Controladores difusos aplicados a convertidores DC/DC

Abstract

En este trabajo se presenta el diseño, implementación, simulación y comparación de desempeño de un Controlador Difuso Tipo 2 (T2FLC), de un Controlador Difuso Tipo 1 (T1FLC) y de un Controlador Proporcional-Integral (PI) al ser aplicados en Convertidores de DC/DC, en particular se ha estudiado su empleo en un Convertidor Buck (reductor). Los Controladores desarrollados tienen como variables de entrada al Error en el Voltaje de Alimentación e y a su derivada ce. La variable de salida de ambos Controladores es el Cambio en la Forma de Onda de Referencia Duf c que determina el ciclo de trabajo del convertidor. Los parámetros de prueba empleados son el Voltaje de Salida Promedio, el Error en Estado Estable y el Voltaje de Rizo de Salida. La implementación de los Controladores es llevada a cabo usando un esquema meramente computacional en el entorno de desarrollo Matlab. Su simulación se realiza en la herramienta Simulink del mismo entorno de desarrollo. Según los experimentos realizados, cuando no hay variaciones en los parámetros del convertidor (Caso Nominal), el Controlador Difuso Tipo 2 presenta una reducción del 10.9% del valor del Error en Estado Estable obtenido por el Controlador Difuso Convencional y una disminución del 18.7% con relación al valor alcanzado por Controlador Proporcional-Integral. Es decir, el Controlador Difuso Tipo 2 se acerca más al valor del Voltaje Promedio de Salida deseado (10 volts). Con respecto al Voltaje de Rizo de Salida, el Controlador Difuso Tipo 2 redujo en un 9.42% el nivel obtenido por el Controlador Difuso Convencional y en un 53.2% el valor conseguido por el Controlador Proporcional-Integral. Es decir, el valor del Voltaje de Rizo de Salida conseguido al aplicar un Controlador Difuso Tipo 2 es más cercano a su valor ideal (0 volts). Cuando se presenta una Variación en la Resistencia de Carga RL de 100 a 50 Ohms, el Controlador Difuso Tipo 2 reduce en un 95.7%el valor del Error en Estado Estable alcanzado por el Controlador Difuso Tipo 1, y en un 98.6% el valor conseguido por el Controlador Proporcional-Integral. Al analizar los resultados obtenidos bajo el parámetro de Voltaje de Rizo de Salida, el Controlador Difuso Tipo 2 obtiene un valor de 0.047 volts, en cambio Controlador Difuso Tipo 1 alcanza un valor de 0.0572 volts y el Controlador Proporcional- 11 Integral consigue un valor de 0.111 volts. Finalmente al variar el Voltaje de Alimentación VIN de 24 a 20 volts, el Controlador Difuso Tipo 2 reduce el valor del Error en Estado Estable del Controlador Difuso Convencional en un 68.2% y en un 93.5% el valor obtenido por el controlador PI. De igual manera el Controlador Difuso Tipo 2 bajo el parámetro de Voltaje de Rizo de Salida, exhibe una mejora del 5% con respecto al valor obtenido por el Controlador Difuso Tipo 1 y de un 44.2% con relación al Controlador Proporcional-Integral. Por lo anterior, se concluye que el desempeño de un Controlador Difuso Tipo 2, bajo los parámetros de prueba mencionados y en los casos de estudio presentados, es superior que el obtenido por los otros controladores, con un incremento en el costo computacional relativamente pequeño.

In this document it is presented the design, implementation, simulation and performance comparison on Type 2 Fuzzy Logic Controller (T2FLC), Type 1 Fuzzy Logic Controller (T1FLC) and a conventional Proportional-Integral (PI) Controller, specifically used on a Buck Converter. The controllers have the voltage error e, and it derivative ce as input variables. The output variable Duf c is the change in the waveform, responsible of the converter duty cycle. The test parameters are the average output voltage, the steady state error and the ripple output voltage. The controllers were developed using computer simulation in the Matlab environment. The simulations were tested using the Simulink tool. According to our experiments, when the converter is in nominal case, i. e. no internal parameter variation, the T2FLC shows a 10.9% reduction on the steady-state error compared to a T1FLC. When compared to a PI Controller the reduction is 18.7%. In other words, the T2FLC is closer than the others to the desired 10 volts output. Regarding the ripple output voltage, the T2FLC showed a 9.42% reduction compared to the T1FLC and a 53.2% reduction when compared to the PI Controller. When the Load Resistance RL is switched from 100 to 50 Ohms the T2FLC could reduce in 95.7% the steady-state error compared to T1FLC and in 98.6% compared to the PI controller. When analyzing the ripple output voltage, the T2FLC output has 0.047 volts value, the T1FLC has 0.057 Volts and the PI controller has 0.111 Volts. Finally, when varying the Input Voltage VIN from 24 a 20 Volts, the T2FLC reduces the steady state error in 68.2% compared to the T1FLC and in 93.5% when compared to the PI Controller. It was also observed that the the ripple output voltage is 5% better than the one produced with a T1FLC and 44.2% better than the one produced with a PI Controller. Due to these findings, we can conclude that the T2FLC’s performance under the test parameters described below and in the conditions mentioned is better than T2FLC and PI Controller with a relatively small increase in computational cost.