Thiết kế giải thuật điều khiển PID thích nghi cho bộ nguồn một chiều dòng - Áp tích hợp

 nếu như tải thay đổi, mô hình toán học của hệ 
ABSTRACT thống cũng thay đổi cũng sẽ ảnh hưởng đến đáp ứng của 
 This paper introduces the problem of designing a DC power supply with hệ. Mặc dù về mặt lý thuyết với bộ PID có tham số cố định, 
both current and voltage source functions. The system uses an adaptive PID sai số tĩnh của hệ vẫn sẽ tiệm cận 0. Tuy nhiên, chất lượng 
control algorithm to ensure stability with large changes of load and động của hệ trong giai đoạn biến động về tải khó có thể 
improvement of control quality. Simulation results demonstrate the outstanding kiểm soát và duy trì tốt [2, 3]. Để khắc phục vấn đề trên đã có 
control abilities as well as control qualities of the proposed solution. khá nhiều giải pháp sử dụng nguyên lý điều khiển hiện đại, 
 Keywords: DC-DC BUCK converter; Adaptive PID; current source; voltage source. thông minh như: điều khiển mờ/neural, điều khiển bền 
 vững, điều khiển thích nghi, để điều khiển mạch giảm áp 
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội một chiều. Trong bài báo này chúng tôi đề xuất một giải 
*Email: quachcuong304@gmail.com pháp sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi (Adap-PID) 
Ngày nhận bài: 25/01/2020 hướng tới hai mục tiêu chính: 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 25/6/2020 - Điều khiển mạch giảm áp một chiều làm việc ở hai chế 
Ngày chấp nhận đăng: 23/12/2020 độ: nguồn áp và nguồn dòng. 
 - Điều khiển ổn định và nâng cao chất lượng động, chất 
 lượng tĩnh khi tải của hệ thống không ổn định. 
 KÝ HIỆU 
 Kết quả điều khiển được kiểm chứng qua mô hình mô 
 Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 
 phỏng vật lý rời rạc trên phần mềm Matlab&Simulink đã 
 D Độ rộng của xung điều chế IGBT thể hiện được ưu điểm của giải thuật Adap-PID khi điều 
 Vin V Điện áp vào khiển mạch giảm áp một chiều với tải biến động và hoạt 
 động trong cả hai chế độ nguồn áp, nguồn dòng. 
 Vout V Điện áp ra 
 CHỮ VIẾT TẮT Bài báo trình bày theo trình tự sau: phần 2 thiết lập mô 
 hình hệ thống, phần 3 thiết kế giải thuật điều khiển Adap-
 Adap-PID Bộ điều khiển PID thích nghi 
 PID, phần 4 mô phỏng hệ thống và cuối cùng kết luận sẽ 
 SISO Hệ thống một đầu vào, một đầu ra được đưa ra trong phần 5. 
 DC Điện một chiều 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG MẠCH GIẢM ÁP MỘT CHIỀU 
 2.1. Hệ thống điều khiển mạch giảm áp một chiều 
1. GIỚI THIỆU Mô hình hệ thống bao gồm mạch giảm áp một chiều, 
 Nguồn một chiều sử dụng mạch giảm áp một chiều bộ điều khiển Adap-PID được cập nhật tham số thông qua 
(DC/DC buck converter) được sử dụng khá phổ biến trong khâu tính toán online các tham số Kp, Ki và Kd. Tham số Kp, 
lĩnh vực công nghiệp và dân dụng vì chúng có kích thước Ki và Kd được tính qua thông số mạch điện và giá trị các tín 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 6 (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 37
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 hiệu điện áp, dòng điện Vin, Vout, I trong mạch (hình 1). Hệ V() s
 làm việc ở chế độ nguồn dòng/nguồn áp thông qua khóa GV() s 0
 in V() s
 chuyển đổi K. Tham số điện trở R có thể thay đổi được để in
 tạo ra các tình huống thử nghiệm mạch có tham số mô DR r Cs 1 (2) 
 c
 hình biến đổi. 
