شکل ‏۶٫۱۳- مقایسۀ پاسخ­های کنترل کننده­ های فازی تطبیقی و PI با تغییر اندازۀ خازن: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ © جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده

کنترل تطبیقی باس DC:

در طول سال­ها محققین روش­ها و تکنیک­های مختلف کنترلی را اعم از معمولی و پیشرفته پیشنهاد داده­اند. قوانین کنترل خطی کلاسیک [۸۸] به دلیل سادگی ساختار به طور گسترده­ای در صنایع مورد استفاده قرار گرفته­اند. با این حال در شرایط عملیاتی متفاوت کارایی این نوع کنترل کننده­ها به شدت دچار افت می­ شود.
این مسأله در [۸۹] مورد بررسی قرار گرفته است، که در آن برای تنظیم باس DC از کنترل تطبیقی به جای کنترل کننده PI به همراه یک کنترل کننده جریان جزء خطی تطبیقی^[۸۰] (Adaline) که به صورت آنلاین تنظیم می­شد با بهره گرفتن از الگوریتم آماری حداقل میانگین مربعات^[۸۱] (LMS) استفاده شده است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

ساختار کنترل متوالی خطی­سازی شده در [۹۰] برای مبدل های افزایشی AC/DC پیشنهاد شده است. در [۹۱] شکل تنظیم ولتاژ باس DC بر اساس تئوری کنترل پسیو مورد بررسی قرار گرفته است.
کنترل کننده­ های پیشرفته خصوصیات غیر­خطی سیستم­ها را در طراحی­های خود نگه­داری می­ کنند، بنابراین می تواتند تحت شرایط غیر­خطی و وجود عدم قطعیتها مانند تغییرات در دما و پارامترها عملکرد خوبی را ارائه دهند.
تکنیک­های کنترلی که به آن­ها اشاره شد، کارایی و دقت مناسبی داشتند و اخیراً نیز به کار برده شده اند. اما روز به روز بر پیچیدگی و سختی کار طراحی آنها افزوده شده است.
در [۹۲] برای یک سیستم هیبریدی الکتریکی که چندین منبع و چندین مصرف کننده و منابع ذخیره انرژی دارد، از کنترل لغزشی استفاده شد اما مقاومت و پایداری سیستم کنترل تنها هنگامی قابل تضمین است که حالت لغزشی به واقع اتفاق بیافتد، که این مستلزم شرایط خاصی است.
در راه رفع این مساله در [۹۳] کنترل کننده ای به نام کنترل فازی-عصبی حالت لغزشی^[۸۲] (FNSM) ارائه می­ شود که توانایی بسیار خوب و قدرت تطبیق بالایی در مواجهه با عدم قطعیت­ها ، تغیرات پارامتری و تداخلات، و غلبه بر آنها دارد.
حال به بررسی سیستم مورد نظر خود و طراحی کنترل کننده می­پردازیم.
خطای ردگیری ولتاژ باس DC را به صورت و خطای ردگیری منبع جریان را در نظر می­گیریم، به طوری که به ترتیب ولتاژ و جریان مرجع، می باشند. در این طراحی برای نشان دادن برتری بر روش­های کلاسیک کنترلی از کنترل تطبیقی استفاده می کنیم. شمای طراحی در شکل زیر آورده شده است.

شکل ‏۶٫۱۴- شمای کنترل تطبیقی باس DC
در این طراحی کنترل تطبیقی با مینیمم کردن بین دو مقدار مرجع و واقعی به ردگیری صحیحی از ولتاژ باس DC دست می­یابد و سیگنال منبع جریان مورد نظر را ایجاد می­ کند. کنترل کنندۀ PI مانند یک تنظیم کنندۀ جریان عمل کرده و را مینیمم می­ کند. سپس چرخه کار به الگوریتم مدلاسیون عرض پالس (PWM) اعمال می­ شود.
در واقع هدف کنترل کننده تطبیقی ایجاد یک جریان تغذیه­ای موثر است با نگه داشتن درحد صفر. با این کار در کل سیستم اتلاف انرژی نامحسوس خواهد بود یعنی می­توان گفت که توان منبع با توان خروجی تقریباً برابر خواهد بود یعنی: .
بنابراین می­توان رابطۀ زیر را بین جریان منبع و جریان خروجی (معکوس کننده) ارائه داد.
کهK مقداری نامعلوم است که توسط کنترل کننده تطبیقی مشخص می­ شود.
قانون کنترلی را به صورت زیر می­توان داشت.
به طوری که بهرۀ مثبت است و به کمک آن پایداری و مقاومت کنترل کننده تطبیقی تضمین می­ شود. بنابراین قانون کنترل تطبیقی را به صورت زیر خواهیم داشت:
بهره مثبت است و سرعت همگرایی را مشخص می­ کند.

