Diseño de un Controlador Predictivo Aplicado a un Convertidor Reductor de Corriente Continua

##plugins.themes.bootstrap3.article.main##

Martín Medina Sánchez

Marjorie Naranjo Cevallos


Palabras clave:
Buck converter, Predictive Control, PID Convertidor Reductor, Control Predictivo, PID

Resumen

En el presente artículo, se presenta el diseño de un controlador predictivo (MPC) aplicado a un convertidor reductor de corriente continua. En un principio se muestra el análisis matemático del convertidor reductor y se obtiene su modelo matemático lineal y no lineal, considerando los modos de conducción continua y discontinua del convertidor. Se presenta la metodología para diseñar el controlador predictivo basado en el método de matriz dinámica de control, y para disminuir la carga computacional, se optimiza analíticamente la función de costo del controlador predictivo. Para contrastar los beneficios del control MPC, se propone el diseño de un controlador convencional proporcional, integral y derivativo (PID). Mediante simulación, se evalúa la respuesta transitoria temporal del sistema no lineal de la planta bajo los controladores MPC y PID. Se concluye que la respuesta de la planta con el controlador MPC presenta una respuesta transitoria aceptable y sin error en estado estacionario. Finalmente, se comparan las bondades de cada uno de los dos controladores diseñados.

Descargas

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.




Detalles del artículo

Biografías de los autores/as

Martín Medina Sánchez, Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Formación Básica, Quito, Ecuador

Ingeniero en Electrónica y Control y Magister en Sistemas de Control y Automatización Industrial. A lo largo de sus estudios de grado participa en varios concursos de robótica obteniendo alrededor de 11 primeros lugares a nivel nacional y una participación en un concurso internacional, merecedor de varios reconocimientos al mérito académico, entre ellos, mejor graduado de la carrera. Actualmente se desempeña como docente en el Departamento de Formación Básica de la Escuela Politécnica Nacional.

Marjorie Naranjo Cevallos, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica, Ecuador

Ingeniera Electrónica en control y redes Industriales graduada en 2019, ha participado en concursos nacionales de robótica obteniendo los primeros lugares desde el 2013 hasta el 2015. Fue becada en la carrera de grado 4 veces por distinción académica. Actualmente se desempeña como proyectista independiente.

Citas

Aliaga, R., Munoz, J., Rojas, D., Villalon, A., Troncoso, J., y Gaisse, P. (2019). Predictive Control of a Buck Converter for Photovoltaic Energy: An Experimental Implementation. IEEE CHILEAN Conference on Electrical, Electronics Engineering, Information and Communication Technologies, CHILECON 2019, 1-6. https://doi.org/10.1109/CHILECON47746.2019.8988046

Astrom, K., y Hägglund, T. (2009). Control PID avanzado. Madrid, España: Pearson Educación.

Camacho, E., y Bordons, C. (2007). Model Predictive control. Londres, Inglaterra: Springer London. https://doi.org/10.1007/978-0-85729-398-5

Cervantes, M. H., Montiel, M. F., Marin, J. A., Anguiano, A. C. T., y Ramirez, M. C. G. (2015). Takagi-Sugeno fuzzy model for DC-DC converters. 2015 IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing (ROPEC). 1-6. IEEE. https://doi.org/10.1109/ROPEC.2015.7395109

Cutler, C., y Ramaker, B. (1980). Dynamic Matrix Control-a Computer Control Algorithm. Automatic Control Conference. 25(3), 335-348.

Erickson, R. W., y Maksimović, D. (2020). Fundamentals of Power Electronics. Green Energy and Technology. Cham, Suiza: Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43881-4

Gaouzi, K., El Fadil, H., Rachid, A., Belhaj, F. Z., y Giri, F. (2018). Constrained model predictive control for DC-DC buck power converters. Proceedings of 2017 International Conference on Electrical and Information Technologies (ICEIT. 1-5. https://doi.org/10.1109/EITech.2017.8255245

Han, J., Zhang, B., Qiu, D., y Ma, H. (2014). A global modeling method of buck converter in discontinuous conduction mode. Proceedings - 2014 International Power Electronics and Application Conference and Exposition. 232-237. https://doi.org/10.1109/PEAC.2014.7037860

Hart, D. (2001). Electrónica de potencia (1st ed.). Madrid, España: Pearson Education.

Liu, K. Z., Yokozawa, Y., Katane, T., y Nakagawa, T. (2013). An MPC-PI approach for buck DC-DC converters and its implementation. IEEJ Transactions on Industry Applications. 133(8), 171-176. https://doi.org/10.1541/ieejias.133.838

Manjari, K., y Majhi, S. (2007). Model Predictive Control of Single-Inductor Dual-Output Buck Converter. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 20(2), 114-125. https://doi.org/10.1109/TSM.2007.895203

Medina, M., Narajo, M., y Rodríguez, J. (n.d.). Comparación del desempeño de un controlador adaptativo por modelo de referencia y un PID clásico para el control de un convertidor DC-DC reductor. Obtenido https://www.academia.edu/43823500/Comparaci%C3%B3n_del_desempe%C3%B1o_de_un_controlador_adaptativo_por_modelo_de_referencia_y_un_PID_cl%C3%A1sico_para_el_control_de_un_convertidor_DC_DC_reductor?source=swp_shar (Mayo, 2020)

Ogata, K. (1996). Sistemas de Control en Tiempo Discreto. Mexico, Mexico: Prentice Hall Hispanoamericana Inc.

