Ứng dụng bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho bộ biến đổi DC DC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ THỊ HUẾ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO TIẾP CẬN ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN TIẾN DUY PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2020 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Ngô Thị Huế Đề tài luận văn: Ứng dụng điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho biến đổi DC-DC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: ……… ……Tác giả, Cán hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày / /20 với nội dung sau: ……… ……… ……… ……… ……… ……… Thái Nguyên, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Nguyễn Tiến Duy Ngô Thị Huế CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG năm 2020 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi Ngô Thị Huế học viên lớp cao học khóa 20 chuyên ngành Kỹ thuật điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên Hiện công tác khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số - BQP Xin cam đoan: Đề tài “Ứng dụng điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho biến đổi DC-DC” hướng dẫn TS Nguyễn Tiến Duy công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo ghi danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu khác mà không ghi danh mục Tôi xin cam đoan tất nội dung luân văn đề cương yêu cầu giáo viên hướng dẫn Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy TS Nguyễn Tiến Duy, luận văn với đề tài “Ứng dụng điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho biến đổi DC-DC” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Tiến Duy tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Khoa sau đại học, thầy giáo, cô giáo khoa Điện tử - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập trình nghiên cứu thực luận văn Toàn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình quan tâm động viên, giúp đỡ suốt q trình học tập Tác giả Ngơ Thị Huế iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG MƠ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 1.1 Tổng quan biến đổi bán dẫn 1.2 Các biến đổi DC-DC 1.2.1 Bộ biến đổi giảm áp – buck converter 1.2.2 Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic - Quadratic buck converter 12 1.2.3 Bộ biến đổi đảo áo – buck-boost converter 15 1.2.4 Bộ biến đổi tăng áp – boost converter 17 1.3 Các phương pháp điều khiển 22 1.4 Kết luận chương 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO NGUỒN DC-DC 24 2.1 Tổng quan đại số gia tử suy luận xấp xỉ 24 2.1.1 Cấu trúc đại số gia tử 24 2.1.2 Một số tính chất đại số gia tử 26 2.1.3 Các hàm đo đại số gia tử 28 2.1.4 Suy luận xấp xỉ dựa đại số gia tử 30 2.2 Thiết kế điều khiển đại số gia tử cho nguồn DC-DC 34 2.2.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 34 v 2.2.2 Thiết kế điều khiển 35 2.3 Kết luận chương 37 CHƯƠNG MƠ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU HỐ THAM SỐ 39 3.1 Xây dựng mơ hình mơ 39 3.2 Tối ưu hoá tham số điều khiển thuật toán tiến hoá 40 3.2.1 Thuật toán tiến hoá 40 3.2.2 Các tham số cần tối ưu 42 3.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu 42 3.3 Kết mô 43 3.4 Kết luận chương 46 KẾT LUẬN 47 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC: CÁC MODUL CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 54 Mã nguồn điều khiển 54 Mã nguồn hàm tính tốn giá trị định lượng ngữ nghĩa 58 Mã nguồn hàm nội suy tuyến tính bước 58 Mã nguồn hàm nội suy theo trọng số khoảng cách ngữ nghĩa 59 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Current GA Genetic Algorithm HAC Hedge Algebra Controller IAE Integral of the Absolute Magnitude of the Error IRMd Interpolation Reasioning Method ISDMd Interpolation based on Semantic Distance Weighting method LRBS Linguistic Rule Base System MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor PSO Particle Swarm Optimization PWM Pulse-width modulation QRBS Quantified Rule Base System SQM Semantically Quantifying Mapping ZCS Zero-Current-Switching ZVS