بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله برای مبدل DC-DC ایزوله نیم پل، یک کنترل کننده عصبی ارائه میشود. شبکه عصبی بکار رفته در این کنترل کننده از نوع شبکه عصبی با تابع پایه شعاعی - RBF - است . همچنین اجزای مدار مورد استفاده براساس پارامترهای یک مدار واقعی مورد استفاده قرار گرفته اند. کنترل کننده مورد استفاده در مقایسه با کنترل کننده تناسبی-انتگرالی - PI - دارای زمان نشست کمتر و بازدهی مطلوبتری است.
-1 مقدمه
مبدل خوب مبدلی است که در آن ولتاژ خروجی مستقل از ولتاژ ورودی باشد. برای مبدلهای DC-DC که بر اساس سوئیچهای نیمه هادی کار می کنند، روشهای کنترلی زیادی وجود دارد که هر روش ، مزایا و معایب خود را داشته و همواره روشهای کنترلی جدیدتر با بازدهی بالاتر و قیمت ارزانتر مورد درخواست است. در این مبدلها معمولاً ولتاژ ورودی یکسو ، غیر رگوله و نوسانی است.
هدف از طراحی سیستم کنترلی ، ایجاد یک سیستم با رفتار مفید و صحیح برای تولید خروجی مطلوب است ، حتی در زمانی که ورودی دارای نویز و اختلال بوده و بار متغیر باشد.
اغلب روشهای کنترلی، از PWM برای اعمال نتیجه پروسه کنترل بر مبدلهای سوئیچ مد استفاده میکنند که عرض سیگنال اعمالی میزان تاژول خروجی و نهایتاً توان انتقالی را معین خواهد نمود
کنترل کننده های PI و PID برای کنترل این نوع مبدلها بصورت رایج مورد استفاده قرار میگیرند ولی این نوع کنترلرها قادر به عملکرد صحیح در هنگام تغییر پارامترهای سیستم و یا در زمان تغییر زیاد در بار نیستندضمناً. کنترل کننده های رایج، بر اساس مدل دقیقی از سیستم ارائه نمیشوند.
در دو بررسی ناشی از اعمال کنترل کننده عصبی بر مدار مبدل نیم پل که هر دو از روش پس انتشار خطا بهره برده و یکی از توپولوژی دارای فیدبک و دیگری از توپولوژی بدون فیدبک استفاده کرده است، متحداً این نتیجه حاصل گردیده که کنترل کننده عصبی می تواند ولتاژی با ریپل بسیار کم و پایدار را برای خروجی این مبدل ضمانت کند
توجه به استفاده از روش های کنترلی هوشمند مانند شبکه عصبی، به دلیل غیر خطی بودن مدارات مبدل است. استفاده از کنترل کننده عصبی در مبدل های DC-DC تمام پل در توربین های بادی، بازدهی بالاتر این نوع کنترل کننده را نسبت به کنترل کننده های خطی متداول، به همراه داشته است
استفاده از کلیدزنی نرم - soft switching - نوع دیگری از کنترل مدارات مبدل و این مدار خاص است که قادر است بازدهی بالا و توان خروجی بالا را توأمان به همراه داشته باشد. این امر بصورت نمونه در فرکانس سوئیچ 55KHz و توان خروجی 800W نشان داده شده است .[5] کلیدزنی نرم همچنین قادر است در هر دو حالت ایزوله و غیر ایزوله با کلیدهایی از نوع MOSFET و با بازدهی بسیار بالای 91 درصد، ولتاژ و جریان خروجی پایداری را برای رنج گسترده ای از ورودی ها ایجاد نماید
در این شرایط و با توجه به توانائی موثر شبکه های عصبی در مدل سازی اشیاء واقعی با شناخت تقریبی و نادقیق، در پروژه حاضر، از آن استفاده شده است.
همچنین برای مدل سازی واقعی تر مدار ، اندوکتانس مغناطیس کننده ترانس مورد استفاده با Lm و اندوکتانس تلف شده ترانس با Lr نشان داده شده و زمان روشن بودن سوئیچ S1 با d1 - برابر با - D و زمان روشن بودن سوئیچ S2 با d2 - برابر با - 1-D نمایش داده شده اند.
-2 مدار مبدل DC-DC ایزوله نیم پل
در شکل زیر مدل مفهومی مدار مبدل DC-DC ایزوله نیم پل ارائه شده است.
شکل :1 مدل مفهومی مدار مبدل DC-DC ایزوله نیم پل
سوئیچهای S1 و S2 به صورت نامتقارن کنترل میشوند. زمانی که S1 روشن میشود ، C1 شارژ میشود ولی جهت ولتاژ در سمت دوم ترانس به صورتی است که دیود D خاموش است . اگر سوئیچینگ به درستی انجام شود و S2 در ولتاژ صفر و پس از خاموش شدن S1 روشن شود انرژی ذخیره شده در C1 دشارژ شده و دیود D در بایاس مستقیم قرار میگیرد و در خروجی Vout را برابر nVC1 خواهیم داشت.