Oliva, A. R., Ang, S. S., y Bortolotto, G. E. (2006). Digital control of a voltage-mode synchronous buck converter. IEEE Transactions on Power Electronics. 21(1), 157-163. https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.861193

Rodriguez, J., y Cortes, P. (2012). Model Predictive Control. Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd. https://doi.org/10.1002/9781119941446.ch3

Rodríguez, J., Herrera, V., Morocho, A., & Merino, C. (2020). Fractal Control Design with Anti-windup Effect for Optimal Operation of a Power Flyback Source. Advances and Applications in Computer Science, Electronics and Industrial Engineering. 1078(1), 308-328. https://doi.org/10.1007/978-3-030-33614-1_21

Varaskar, S., y Divya, M. (2017). Interleaved buck converter with low output current ripple using Model Predictive algorithm. Proceedings of 2016 Online International Conference on Green Engineering and Technologies (IC-GET). 1-6. https://doi.org/10.1109/GET.2016.7916704

Astrom, K., y Hägglund, T. (2009). Control PID avanzado. Madrid, España: Pearson Educación.

Camacho, E., y Bordons, C. (2007). Model Predictive control. Londres, Inglaterra: Springer London. https://doi.org/10.1007/978-0-85729-398-5

Cervantes, M. H., Montiel, M. F., Marin, J. A., Anguiano, A. C. T., y Ramirez, M. C. G. (2015). Takagi-Sugeno fuzzy model for DC-DC converters. 2015 IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing (ROPEC). 1-6. IEEE. https://doi.org/10.1109/ROPEC.2015.7395109

Cutler, C., y Ramaker, B. (1980). Dynamic Matrix Control-a Computer Control Algorithm. Automatic Control Conference. 25(3), 335-348.

Erickson, R. W., y Maksimović, D. (2020). Fundamentals of Power Electronics. Green Energy and Technology. Cham, Suiza: Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43881-4

Gaouzi, K., El Fadil, H., Rachid, A., Belhaj, F. Z., y Giri, F. (2018). Constrained model predictive control for DC-DC buck power converters. Proceedings of 2017 International Conference on Electrical and Information Technologies (ICEIT. 1-5. https://doi.org/10.1109/EITech.2017.8255245

Han, J., Zhang, B., Qiu, D., y Ma, H. (2014). A global modeling method of buck converter in discontinuous conduction mode. Proceedings - 2014 International Power Electronics and Application Conference and Exposition. 232-237. https://doi.org/10.1109/PEAC.2014.7037860

Hart, D. (2001). Electrónica de potencia (1st ed.). Madrid, España: Pearson Education.

Liu, K. Z., Yokozawa, Y., Katane, T., y Nakagawa, T. (2013). An MPC-PI approach for buck DC-DC converters and its implementation. IEEJ Transactions on Industry Applications. 133(8), 171-176. https://doi.org/10.1541/ieejias.133.838

Manjari, K., y Majhi, S. (2007). Model Predictive Control of Single-Inductor Dual-Output Buck Converter. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 20(2), 114-125. https://doi.org/10.1109/TSM.2007.895203

Medina, M., Narajo, M., y Rodríguez, J. (n.d.). Comparación del desempeño de un controlador adaptativo por modelo de referencia y un PID clásico para el control de un convertidor DC-DC reductor. Obtenido https://www.academia.edu/43823500/Comparaci%C3%B3n_del_desempe%C3%B1o_de_un_controlador_adaptativo_por_modelo_de_referencia_y_un_PID_cl%C3%A1sico_para_el_control_de_un_convertidor_DC_DC_reductor?source=swp_shar (Mayo, 2020)

Ogata, K. (1996). Sistemas de Control en Tiempo Discreto. Mexico, Mexico: Prentice Hall Hispanoamericana Inc.

Oliva, A. R., Ang, S. S., y Bortolotto, G. E. (2006). Digital control of a voltage-mode synchronous buck converter. IEEE Transactions on Power Electronics. 21(1), 157-163. https://doi.org/10.1109/TPEL.2005.861193

Rodriguez, J., y Cortes, P. (2012). Model Predictive Control. Predictive Control of Power Converters and Electrical Drives. Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd. https://doi.org/10.1002/9781119941446.ch3

Rodríguez, J., Herrera, V., Morocho, A., & Merino, C. (2020). Fractal Control Design with Anti-windup Effect for Optimal Operation of a Power Flyback Source. Advances and Applications in Computer Science, Electronics and Industrial Engineering. 1078(1), 308-328. https://doi.org/10.1007/978-3-030-33614-1_21

Varaskar, S., y Divya, M. (2017). Interleaved buck converter with low output current ripple using Model Predictive algorithm. Proceedings of 2016 Online International Conference on Green Engineering and Technologies (IC-GET). 1-6. https://doi.org/10.1109/GET.2016.7916704