 rL R rc R 2 rL RC L 
 DC-DC Buck converter LC s rc C s 1
 rLLL R r R r R 
 IGBT
 Vin Vout
 Bridge L
 vˆ i () s
 220V/ rectifier R Zout () s 
 DC I() s
 50Hz C sensor V
 s I
 V sensor V
 driver r R LCs r C LCs L r (3) 
 c L c
 rc R 2 rc RC L r L R
 r(k) LCs rL C s 
 Adap-PID PWM r R r R r R
 controller e(k) K c c c
 ) PID(z)
 k
 (
 in Tín hiệu điều chế cho mạch: 
 v [Kp Ki Kd] i(k)
 Calculator ˆ (4) 
 vout(k) D D d 
 ADC
 ADC Kp, Ki and Kd
 Trong đó: D, R, rc, C, rL, L và Vin lần lượt là độ rộng điều 
 Hình 1. Mô hình thử nghiệm giải thuật Adap-PID cho mạch giảm áp một chiều chế van IGBT, điện trở tải, điện trở tụ, điện dung tụ, điện trở 
 Quá trình hoạt động của mạch, đặc biệt ở trạng thái cuộn cảm, điện cảm và điện áp đầu vào. Có thể thấy mô 
 dòng điện lớn, điện áp cao thì điện áp đầu vào sẽ biến hình hệ thống phụ thuộc các tham số khó xác định chính 
 xác như: điện trở tụ điện r , điện cảm L và các tham số biến 
 động (do tụ lọc Cs không đủ lớn) đồng thời nếu như tải 
 thay đổi đột ngột (mô hình hệ thống thay đổi) thì các đáp động theo trạng thái làm việc của hệ như: độ rộng điều chế 
 D, điện trở tải R và thậm chí cả điện áp nguồn cấp V . Các 
 ứng đầu ra vout(k), i(k) sẽ bị ảnh hưởng. Sai số tĩnh và khả in
 năng ổn định nhanh của hệ bị suy giảm. Cấu trúc Adap- giá trị vˆ 0 () s , V0 () s và vˆ i () s lần lượt đóng vai trò là các 
 PID trên hình 1 được kỳ vọng sẽ có khả năng nâng cao thành phần dao động nhỏ, thành phần xác lập và nhiễu 
 chất lượng động, chất lượng tĩnh khi hệ hoạt động ở (phụ thuộc tải) trong mạch. Nếu coi: 1) điện trở tụ điện và 
 trạng thái nguồn dòng/nguồn áp trong điều kiện nguồn điện trở cuộn cảm là vô cùng bé (rc 0, rL 0); 2) ảnh hưởng 
 Vin và tải R không ổn định. của dòng điện tải lên đáp ứng điện áp đầu ra được xem là 
 2.2. Mô hình toán học của đối tượng điều khiển nhiễu; 3) chỉ xét vai trò của vˆ 0 () s và V0 () s trong quá trình 
 IGBT điều khiển; 4) V đóng vai trò của một tham số biến động 
 Vin Vout in 
 trong hệ, từ đó hợp nhất hóa (1) và (2) thì hàm truyền đạt 
 rL L
 rc của hệ ở chế độ nguồn áp có dạng (5). 
 D R
 Diode C
 Vout () s R
 G() s Vin (5) 
 I D() s RLCs2 Ls R
 Nếu xét ở chế độ nguồn dòng thì hàm truyền đạt có 
 Hình 2. Mạch giảm áp một chiều dạng (6). 
 Noise
 Zout(s) I() s 1
 I(s) G() s Vin (6) 
 D() s RLCs2 Ls R
 Vin(s) V (s) vi(s)
 GV (s) 0
 in Từ (5) và (6) có thể thấy mô hình nguồn áp và mô hình 
 d(s) v0(s) Vout(s)
 GVd(s) nguồn dòng trong trường hợp tải thuần trở có đặc tính 
 Control plant động học như nhau. Tuy nhiên hệ số khuếch đại vòng hở 
 của chúng là khác nhau. Từ (5), (6) mô tả hệ thống rút gọn 
 Hình 3. Sơ đồ khối mạch giảm áp một chiều dưới dạng lượng tử hóa nhằm mục đích thiết kế hệ thống 
 Mô hình của mạch giảm áp một chiều xét trong chế độ dưới dạng xử lý rời rạc/xử lý số, ta có mô hình đối tượng 
 dòng điện liên tục được mô tả trên hình 2 và 3. Chúng được như trên hình 4. 
