Contribució a l'estudi dels exponents de Lyapunov per a sistemes bilineals i a l'analisi de les bifurcacions en el convertidor boost controlat amb superficies de lliscamente i histèresi.

Abstract

Després d'un capítol d'introducció (capítol 2) on es definieixen i s'expliquen les característiques i els fenòmens més importants dels sistemes dinàmics, aquest treball el podríem dividir bàsicament en dues parts. La primera d'elles és la que està desenvolupada en el capítol 3. En aquest capítol es recorda un dels mètodes numèrics més interessant, tan des del punt de vista numèric com des del punt de vista teòric, per calcular els exponents de Lyapunov. És el mètode que està basat en la descomposició QR de l'aplicació tangent que s'obté a l'estudiar l'evolució dinàmica de la diferència entre dues òrbites inicialment properes. S'ha aplicat el mètode als sistemes bilineals en general i s'han obtingut resultats específics pel convertidor buck. En concret, s'han escrit les equacions diferencials que han de complir els exponents de Lyapunov del convertidor buck, a partir de la descomposició QR de l'aplicació tangent obtinguda a partir d'una trajectòria de referència. S'han resolt numèricament les esmentades equacions i s'ha calculat l'exponent de Lyapunov més gran (LLE) per a un rang de valors del paràmetre de bifurcació i s'han resolt analíticament quan la trajectòria de referència és periòdica, tan si és estable com si és inestable. Quan l'òrbita periòdica és l'atractor dominant, el resultat analític coincideix amb el valor obtingut per integració numèrica. Els resultats també es corresponen amb el què prèviament es coneix a la literatura sobre la part real dels exponents de Floquet de les òrbites periòdiques del convertidor buck.<br/><br/>La segona part del treball és la que està desenvolupada en els capítols 4 i 5. En ells s'ha estudiat la dinàmica del convertidor boost controlat amb una superfície de lliscament. En el capítol 4 s'ha estudiat la dinàmica de lliscament ideal del convertidor boost. S'han trobat les regions de lliscament en funció del paràmetre Vref i s'ha estudiat el caràcter del punt d'equilibri d'aquesta dinàmica ideal en funció també d'aquest paràmetre. Ja que aquest control significaria que el sistema commuta amb freqüència infinita, a efectes pràctics, s'ha<br/>introduït una banda d'histèresi. Aleshores s'ha analitzat la dinàmica del sistema en funció d'un altre paràmetre, Vg, el qual forma part de l'expressió del punt d'equilibri que presenta el convertidor en una de les seves configuracions quan aquest treballa en mode de conducció contínua (MCC). S'ha comprovat que en funció de la posició d'aquest punt d'equilibri, PE=(V_g,V_g/R), respecte la banda d'histèresi, la dinàmica o bé té un cicle límit que pot ser o no atractor, o un punt d'equilibri globalment estable o ambdues coses alhora.<br/><br/>Finalment, en el capítol 5, s'ha intoduït un control integral i una tercera variable (variable error) al convertidor boost amb control de lliscament i amb banda d'histèresi. Les trajectòries són ara de $R^3$ i la dinàmica resultant és molt més complicada, havent-hi la possibilitat de la presència de caos. S'han trobat numèricament òrbites 1 i 2 periòdiques en funció del paràmetre de bifurcació $V_{ref}$ tan en MCC com en MCD i s'han trobat exemples de bifurcacions típiques dels sistemes suficientment diferenciables, com el desdoblament de període, i d'altres bifurcacions relativament noves a la literatura com són les que es produeixen per un canvi de mode de conducció, de MCC a MCD o a la inversa, o les que es presenten en sistemes non-smooth (que no són infinitament diferenciables a tot l'espai d'estats) com són les bifurcacions "border collision", etc.

After an introductory chapter (Chapter 2), where we define and explain the concepts and characteristics of dynamical systems relevant to our work, the rest of the thesis can be divided into two parts. The first part comprises Chapter 3, where we review the most interesting, both from the computational and theoretical points ofview, numerical method to compute the Lyapunov exponents, based on the QR decomposition of the tangent map with respect to a reference trajectory. We apply it to a general class of bilinear systems.<br/>Specific results have been obtained for the buck converter. Indeed, we have written the diferential equations for the Lyapunov exponents of the buck converter which arise from the QR decomposition, and we have numerically solved the equations and computed the largest Lyapunov exponent for a range of values of the bifurcation parameter; analytical results have been obtained when the reference trajectory is a periodic one, either stable or unstable. When a periodic orbit is the dominant attractor, the analytical result coincides with the value obtained by numerical integration. The results also agree with what was previously known in the literature about the real part of the Floquet exponents of the periodics orbits of the buck converter.<br/><br/> The second part of this work is developed in chapters 4 and 5. We have studied the dynamics of the boost converter with a sliding surface control. In Chapter 4, we have studied the dynamics of ideal sliding of the boost converter, and described the sliding regions as a function of the parameter /Vref/, and the character (stable or unstable) of the equilibrium poin of the ideal sliding dynamics with respect the same parameter has been determined. Because the chosen control implies that the dynamics of the system switches with infinity frequency, we have introduced a hysteris band for numerical<br/>computation purposes. We have also analysed the dynamics of the system with respect another parameter, /Vg/, which sets one of the coordinates of the equilibrium point of the boost converter in one of its configurations, when working in continuous conduction mode (CCM). It is found out that the position of this equilibrium point, /PE=(Vg,Vg/R),/ with respect to the hysteresis band, determines whether the dynamics develops a limit cicle, attractive or not, or a global equilibrium, or both.<br/><br/> Finally, in Chapter 5, we have introduced an integral control and a third variable (an error variable) into the system described in the previous chapter. Due to the extra dimension, the resulting dynamic is more complicated. In particular, the possibility of chaotic phenomena now arises. We have computed numerically trajectories of period one and two while varying the parameter /Vref/, either in CCM or in discontinuous conduction mode (DCM). We have also found examples of a known class of bifurcations for smooth systems, namely period doubling bifurcation, although some examples of new types of<br/>bifurcations related to the transition from CCM to DCM or vice versa, like those which happen in non-smooth systems, as border collision bifurcations, have also been observed.