وبلاگ

برخلاف مزایی که در بالا برای SMPS ها ذکر گردید، پارامترهایی وجود دارند که چندان مطلوب نیستند و تاثیر زیادی بر رفتار مبدل­ها دارندکه عمدتاً عبارت­اند از:

قطعات غیرخطی در ساختار مبدل؛
نوسانات خط و بار
تداخل الکترومغناطیسی (^[۳]EMI).
مبدل DC بهDC قطعات غیرخطی دارد (دیود، ترانزیستور، ) عاملی که غیرخطی بودن را تغییر می­دهدیکی اغتشاش مبدل و دیگری تغییر در زمان است. تاثیرات این تغییرات درپارامترهای مبدل در [۶] داده شده است.
برای طراحی مبدل DCبهDC ، ولتاژ نامی ورودی و مقادیر بار پیش ­بینی می­گردد. در عمل این مقادیر نامی ممکن است کمی انحراف داشته باشند. برای مثال، ۲۰% تغییر (نوسان) خط مورد انتظار می­باشد و یا بار نامی ممکن است به سمت بی­باری و یا بار کامل منحرف گردد. این موارد در [۱] ، [۲] ، [۳] ، [۴] و [۶] مورد مطالعه قرار گرفته است.
هدف ازمطا لعه ی تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مطمئن شدن از این است که سیستم الکترونیکی می ­تواند دریک محیط الکترومغناطیسی، بدون پاسخ به نویز الکتریکی یا تداخل الکتریکی ناخواسته تولید شده، عمل کند. برای مثال در منبع تغذیه DCبهDC ، EMI بر روی قطعات مبدل تاثیر می­ گذارد. تاثیرات EMI بر مبدل DCبه DC در مرجع [۷] مورد مطالعه قرار گرفته است.
موارد فوق ممکن است باعث شود تا مبدل از شرایط عملکرد مطلوب دچار انحراف گردد. اگر انحراف پارامترها افزایش یابد، ممکن است که مبدل اساسا در حالت ماندگار عمل نکند(ناپایدار شود). تعدادی از روش­های کنترلی به منظور کنترل SMPS ها مورد استفاده قرار گرفته­اند و مشکل ذکر­شده را حل کرده ­اند. از آنجاییکه یک روش کنترلی خاص، در مقایسه با سایر روش­ها ممکن است مناسب­ترین روش( تحت شرایط خاصی) ­باشد، بنابراین هر روش کنترلی مزایا و نقاط ضعف خود را دارد. معمولاً ، دست یافتن به یک روش کنترلی مطلوب است که بهترین عملکرد را تحت شرایط خاصی دارد.
۱-۲-اهداف تحقیق
این پایان نامه دلایلی را که منجر به انتخاب یک روش کنترلی خاص، یعنی روش کنترل مد لغزشی (^[۴]SMC) در مقایسه با سایر روش­های کنترلی، را تحت تاثیر قرار می­دهد، معرفی کرده است. تجزیه و تحلیل دقیق SMC پیاده­سازی­شده بر روی توپولوژی­های مبدل DCبهDC صورت گرفته است.
به منظور ثبت کردن مزیت­های SMC، یک روش کنترلی دیگر انتخاب شده است. پاسخ مبدل در حالت ماندگار و ناحیه­های دینامیکی که بوسیله دو روش کنترلی مختلف کنترل می­شد (PID^[5] و SMC) مورد مقایسه قرار گرفته است.
کار تحقیقاتی صورت گرفته در توالی منطقی زیر صورت پذیرفته است:
مطالعه توپولوژی­های مبدل DCبه DC؛
مطالعه روش­های کنترلی جهت کنترل مبدل­های DCبهDC؛
انتخاب مبدل­های DCبهDC به عنوان توپولوژی­های مبدل که آزمایش­ها بر روی آن­ها انجام شده است؛
انتخاب کنترل PID مرسوم به عنوان یک روش کنترلی؛
انتخاب SMC به عنوان دومین روش کنترلی؛
مطالعه رفتار مبدل­های DCبهDC در حالت ماندگار و تحت شرایط دینامیکی هنگامی که دو روش کنترلی پیاده­سازی می­گردد
مقایسه نتایج و تعییم مناسب­ترین روش کنترلی.
ذکر این نکته قابل توجه است که تاثیر SMC بر رفتار مبدل در حالت ماندگار و تحت شرایط دینامیکی بهتر از روش کنترل PID می­باشد.