 coi là hệ SISO và hàm truyền đạt được xác định như sau [1, 
 u(k) D Vin i(t) vout(t)
 2, 5, 6]: KDA 2 R
 ZOH LCs + (L/R)s + 1
 vˆ 0 () s
 i(k) c
 GVd () s 
 dˆ() s KAD Zout(s)
 v (k)
 r Cs 1 (1) out v
 V c KAD
 in T
 rc R 2 r L RC L 
 LC s rc C s 1
 rLLL R r R r R Hình 4. Sơ đồ mô hình đối tượng điều khiển trong hệ thống điều khiển số 
38 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 6 (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
3. THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI và sử dụng cấu chức PID có chức năng anti-windup để hạn 
 Bộ điều khiển PID thiết kế theo phương pháp triệt tiêu chế lượng quá điều chỉnh (hình 5). Hệ số phản hồi Kt trong 
mẫu áp dụng cho đối tượng có dạng (5) và (6) được xác sơ đồ PID có chức năng anti-windup được xác định thông 
định theo (7). qua (12). 
 L 1 KiR() k v out () k
 PID() s K LCs (7) Kt () k (12) 
 R s Kd L Li() k
 Mô tả (7) dưới dạng rời rạc với chu kỳ lấy mẫu T: 
 L T z 1 z 1 
 PID() z K LC (8) 
 R 2 z 1 Tz 
 Hệ số khuếch đại K được xác định theo lượng thời gian 
xác lập ts và hệ số khuếch đại vòng hở của đối tượng điều 
khiển. 
 v
 3 ts V in K AD K DA ;voltage source Hình 5. Bộ điều khiển PID có chức năng Anti-Windup 
 K (9) 
 c 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 
 3R ts V in K AD K DA ;current source
 Hệ thống được mô phỏng dưới dạng mô hình vật lý với 
 Nếu hệ thống có mô hình chính xác, tải không biến đổi cấu trúc điều khiển số để kết quả mô phỏng tiệm cận với kết 
theo thời gian (R = const) thì hoàn toàn có thể xác định quả trên hệ thống thực tế, qua đó phục vụ tốt công tác thiết 
được tham số bộ điều khiển PID để hệ ổn định và có chất kế và hiệu chỉnh hệ thống thực. Mô hình mô phỏng thể hiện 
lượng động, chất lượng tĩnh mong muốn. Tuy nhiên trong trên hình 6, 7 và 8. Tham số của hệ thống như sau: 
thực tế nhiều trường hợp tải biến động, nguồn cũng không - Mạch động lực: nguồn điện AC 220V/50Hz; tụ lọc 
cố định (chế độ nguồn áp, chế độ nguồn dòng) do vậy 
 nguồn Cs = 4.700µF; điện cảm L = 10 mH; tụ điện C = 1.880 
những bộ điều khiển PID truyền thống có thể không đạt µF; giá trị điện trở tải R thay đổi tùy thuộc vào các trường 
được chất lượng động và chất lượng tĩnh theo yêu cầu. Để hợp mô phỏng. 
