích và dễ dàng mô phỏng khá chính xác các bài
toán Kỹ thụât điện.

7


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

II.2. Mô phỏng mạch biến đổi cộng hưởng DC-DC:
Theo lý thuyết mạch điện, hệ phương trình Kirchoff 1 và 2 viết
cho mạch điện Hình 2 là:
L(di/dt)
= - U – U0.sgn(i) + VS.sgn[sin(ωst)]
C(dU/dt)
=i
C0(dU0/dt) = abs(i) – U0 /R – I0

,
, (1)
.

Xuất phát từ hệ phương trình (1) gồm 03 phương trình, ta xây dựng Sơ

đồ mô phỏng trên Simulink trong Matlab:

Hình 2.2. Bộ biến đổi điện áp DC – DC.
Ở đây, tần số góc ωs và tải nguồn dòng I0 là các giá trị ngõ vào, còn
dòng điện qua bộ cộng hưởng i(t), điện áp trên tụ của bộ cộng hưởng U(t) và
điện áp trên tải U0 là các giá trị ngõ ra.

8


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

STT
1
2
3
4
5
6
7

Ký hiệu
R
L
C
C0
I0
VS
Uref

Giá trị
10Ω
197μH
0.1nF
1mF
5A
140V
70V

Thông số
Điện trở tải
Cuộn dây cộng hưởng
Tụ cộng hưởng
Tụ lọc DC
Dòng tải
Điện áp DC
Điện áp chuẩn

Bảng 2.1. Thông số mô phỏng mạch biến đổi.

Các thông số này được lấy từ tài liệu [1].
II.3. Khảo sát đặc tuyến tónh của Bộ biến đổi cộng hưởng DC-DC:

Hình 2.3. Khảo sát đặc tuyến tónh của Bộ biến đổi.
Bằng cách thay đổi tần số góc ωs , ứng với các giá trị khác nhau của
điện áp nguồn (VS) và tải (tải điện trở R hoặc tải nguồn dòng I0), ta sẽ vẽ
được các đồ thị cho thấy quan hệ của U0 (ở chế độ xác lập) với tần số góc ωs
như sau:

9

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

Hình 2.4. Quan hệ giữa điện áp xác lập U0 với ωS khi thay đổi tải R.
Giải thích các đặc tuyến: Giá trị điện áp nguồn VS là 140 V và tải

nguồn dòng I0 là 0 A. Bằng cách thay đổi giá trị điện trở tải R là 0,1 , 10 và

100 , ta lần lượt vẽ được ba đặc tuyến quan hệ giữa điện áp xác lập ngõ ra U0
với tần số góc ωs . Nhận thấy, ở lân cận tần số cộng hưởng (ωS ≅ ω0), dòng
điện i(t) lớn (trị hiệu dụng) nên dòng điện nạp của tụ C0 cũng lớn, dẫn đến
điện áp ngõ ra U0 lớn, còn ở xa tần số cộng hưởng (ωS rất khác ω0), dòng i(t)
nhỏ nên dòng điện nạp tụ C0 bé, dẫn tới điện áp ngõ ra U0 bé. Giá trị điện áp
một chiều ngõ ra đạt cực đại tại tần số cộng hưởng và tỷ lệ thuận với điện trở
tải R.

10


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

Hình 2.5. Quan hệ giữa điện áp xác lập U0 với ωS khi thay đổi điện áp VS.
Giải thích các đặc tuyến: Giá trị điện trở tải R là 10 và tải nguồn
dòng I0 là 0 A. Bằng cách thay đổi giá trị điện áp nguồn VS là 200 V, 140 V và
100 V, ta lần lượt vẽ được ba đặc tuyến quan hệ giữa điện áp xác lập ngõ ra
U0 với tần số góc ωs . Nhận thấy, ở lân cận tần số cộng hưởng dòng điện i(t)
lớn nên dòng điện nạp của tụ C0 cũng lớn, dẫn đến điện áp ngõ ra U0 lớn, còn
ở xa tần số cộng hưởng dòng i(t) nhỏ nên dòng điện nạp tụ C0 bé, dẫn tới điện
áp ngõ ra U0 bé. Giá trị điện áp một chiều ngõ ra đạt cực đại tại tần số cộng

hưởng và tỷ lệ thuận với điện áp nguồn VS.
11


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

Hình 2.6. Quan hệ giữa điện áp xác lập U0 với ωS khi thay đổi tải I0.
Giải thích các đặc tuyến: Giá trị điện áp nguồn VS là 140 V và tải

