Técnicas de control borroso basadas en modelos locales aplicadas a convertidores dc/dc ...

127 Pages·2009·1.73 MB·Spanish

Departamento de Ingenier(cid:237)a de Sistemas y
AutomÆtica
Universidad PolitØcnica de Valencia
Tesis doctoral
TØcnicas de control borroso basadas en
modelos locales aplicadas a convertidores
dc/dc conmutados.
bbuucckk
Aplicaci(cid:243)n al convertidor .
junio 1999
Autor : Pablo Jorge Carbonell CortØs
Director : Jose Luis Navarro Herrero

AGRADECIMIENTOS
Esta Tesis inici(cid:243) su edad madura de la mano de las siempre interesantes
reuniones del grupo de investigaci(cid:243)n GABN del departamento DISA de la Universidad
PolitØcnica de Valencia, siendo deudora de muchas de las ideas que sobre Control
Inteligente all(cid:237) se trataron.
Las agudas y certeras observaciones del Dr. Jose Luis Navarro, mi director de
Tesis, me han proporcionado est(cid:237)mulo en estos aæos para la continua mejora, para la
bœsqueda y la aplicaci(cid:243)n del mØtodo cient(cid:237)fico. Tampoco puedo dejar de agradecer sus
dosis de moral y sus desvelos para que esta Tesis saliera adelante.
Mi compaæero Adolfo Hilario ha sabido aguantar con paciencia y generosidad
todos los inconvenientes motivados por la realizaci(cid:243)n de esta Tesis.
La ayuda y el apoyo de Mar(cid:237)a han guiado esta Tesis en su andadura. Su Ænimo
resuena con ecos de aliento detrÆs de cada palabra.
Y por œltimo, mi familia, que siempre han tenido presente y han comprendido mi
dedicaci(cid:243)n a esta Tesis y me han dado su apoyo.
(cid:150)II(cid:150)

SUM ARIO
1. Introducci(cid:243)n................................................................................................................1
1.1 OBJETIVOS..................................................................................................................................1
1.2 CONTROL INTELIGENTE................................................................................................................2
1.2.1 Caracter(cid:237)sticas de los sistemas inteligentes de control............................................3
1.2.2 Control directo y control indirecto..............................................................................3
1.2.3 Sistemas borrosos...........................................................................................................4
1.2.4 Sistemas borrosos y reguladores borrosos................................................................5
1.2.5 Algunos sistemas borrosos especialmente interesantes...........................................9
1.2.6 Reguladores borrosos adaptativos............................................................................10
1.2.7 Control borroso indirecto basado en modelos locales...........................................11
1.3 CONVERTIDORES DC/DC: MODELADO,SIMULACI(cid:211)N Y CONTROL...............................................13
1.3.1 Introducci(cid:243)n...................................................................................................................14
1.3.2 Convertidores dc/dc conmutados...............................................................................16
1.3.3 Modelado y simulaci(cid:243)n................................................................................................17
1.3.4 TØcnicas de control.......................................................................................................18
1.4 RESUMEN..................................................................................................................................24
2. Modelado del convertidor DC/DC conmutado.....................................................25
2.1 MODELO GENERAL.....................................................................................................................25
2.2 MODELOS DE PEQUE(cid:209)A SE(cid:209)AL CONTINUOS................................................................................27
2.2.1 Modo de conducci(cid:243)n continua....................................................................................27
2.2.2 Modo de conducci(cid:243)n discontinua...............................................................................28
2.3 MODELO DISCRETO....................................................................................................................29
2.3.1 Modo de conducci(cid:243)n continua....................................................................................29
2.3.2 Modo de conducci(cid:243)n discontinua...............................................................................30
2.4 MODELOS DE PEQUE(cid:209)A SE(cid:209)AL DISCRETOS.................................................................................31
2.4.1 Obtenci(cid:243)n de modelos locales.....................................................................................31
2.4.2 Modo de conducci(cid:243)n continua....................................................................................33
2.4.3 Modo de conducci(cid:243)n discontinua...............................................................................34
2.4.4 Consideraciones prÆcticas para el cÆlculo del modelo local en modo de