شبیه­سازی و نتایج:

برای بررسی کارایی کنترل کنندۀ تطبیقی شبیه­سازی روی مبدل DC-DC که در شکل (۶٫۵) آمده است، انجام گرفته است. پارامترهای سیستم به این صورت انتخاب شده ­اند: ولتاژ مرجع باس DC؛ ، سلف؛ و خازن؛ . فرکانس نمونه برداری و سوئیچینگ هر دو ۵Hz در نظر گرفته شده ­اند. معیارهای بررسی کارایی سیستم که مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن­ها در ادامه آمده است، عبارتند از: جریان اینورتر یا معکوس کننده ، ولتاژ باس DC ، جریان­های منبع ، چرخۀ کار و تخمین پارامتر تطبیقی . همچنین برای نتیجه ­گیری و مقایسۀ بهتر به طور همزمان نتایج حاصل از طراحی مشابه با کنترل کنندۀ PI نیز آورده شده است. پارامترهای کنترل کنندۀ PI همان­طور که در شکل (۶٫۱۵) آمده است، عبارتند از: و . لازم به ذکر است که برای کنترل کنندۀ تطبیقی در نظر گرفته شده است.

شکل ‏۶٫۱۵- شمای کنترل کنندۀ PI سری شده^[۸۳]
دو مرحله شبیه­سازی برای بررسی کارایی کنترل کننده صورت گرفته است. در اولین آن شرایط نامی به سیستم اعمال شده، و همچنین جریان اینورتر همان­طور که در شکل (۶٫۱۶-a) نشان داده شده است، به عنوان پاسخ پلۀ یک سیستم مرتبه دوم میرای بحرانی با فرکانس طبیعی ۱۰۰ رادیان بر ثانیه (۱۰۰rad/s)، فرض شده است. در این حالت، از تغییرات ولتاژ منبع صرف نظر شده و ­V_S=250V­ در نظر گرفته شده است. با توجه به نتایج آمده در شکل (۶٫۱۶) خطاری ردگیری ولتاژ باس DC با سرعت خوبی کاهش یافته و عملاً روی پایداری تأثیری نداشته است. به عبارت دیگر و با توجه به عملکرد خوب کنترل کنندۀ PI، کنترل کنندۀ تطبیقی همان کارایی را اما با دقت و سرعت بالاتر داشته و طرح پیشنهادی توانسته به موفقیت برسد.
در شبیه­سازی دوم، تغییرات ولتاژ منبع را نیز برای بررسی هرچه دقیق­تر کارایی کنترل کننده، به آزمایش وارد می­کنیم. بنابراین ولتاژ منبع را به صورت در نظر می­گیریم. همان­طور که در شکل (۶٫۱۷) ملاحظه می­ شود، در هنگامی که در کنترل کنندۀ PI، خطای ردگیری ولتاژ باس DC در حال نوسان در اطراف مقدار مرجع است، کنترل کنندۀ تطبیقی توانسته بر نواسانات ولتاژ ورودی غلبه کند. بنابراین می­توان در کل گفت که طرح پیشنهادی نسبت به کنترل کنندۀ PI عملکرد نسبتاً بهتری داشته است.

شکل ‏۶٫۱۶- کنترل باس DC در شرایط نامی و ولتاژ تغذیۀ ثابت : (a) جریان اینورتر i_o ؛ (b) ولتاژ باس V_DC؛ © جریان منبع i_s ؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده ؛ (e) تخمین پارامتر تطبیقی

شکل ‏۶٫۱۷- کنترل باس DC در شرایط نامی و ولتاژ تغذیۀ سینوسی : (a) جریان اینورتر i_o ؛ (b) ولتاژ باس V_DC؛ © جریان منبع i_s ؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده ؛ (e) تخمین پارامتر تطبیقی