Zero-Voltage-Switching vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Giá trị phần tử mạch Buck-Boots [16] .35 Bảng 2 Hệ luật điều khiển – LRBS 36 Bảng Mối quan hệ dấu gia tử phần tử sinh 37 Bảng Các tham số tối ưu HAC theo GA 43 viii DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1 Minh họa cách phân loại biến đổi Hình Mơ hình biến đổi DC-AC Hình Các biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển Hình Sơ đồ biến đổi DC-DC giản đồ điện áp Hình Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic đóng cắt thiết bị bán dẫn 12 Hình Lý tưởng đóng cắt cho mạch giảm áp quadratic 13 Hình Đặc tuyến hàm truyền biến đổi giảm áp kiểu Quadratic .15 Hình Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt thiết bị bán dẫn 17 Hình Sơ đồ thay biến đổi tăng áp 18 Hình 10 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp .18 Hình 11 Đặc tuyến hàm truyền biến đổi tăng áp 22 Hình Bộ suy luận xấp xỉ theo tiếp cận đại số gia tử 31 Hình 2 Sơ đồ biến đổi Buck-Boots [16] 34 Hình Bộ biến đổi Buck-Boots với điều khiển HAC 35 Hình Sơ đồ mô Matlab Simulink Buck-Boots 39 Hình Mặt quan hệ vào/ra S HAC tối ưu 44 Hình 3 Đáp ứng với điều khiển ‘hac’ 45 MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển nhanh chóng mạnh mẽ thiết bị điện – điện tử, tất thiết bị có thành phần quan trọng, khơng thể thiếu nguồn điện Bộ nguồn ngày đòi hỏi cần có chất lượng cao thơng minh Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC-DC Tuỳ vào mức điện áp đầu vào đầu mà ta có giảm áp, tăng áp, v.v Các biến đổi nguồn cung cấp trực tiếp lượng điện cho thiết bị, thành phần trung gian trình biến đổi lượng Trong hệ thống lượng tái tạo (năng lượng gió, lượng mặt trời, v.v.) ln cần thiết có biến đổi DC-DC Ngồi việc thiết kế cấu trúc mạch tốt, chất lượng điện áp cịn phụ thuộc nhiều vào điều khiển Mặc dù cấu trúc mạch biến đổi nguồn đơn giản mơ hình có tính phi tuyến nên cần phải thiết kế điều khiển phù hợp Đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu công bố phương pháp điều khiển khác (như phần tài liệu tham khảo) Tuy nhiên, việc nghiên cứu tìm kiếm phương pháp hiệu ln địi hỏi q trình phát triển Vì vậy, định hướng hướng dẫn thầy Nguyễn Tiến Duy, lựa chọn đề tài “Ứng dụng điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho biến đổi DC-DC” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện tử Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mục tiêu: Thiết kế thành công điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử mô làm việc Áp dụng thuật toán tiến hoá để tối ưu tham số mờ điều khiển - Đối tượng nghiên cứu là: Bộ biến đổi nguồn DC-DC - Về phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho nguồn DC-DC thực tối ưu hoá tham số điều khiển thuật tốn tiến hố 45 Hình 3 Đáp ứng với điều khiển ‘hac’ Duty đồ thị cho biết độ rộng xung băm đóng/mở van MOSFET để nạp lượng cho cuộn cảm L Có thể thấy rằng, điều khiển ‘hac’ làm việc tốt để ổn định điện áp đầu V0 tải có biến động giá trị điện áp nguồn Vin Tốc độ đáp ứng tốt khơng có độ q điều chỉnh 46 3.4 Kết luận chương Dựa kết thiết kế Chương 2, nội dung chương trình bày việc mô biến đổi nguồn DC-DC Buck-Boots với điều khiển đại số gia tử môi trường Matlab-Simulink Ngoài ra, giải thuật di truyền lựa chọn sử dụng để tối ưu tham số tính mờ điều khiển đại số gia tử Các kết điều khiển đưa đánh giá chất lượng điều khiển dựa số tiêu chí 47 KẾT LUẬN Đề tài nghiên cứu đạt số kết sau: - Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc số biến đổi DC-DC giảm áp, tăng áp đảo áp Một số phương pháp điều khiển ổn định điện áp cho biến đổi DC-DC Buck-Boots - Nghiên cứu tổng quan lý thuyết đại số gia tử, suy luận xấp xỉ dựa đại số gia tử Ứng dụng suy luận xấp xỉ điều khiển mờ Thiết kế điều khiển đại số gia tử cho mạch DC-DC Buck-Boots cụ thể - Mô làm việc hệ thống môi trường Matlab simulink tối ưu tham số mờ điều khiển đại số gia tử giải thuật di truyền - Dựa kết mô phỏng, đánh giá chất lượng điều khiển dựa số tiêu chí khẳng định tính đắn, tin cậy phương pháp áp dụng Một số tồn hướng phát triển: - Bộ điều khiển thiết kế có hệ luật