Performance evaluation of a PID sliding mode control and Hyperbolic Tangent function for Buck converter
Abstract
This article designs a sliding mode control based on PID sliding surface and hyperbolic tangent function to voltage regulation for a Buck converter. This converter is widely utilized in various applications such as solar chargers, electrical vehicles and space exploration. The PID sliding surface is used to replace the conventional sliding surface. The proposed controller is designed to improve performances and correct operation of the Buck converter. The stability of the proposed controller is verified by using a Lyapunov theorem to guarantee closed-loop stability. Simulation results in MATLAB/Simulink show the effectiveness of the proposed method with the steady-state error converges to zero, the rising time achieves 0.0055(s), the settling time is about 0.0082(s), the overshoot is 0.021(%).
Tóm tắt
Bài báo này thiết kế bộ điều khiển trượt dựa vào mặt trượt PID và hàm hyperbolic tangent để ổn định điện áp cho bộ chuyển đổi Buck. Đây là bộ chuyển đổi được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau như bộ sạc năng lượng mặt trời, xe điện và thám hiểm không gian. Mặt trượt PID được sử dụng thay cho mặt trượt truyền thống. Bộ điều khiển đề xuất được thiết kế để cải thiện hiệu suất, khả năng hoạt động chính xác của bộ chuyển đổi Buck. Tính ổn định của bộ điều khiển đề xuất được kiểm tra bằng lý thuyết Lyapunov để đảm bảo tính ổn định vòng kín. Các kết quả mô phỏng với MATLAB/Simulink cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất với sai số xác lập tiến về 0, thời gian tăng đạt 0.0055(s), thời gian xác lập là 0.0082(s), độ vọt lố là 0.021(%).
References
[1] E. Badfar and R. Abdollahi, “Design of an adaptive nonsingular terminal sliding mode using supervisory fuzzy for the output voltage control of a buck converter,” JART, vol. 18, no. 2, pp. 77–88, 2020, doi: 10.22201/icat.24486736e.2020.18.2.1000.
[2] Y. Zhao, Q. Qiu, and X. Zhao, “PID Parameter Tuning for Buck Controllers Based on an Improved Differential Evolution Algorithm,” J. Phys.: Conf. Ser., vol. 2029, no. 1, pp. 1–9, 2021, doi: 10.1088/1742-6596/2029/1/012059.
[3] S. Saadatmand, P. Shamsi, and M. Ferdowsi, “The Voltage Regulation of a Buck Converter Using a Neural Network Predictive Controller,” in 2020 IEEE Texas Power and Energy Conference (TPEC), College Station, TX, USA: IEEE, 2020, pp. 1–6. doi: 10.1109/TPEC48276.2020.9042588.
[4] S. Huerta-Moro, O. Martínez-Fuentes, V. R. Gonzalez-Diaz, and E. Tlelo-Cuautle, “On the Sliding Mode Control Applied to a DC-DC Buck Converter,” Technologies, vol. 11, no. 2, pp. 1–14, Feb. 2023, doi: 10.3390/technologies11020033.
[5] S. B. Hamed, M. B. Hamed, and L. Sbita, “Robust Voltage Control of a Buck DC-DC Converter: A Sliding Mode Approach,” Energies, vol. 15, no. 17, pp. 1–21, 2022, doi: 10.3390/en15176128.
[6] U. SaiSangeeth and N. K. Arun, “Fuzzy Logic Control of DC-DC Buck Converter in DC Distribution System with Constant Power Load,” in Proceedings of the International Conference on Artificial Intelligence Techniques for Electrical Engineering Systems (AITEES 2022), vol. 3, V. E. Balas, R. C. Bansal, S. K. Mangipudi, and S. Dawn, Eds., in Atlantis Highlights in Intelligent Systems, vol. 3. , Dordrecht: Atlantis Press International BV, 2023, pp. 180–191. doi: 10.2991/978-94-6463-074-9_16.
[7] Y. Wang, W. Zhang, Y. Yang, C. Xue, S. Yuan, and H. Zhang, “Adaptive Second-Order Sliding Mode Control of Buck Converters with Multi-Disturbances,” Energies, vol. 15, no. 14, pp. 1–19, 2022, doi: 10.3390/en15145139.
[8] H. U. Suleiman, M. B. Murazu, T. A. Zarma, A. T. Salawudeen, S. Thomas, and A. A. Galadima, “Methods of Chattering Reduction in Sliding Mode Control: A Case Study of Ball and Plate System,” in 2018 IEEE 7th International Conference on Adaptive Science & Technology (ICAST), Accra: IEEE, Aug. 2018, pp. 1–8. doi: 10.1109/ICASTECH.2018.8506783.
[9] L. Guo, H. Zhao, and Y. Song, “A Nearly Optimal Chattering Reduction Method of Sliding Mode Control With an Application to a Two-wheeled Mobile Robot.” arXiv, 2021. Accessed: Jan. 19, 2024. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2110.12706
[10] Y. Wang, W. Zhang, and C. Xue, “Adaptive Continuous Sliding Mode Control of Buck Converters With Multidisturbances Based on Zero-Crossing Detection,” IEEE Access, vol. 10, pp. 72643–72657, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3188760.
[11] Jinkun Liu, Sliding Mode Control Using MATLAB. Academic Press, 2017.
[12] A. S. Samosir, T. Sutikno, and L. Mardiyah, “Simple formula for designing the PID controller of a DC-DC buck converter,” IJPEDS, vol. 14, no. 1, pp. 327–336, 2023, doi: 10.11591/ijpeds.v14.i1.pp327-336.