giải quyết tình huống trên, có thể sử dụng mạng tính toán - Mạch điều khiển: thời gian lấy mẫu T = 0,0001s; 
online các tham số K, R thông qua giá trị điện áp vào vin(k), 
 thời gian xác lập được thiết kế ts = 0,01s; tần số băm xung 
điện áp ra vout(k) và dòng điện tải i(k) để cập nhật cho bộ 
 fpwm = 40kHz; bộ lọc khởi động mềm là khâu quán tính bậc 
điều khiển PID như trong (10). 1 có hằng số thời gian là 0,02s; 
 v - Hệ số lượng tử hóa của các khâu ADC/DAC có độ 
 3 ts v in (k)K AD K DA ; voltage source
 K(k) phân giải 12-bit: đối với khâu dòng điện Kc 4095 20 ; 
 3R t v (k)Kc K ; current source AD
 s in AD DA (10) v
 khâu điện áp KAD 4095 350 ; khâu điều chế độ rộng xung 
 c v
 R(k) vout (t) i(t) K AD v out (t) K AD i(t) 
 12-bit KDA 1 4095 
 Từ (8), (9) và (10) có được tham số bộ Adap-PID cập nhật - Quá trình mô phỏng sẽ so sánh kết quả điều khiển 
trong miền rời rạc với chu kỳ T như trong (11): trúc giải thuật điều khiển Adap-PID được đề xuất và đáp 
 ứng của hệ có tham số PID cố định. Tham số bộ PID được 
 Li(k) 
 xác định ứng với trường hợp tải R = 25 và Vin = 310V. Từ 
 v (k) 
 out (7), (8) và (9) có tham số bộ điều khiển PID như trong (13): 
 3 T z 1 1 2
 v ; voltage source 63,83 127,47z 63,68z
 ts v in (k)K AD K DA 2 z 1 ;voltagesource
 1 z 1
 z 1 PID(z) (13) 
 LC 1595,75 3186,75z 1 1592,00z 2
 Tz ; currentsource
 * 1
 PID (z) (11) 1 z
 Li(k) 
 v (k) 
 out 
 3vout (k) T z 1 
 ; current source
 t v (k)i(k)Kc K 2 z 1
 s in AD DA 
 z 1 
 LC
 Tz 
 Đối với các nguồn điện, lượng quá điều chỉnh của đáp 
ứng ra (dòng điện hoặc điện áp) cần được giám sát và có cơ 
chế khống chế tham số này đảm bảo an toàn thiết bị. Trong 
trường hợp này sử dụng các giải pháp như khởi động mềm Hình 6. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mạch giảm áp một chiều 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 6 (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 Hình 9 và 10 là kết quả mô phỏng hệ thống làm việc ở 
 chế độ nguồn áp khi điện trở tải thay đổi theo 3 mức: 20 
 (từ 0 đến 0,3s); 10 (từ 0,3 đến 0,4s) và 6,67 (từ 0,4 đến 
 0,6s) như trên hình 9c và 10c. 
 Có thể nhận thấy trong chế độ điều khiển điện áp, đáp 
 ứng quá độ của hệ đạt lượng quá điều chỉnh 3%, thời gian 
 quá độ 0,1s (hình 9d và 10d). Quá trình quá độ khi tải thay 
 đổi của hệ Adap-PID tốt hơn so với hệ PID thông thường: i) 
 thời gian xác lập của hệ Adap-PID đạt 0,1s so với hệ PID 
 thông thường là 0,6s; ii) sai số ở trạng thái xác lập của hệ 
 Adap-PID là 1V so với 3V của hệ PID thông thường (hình 9b 
 Hình 7. Bộ điều khiển thích nghi PID cho hệ thống tích hợp nguồn dòng/áp và 10b). Trên hình 10 cho thấy khi hệ làm việc ở điện áp cao, 
 dòng điện lớn (từ 0,4 đến 0,6s) do dung lượng tụ Cs không đủ 
 lớn dẫn tới điện áp vào Vin thay đổi khá mạnh và làm thay đổi 
 hệ số khuếch đại vòng hở của hệ. Trong tình huống này 
 phản ứng của hệ Adap-PID khá tốt (hình 10b), sai số tĩnh nhỏ 
 và khoảng thời gian biến động được rút ngắn. 