xác định dựa kinh nghiệm trực giác người thiết kế mà chưa tối ưu hoá thuật toán tối ưu - Việc xác định miền làm việc biến vào/ra thông qua khảo sát mang tính thử - sai mà chưa tinh chỉnh thuật toán tối ưu - Trong nghiên cứu tiếp theo, vấn đề cần xem xét giải cách triệt để Đề xuất mở rộng phương pháp thiết điều khiển đại số gia tử theo hướng mờ trượt 48 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Về mặt học thuật, đề tài tổng quát hoá phương pháp thiết kế điều khiển đại số gia tử tối ưu tham số Phương pháp luận khẳng định thông qua mô tốn ứng dụng cụ thể, điều khiển ổn định điện áp cho DC-DC Buck-Boots converter Để hoàn thiện nội dung nghiên cứu, hệ thống mạch phần cứng phần mềm điều khiển cần xây dựng hoàn chỉnh đánh giá kết mơ hình thực nghiệm Các yếu tố tạo nên sai khác kết mô thực nghiệm cần xem xét, hiệu chỉnh để vừa đảm bảo tính đắn phương pháp kết làm việc biến đổi 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Dương Văn Cường (2010), Thiết kế điều khiển biến đổi DC-DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hố nhờ phản hồi vào ra, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên [2] Lương Thị Mỹ Nhung (2012), Điều khiển mờ cho biến đổi DCDC, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường ĐH Đà Nẵng [3] Nguyễn Tiến Duy (2016), Mở rộng phép suy luận xấp xỉ đại số gia tử ứng dụng toán điều khiển, Luận án tiến sĩ Cơ sở toán học cho tin học, Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội Tiếng Anh [1] Cetin Elmas, Omer Deperlioglu, Hasan Huseyin Sayan (2009), Adaptive fuzzy logic controller for DC–DC converters, Expert Systems with Applications, 36, 1540–1548 [2] G.KISHOR, D.SUBBARAYUDU, S.SIVANAGARAJU (2012), A Fuzzy Logic Based Two Inductor Boost Converter System, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), Vol No.01, pp 295-302 [3] Chetan P Ugale, R B Dhumale, V V Dixit (2015), DC-DC Converter Using Fuzzy Logic Controller, International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), Volume: 02 Issue: 04, pp 593-596 [4] Zeynep Bala DURANAY, Hanifi GULDEMIR (2017), Study of Fuzzy Logic Control of Dc-Dc Buck Converter, Turkish Journal of Science & Technology, Volume 12(2), pp 23-31 50 [5] N.F Nik Ismail, I Musirin, R Baharom, D.Johari (2010), Fuzzy Logic Controller on DC/DC Boost Converter, 2010 IEEE International Conference on Power and Energy (PECon2010), Nov 29 - Dec 1, Kuala Lumpur, Malaysia [6] Mustafa E Sahin, Halil İ Okumus (2011), Fuzzy Logic Controlled Buck-Boost DC-DC Converter for Solar Energy-Battery System, 2011 International Symposium on Innovations in Intelligent Systems and Applications, pp 394-397 [7] B Sujanarko, I Syafrizal, S Bachri, R.B.M Gozali, S Prasetyo, T Hardianto (2017), Performance Improvement of Buck-Boost Converter Using Fuzzy Logic Controller, International Journal of Engineering Research And Management (IJERM), ISSN : 2349- 2058, Volume-04, Issue-10, October 2017, pp 22-27 [8] Bor - Ren Lin and Chihchiang Hua (1993), BUCK/BOOST CONVERTER CONTROL WITH FUZZY LOGIC APPROACH, Proceedings of IECON '93 - 19th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, 15-19 Nov 1993, pp 1342-1346 [9] FATHI SHABAN JABER (2011), DEVELOPMENT OF A DC-DC BUCK BOOST CONVERTER USING FUZZY LOGIC CONTROL [10] Gerard Ang, Paul Jerome Arcibal, Llorien Marie R Crisostomo, Conrado F Ostia, Jr, Peter Joshua Cornelius S Joaquin, Lose Emmanuel C Tabuton (2017), Implementation of a fuzzy controlled buck-boost converter for photovoltaic systems, World Engineers Summit – Applied Energy Symposium & Forum: Low Carbon Cities & Urban Energy Joint Conference, WES-CUE 2017, 19–21 July 2017, Singapore, pp 642-648 51 [11] Jenica-Ileana CORCAU, Liviu DINCA (2016), FUZZY LOGIC CONTROL FOR A DC TO DC BUCK CONVERTER, ELECTRICAL AND ELECTRONICAL ENGINEERING RENEWABLE ENERGY AND ENVIRONMENT, SCIENTIFIC RESEARCH AND EDUCATION IN THE AIR FORCE-AFASES 2016, pp 233-238 [12] Nanda R Mude, Prof Ashish Sahu (2012), Fuzzy Sliding Mode Control Method for DC/DC Buck Converter, International Journal of Advanced Research in