điện trở R là 10 . Bằng cách thay đổi giá trị tải nguồn dòng I0 là –5 A, 0 A và

5 A, ta lần lượt vẽ được ba đặc tuyến quan hệ giữa điện áp xác lập ngõ ra U0
với tần số góc ωs . Nhận thấy, đặc tuyến có dạng tương tự như ở hai hình trên.
Giá trị điện áp một chiều ngõ ra đạt cực đại tại tần số cộng hưởng và tỷ lệ
nghịch với tải nguồn dòng I0.

12


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC – DC

Như vậy, khi thay đổi tần số về tổng quát thì điện áp một chiều ngõ ra
U0 thay đổi theo và sẽ giá trị điện áp này sẽ đạt cực đại tại tần số cộng hưởng.
Ở nhánh tần số thấp so với tần số cộng hưởng, khi tần số tỷ lệ thuận với điện
áp một chiều ngõ ra và tỷ lệ nghịch ở nhánh tần số cao.

Nhận định tính ổn định và quan sát mô phỏng cũng như đặc tính làm
việc của các linh kiện điện tử, các thiết bị điều khiển trong mạch, Luận án sẽ
trình bày việc ứng dụng các phương pháp điều khiển Bộ biến đổi cộng hưởng
DC-DC ở nhánh có tần số thấp (so với tần số cộng hưởng).

Sau đây, Luận án sẽ trình bày phương pháp điều khiển PI và phương
pháp điều khiển mờ điều khiển Bộ biến đổi cộng hưởng DC-DC.

13


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC - DC

PHẦN II
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
PI & MỜ

12


ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG DC - DC

CHƯƠNG III

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PI ĐIỀU
KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG
DC-DC
III.1. Giới thiệu về nguyên lý điều khiển PID:
Có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển có hồi tiếp. Thứ nhất, nếu
căn cứ vào phương pháp phân tích và thiết kế thì có thể phân thành hệ thống
điều khiển tuyến tính và phi tuyến. Thứ hai, nếu căn cứ vào dạng tín hiệu
trong hệ thống ta có hệ thống điều khiển rời rạc và liên tục hay có điều chế và
không điều chế tín hiệu. Ngoài ra, hệ thống điều khiển còn được phân loại
theo mục đích sử dụng như: hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ, …
Hệ thống tuyến tính không tồn tại trong thực tế vì tất cả các hệ thống

vật lý đều phi tuyến. Hệ thống hồi tiếp tuyến tính là mô hình lý tưởng để đơn
giản hóa quá trình phân tích và thiết kế hệ thống. Các đặc tính phi tuyến
thường được đưa vào hệ thống điều khiển nhằm cải thiện chất lượng hay tăng
hiệu quả điều khiển.
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỷ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm
giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra độ vọt lố và
trong một số trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự
có mặt của khâu vi phân tỷ lệ (PD) sẽ làm giảm độ vọt lố, đáp ứng ra bớt
nhấp nhô và hệ thống sẽ tiến đến trạng thái xác lập nhanh hơn. Khâu tích
phân tỷ lệ (PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẫn đến sai lệch tónh triệt tiêu (hệ vô
sai). Muốn tăng độ chính xác của hệ thống, ta phải tăng hệ số khuếch đại.
Song, với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là hiển
nhiên. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỷ lệ (PID) kết hơp những ưu điểm của
khâu PD và PI.
13