Model predictive control strategies for DC - DC converters

Τσώνου, Αικατερίνη; Tsonou, Aikaterini

dc.contributor.author	Τσώνου, Αικατερίνη	el
dc.contributor.author	Tsonou, Aikaterini	en
dc.date.accessioned	2018-10-04T10:36:19Z
dc.date.available	2018-10-04T10:36:19Z
dc.date.issued	2018-10-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47712
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15882
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Μοντελοποιημένος προγνωστικός έλεγχος	el
dc.subject	Dc - dc μετατροπείς ισχύος	el
dc.subject	Στρατηγική απαρίθμισης	el
dc.subject	Μέθοδος gradient	el
dc.subject	Μέθοδος Newton	el
dc.subject	Model predictive control	en
dc.subject	Dc - dc converters	en
dc.subject	Enumeration technique	en
dc.subject	Gradient descent method	en
dc.subject	Newton's descent method	en
dc.title	Model predictive control strategies for DC - DC converters	en
dc.title	Στρατηγικές μοντελοποιημένου προγνωστικού ελέγχου για DC - DC μετατροπείς ισχύος	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιομηχανικά ηλεκτρονικά	el
heal.classification	Προγνωστικός έλεγχος	el
heal.classification	Predictive control	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/d437e4577c3f25046c9d588048c2cc708a4081ec
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh92000169
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-09-21
heal.abstract	Η εφαρμογή των ηλεκτρονικών ισχύος, συμπεριλαμβανομένων των dc-dc μετατροπέων, παρουσιάζει ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια. Ωστόσο, ο έλεγχος αυτών των συσκευών παραμένει μια πρόκληση που καλείται να αντιμετωπίσει η επιστημονική κοινότητα. Ο κύριος στόχος είναι η ρύθμιση της τάσης εξόδου στην επιθυμητή τιμή, αμελώντας οποιεσδήποτε μεταβολές της τάσης εισόδου και του φορτίου. Κατά την διάρκεια των τελευταίων ετών, αρκετές μέθοδοι ελέγχου ρεύματος και τάσης έχουν αναπτυχθεί, αλλά λόγω των μη γραμμικών διακοπτικών χαρακτηριστικών των dc-dc μετατροπέων, αυτές οι μέθοδοι δεν έχουν ακόμη καταλήξει σε επαρκές επίπεδο ελέγχου. Ένας αλγόριθμος ελέγχου που έχει αναδειχθεί τα τελευταία χρόνια είναι αυτός του μοντελοποιημένου προβλεπτικού ελέγχου (model predictive control - MPC). Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους ελέγχου, όπως ο αναλογικός-ολοκληρωτικός-διαφορικός ελεγκτής (PID) με διαμόρφωση εύρους παλμού (PWM), ο προβλετικός έλεγχος έχει κερδίσει αξιοσημείωτο ενδιαφέρον τόσο στον ακαδημαϊκό όσο και στον βιομηχανικό κλάδο τις τελευταίες δεκαετίες. Αυτό ισχύει κυρίως επειδή ο προβλεπτικός έλεγχος μπορεί να εφαρμοστεί σε πολλές διαφορετικές διαδικασίες, μπορεί να υλοποιήσει περιορισμούς και είναι εύκολο να γίνει κατανοητό, καθώς η βασική του έννοια μπορεί να εξηγηθεί διαισθητικά. Η βασική ιδέα του προβλεπτικού ελέγχου είναι να προβλέψει και να βελτιστοποιήσει τη μελλοντική συμπεριφορά του συστήματος χρησιμοποιώντας το μοντέλο του συστήματος. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιείται η μοντελοποίηση της αναπαράστασης του χώρου καταστάσεων (state-space representation) του MPC για τον έλεγχο ενός dc-dc buck μετατροπέα που λειτουργεί σε συνεχή λειτουργία αγωγιμότητας (CCM). Η διατύπωση της αντικειμενικής συνάρτησης για την ελαχιστοποίηση του σφάλματος τάσης είναι απλή και επιτυγχάνεται ελαχιστοποιώντας το σφάλμα τάσης εξόδου (διαφορά μεταξύ τάσης εξόδου και τάσης αναφοράς). Δύο διαφορετικές υλοποιήσεις του προβλήματος ελέγχου παρουσιάζονται: ένα μικτών ακεραίων τετραγωνικό πρόβλημα βελτιστοποίησης (mixed-integer quadratic optimization problem) που επιλύθηκε με τεχνική απαρίθμησης και ένα τετραγωνικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που επιλύθηκε χρησιμοποιώντας τις gradient και Newton's descent μεθόδους. Επιπροσθέτως, προκειμένου να παρέχεται παρακολούθηση χωρίς το offset της αναφοράς τάσης εξόδου, χρησιμοποιείται ένα φίλτρο Kalman. Ένας αλγόριθμος τάσης MPC που χρησιμοποιεί αυτές τις τρεις μεθόδους (απαρίθμηση, gradient και Newton's) εφαρμόζεται σε MATLAB / SIMULINK. Μεταβολές στην τάση εισόδου, την τάση εξόδου και το φορτίο εφαρμόζονται επίσης για να εξεταστεί η απόκριση των τριών μεθόδων. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε δύο κύρια κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο αναφορικά με τις χρήσεις των dc-dc μετατροπέων και των μεθόδων ελέγχου τους. Δεδομένου ότι το MPC είναι ένα βέλτιστο σχήμα ελέγχου, οι κύριες πτυχές της θεωρίας της μαθηματικής βελτιστοποίησης εισάγονται επίσης σε αυτό το κεφάλαιο. Επιπλέον, παρουσιάζονται μερικές σημαντικές κατηγορίες προβλημάτων βελτιστοποίησης, δηλαδή κυρτά προβλήματα βελτιστοποίησης (convex optimization problems), καθώς και οι τεχνικές επίλυσης τους. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η μοντελοποίηση του συστήματος για τον dc-dc buck μετατροπέα, καθώς επίσης διαμορφώνεται η αντικειμενική συνάρτηση και προσομοιώνεται το πρόβλημα βελτιστοποίησης. Τα αποτελέσματα και η σύγκρισή τους για τις τρεις τεχνικές επίλυσης που αναφέρονται παραπάνω παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 2.	el
heal.abstract	The application of power electronics, including dc-dc converters, is expanding over the last years. However, the control of these devices still remains a challenge that the scientific community has to face. The main objective is to regulate the output voltage to the desired value, while neglecting any input voltage and load variations. Several current and voltage control methods have been developed through the years, but, due to the nonlinear switching characteristics of the dc-dc converters, these methods have still room for improvement. A control algorithm that has been gaining popularity in the past years is model predictive control (MPC). Compared to other control methods, such as the proportional integral derivative (PID) controller with pulse width modulation (PWM), MPC has gained remarkable interest both in academia and industry over the past decades. This is true mainly because MPC can be applied in many different processes, can implement constraints and is easy to be understood, since its basic concept can be explained intuitively. The basic idea of MPC is to predict and optimize the future system behavior using the system model. In this thesis the state-space representation modelling of the MPC is used for the control of an dc-dc buck converter operating in continuous conduction mode (CCM). The formulation of the objective function for the minimization of the voltage error is simple and is achieved by minimizing the output voltage error (difference between output voltage and a reference voltage). Two different implementations of the control problem are presented: a mixed-integer quadratic optimization problem solved with enumeration technique and a quadratic optimization problem solved using the gradient and Newton's descent methods. In addition, in order to provide offset-free tracking of the output voltage reference, a Kalman filter is used. A voltage MPC algorithm using these three methods (enumeration, gradient and Newton's) is applied in MATLAB/SIMULINK. Variations in the input voltage, the output voltage and the load are also applied in order to examine the response of the three methods to these. The thesis is divided into two main chapters. In Chapter 1, the theoretical background with regards to the uses of dc-dc converters and their control methods is given. Since MPC is an optimal control scheme, the main aspects of the mathematical optimization theory are also introduced in this chapter. Furthermore, some important classes of optimization problems, namely convex optimization problems, as well as their solving techniques are presented. In Chapter 2, the system modelling for the dc-dc buck converter is presented, the objective function is formulated and the optimization problem is simulated. The results and their comparison for the three solving techniques mentioned above are also presented in Chapter 2.	en
heal.advisorName	Μανιάς, Στέφανος	el
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Γεωργιλάκης, Παύλος	el
heal.committeeMemberName	Ψυλλάκης, Χαράλαμπος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος. Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	66 σ.
heal.fullTextAvailability	true