بخشی از مقاله
چکیده - با پیشرفت تکنولوژی در صنعت و تنوع در دستگاهها و ابزارهای مورد استفاده، نیاز به سطوح مختلفی از ولتاژهای dc، بهوجود آمده است. اساس کار مبدلهای dc-dc، استفاده از خاصیت کلیدزنی عناصر قدرت است. مبدلهای کلیدزنی، به دلیل بازدهی بالا، حجم و وزن کم، پاسخ پویای سریع و کمهزینه بودن، در کاربردهای صنعتی بسیاری بهکار گرفته میشوند.
با توجه به روند رو به افزایش استفاده از مبدلهای dc-dc، انتخاب یک سیستم کنترل مناسب حائز اهمیت است. در این مقاله، هدف طراحی یک کنترلکنندهی فازی برای مبدل کاک است. با این تفاوت که علاوه بر کنترل فازی با ضرایب ثابت، سعی بر بهبود کنترل فازی با الگوریتم ژنتیک داریم. با درنظر گرفتن پارامترهای یکسان، کنترلکنندهی طراحی شده با یک کنترلکنندهیمد لغزشی که قبلاً طراحی و ارائه شده است، مقایسه میشود.
-1 مقدمه
مبدل dc-dc، ولتاژ dc تنظیمنشده را به ولتاژ dc تنظیمشده در خروجی تبدیل میکند. این تنظیم ولتاژ، در برخی طراحیها، توسط مدولاسیون پهنای پالس، در یک فرکانس ثابت انجام می-شود و قطعهی کلیدزنی معمولاً BJT، MOSFET یا IGBT قدرت میباشد. خروجی مبدلهای dc-dc با بار مقاومتی، به شکل گسسته و دارای ریپل است که با استفاده از فیلتر LC می-توان میزان ریپل آن را کاهش داد .[1]
مبدل کاک نوعی مبدل dc-dc است که بهعنوان تنظیم-کنندهی کاهنده-افزاینده میتواند عمل کند. این مبدل، دارای ولتاژ خروجی کوچکتر یا بزرگتر از ولتاژ ورودی است و علامت ولتاژ خروجی، مخالف علامت ولتاژ ورودی است 3]و.[2 در میان مبدلها، مبدلهای باک، بوست و باک-بوست، انرژی را بین ورودی و خروجی و با استفاده از سلف انتقال میدهند و تجزیه و تحلیل مبتنی بر تعادل در سلف صورت میگیرد؛ در حالیکه در مبدل کاک، از خازن برای انتقال انرژی استفاده میشود و تحلیل مبتنی بر تعادل در خازن است .[3]
بدست آوردن پارامترهای مناسب برای کنترل مبدلها یکی از مؤلفههای کلیدی در طراحی اینگونه سیستمها میباشد. در مبدلهای کلیدزنی، از یک یا چند کلید استفاده میشود که ویژگی اصلی این کلیدها، این است که بار را در فواصل منظم به منبع تغذیه، وصل و سپس قطع میکنند. مقدار متوسط ولتاژ اعمالشده به بار، باید بهوسیلهی یک مدار تنظیم خودکار، که طول دورههای روشن و خاموش بودن کلید را تغییر میدهد، در یک سطح تقریباً ثابت نگه داشته شود. از این رو، طراحی یک کنترلکنندهی مناسب برای برآورده ساختن این هدف، اهمیت مییابد.
-2 معرفی سیستم
شکل 1، مدار مبدل کاک را که شامل منبع ولتاژ ورودی - - ، سلف ورودی - 1 - ، کلید قابل کنترل - - ، خازن انتقال-دهندهی انرژی - 1 - ، دیود - - ، خازن و سلف فیلترکننده - و - 2 و مقاومت بار - - میباشد، نشان میدهد.