conducci(cid:243)n discontinua...............................................................................................37
2.5 MODELADO BORROSO BASADO EN MODELOS LOCALES..............................................................39
2.5.1 Modelos locales.............................................................................................................39
2.5.2 Estimaci(cid:243)n del punto de equilibrio para un rØgimen de trabajo dado................40
2.5.3 Selecci(cid:243)n de los puntos de trabajo.............................................................................41
2.6 CONCLUSIONES.........................................................................................................................46
3. Control borroso basado en modelos locales de convertidores DC/DC................49
3.1 INTRODUCCI(cid:211)N..........................................................................................................................49
3.2 CONTROL LOCAL (cid:211)PTIMO CUADR`TICO CON ACCI(cid:211)N INTEGRAL SUPERVISORA...........................50
3.2.1 Control LQR en torno al estado de equilibrio x .....................................................50
0
3.2.2 Acci(cid:243)n integral supervisora........................................................................................51
3.2.3 Observador de estado..................................................................................................52
3.3 REGULADOR BORROSO BASADO EN MODELOS LOCALES..............................................................53
3.4 ESTABILIDAD DEL REGULADOR BORROSO POR MODELOS LOCALES..............................................54
3.5 IMPLEMENTACI(cid:211)N DEL REGULADOR BORROSO BASADO EN MODELOS LOCALES...........................57
3.6 IMPLEMENTACI(cid:211)N PR`CTICA:CONTROLCICBORROSO BASADO EN MODELOS LOCALES............59
3.7 CONCLUSIONES.........................................................................................................................62
(cid:150)I(cid:150)
4. Control borroso basado en modelos locales aplicado a un convertidor bbuucckk......65
4.1 PAR`METROS NOMINALES DE DISE(cid:209)O.......................................................................................65
4.2 MODELOS CONTINUOS...............................................................................................................66
4.2.1 Modelo de estado continuo para conducci(cid:243)n continua..........................................66
4.2.2 Modelo de estado para conducci(cid:243)n discontinua.....................................................67
4.2.3 Funci(cid:243)n de transferencia continua de pequeæa seæal del sistema en conducci(cid:243)n
continua.........................................................................................................................68
4.2.4 Funci(cid:243)n de transferencia continua de pequeæa seæal en modo de conducci(cid:243)n
discontinua...................................................................................................................69
4.3 MODELOS DISCRETOS................................................................................................................71
4.3.1 Modelo de estado discreto..........................................................................................71
4.3.2 Funci(cid:243)n de transferencia discreta de pequeæa seæal en conducci(cid:243)n continua...71
4.3.3 Funci(cid:243)n de transferencia discreta de pequeæa seæal para conducci(cid:243)n
discontinua...................................................................................................................72
4.4 MODELADO BORROSO BASADO EN MODELOS LOCALES..............................................................73
4.5 APLICACI(cid:211)N DEL CONTROL BORROSO INDIRECTO BASADO EN MODELOS LOCALES.......................83
4.6 CONSIDERACIONES SOBRE LA IMPLEMENTACI(cid:211)N DEL CONTROLADOR PROPUESTO......................86
4.7 CONTROL CONVENCIONAL EN MODO CORRIENTE........................................................................87
4.8 RESUMEN..................................................................................................................................89
5. Validaci(cid:243)n del controlador propuesto.....................................................................91
5.1 PROCEDIMIENTOS DE AN`LISIS DE RESULTADOS........................................................................91
5.1.1 TØcnicas de simulaci(cid:243)n................................................................................................91
5.1.2 MØtodos de anÆlisis de los resultados......................................................................97
5.2 RESULTADOS PRINCIPALES........................................................................................................98
5.2.1 Regulaci(cid:243)n con la carga..............................................................................................99
5.2.2 Regulaci(cid:243)n de salida..................................................................................................102