Electronics and Communication Engineering (IJARECE), Volume 1, Issue 3, September 2012, pp 30-35 [13] Abdelaziz Sahbani, Kamel Ben Saad, and Mohamed Benrejeb (2008), Chattering phenomenon supression of buck boost DC-DC converter with Fuzzy Sliding Modes, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Electrical and Computer Engineering Vol:2, No:10, pp 2383-2388 [14] Kamel Ben Saad, Abdelaziz Sahbani and Mohamed Benrejeb, Sliding Mode Control and Fuzzy Sliding Mode Control for DC-DC Converters, Sliding Mode Control, ISBN 978-953-307-162-6, April, 2011 [15] Gurumoorthy, Thirunavukkarasu (2014), Neuro Fuzzy Sliding Mode Control Technique for Voltage Tracking In Boost Converter, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, Volume 3, Special Issue 1, February 2014, pp 1410-1417 [16] Zeynep Bala Duranay, Hanifi Guldemir, Servet Tuncer (2018), Fuzzy Sliding Mode Control of DC-DC Boost Converter, Engineering, Technology & Applied Science Research Vol 8, No 3, pp 3054-3059 52 [17] S.Arulselvi, C.Ramesh Kumar, G.Uma and M.Chidambaram (2005), DESIGN OF FUZZY SLIDING MODE CONTROL FOR DC-DC CONVERTER, Proceedings of ICISIP – 2005, pp 217–222 [18] Boumediène Allaoua, Brahim Mebarki, and Abdellah Laoufi (2013), A Robust Fuzzy Sliding Mode Controller Synthesis Applied on Boost DC-DC Converter Power Supply for Electric Vehicle Propulsion System, Hindawi Publishing Corporation International Journal of Vehicular Technology Volume 2013, Article ID 587687, pp 1-9 [19] Armin Afsharian Zadeh, Alireza Khayatian (2014), DerivativeIntegral Terminal Sliding-Mode Control Strategy for DC-DC Bucl Converters, The 5th Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC 2014), Feb 5-6, 2014, Tehran, Iran, pp 440-444 [20] N C Ho and W Wechler (1990), “Hedge algebras: an algebraic approach to structure of sets of linguistic truth values”, Fuzzy sets Syst., vol 35, no 3, pp 281–293 [21] N C Ho and W Wechler (1992), “Extended hedge algebras and their application to fuzzy logic”, Fuzzy Sets Syst., vol 52, no 3, pp 259–281 [22] N C Ho and N Van Long (2007), “Fuzziness measure on complete hedge algebras and quantifying semantics of terms in linear hedge algebras”, Fuzzy Sets Syst., vol 158, no 4, pp 452–471 [23] D Vukadinović, M Bašić, C H Nguyen, N L Vu, and T D Nguyen (2014), “Hedge-algebra-based voltage controller for a self-excited induction generator”, Control Eng Pract., vol 30, no 0, pp 78–90 [24] C H Nguyen, D A Nguyen, and N L Vu (2013), Fuzzy controllers using hedge algebra based semantics of vague linguistic terms, Fuzzy Control Syst Nov Sci Publ Hauppauge, pp 135–192 53 [25] N T Duy and N T Kien (2018), Designing the Controller Based on the Approach of Hedge Algebras and Optimization through Genetic Algorithm, in International Journal of Electrical Electronics & Computer Science Engineering (IJEECSE), pp 198–194 [26] Nguyen Tien Duy, Vu Nhu Lan (2017), Interpolation based on semantic distance weighting in hedge algebra and its application, Journal of Computer and Cybernetics, V.33, N.1, pp 19–33 [27] M Kumar, M Husian, N Upreti, and D Gupta (2010), Genetic Algorithm: Review and Application, Int J Inf Technol Knowl Manag., vol 2, no 2, pp 451–454 54 PHỤ LỤC: CÁC MODUL CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Mã nguồn điều khiển /* * File : hac.c * Abstract: */ #define S_FUNCTION_NAME hac #define S_FUNCTION_LEVEL #include "simstruc.h" #include "hac.h" // Bound value of Range of input/output variables double e_range = 2; double ce_range = 2; double u_range = 2; // Semantic/Perform vectors of input/output variables double E[5], Ep[5]; double CE[5], CEp[5]; double U[7], Up[7]; double Z[5][5], Zp[5][5]; #define PARAM(S) ssGetSFcnParam(S, 0) /* Function: mdlInitializeSizes =============================================== * Abstract: * Setup sizes of the various vectors */ static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S) { int i; 55 ssSetNumSFcnParams(S, 1); /* Number of expected parameters */ { int iParam = 0; int nParam = ssGetNumSFcnParams(S); for (iParam = 0; iParam