مدل سازی دقیق این مدل مفهومی با درنظر گرفتن کلیه پارامترها بسیار مشکل بوده و بدست آوردن صفر و قطبهای آن به سادگی امکان پذیر نیست. بنابراین از مدل سیگنال کوچک مدار مفهومی ، معادلات حالت بصورت کلی زیر هستند :
که در دو بخش روشن بودن سوئیچ S1 و روشن بودن سوئیچ S2 به شرح معادلات - 2 - و - 3 - بدست می آیند.
که در آن معادلات شماره - 2 - مربوط به حالت روشن بودن سوئیچ S1 و خاموش بودن سوئیچ S2 و معادلات شماره - 3 - مربوط به حالت روشن بودن سوئیچ S2 و خاموش بودن سوئیچ S1 است.
که دو قطب فرکانس پائین و دو قطب فرکانس بالا دارد و مکان آنها وابسته به مقادیر چهار عنصر ذخیره کننده انرژی در مدار است. قطبهای فرکانس پائین وابسته به مقادیر Co و Lm و قطبهای فرکانس بالا وابسته به مقادیر C1 و Lr هستند. باید سعی شود که مقدار C1 کمتر و مقدار Co بیشتر انتخاب شود تا قطبهای فرکانس بالا حداقل یک دکاده بالاتر از قطبهای فرکانس پائین قرار گیرند.
-3 کنترل مدار مبدل
مدارات مبدل DC-DC که از قطعات نیمه هادی برای قطع و وصل ورودی به سمت بار استفاده می کند - Switch mode - ، به روشهای مدارات تشدید ، مدولاسیون پهنای پالس - PWM - و خود نوسانی قابل کنترل هستند، ولی به دلیل کنترل بهتر خروجی ، این مدارات ، اغلب بوسیله مدولاسیون پهنای پالس - PWM - کنترل میگردند. عرض پالس تولید شده در این نوع از کنترل ، بوسیله یک کنترل کننده که میتواند از نوع PID ، عصبی ، فازی ، الگوریتم ژنتیک ، کلید زنی نرم - Soft - switching و یا هر روش دیگری محاسبه و کنترل گردد. موضوع اصلی این مقاله، محاسبه و کنترل پهنای پالس، بوسیله کنترل کننده عصبی است ولی به جهت مقایسه نتایج، یک کنترل کننده PI نیز طراحی و شبیه سازی گردیده استضمناً. فرکانس کاری پالسهای تولیدی توسط بخش PWM برابر 100 KHz می باشد.
کنترل کننده PI، یکی از عمومی ترین کنترل کننده هاست که قابلیت اجرا و سهولت ساخت آن باعث شده است در گستره وسیعی از صنایع استفاده شود. این کنترل کننده وابسته به مدل ریاضی بوده و بسته به سناریوی درخواستی ، طراحی های مختلفی برای حالتهای گذرا و پایدار آن قابل برنامه ریزی و اجراست.
در این کنترل کننده، خطای حاصل از اختلاف خروجی با مقدار ایده آل اندازه گیری شده و با تغییر پروسه کنترل و استفاده از این خطا ، سعی در کم کردن آن میگردد. کنترل کننده مذکور دارای دو ثابت است: ثابت تناسبی و ثابت انتگرالی. نرخ سیکل کاری بوسیله این کنترل کننده در خروجی ، از جمع شدن دو ترم تناسبی و انتگرالی آن بدست آمده و به سوئیچها اعمال میشود.
-4 کنترل عصبی
همانطور که عنوان شد ، برای طراحی کنترل کننده PI دقیق ، داشتن مدل ریاضی دقیق ضروری است که این مطلب برای این مبدل به سختی قابل حصول است. برای رسیدن به راه حل سریع و پایدار دو راه داریم : -1 توسعه مدل ریاضی و دقیقتر کردن آن و - 2 استفاده از کنترل کننده غیرخطی . از آنجا که کنترل کننده عصبی نیاز به داده و مدل ریاضی دقیق ندارد ، برای یک سیتم غیر خطی و متغیر با زمان ، مانند این مبدل مناسب است. با استفاده از کنترل کننده عصبی سرعت سیستم قابل افزایش است. سیستم همچنین قابلیت حذف کامل نویز را خواهد داشت. بلوک دیاگرام کنترل کننده عصبی این مبدل را میتوان بشکل زیر نمایش داد.
شکل :2 بلوک دیاگرام کلی سیستم
در مقالات ذکر شده قبلی - [2,3] - از کنترل کننده MLP برای کنترل مبدل مورد بحث در این مقاله استفاده شده است . در این پژوهش از کنترل کننده نوع RBF استفاده گردید و به نظر میرسد در کنترل مدار ، به توفیقاتی دست یافته باشد. بهبود حاصل شده در هنگام بروز اختلال در ورودی و یا بار مدار بصورت واضح تری قابل مشاهده است.
این کنترل کننده دارای دو ورودی است. یکی از این ورودیها، میزان خطای خروجی از مقدار هدف، و ورودی دیگر، میزان تغییرات خطا می باشد. خروجی کنترل کننده نیز، عرض پالس اعمالی به سوئیچهای مدار جهت کنترل ولتاژ خروجی است. کنترل کننده طراحی شده دارای 80 سلول عصبی در لایه میانی است و بر اساس 14100 داده بدست آمده بوسیله شبیه سازی مدار، آموزش داده شده است.