5.2.3 Regulaci(cid:243)n de entrada...............................................................................................104
5.2.4 Regulaci(cid:243)n con la carga para referencia no nominal..........................................105
5.2.5 Regulaci(cid:243)n con la entrada para referencia no nominal.......................................106
6. Conclusiones...........................................................................................................109
6.1 APORTACIONES.......................................................................................................................109
6.2 FUTURAS L˝NEAS DE INVESTIGACI(cid:211)N.......................................................................................110
7. Bibliograf(cid:237)a.............................................................................................................113
Anexo I. Topolog(cid:237)as bÆsicas.........................................................................................I.1
I.1 CONVERTIDORBUCK........................................................................................................I.1
I.2 CONVERTIDORBOOST......................................................................................................I.5
I.3 CONVERTIDORBUCK-BOOST..........................................................................................I.6
I.4 CONVERTIDORC(cid:218)K...........................................................................................................I.7
Anexo II. Modelado de las topolog(cid:237)as bboooosstt y bbuucckk--bboooosstt.......................................II.9
II.1MODELO DE ESTADO DEL CONVERTIDOR BOOST..................................................II.9
II.2MODELO DE ESTADO DEL CONVERTIDOR BUCK-BOOST...................................II.11
II.3FUNCI(cid:211)N DE TRANSFERENCIA DE PEQUE(cid:209)A SE(cid:209)AL DISCRETA DEL
CONVERTIDORBOOST...................................................................................................II.14
II.4FUNCI(cid:211)N DE TRANSFERENCIA DE PEQUE(cid:209)A SE(cid:209)AL DISCRETA DEL
CONVERTIDORBUCK-BOOST.......................................................................................II.16
(cid:150)II(cid:150)
Anexo III. Resultados de simulaci(cid:243)n para el control borroso indirecto basado en
modelos locales.....................................................................................III.21
III.1 ESPECIFICACIONES DE LAS PRUEBAS REALIZADAS.......................................III.21
III.2 REGULACI(cid:211)N CON LA CARGA................................................................................III.22
III.3 REGULACI(cid:211)N DE SALIDA.........................................................................................III.30
III.4 REGULACI(cid:211)N DE ENTRADA....................................................................................III.34
III.5 REGULACI(cid:211)N CON LA CARGA PARA REFERENCIA NO NOMINAL...............III.38
III.6 REGULACI(cid:211)N CON LA ENTRADA PARA REFERENCIA NO NOMINAL..........III.46
III.7 TABLA RESUMEN CON INDICES DE FUNCIONAMIENTO.................................III.54
(cid:150)III(cid:150)

Cap(cid:237)tulo 1.
INTRODUCCI(cid:211)N
1.1 OBJETIVOS
Desde que se introdujeron en la industria en la dØcada de los 70, los
convertidores de potencia conmutados se han ido imponiendo a los convertidores
lineales en innumerables aplicaciones por sus ventajas en cuanto a rendimiento, densidad
volumØtrica de potencia, potencias que pueden manejar y coste.
Estos sistemas tienen gran nœmero de aplicaciones (fuentes de alimentaci(cid:243)n,
control de motores, etapas de correcci(cid:243)n de factor de potencia, generadores resonantes
de calentamiento por inducci(cid:243)n, etc.), por lo que cada vez se exigen mÆs prestaciones a
estos sistemas de electr(cid:243)nica de potencia. Esto ha producido un auge considerable del
estudio de la teor(cid:237)a de control aplicada a ellos, desde las primeras propuestas de control
lineal por realimentaci(cid:243)n del lazo de tensi(cid:243)n de salida, conocida como "control en modo
tensi(cid:243)n" de los aæos 70, pasando por el control lineal por realimentaci(cid:243)n del estado,
conocido como "control en modo corriente" de los 80, a las propuestas actuales a travØs
de la aplicaci(cid:243)n de tØcnicas avanzadas de control tales como el control robusto, el
control inteligente, el control no lineal en modo deslizante, el control adaptativo, etc.
Las tØcnicas de control inteligente ofrecen procedimientos adecuados para
controlar estos sistemas. Sin embargo, en su aplicaci(cid:243)n actual a la electr(cid:243)nica de
potencia falta por lo general un anÆlisis detallado de todas las posibilidades que ofrece
la teor(cid:237)a de control. Con esta tesis se pretende subsanar esta carencia, mediante un
anÆlisis de las ventajas de aplicar los sistemas basados en la l(cid:243)gica borrosa a los
convertidores de potencia conmutados. En concreto, los objetivos que se persiguen son
los siguientes:
• Presentar el estado del arte del control inteligente y de su aplicaci(cid:243)n a la
electr(cid:243)nica de potencia hasta la fecha.
