Aplicação de métodos de controle baseado em dados em conversores CC-CC boost

Abstract

Os conversores CC-CC são circuitos com a finalidade de converter uma tensão/corrente contínua em uma tensão/corrente de saída também contínua, mas com valor médio diferente da entrada, constituindo uma interface entre uma fonte de energia e sua carga. São amplamente aplicados para diversos níveis de potência, como em reguladores de tensão para alimentação de circuitos eletrônicos, controle de tração de motores e processamento de energia em sistemas de geração fotovoltaicos, entre outras aplicações. O conversor CC-CC do tipo boost fornece uma tensão de saída com valor médio mais elevado que o da tensão de entrada. Em geral, é fundamental que a tensão de saída seja constante, independente de variações de carga ou da tensão de entrada, o que é atingido utilizando controle em malha fechada (MF). Neste trabalho, é proposta a aplicação de métodos de controle baseados em dados para o ajuste de controladores de estrutura PID para conversores boost, especificamente os métodos Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) e VRFT Flexível. Tais métodos se caracterizam por não utilizarem um modelo do processo para a síntese do controlador, mas sim um conjunto de dados de entrada e saída medidos diretamente na planta A primeira etapa do trabalho foi a implementação de uma bancada experimental, composta por um conversor boost e demais dispositivos necessários para coleta de dados para sintonia e validação dos controladores. Em seguida, os métodos propostos foram testados em um ambiente de cossimulação desenvolvido nos softwares MATLAB®/Simulink® e PSIM®. Por fim, foram realizados ensaios para coleta de dados na bancada experimental implementada e, a partir desses dados, foi sintonizado um controlador com o método VRFT Flexível, que havia apresentado o melhor desempenho nas simulações. O controlador obtido foi validado experimentalmente em ensaios de seguimento de referência e rejeição de distúrbios e a resposta do sistema em MF foi analisada tomando como métrica a norma euclidiana do erro entre a saída e a referência, o tempo de acomodação e o máximo sobressinal.

DC-DC converters are circuits that convert a continuous voltage/current into a continuous output voltage/current with a different mean value, constituting an interface between a power supply and its load. They are widely applied to various power levels, such as voltage regulators for electronic circuits, motors drive control, power processing in photovoltaic systems and many others applications. The boost type DC-DC converter provides an output voltage with a higher mean value than the input voltage. In general, it is critical the guarantee that the output voltage is constant, independent of load or input voltage variations, which is achieved using closed loop control. In this work, it is proposed the application of data-driven control methods for the tuning of PID controllers applied to boost converters, specifically the Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) and Flexible VRFT methods. Such methods are characterized by not using a process model to the synthesis of the controller, but a set of data measured directly on the plant. The first step was the implementation of an experimental setup, composed by a boost converter and others devices required for the data acquisition and control design. Then, proposed methods were tested in a simulation environment developed on MATLAB®/Simulink® and PSIM® softwares. Lastly, experiments were performed to collect data on the experimental setup. From that data, a controller with the Flexible-VRFT method was tuned, which had presented the best performance in the simulations. Such controller was experimentally validated in reference tracking and disturbance rejection tests, and the closed loop performance was evaluated, taking as metric the 2-norm of the error between the output and the reference, the settling time and the maximum overshoot.