روند کار تحقیقاتی صورت گرفته به صورت زیر توصیف می­گردد:
در فصل دوم منبع تغذیه خطی بررسی شده و مزیت­ها و نقاط ضعف آن مورد بحث قرار گرفته است. در بخش بعدی، SMPS ها به طور جزئی مورد مطالعه قرار گرفته و مزیت­ها و نقاط ضعف آن­ها نسبت به رگولاتورهای خطی نشان داده شده است. طبقه ­بندی SMPS ها در مبدل­های DCبه DC ایزوله ­شده و ایزوله ­نشده داده شده است. مبدل رزونانسی DCبهDC مورد مطالعه قرار گرفته و مزیت­های آن بر روی مبدل­های DCبهDC با سوئیچینگ سخت نشان داده شده ­اند.
مبدل­های DCبه DC هم در مد هدایتی پیوسته (CCM) و هم در مد هدایتی ناپیوسته (DCM) عمل می­ کنند. تحلیل­ها برای انتخاب مقدار اولیه القاگر برای سه مبدل DCبهDC اساسی (کاهنده، افزاینده وکاهنده-افزاینده) که مبدل را ملزم به عملکرد هم در حالت CCM و هم در حالت DCM می­ کند داده شده است. یک جدول برای انتخاب مقدار بحرانی القاگر داده شده است. در پایان این فصل، یک طبقه ­بندی از منابع تغذیه DCبهDC آشنا نشان داده شده است.
در فصل سوم یک روش کنترلی استفاده شده در مبدل­های DCبهDC شامل کنترل PID، کنترل هیسترزیس، کنترل تطبیق­پذیر، کنترل برنامه­ ریزی جریان، کنترل ساختار متغیر (^[۶]VSCS) و کنترل مد لغزنده (SMC) مورد مطالعه قرار گرفته و هر حالت به صورت جداگانه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. تحلیل کنترلی هر یک از روش­های کنترلی داده شده و مزایا و نقاط ضعف هر کدام نشان داده شده است. دلایل انتخاب SMC به عنوان روش کنترلی اصلی برای SMPS ها در کار تحقیقاتی داده شده ­اند. اصول اساسی SMC بوسیله معادلات ریاضی نشان داده شده است.
فصل چهارم به صورت جزئی SMC را توضیح می­دهد و به صورت خلاصه تاریخچه آن را مرور می­ کند. قسمت مقدماتی فصل دلایل را معرفی می­ کند. Utkin که یکی از نخستین دانشمندانی است که با موضوع سروکار داشته است]۱[، به طور خلاصه مهمترین تحقیقات خود را در این زمینه معرفی می­ کند. در بخش بعدی، مروری بر تئوری SMC مخصوصاً شرایط وجود، شرایط حصول، توصیف سیستم در مد لغزشی و ارتعاشات کاترینگ^[۷] داده شده است. این معادلات ریاضی برای اثبات تحلیل مورد استفاده قرار می­گیرند. تحقیقات و کاربردهای SMC در سیستم­های الکتریکی و مکانیکی در یک دیاگرام نشان داده شده است.
در بخش بعدی فصل چهارم، SMC بر روی مبدل کاهنده پیاده­سازی شده و تئوری­های SMC ذکرشده در بالا اثبات گردیده است. نتایج بدست آمده با بهره گرفتن از نتایج شبیه­سازی مورد تایید قرار گرفته است.سرانجام تحقیقات و کاربردهای SMC برای مبدل­های DCبهDC به صورت جزئی­تر داده شده ­اند.
در فصل پنجم، نتایج بدست آمده از کار تحقیقاتی داده شده و آثار چاپ شده توضیح داده شده ­اند. سرانجام، قسمت­ های اصلی این پایان نامه خلاصه شده و پیشنهادات برای ادامه کار تحقیقاتی داده شده است
۱-۳ پیشینه ی تحقیق
۱-۳-۱-مقدمه
در فرمول بندی مسائل کنترلی، به طور معمولی اختلافاتی بین عملکرد واقعی ماشین و مدل ریاضی توسعه یافته برای طراحی کنترل کننده وجود دارد. این عدم انطباق می تواند به علت تغییرات پارامترهای سیستم و یا تقریب رفتار پیچیده ماشین با یک مدل ساده باشد.
باید دقت شود که کنترل کننده حاصله با وجود عدم انطباق در مدل ریاضی و ماشین، در عمل باید توانایی ایجاد سطوح عملکرد مورد نیاز را تضمین کند. این مساله انگیزه تحقیق در زمینه توسعه روش های کنترلی مقاوم برای حل این مشکل را ایجاد می کند. روش کنترل مدلغزنده یک رویکرد ویژه را برای طراحی کنترل کننده مقاوم ارائه دهد.