• Desarrollar un modelo de convertidor de potencia conmutado que permita
estudiar la aplicaci(cid:243)n del control inteligente a Øste.
• Elaborar propuestas de aplicaci(cid:243)n de control inteligente sobre los convertidores.
• Realizar estudios de viabilidad de la implementaci(cid:243)n de las propuestas de
control.
• Efectuar simulaciones para las propuestas de control de los modelos
desarrollados que permitan analizar su comportamiento en diferentes condiciones
de trabajo.
(cid:150)1(cid:150)
Cap(cid:237)tulo 1.Introducci(cid:243)n
En este cap(cid:237)tulo se exponen de forma breve los principios del control de sistemas
basado en la l(cid:243)gica borrosa, y los fundamentos del modelado y control de los
convertidores de potencia. Este serÆ el marco conceptual en que se desarrollarÆn los
pr(cid:243)ximos cap(cid:237)tulos.
Para poder analizar adecuadamente los resultados de las propuestas de control de
convertidores conmutados por medio de tØcnicas de control borroso, es preciso disponer
de un modelo suficientemente general de estos sistemas. En el Cap(cid:237)tulo 2 se desarrolla un
modelo no lineal, tanto continuo como en su versi(cid:243)n discreta. A partir de Østos se
plantearÆn sus modelos linealizados de pequeæa seæal aproximados, que van a permitirÆn
realizar estudios simplificados segœn determinadas hip(cid:243)tesis.
El Cap(cid:237)tulo 3 ofrece una nueva forma de aplicar la tecnolog(cid:237)a de la l(cid:243)gica
borrosa al control indirecto de los convertidores dc/dc. Se emplearÆn los denominados
modelos locales, cuya validez se describe en tØrminos borrosos, de manera que el
sistema borroso actuarÆ como supervisor al elegir la combinaci(cid:243)n mÆs adecuada de entre
los diferentes controladores locales lineales definidos.
En el Cap(cid:237)tulo 4 contiene el diseæo de estos reguladores particularizados para
unos parÆmetros nominales de un convertidor de topolog(cid:237)a buck, que es la mÆs extendida
en la industria. En el Cap(cid:237)tulo 5, se exponen los principales resultados de las
simulaciones realizadas, analizando las prestaciones dinÆmicas (ancho de banda,
audiosusceptibilidad, impedancias de entrada y salida, etc.) del convertidor controlado
por los sistemas borrosos propuestos, comparadas con las obtenidas mediante un control
convencional en modo tensi(cid:243)n o en modo corriente.
1.2 CONTROL INTELIGENTE
Como se ha dicho, uno de los objetivos de esta tesis es estudiar la viabilidad de
la aplicaci(cid:243)n de tØcnicas basadas en el control inteligente a los convertidores
conmutados de potencia. A continuaci(cid:243)n se ofrece un breve resumen de las
caracter(cid:237)sticas principales de estas tØcnicas.
La teor(cid:237)a de control se fundamenta en la bœsqueda de mecanismos que permitan
actuar sobre cualquier sistema, independientemente de su complejidad, para lograr que
algunas de sus variables observadas se comporten segœn pautas prefijadas. De ah(cid:237) que, si
bien durante este siglo se ha establecido una teor(cid:237)a de control muy s(cid:243)lida que permite
alcanzar este objetivo en sistemas cuyo comportamiento puede asimilarse a un modelo
dinÆmico lineal, todav(cid:237)a no exista una soluci(cid:243)n para lograr el control de forma general
sobre cualquier sistema.
El uso de tØcnicas de control no lineal se ha ido extendiendo poco a poco para
contemplar todas las no linealidades presentes en dichos sistemas y que los alejan del
modelo lineal de mayor sencillez. En muchos casos estas herramientas anal(cid:237)ticas se han
visto superadas por otras tØcnicas que tratan de controlar el sistema mediante funciones
que de algœn modo se inspiran en el intelecto humano o tratan de emularlo, y que se
engloban bajo la denominaci(cid:243)n de control inteligente. Este campo de investigaci(cid:243)n estÆ
por necesidad ligado a otros enfoques clÆsicos de la teor(cid:237)a de control.
(cid:150)2(cid:150)