-3 کنترلکننده مد لغزشی
عملکرد سیستم کنترلکنندهی مد لغزشی در شکل - 3 - مشاهده میشود. در این ساختار، حالتهای سیستم از هر شرایط اولیهی غیر صفری، بر روی سطح لغزش - = 0 - قرار میگیرند و برای تمامی زمانها، روی سطح لغزش باقی میمانند و به سمت نقطهی تعادل حرکت میکنند .[4] یکی از معایب مد لغزشی در حالت دائمی، فرکانس کلیدزنی بسیار بالای آن است که بهدلیل پدیدهای موسوم به چترینگ یا تعویض آنی حالت تابع کنترلی روی سطح لغزش ایجاد میشود. با درنظر گرفتن عرض باند و فرکانس کلیدزنی مناسب، میتوان این کنترلکننده را بهنحو مطلوب پیادهسازی کرد 5]؛.[7
-4 کنترلکنندهی فازی-ژنتیکی
مقادیر مناسب جهت استفاده بهعنوان بهرههای کنترل-کنندهی فازی را میتوان با آزمون و خطا بدست آورد. اما با استفاده از روشهای بهینهسازی، میتوان این بهرهها را بهصورت بهینه تعریف کرد. ما قصد داریم با اجرای الگوریتم ژنتیک، بهره-های کنترلکنندهی فازی را بهبود بخشیده و در بهترین حالت خود قرار دهیم. در واقع، استفاده از یک سیستم کنترل فازی مستلزم این است که با بهینهسازی همراه باشد و در آن، متکی به آزمون و خطا نباشیم.
کنترلکنندهی فازی شامل یک سری قوانین میشود که با نام پایگاه قوانین شناخته میشود. جدول 1، پارامترهای مورد استفاده در قوانین فازی را نشان میدهد. با درنظر گرفتن دو ورودی برای کنترلکنندهی فازی، یکی سیگنال خطا و دیگری تغییرات خطا، که آنها را بهترتیب با و ∆ نشان میدهیم، هفت متغیر زبانی برای هرکدام درنظر گرفته که در اینصورت، 49 قانون بدست میآید که در نرمافزار متلب پیادهسازی میشود. برخی از این قوانین، بهعنوان مثال، عبارت است از:
- اگر خطا منفی بزرگ باشد و تغییرات خطا منفی بزرگ باشد، آنگاه خروجی منفی بزرگ میشود.
- اگر خطا منفی بزرگ باشد و تغییرات خطا مثبت بزرگ باشد، آنگاه خروجی صفر میشود.
- اگر خطا صفر باشد و تغییرات خطا مثبت کوچک باشد، آنگاه خروجی مثبت کوچک میشود.
برای الگوریتم ژنتیک ارائهشده، از معیار انتگرال حاصلضرب زمان در قدرمطلق خطا یا ITAE استفاده میکنیم. اگر بتوانیم این معیار را بهعنوان تابع هدف مینیمم کنیم، میتوانیم مطمئن باشیم که پاسخ سیستم کنترلکننده را به حالت ایدهآلی نزدیک کردهایم. ورودیها و خروجی کنترلکننده، هرکدام در بهرهای ضرب میشوند که مقدار بهینه برای آنها، با استفاده از الگوریتم ژنتیک برابر با 0.01، 4.7124 و -0.0021 میباشد. بلوک دیاگرام کنترلکنندهی فازی-ژنتیکی پیادهسازی شده، بهصورت شکل 4 میباشد.
در مقالهی [6]، کنترلکنندهی مد لغزشی، بر روی سه نوع مبدل بوست، SEPIC و کاک پیادهسازی شده و به ازای تغییرات توان مرجع، نشان داده شده است که توان ورودی کنترلکننده، با سرعت مناسبی، به مقدار توان مطلوب میرسد. در این مقاله، سعی داریم تا عملکرد این کنترلکننده را فقط برای قسمت کاک درنظر گرفته و عملکرد سیستم پیشنهادی خود را با آن مقایسه کنیم. نتایج را در قالب نمودار بیان میکنیم.