روش کنترل مد لغزنده نوع خاصی از روش VSCS می باشد. این روش به صورت مجموعه ای از قوانین کنترل بازخوردی و یک قاعده انتخاب می باشد. قاعده انتخاب در ورودی خود اندازه گیری از رفتار سیستم فعلی را دارد و خروجی آن یک کنترل کننده بازخوردی خاص می باشد که در آن لحظه باید مورد استفاده قرار گیرد. یک VSS به صورت ترکیبی از چند زیرسیستم در نظر گرفته می شود. هر زیر سیستم دارای یک ساختار کنترلی معین می باشد که برای ناحیه ی مشخصی از رفتار سیستم معتبر می باشد. با واردکردن پیچیدگی های بیشتر به سیستم می توان از ویژگی های سودمند هر یک از ساختارهای مرکب از سیستم بهره مند شد.
علاوه بر این سیستم را می توان طوری طراحی کرد که دارای ویژگی های جدیدی باشد که در هیچ کدان از ساختارهای مرکب به تنهایی وجود ندارد.
استفاده کلی از رشد و توسعه مد لغزشی در اواخر دهه ۱۹۵۰ در شوری سابق شروع شد. روش VSCS تکامل یافته کارهای آغازین انجام شده توسط ایمل یانوف و بارباشین در اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی در کشور روسیه می باشدو این ایده تا اواسط دهه ۱۹۷۰ در خارج از روسیه پدیدار نشد تا اینکه کتاب آقای آیتکی و مقاله مروری آقای آتکین به زبان انگلیسی منتشر شد]۱[ .
در روش کنترل مد لغزشی، ابتدا VSCS به منظور درایو کردن طراحی می گردد، سپس حالت سیستم طوری محدود می گردد که در همسایگی عملکرد کلیدزنی قرار گیرد. این روش دارای دو مزیت می باشد:
رفتار دینامیکی سیستم می تواند با انتخاب مقادیر مرجع شخصی برای عمل کلیدزنی پایدار بماند.
پاسخ حلقه بسته به صورت کلی به یک دسته خاص از عدم قطعیت ها، غیرحساس می شود.
ویژگی تغییرناپذیری که اخیراً ذکر شد، این روش را یک کاندیدای مناسب برای کنترل مقاوم تبدیل می کند. از طرفی دیگر SMC در تعیین عملکرد سیستم به صورت مستقیم آن را به یک روش جذاب از نقطه نظر طراحی تبدیل می کند.
پروفسور آتکین یکی از بنیانگذاران مفهوم VSS,SMC می باشد. او نویسنده پنج کتاب و بیش از ۲۸۰ مقاله تخصصی می باشد. علایق تحقیقاتی فعلی او کنترل ماشین های بعد- نامحدود شامل بازوهای منعطف، کنترل مد لغزش در سیستم های زمان- گسسته و پیاده سازی میکروپروسسوری SMC، کنترل درایوهای الکتریکی و آلترناتورها، روباتیک و سیستم های کنترل خودرو می باشد. برخی از تحقیقات مورد علاقه ایشان به صورت زیر می باشد.
یک روش کنترلی جدید بر اساس مد لغزشی زمان- گسسته ارائه شده است، ابتدا حالت ایده آل که در آن پارامترها شناخته شده هستند تجزیه و تحلیل شده اند و یک تعریف جدید از کنترل معادل حاصل شده است. بدین صورت که در مدت زمان محدود، فاصله حالت سیستم از مانیفولد لغزش برحسب بازه نمونه برداری به صفر کاهش می یابد. سپس، با فرض محدود بودن نامعین های پارامتریک، یک طرح کنترل تطبیق پذیر که برقراری شروط مجانبی مربوط به هدف کنترلی یکسان را ضمانت می کند، طراحی شده است و با استراتژی کنترل ساختار متغیر ارتباط داده شده است. ]۲[
روش های طراحی بر مبنای مدلغزشی برای کنترل باروها روبات های قابل حمل عمل کننده در یک محیط دارای موانع، مجموعه چرخ قطار و شفت انعطاف پذیر توسعه داده شده است. ایده اصلی طراحی بر روی استفاده از یک بردار فرعی حالت به عنوان یک کنترل واسطه استوار شده است. ]۳ [
یک روش مبتنی بر مدل برای مساله مانیتورینگ سیستم انتقال قدرت اتومبیل در مرجع] ۴[ ارائه شده است. مدل گسسته حوزه زاویه- میل لنگ بدست آمده است. یک روند برای طراحی رویت گر مد لغزشی گسسته برای تخمین ورودی و حالت ارائه شده است و در مساله تخمین انتقال قدرت استفاده شده است. رویت گر لغزش در معادله توازن طرح تولید باقی مانده غیرخطی برای تشخیص خطا و ایزولاسیون مورد استفاده قرار گرفته شده است. نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که رویت گرهای طراحی شده ما دقت خوبی حالات انتقال قدرت را با دقت خوبی تخمین می زند و طرح مانیتورینگ در ایزوله کردن هر دو خطای محرک و حسگر به طور موثر عمل کرده است.