برآورد حالت شارژ (SOC) بر اساس رؤیتگر

برای محاسبه ^[۸۴]SOC راه­های زیادی وجود دارد. روش ولتاژ مدار باز^[۸۵] (OCV) راهی مناسب در تخمین SOC باطری است. ولتاژ باطری با میزان غلظت الکترولیت در ارتباط است و با بالا رفتن و پایین آمدن وضعیت شارژ باطری تغییر می­ کند. اما این شرایط تنها در صورتی برقرار است که دینامیک داخلی سیستم باطری در حالت تعادل باشد (به عنوان مثال هیچ جریانی برای مدت طولانی نباید در باطری برقرار باشد). هچنین این ارتباط پایا، در زمانی که از طول عمر باطری می­گذرد و نیز بر اثر تغییرات دمایی دچار تاثیر می­گردد. به عنوان مثال ظرفیت باطری­ها با افزایش تعداد دفعات شارژ و دشارژ و همچنین میزان خالی شدن، کاهش می یابد.
روش دیگر برای تخمین SOC روش شمارش کولمب^[۸۶] [۹۵] است. در این روش میزان جریان ورودی و خروجی باطری اندازه گیری شده و با یک انتگرال­گیری میزان SOC در هر لحظه محاسبه می­ شود. با این حال مواردی چون خطای راه ­اندازی و خطای سنسورهای جریان در دقت تخمین میزان دقیق SOC مشکل پیش می­آورند. بعلاوه ظرفیت باطری­ها به مرور زمان و در شرایط مختلف دمایی تغییراتی را دارد. هر چند با وجود این مشکالات که باعث بروز خطای ۱۵% برای روش مذکور می­شوند [۹۵]، اما این روش همچنان به عنوان روشی ساده و کارآمد در کاربردهای صنعتی که Real–time هستند شناخته می شود.
روش دیگری به نام روش تخمین هیبرید^[۸۷] وجود دارد که در حقیقت ترکیبی از دو روش قبلی است. به این صورت که SOC باطری به روش شمارش کولمبی تخمین زده می­ شود، البته فقط در زمانی که باطری در حال استفاده یا اینکه در شرایط متعادل قرار دارد. هنگامی که خطایی در سیستم رخ هد و یا حالت تعادل از بین رود روش OCV جایگزین SOC می­ شود.
با این حال برخی از برنامه های کاربردی که یک رشته عملیات مداوم باطری احتیاج دارند، زمان لازم برای رسیدن به حالت تعادل باطری را فراهم نمی کنند و این مساله نیاز به روش های جایگزین دیگری را برای خمین SOC ایجاد کرده است.
از آنجایی که روش OCV مستقیماً با وضعیت شارژ باطری در ارتباط است، بنابراین V_oc برای تخمین حالت شارژ مورد استفاده قرار می گیرد. در اینجا فرض بر این است که رابطۀ ثابت و پایداری بین OCV , SOC برقرار است بنابراین می­توان از اثرات گذر زمانی بر وضعیت باطری همچنین تغییرات دمایی صرف نظر کرد.
با فرض قرار داشتن در حالت دشارژ می توان گفت که ، بنابراین رابطه اول مدل دینامیک باطری (۶٫۲-آ) به صورت زیر تغییر پیدا خواهد کرد.
با جایگزینی از رابطۀ (۶٫۲-ج) خواهیم داشت
(۶٫۳)
رابطه دینامیکی فوق را می توان به صورت معادلات حالت به شکل زیر نوشت:
که:
بنابراین معادلات روئیتگر به صورت زیر خواهد بود:
که در رابطه فوق G ماتریس بهره رؤیتگر است.
خطای رؤیتگر را به صورت زیر تعریف می­کنیم.
با گرفتن مشتق از رابطه بالا و جایگزینی و داریم:
بنابراین به طور خلاصه می توان دینامیک رؤیتگر را به صورت زیر نوشت:
که یک ماتریس هرویتز است بنابراین می توان از G برای به دست آوردن مقادیر ویژۀ ماتریس استفاده گردد.
در حالت پایدار و مانا وقتی که ماتریس G را می توان از حل معادلۀ ریکاتی به روش جایابی قطب به دست آورد.

شبیه­سازی و نتایج

جدول زیر پارامترهای مفروض برای باطری سربی-اسیدی که در شکل (۶٫۶) آمده است، بیان می­ کند. دلیل انتخاب این نوع باطری، وجود رابطۀ خطی بین OCV و SOC است. برای نمونه می­توان گفت که SOC از رابطۀ زیر قابل محاسبه است [۹۶].