Design and control of a DC-DC buck converter using discrete Takagi-Sugeno fuzzy models

Abstract

A DC-DC buck converter plays a crucial role in industrial applications by efficiently stepping down voltage levels to power various electronic components and systems. However, controlling a buck converter is challenging due to its inherently nonlinear behavior. This paper presents a novel fuzzy tracking control approach for the buck converter, based on the combination of time-discrete Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy models and the concept of virtual desired variables (VDVs). Originality. This paper introduces an innovative fuzzy tracking control that integrates time-discrete T-S models and VDVs concept to develop an efficient digital controller. Goal. The proposed fuzzy control strategy aims to regulate the output voltage regardless of sudden change in setpoint, load variation and change in input voltage. Methodology. The proposed control strategy aims to regulate the output voltage of a DC-DC buck converter. The design starts with a discrete T-S fuzzy controller based on the nonlinear model of the buck converter. A nonlinear tracking controller is developed using a virtual reference model that incorporates the VDVs concept. System stability is analyzed via Lyapunov’s method and expressed through linear matrix inequalities. Results. Simulation tests under varying conditions validate the accuracy and effectiveness of the controller in achieving superior voltage tracking performance. Comparative analysis with a conventional PID controller highlights faster dynamic response and better tracking, showcasing the advantages of the proposed approach. Practical value. The practical value of this research lies in the development of a robust voltage control strategy for DC-DC buck converters and the establishment of reliable and efficient electrical systems using discrete-time fuzzy T-S control. This work also opens up the prospect for future implementation in experimental prototypes. Понижуючий DC-DC перетворювач відіграє важливу роль у промисловості, ефективно знижуючи рівні напруги живлення різних електронних компонентів і систем. Однак управління понижуючим перетворювачем є складним завданням через його початковий нелінійний характер. У статті представлено новий підхід до управління нечітким відстеженням для понижуючого перетворювача, заснований на поєднанні дискретних за часом нечітких моделей Такагі-Сугено (T-S) та концепції бажаних віртуальних змінних (VDV). Оригінальність. У статті наведено інноваційний підхід до управління нечітким відстеженням, який поєднує дискретні за часом моделі T-S та концепцію VDVдля розробки ефективного цифрового контролера. Мета. Запропонована стратегія нечіткого управління спрямована на регулювання вихідної напруги незалежно від раптової зміни уставки, зміни навантаження та зміни вхідної напруги. Методологія. Запропонована стратегія управління спрямована на регулювання вихідної напруги понижуючого DC-DC перетворювача. Проєктування починається з дискретного нечіткого контролера T-S на основі нелінійної моделі знижувального перетворювача. Нелінійний контролер відстеження розроблено з використанням віртуальної еталонної моделі, що включає концепцію VDV. Стійкість системи аналізується за допомогою методу Ляпунова та виражається через лінійні матричні нерівності. Результати. Тести моделювання в різних умовах підтверджують точність та ефективність контролера у досягненні високої продуктивності відстеження напруги. Порівняльний аналіз із традиційним PID-регулятором підкреслює швидшу динамічну реакцію та краще відстеження, демонструючи переваги запропонованого підходу. Практична цінність цього дослідження полягає у розробці надійноїстратегіїуправління напругою для понижуючих DC-DC перетворювачів та створення надійних та ефективних електричних систем з використанням дискретного часу нечіткого управління T-S. Ця робота також відкриває перспективи майбутньоїреалізаціїу експериментальних прототипах.