 4.2. Mô phỏng hệ thống ở chế độ nguồn dòng 
 Hình 8. Mạng tính toán online hệ số khuếch đại K của đối tượng và điện trở R 
 của tải 
 4.1. Mô phỏng hệ thống ở chế độ nguồn áp 
 Hình 11. Đáp ứng của hệ khi điều khiển ở chế độ dòng điện 5A 
 Hình 12. Đáp ứng của hệ khi điều khiển ở chế độ dòng điện 15A 
 Hình 9. Đáp ứng của hệ thống khi điều khiển tại điện áp 100V Mô phỏng nguồn dòng được thực hiện khi tải thay đổi 
 theo 3 mức 15,0 (từ 0 đến 0,2s), 7,5 (từ 0,2 đến 0,5s) và 
 5,0 (từ 0,5 đến 0,8s). Kết quả điều khiển đáp ứng dòng 
 điện ở mức 5A và 15A thể hiện trên hình 11 và 12. 
 Kết quả mô phỏng cho thấy ở cả miền dòng điện thấp 
 lẫn dòng điện cao, hệ thống có chất lượng động tốt, thời 
 gian xác lập ngắn, mức độ dao động ít khi tải biến động. 
 Đồng thời đảm bảo sai số tĩnh tiệm cận 0 trong khoảng 
 thời gian 0,1s. 
 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 
 Bài báo đã trình bày đề xuất một giải thuật Adap-PID 
 cho mô hình mạch giảm áp một chiều làm việc trong hai 
 chế độ nguồn dòng và nguồn áp. Kết quả mô phỏng trong 
 điều kiện tải thay đổi, điện áp nguồn biến động cho thấy 
 Hình 10. Đáp ứng của hệ thống khi điều khiển tại điện áp 240V điện áp/dòng điện đầu ra vẫn bám theo tín hiệu yêu cầu. 
40 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 6 (12/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
So sánh giải pháp Adap-PID và PID truyền thống (tham số 
cố định) cho thấy hệ điều khiển theo cấu trúc Adap-PID có 
chất lượng động, chất lượng tĩnh tốt hơn hẳn (hình 9b, 10b, 
11 và 12). Đặc biệt tại các điểm chuyển đổi giá trị tải quá 
trình động của hệ với cấu trúc Adap-PID hội tụ nhanh với 
mức độ dao động thấp. Như vậy khả năng điều khiển tích 
hợp nguồn dòng, nguồn áp trên một mạch giảm áp một 
chiều của bộ Adap-PID là khả thi. Bước tiếp theo của 
nghiên cứu này là hướng tới phát triển hệ thống điều khiển 
điện áp/dòng điện mạch giảm áp một chiều có tốc độ phản 
ứng nhanh và sai số tĩnh nhỏ. 
 LỜI CẢM ƠN 
 Nhóm tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn Trường 
Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hỗ trợ trong quá trình 
nghiên cứu. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 [1]. Zina Elhajji, Khadija Dehri, Ziyad Bouchama, Ahmed Said Nouri, Najib 
Essounbouli, 2018. Input-Output Discrete Integral Sliding Mode Controller for DC- 
DC Buck Converter. 15th International Multi-Conference on Systems, Signals & 
Devices (SSD). 
 [2]. Reza Ilka, S. Asghar Gholamian, Behrouz Rezaie, Alireza Rezaie, 2012. 
Fuzzy Control Design for a DC-DC Buck Converter based on Recursive Least Square 
Algorithm. International Journal on Computational Sciences & Applications 
(IJCSA) Vo2, No.6. 
 [3]. S. A, Emami, M. Bayati Poudeh, S. Eshtehardiha, M. Moradiyan, 2008. An 
Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for DC-DC Converter. International Conference on 
Control, Automation and Systems, Seoul, Korea. 
 [4]. Neal Zhang, Daniel Li, 2019. Loop Response Considerations in Peak 
Current Mode Buck Converter Design. SLVAE09A–July 2018.. 
 [5]. Ricky Yang, 2018. Modeling and Control for a Current-Mode Buck 
Converter with a Secondary LC Filter, Analog Dialogue 52-10. 
 [6]. Vishnu Dev, 2015. Modelling and Adaptive control of a DC-DC Buck 
converter. Department of Electrical Engineering National Institute of Technology, 
Rourkela. 
 AUTHORS INFORMATION 
 Kieu Xuan Thuc, Quach Duc Cuong 
 Hanoi University of Industry 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 6 (Dec 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41