Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: LƯU THỊ HUẾ Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Lưu Thị Huế Lớp: CHTĐH-K11 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 7/12/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2010 BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang HỌC VIÊN Lưu Thị Huế Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 02 tháng 8 năm 2010 Tác giả luận văn Lưu Thị Huế Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ 1 Hình 1.1 Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi 2 Hình 1.2 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển 3 Hình 1.3 Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn 4 Hình 1.4 Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi tăng áp 5 Hình 1.5 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 6 Hình 1.6 Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp 7 Hình 2.1 Bộ biến đổi Boost một chiều – một chiều 8 Hình 2.2 Bộ biến đổi Boost một chiều – một chiều với chuyển mạch lý tưởng 9 Hình 2.3 Hàm mở rộng là mặt tiếp tuyến với đa tạp trạng thái M 10 Hình 3.1 Bộ biến đổi tăng áp 11 Hình 3.2 Bộ điều khiển trực tiếp 12 Hình 3.3 Bộ điều khiển gián tiếp 13 Hình3. 4 Bộ điều khiển bằng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái 14 Hình 3.5 Modul   15 Hình 3.6 Điều khiển tín hiệu đầu ra bằng phản hồi qua modul   16 Hình 3.7 Mô hình bộ tạo xung bằng modul   17 Hình 4.1 Sơ đồ bộ bộ biến đổi tăng áp 18 Hình 4.2 Mô hình bộ biến đổi trong khối subsystem 19 Hình 4.3 Bộ biến đổi tăng áp mô hình hóa trên simpowerSystems 20 Hình 4.4 Luật điều khiển phản hồi trạng thái xây dựng trên Matlab- Simmulink Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 Hình 4.5 Mô hình bộ tạo xung bằng   modul 22 Hình 4.6 Mô hình bộ tạo xung trong khối Subsystem 23 Hình 4.7 Bộ tạo xung mô hình hóa trên SimpowerSystems 24 Hình 4.8 Điều khiển phản hồi trạng thái cho bộ biến đổi tăng áp 25 Hình 4.9 Sơ đồ khối điều khiển dòng 26 Hình 4.10 Bộ điều khiển dòng trên Simulink 27 Hình 4.11 Bộ điều chỉnh PI và cửa sổ nhập số liệu 28 Hình 4.12 Dòng điện qua cuộn cảm L 29 Hình 4.13 Sự dao động của dòng điện qua L 30 Hình 4.14 Mối quan hệ giữa dòng phản hồi tuyến tính và tín hiệu điều khiển u 31 Hình 4.15 Tín hiệu điều khiển u cho bộ biến đổi 32 Hình 4.16 Điện áp ra trên tụ điện C 33 Hình 4.17 Sơ đồ khối hệ thống 34 Hình 4.18 Tổng hợp bộ biến đổi trên simulink 35 Hình 4.19 Bộ điều chỉnh điện áp PI và cửa sổ nhập số liệu 36 Hình 4.20 Đáp ứng dòng điện i* của hệ thống 37 Hình 4.21 Dòng qua cuộn cảm L khi có bộ điều chỉnh điện áp PI 38 Hình 4.22 Sự bám sát của dòng qua cuộn cảm L khi có bộ điều chỉnh điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn áp PI 39 Hình 4.23 Mối quan hệ giữa i*, i và tín hiệu điều khiển u khi có bộ điều chỉnh áp PI 40 Hình 4.24 Tín hiệu điều khiển u khi có bộ điều chỉnh điện áp PI 41 Hình 4.25 Điện áp ra khi có bộ điều chỉnh điện áp PI 42 Hình 4.26 Điện áp ra bộ biến đổi khi đặt U*=18V 43 Hình 4.27 Điện áp ra bộ biến đổi khi đặt U*=20V 44 Hình 4.28 Điện áp ra bộ biến đổi khi đặt U*=22V 45 Hình 4.29 Điện áp ra bộ biến đổi khi đặt U*=24V Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời nói đầu Một trong những mục tiêu quan trọng hàng đầu mà Đảng và Nhà nước đã đặt là tiến trình công nghệ hoá, hiện đại hoá đất nước. Để tiến hành công nghệ hoá, hiện đại hoá các doanh nghiệp cần phải tiến hành xây dựng lại các nhà máy, cơ sở sản xuất, trang thiết bị máy móc đưa công nghệ hiện đại hoá vào sản xuất. Hơn thế nữa, để vận hành tốt các nhà máy cần phải có một đội ngũ tri thức có kỹ thuật có trình độ chuyên môn cao. Là một học viên sắp tốt nghiệp Cao học ngành Tự động hoá trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên, em hiểu rằng tự động hoá công nghiệp đóng vai trò hết sức quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp Việt Nam nói riêng và sự phát triển của đất nước Việt Nam nói chung. Trong tất cả các loại nguồn điện cung cấp cho ngành công nghiệp, thì nguồn một chiều cũng đóng một vai trò khá quan trọng. Trong thời đại ngày nay vấn đề năng lượng trở nên cấp thiết, sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) đang được ưa chuộng. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter, viết tắt là BC) là một hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo. Cấu trúc của mạch BC vốn không phức tạp, nhưng vấn đề điều khiển BC nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và bảo đảm ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Luận văn của em có nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển DC-DC tăng áp bằng phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái. Để hoàn thành tốt luận văn, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ rất tận tình của thầy giáo GS.TS. Nguyễn Phùng Quang. Sau sáu tháng làm luận văn em đã hiểu, thiết kế được bộ điều khiển và khiểm chứng bộ điều khiển trên nền Matlab & Simmulik cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng luận văn của em không tránh khỏi một số thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 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-Ortigoza: Control Degign Tschniques in Power Electronics Devices. Spring 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 sung, 2006. [3] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. NXB KH&KT Hà Nội, 2006. Phần mở đầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Trong kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết Bộ biến đổi DC - DC tăng áp (Boost converter, viết tắt: BC) hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa, đặc biệt là hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc của mạch BC vốn không phức tạp, nhưng vấn đề điều khiển BC nhằm đạt đượ hiệu suất biến đổi cao và bảo đảm ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Bản chất mạch tăng áp có các phần tử phi tuyến do vậy lựa chọn phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái sẽ phù hợp cho việc điều khiển bộ biến đổi trên 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. a. Ý nghĩa khoa học: Bộ biến đổi DC – DC tăng áp là bộ biến đổi được sử dụng rất nhiều và thường được điều khiển bằng các cấu trúc khinh điển hiện không còn thỏa mãn các đòi hỏi chất lượng cao. Việc áp dụng một phương pháp điều khiển phi tuyến mới cho đối tượng quen biết là rất có ý nghĩa khoa học b.Ý nghĩa thực tiễn DC – DC tăng áp được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp, chính điều này làm nên ý nghĩa thực tiễn của luận văn. 3. Mục đích của đề tài Ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái để điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao, bảo đảm ổn định và cấu trúc mạch của bộ biến đổi DC – DC tăng áp không phức tạp Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ kỹ thuật nắm rõ và làm chủ được công nghệ trong quá trình giám sát, vận hành. - 5 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP 1.1 Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện,không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. Các mạch điện tử công suất nói chung hoạt động ở một trong hai chế độ sau: tuyến tính (linear) và chuyển mạch (switching). Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại của linh kiện tích cực, trong khi chế độ xung chỉ sử dụng linh kiện tích cực như một khóa (van) với hai trạng thái đóng (bão hòa) và ngắt. Chế độ tuyến tính cho phép mạch có thể được điều chỉnh một cách liên tục nhằm đáp ứng một yêu cầu điều khiển nào đó. Tuy nhiên, chế độ tuyến tính thường sinh ra tổn thất công suất tương đối cao so với công suất của toàn mạch và dẫn đến hiệu suất của mạch không cao. Hiệu suất không cao [...]... tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp Giá trị dòng điện và điện áp cân bằng của mạch là i 1 v2 , R E v E (1  U ) (1.14) Trên đây là phương trình trạng thái của bộ biến đổi tăng áp Điều khiển bộ biến đổi tăng áp có thể có nhiều phương pháp Bài luận văn này tác giả trình bày phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi trạng thái để điều khiển đối tượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn... tuyến tính tương đương của hệ phi tuyến trong lân cận đủ nhỏ xung quanh điểm làm việc của hệ, phương pháp này không cung cấp đầy đủ thông tin của hệ trong toàn bộ không gian trạng thái Đối với phương pháp phân tích trực tiếp thì ngoài tiêu chuẩn Lyapunov cho việc phân tích tính ổn định và phương pháp mặt phẳng pha giới hạn ở hệ phi tuyến NL cho hai biến trạng thái, cho đến nay ta chưa có phương pháp. .. làm tăng điện áp đầu ra so với điện áp nguồn 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 Mạch điện của bộ biến đổi tăng áp, còn được gọi là bộ biến đổi tăng như hình 1.3 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. .. CHƢƠNG2 PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI 2.1 Giới thiệu Chúng ta có thể thấy nổi lên trong việc phân tích hệ phi tuyến là các chỉ tiêu chất lượng của hệ như tính ổn định, tính điều khiển được, quan sát được, khả năng tự dao động, hiện tượng hỗn loạn, phân nhánh … nhưng số phương pháp hữu hiệu phục vụ trực tiếp các công việc đó lại không nhiều Thường dùng nhất là phương pháp phân tích gián... i, j  d 2.5 Tuyến tính hoá nhờ phản hồi trạng thái Tuyến tính hoá bằng phản hồi trạng thái có thể đạt được khi đầu ra của hệ thống y = h(x) có số bậc là n Tức là, khi không có động học không kết hợp với đầu ra y Nhưng hiếm khi hệ thống đầu ra y thoả mãn những yêu cầu này, một cách tiến hành nghiên cứu là tuyến tính hoá, hay thẳng (flat) hàm đầu ra h(x) Trong hệ SISO nó trở nên khá có tính hệ thống... đến được một số phương pháp, bù đắp phần nào những khiếm khuyết trên, đó là phương pháp phân tích tính điều khiển được (controllable), quan sát được (obsersable), phân tích tính động học không (zero dynamic) cũng như xác định tính pha cực tiểu (minimum phase) của hệ phi tuyến có cấu trúc affine 2.2 Các hệ thống cấu trúc biến Hệ thống cấu trúc biến là một hệ thống trong đó mô hình trạng thái động chịu... của bộ biến đổi DC-DC đã biết được điều chỉnh bằng một công tắc đơn Những điều chúng ta đang xét đều mang tính cục bộ, tức là chúng thoả mãn trong một lân cận nhỏ của điểm biểu diễn bất kỳ của trạng thái hệ thống x Xét hệ (2.5) khi không bị kích thích (u = 0): dx  dt  f ( x) (2.6)   Gọi x(t ) là quỹ đạo trạng thái tự do của hệ thoả mãn điều kiện đầu x(0)  x 0 Ứng    với những điểm trạng thái. .. Hình 1.3: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 13 - Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi tăng áp 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 1.5 Hình 1.5: Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 1.3.3.1... đổi tăng hay bộ biến đổi tăng áp Đặc tuyến của hàm truyền tĩnh của bộ biến đổi tăng áp đựợc minh họa như trên hình 1.6 Dễ thấy thông qua sự biến thiên của chu trình hoạt động hay đầu vào điều khiển trung bình U, ta có thể đọc được giá trị của điện áp đầu ra ổn định của giá trị mong muốn v lớn hơn 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 18 - Hình 1.6: Đặc tuyến. .. lặp khép kín tuyến tính để ổn định với sai số e = y – y*(t) = z1 – z*1(t), được biểu diễn bởi một đa thức đặc trưng như sau pd (s)  s n   n1s n1    0 (2.25) Với tất cả nghiệm nằm ở nửa bên trái của mặt phẳng phức Hệ (2.5) có bậc tương đối là n Biến trạng thái cũ x của đối tượng và biến  trạng thái mới z của hệ kín có quan hệ (2.19) Bộ điều khiển trạng thái có ý tưởng  được thiết kế như sau: . tiếp tuyến với đa tạp trạng thái M 10 Hình 3.1 Bộ biến đổi tăng áp 11 Hình 3.2 Bộ điều khiển trực tiếp 12 Hình 3.3 Bộ điều khiển gián tiếp 13 Hình3. 4 Bộ điều khiển bằng phương pháp tuyến. NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: LƯU THỊ HUẾ Người. i và tín hiệu điều khiển u khi có bộ điều chỉnh áp PI 40 Hình 4.24 Tín hiệu điều khiển u khi có bộ điều chỉnh điện áp PI 41 Hình 4.25 Điện áp ra khi có bộ điều chỉnh điện áp PI 42 Hình