در] ۴[ یک راهنمای SMC برای مهندسین کنترل ارائه شده است. این راهنما یک برآورد دقیق از پدیده اختلالات خودبرانگیخته ارائه می دهد و روش های طراحی پیاده سازی SMC نیز فهرست شده است.
همچنین درمرجع ] ۵[، ایده SMC بدون سنسور شار و سرعت را که توسط نویسندگان دیگر در کارهای پیشین مطرح شده بود را توسعه داده است. یک رویتگر کنترل کننده مد لغزشی در این مقاله پیشنهاد شده است. همگرایی رویتگر غیرخطی متغیر بارمان به همراه پایداری مجانبی کنترل کننده تحلیل شده است. پیاده سازی PWM با بهره گرفتن از مفهوم مد لغزشی بحث شده است. توجه اصلی روی کنترل گشتاور می باشد. روش توسعه یافته به منظور کنترل سرعت استفاده شده است.
شبیه سازی کامپیوتری و آزمایش ها به منظور محک زدن الگوریتم های کنترلی و تخمینی انجام شده است. نتایج آزمایشگاهی کارایی بالای روش کنترلی و تخمینی را نشان می دهد.
یک روش جدید کنترل حلقه بسته برای تخمین سرعت موتور القایی زمانی رتور از روی جریان و ولتاژهای ترمینال اندازه گیری شده به منظور کنترل بدون حسگر سرعت و گشتاور ارائه شده است. بدین منطور، یک تخمین گر حالت که اطلاعات مربوط به شار ماشین را حذف می کند، تعیین شده است و یک تابع لیاپانوف به منظور تعیین سرعت و مقاومت رتور حاصل شده است و روش پیشنهادی به صورت آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است. ]۶[
در کنترل ماشین های الکتریکی، در عمل اندازه گیری همه ی متغیرهای لازم برای پیاده سازی کنترل امکان پذیر نمی باشد. روشهایی که از یک رویتگر به منظور بدست آوردن متغیرهای لازم در قوانین کنترلی استفاده می کنند. همیشه مورد توجه محققین بوده است. این روشها با بهره گرفتن از معادلات مدل ماشین مقادیر سرعت رتور و یا مقدار شار را با استفاده مقادیر ولتاژ و جریان اندازه گیری شده تخمین می زند]۷.[
از میان روش های مختلف رویتگری، رویتگر مد لغزشی یک روش امیدبخش می باشد. این مقاله به بررسی و مرور اجمالی تحقیقات اصلی صورت گرفته در مورد طراحی رویتگر مد لغزشی برای ماشین های الکتریکی می پردازد. هر دو ماشین القایی و ماشین سنکرون مغناطیس – دائم در این مقاله بحث شده اند. این مقاله به بررسی جنبه های مختلف کار از تخمین شار و تخمین پارامترهای ماشین گرفته تا مشکلات مربوط به کنترل بدون- حکر را شامل می شود.
یک کنترل کننده پایدارسازی مدلغزشی برای ژنراتورهای القایی بر اساس مدل کامل ماشین طراحی شده است. در این مقاله از روش کنترل بلوکه کننده به منظور بدست آوردن یک سطح لغزش غیرخطی که در آن دینامیک های مکانیکی خطی سازی شود استفاده شده است. روش ترکیبی قادر به جبران غیرخطی بودن های ذاتی ژنراتور و همچنین مقاله با اختلالات خارجی سطح بالا می باشد. یک رویتگر غیرخطی به منظور تخمین شار رتور و گشتاور مکانیکی طراحی شده است ]۸[.
۱-۳-۲-تحقیقات انجام شده و کاربردهای کنترل مد لغزشی در سیستم های الکتریکی :
در حالیکه حوزه کاربردهای SMC در حال افزایش است، محققان در حال کارکردن به روی اثبات کارایی SMC در سیستم های الکتریکی و مکانیکی می باشند. اخیراً تحقیقات زیادی بر روی پیاده سازی SMC در سیستم های الکتریکی و مکانیکی انجام شده است. برخی از حوزه های اصلی تحقیقات بر روی این موضوع در شکل ۱-۴ نشان داده شده است.
شکل ۱-۱ : کاربردهای SMC در سیستم های الکتریکی.
شکل شش حوزه اصلی که SMC به کار گرفته شده است و به صورت گسترده مورد بررسی قرار گرفته شده است را نشان می دهد. حوزه های دیگری که دارای کاربرد کمتری هستند و تحقیقات کمتری در این زمینه ها انجام شده است نیز در این شکل نشان داده شده است. این زمینه های دارای آینده روشنی در زمینه کاربرد و تحقیقات می باشند ]۴[ .
۱-۳-۳- بررسی تئوری کنترل مدلغزشی: