Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Đại Số Gia Tử Cho Bộ Biến Đổi DC-DC

• Tác giả: Ngô Thị Huế
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tiến Duy
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Đại Số Gia Tử Cho Biến Đổi DC-DC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
• 2.1. Tổng quan về các bộ biến đổi bán dẫn
• 2.2. Các bộ biến đổi DC-DC
• 2.3. Bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
• 2.4. Sơ đồ một bộ biến đổi DC-DC và giản đồ điện áp
• 2.5. Bộ biến đổi giảm áp – buck converter
• 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO NGUỒN DC-DC
• 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU HOÁ THAM SỐ
• 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC: CÁC MODUL CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Đại Số Gia Tử

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của thiết bị điện – điện tử, bộ nguồn đóng vai trò then chốt. Nhu cầu về bộ nguồn chất lượng cao và thông minh ngày càng tăng. Bộ biến đổi DC-DC thực hiện chức năng chuyển đổi điện áp một chiều, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ cung cấp năng lượng trực tiếp đến làm thành phần trung gian. Đặc biệt, trong các hệ thống năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời, bộ biến đổi DC-DC là không thể thiếu. Ngoài cấu trúc mạch, chất lượng điện áp phụ thuộc nhiều vào bộ điều khiển. Mặc dù mạch biến đổi nguồn có vẻ đơn giản, tính phi tuyến của mô hình đòi hỏi thiết kế bộ điều khiển phù hợp. Nhiều phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu và công bố, nhưng việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả hơn vẫn luôn là một yêu cầu cấp thiết. Nghiên cứu này tập trung vào “Ứng dụng bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho bộ biến đổi DC-DC”, với mục tiêu thiết kế thành công bộ điều khiển đại số gia tử và tối ưu hóa tham số bằng thuật toán tiến hóa.

1.1. Tầm quan trọng của Biến đổi DC DC trong thực tiễn

Biến đổi DC-DC đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ các thiết bị điện tử gia dụng nhỏ đến các hệ thống công nghiệp lớn. Chúng cho phép điều chỉnh điện áp một chiều theo yêu cầu của tải, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định cao. Trong các ứng dụng năng lượng tái tạo, bộ chuyển đổi DC-DC là yếu tố then chốt để tích hợp nguồn năng lượng không ổn định vào lưới điện hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống giao thông điện, như xe điện và tàu điện, để điều khiển động cơ và các thiết bị điện tử khác. Việc nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển tiên tiến cho biến đổi DC-DC là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và độ tin cậy của các hệ thống này.

1.2. Giới thiệu về Đại Số Gia Tử Hedge Algebra

Đại số gia tử là một công cụ toán học mạnh mẽ được sử dụng để mô hình hóa và xử lý thông tin không chắc chắn, mơ hồ. Nó cung cấp một khung lý thuyết để xây dựng các bộ điều khiển thông minh có khả năng thích nghi với các điều kiện vận hành khác nhau. Ứng dụng đại số gia tử trong điều khiển biến đổi DC-DC cho phép thiết kế các bộ điều khiển mạnh mẽ, có khả năng chống nhiễu và xử lý các thông số không xác định của hệ thống. So với các phương pháp điều khiển truyền thống, điều khiển bằng đại số gia tử có thể mang lại hiệu suất cao hơn và độ ổn định tốt hơn trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc khám phá các tiềm năng của đại số gia tử trong điều khiển biến đổi DC-DC.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Biến Đổi DC DC Hiện Nay

Mặc dù cấu trúc mạch của bộ biến đổi DC-DC tương đối đơn giản, mô hình của nó lại mang tính phi tuyến, gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển. Các phương pháp điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển trượt đã được áp dụng, nhưng mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất định. Điều khiển PID có thể không hoạt động tốt trong các điều kiện vận hành thay đổi hoặc khi hệ thống có tính phi tuyến mạnh. Điều khiển mờ đòi hỏi kiến thức chuyên gia để xây dựng các luật điều khiển, và hiệu suất của nó phụ thuộc nhiều vào chất lượng của các luật này. Điều khiển trượt có thể đạt được độ ổn định cao, nhưng lại dễ bị hiện tượng rung (chattering). Do đó, cần có những phương pháp điều khiển mới, mạnh mẽ hơn, có khả năng xử lý tính phi tuyến và không chắc chắn của hệ thống biến đổi DC-DC. Ứng dụng điều khiển tiên tiến là vấn đề cấp thiết.

2.1. Tính Phi Tuyến và Biến Động Tham Số của DC DC Converter

Các bộ biến đổi DC-DC thường có tính phi tuyến cao do hoạt động chuyển mạch của các linh kiện bán dẫn. Điều này gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển dựa trên các phương pháp tuyến tính truyền thống. Hơn nữa, các tham số của bộ biến đổi DC-DC, như điện cảm và điện dung, có thể thay đổi theo thời gian và nhiệt độ, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Các bộ điều khiển phải có khả năng thích nghi với các thay đổi này để đảm bảo hoạt động ổn định của bộ biến đổi DC-DC trong mọi điều kiện vận hành. Việc xây dựng mô hình chính xác của bộ biến đổi DC-DC và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính phi tuyến và biến động tham số là rất quan trọng để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

2.2. Hạn Chế của Các Phương Pháp Điều Khiển Truyền Thống PID Fuzzy

Các phương pháp điều khiển PID thường được sử dụng trong điều khiển biến đổi DC-DC do tính đơn giản và dễ triển khai. Tuy nhiên, chúng có thể không hoạt động tốt trong các hệ thống có tính phi tuyến mạnh hoặc khi có nhiễu và biến động tham số. Các phương pháp điều khiển mờ có thể xử lý tính phi tuyến tốt hơn, nhưng đòi hỏi kiến thức chuyên gia để xây dựng các luật điều khiển, và hiệu suất của chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng của các luật này. Ngoài ra, các phương pháp điều khiển mờ thường có độ phức tạp tính toán cao, gây khó khăn cho việc triển khai trên các hệ thống nhúng. Do đó, cần có những phương pháp điều khiển mới, mạnh mẽ hơn, có khả năng vượt qua các hạn chế của các phương pháp truyền thống.

III. Phương Pháp Điều Khiển Đại Số Gia Tử Cho DC DC Converter

Phương pháp điều khiển đại số gia tử (HAC) là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn để giải quyết các thách thức trong điều khiển biến đổi DC-DC. HAC sử dụng đại số gia tử để mô hình hóa và xử lý thông tin không chắc chắn và mơ hồ, cho phép thiết kế các bộ điều khiển mạnh mẽ, có khả năng thích nghi với các điều kiện vận hành khác nhau. HAC không yêu cầu mô hình toán học chính xác của hệ thống, mà chỉ cần một tập luật điều khiển định tính, giúp giảm độ phức tạp của quá trình thiết kế. Ngoài ra, HAC có thể dễ dàng tích hợp với các thuật toán tối ưu hóa để tự động điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển, nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Mô hình hóa đại số gia tử là yếu tố quan trọng.

3.1. Ưu Điểm của Đại Số Gia Tử so với Điều Khiển Mờ Fuzzy Logic

So với điều khiển mờ, điều khiển đại số gia tử có một số ưu điểm đáng kể. Thứ nhất, đại số gia tử cung cấp một khung lý thuyết chặt chẽ hơn để xử lý thông tin không chắc chắn, giúp giảm thiểu các lỗi suy luận và nâng cao độ chính xác của bộ điều khiển. Thứ hai, điều khiển đại số gia tử không yêu cầu kiến thức chuyên gia sâu rộng để xây dựng các luật điều khiển, mà có thể tự động học các luật này từ dữ liệu. Thứ ba, điều khiển đại số gia tử có độ phức tạp tính toán thấp hơn so với điều khiển mờ, cho phép triển khai trên các hệ thống nhúng với tài nguyên hạn chế. Do đó, điều khiển đại số gia tử là một lựa chọn hấp dẫn cho điều khiển biến đổi DC-DC trong các ứng dụng khác nhau.

3.2. Quy trình Thiết Kế Bộ Điều Khiển Đại Số Gia Tử cho DC DC

Quy trình thiết kế bộ điều khiển đại số gia tử cho biến đổi DC-DC bao gồm các bước sau: (1) Xác định các biến đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển; (2) Xây dựng cơ sở luật điều khiển định tính dựa trên kiến thức về hệ thống; (3) Xác định các hàm gia tử và các tham số liên quan; (4) Tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển bằng thuật toán tiến hóa hoặc các phương pháp tối ưu khác; (5) Kiểm tra và đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển trên mô hình mô phỏng hoặc hệ thống thực tế. Quá trình này có thể được lặp lại nhiều lần để đạt được hiệu suất và độ ổn định mong muốn. Điều quan trọng là phải lựa chọn các hàm gia tử và các tham số phù hợp để đảm bảo bộ điều khiển hoạt động tốt trong mọi điều kiện vận hành.

IV. Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Đại Số Gia Tử Mô Phỏng và Tối Ưu

Để đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển đại số gia tử, luận văn này sẽ tiến hành mô phỏng bộ biến đổi DC-DC với bộ điều khiển HAC trên môi trường Matlab-Simulink. Mục tiêu là chứng minh khả năng của HAC trong việc ổn định điện áp đầu ra, giảm độ vọt lố và cải thiện thời gian đáp ứng của hệ thống. Bên cạnh đó, thuật toán tiến hóa (GA) sẽ được áp dụng để tối ưu hóa các tham số mờ của bộ điều khiển, nhằm đạt được hiệu suất tối ưu. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các phương pháp điều khiển truyền thống để đánh giá ưu điểm của HAC. Phần mềm mô phỏng là công cụ không thể thiếu.

4.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng DC DC Converter trên Matlab Simulink

Việc xây dựng mô hình mô phỏng chính xác của bộ biến đổi DC-DC trên Matlab-Simulink là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển. Mô hình phải bao gồm tất cả các thành phần chính của bộ biến đổi DC-DC, như các linh kiện bán dẫn, điện cảm, điện dung và tải. Các tham số của mô hình phải được lựa chọn phù hợp với các thông số kỹ thuật của hệ thống thực tế. Ngoài ra, mô hình phải có khả năng mô phỏng các hiện tượng phi tuyến và biến động tham số để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác và đáng tin cậy. Việc sử dụng các công cụ mô phỏng mạnh mẽ như Matlab-Simulink giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thiết kế bộ điều khiển.

4.2. Tối Ưu Hóa Tham Số Bộ Điều Khiển HAC bằng Thuật Toán Tiến Hóa

Thuật toán tiến hóa (GA) là một phương pháp tối ưu hóa mạnh mẽ được sử dụng để tìm kiếm các tham số tối ưu của bộ điều khiển HAC. GA hoạt động bằng cách tạo ra một quần thể các giải pháp tiềm năng, sau đó áp dụng các phép toán di truyền như chọn lọc, lai ghép và đột biến để cải thiện chất lượng của các giải pháp theo thời gian. GA không yêu cầu thông tin về gradient của hàm mục tiêu, mà chỉ cần một hàm đánh giá để đánh giá chất lượng của các giải pháp. Điều này giúp GA có thể được áp dụng cho các bài toán tối ưu hóa phức tạp với hàm mục tiêu không khả vi hoặc không liên tục. Việc sử dụng GA để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển HAC giúp nâng cao hiệu suất và độ ổn định của bộ biến đổi DC-DC.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Đánh Giá và So Sánh Hiệu Quả HAC

Phần này sẽ trình bày kết quả mô phỏng và so sánh hiệu quả của bộ điều khiển HAC với các phương pháp điều khiển khác, như điều khiển PID và điều khiển mờ. Các tiêu chí đánh giá bao gồm thời gian đáp ứng, độ vọt lố, sai số xác lập và khả năng chống nhiễu. Kết quả cho thấy bộ điều khiển HAC có khả năng ổn định điện áp đầu ra nhanh chóng và chính xác, với độ vọt lố thấp và khả năng chống nhiễu tốt. So với điều khiển PID, HAC có hiệu suất tốt hơn trong các điều kiện vận hành thay đổi hoặc khi hệ thống có tính phi tuyến mạnh. So với điều khiển mờ, HAC có độ phức tạp tính toán thấp hơn và dễ triển khai hơn. So sánh các phương pháp điều khiển là yếu tố quan trọng để đánh giá tính ưu việt.

5.1. So Sánh Hiệu Suất Điều Khiển Thời Gian Đáp Ứng Độ Vọt Lố

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển HAC có thời gian đáp ứng nhanh hơn và độ vọt lố thấp hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống, như điều khiển PID và điều khiển mờ. Điều này chứng tỏ HAC có khả năng ổn định điện áp đầu ra nhanh chóng và chính xác, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Thời gian đáp ứng nhanh giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các thay đổi tải và nhiễu đến điện áp đầu ra. Độ vọt lố thấp giúp bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi bị quá áp. Việc cải thiện hiệu suất điều khiển là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu này.

5.2. Đánh Giá Độ Ổn Định và Khả Năng Chống Nhiễu của HAC

Kết quả mô phỏng cũng cho thấy bộ điều khiển HAC có độ ổn định cao và khả năng chống nhiễu tốt. Hệ thống vẫn hoạt động ổn định ngay cả khi có nhiễu và biến động tham số. Điều này chứng tỏ HAC có khả năng thích nghi với các điều kiện vận hành khác nhau và đảm bảo hoạt động ổn định của bộ biến đổi DC-DC trong mọi tình huống. Độ ổn định cao giúp giảm thiểu rủi ro hỏng hóc và kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Khả năng chống nhiễu tốt giúp đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến các thiết bị điện tử khác.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Điều Khiển Đại Số Gia Tử

Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp điều khiển đại số gia tử cho bộ biến đổi DC-DC, chứng minh tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của phương pháp này. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển HAC có hiệu suất tốt hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống, đồng thời có độ ổn định cao và khả năng chống nhiễu tốt. Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại bộ biến đổi DC-DC khác nhau, cũng như tích hợp với các kỹ thuật điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Nghiên cứu khoa học về điều khiển đại số gia tử hứa hẹn nhiều tiềm năng.

6.1. Tổng Kết Những Đóng Góp Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này đã đóng góp vào lĩnh vực điều khiển biến đổi DC-DC bằng cách đề xuất và đánh giá một phương pháp điều khiển đại số gia tử mới. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của phương pháp này, đồng thời cung cấp một cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Nghiên cứu cũng đã xây dựng một mô hình mô phỏng chính xác của bộ biến đổi DC-DC trên Matlab-Simulink, cung cấp một công cụ hữu ích cho việc thiết kế và đánh giá các bộ điều khiển khác nhau. Những đóng góp này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống biến đổi DC-DC.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Điều Khiển DC DC Nâng Cao

Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng theo nhiều hướng khác nhau. Thứ nhất, phương pháp điều khiển đại số gia tử có thể được áp dụng cho các loại bộ biến đổi DC-DC khác nhau, như bộ biến đổi tăng áp và bộ biến đổi buck-boost. Thứ hai, phương pháp này có thể được tích hợp với các kỹ thuật điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Thứ ba, nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán tối ưu hóa hiệu quả hơn để tìm kiếm các tham số tối ưu của bộ điều khiển HAC. Thứ tư, nghiên cứu có thể được mở rộng để xem xét các yếu tố khác, như chi phí, độ tin cậy và khả năng bảo trì của hệ thống. Những hướng nghiên cứu này sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu quả và khả năng ứng dụng của điều khiển đại số gia tử trong điều khiển biến đổi DC-DC.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử công suất, bộ biến đổi DC-DC đóng vai trò then chốt trong việc chuyển đổi điện áp một chiều nhằm cung cấp nguồn điện ổn định và hiệu quả cho các thiết bị điện tử hiện đại. Theo báo cáo của ngành, nhu cầu sử dụng các bộ biến đổi DC-DC có hiệu suất cao và khả năng điều khiển thông minh ngày càng tăng, đặc biệt trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Tuy nhiên, do tính phi tuyến và phức tạp trong mô hình của bộ biến đổi DC-DC, việc thiết kế bộ điều khiển phù hợp vẫn là thách thức lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho bộ biến đổi DC-DC, nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển và ổn định điện áp đầu ra. Mục tiêu cụ thể là thiết kế thành công bộ điều khiển đại số gia tử, mô phỏng hoạt động trên môi trường Matlab Simulink và áp dụng thuật toán tiến hóa để tối ưu các tham số mờ của bộ điều khiển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bộ biến đổi nguồn DC-DC loại Buck-Boots với các thông số thực nghiệm trong khoảng điện áp đầu vào từ 15 đến 20 V, tần số chuyển mạch 30 kHz, và tải điện trở 20 Ω.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các phương pháp điều khiển mới, hiệu quả hơn cho bộ biến đổi DC-DC, góp phần nâng cao chất lượng nguồn điện và hiệu suất hệ thống điện tử công suất. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ hỗ trợ cải tiến các thiết bị điện tử công suất trong công nghiệp và ứng dụng thực tiễn, đồng thời mở rộng kiến thức về ứng dụng đại số gia tử trong kỹ thuật điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết đại số gia tử và mô hình bộ biến đổi DC-DC. Đại số gia tử là cấu trúc đại số dùng để mô phỏng ngôn ngữ tự nhiên và suy luận xấp xỉ, cho phép biểu diễn các giá trị ngôn ngữ mờ thông qua các phần tử sinh và các gia tử (toán tử nhấn). Tập giá trị ngôn ngữ được sắp thứ tự và có thể ánh xạ sang miền giá trị thực từ 0 đến 1 thông qua hàm đo, đảm bảo tính thứ tự ngữ nghĩa. Bộ điều khiển đại số gia tử (HAC) sử dụng hệ luật ngôn ngữ (LRBS) và chuyển đổi sang hệ luật ngữ nghĩa định lượng (QRBS) để thực hiện suy luận xấp xỉ, từ đó điều khiển bộ biến đổi DC-DC.

Mô hình bộ biến đổi DC-DC được nghiên cứu bao gồm các loại phổ biến như Buck, Boost, Buck-Boost và Quadratic Buck converter. Mỗi loại có mô hình toán học đặc trưng với các phương trình vi phân mô tả dòng điện và điện áp qua các phần tử điện cảm, tụ điện và khóa bán dẫn. Các đặc tính như chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle), tần số chuyển mạch và các tham số mạch được phân tích để đảm bảo ổn định và hiệu suất cao.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu là:

• Đại số gia tử (Hedge Algebra): cấu trúc đại số mô phỏng ngôn ngữ mờ với các phần tử sinh và gia tử.
• Suy luận xấp xỉ (Approximate Reasoning): phương pháp nội suy dựa trên đại số gia tử để tính toán giá trị điều khiển.
• Thuật toán tiến hóa (Genetic Algorithm - GA): phương pháp tối ưu hóa tham số bộ điều khiển dựa trên mô phỏng quá trình tiến hóa sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các tài liệu chuyên ngành về bộ biến đổi DC-DC, lý thuyết đại số gia tử, và các thuật toán tối ưu hóa. Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm như sau:

• Phương pháp lý thuyết: tổng hợp, phân tích các mô hình toán học của bộ biến đổi DC-DC và các phương pháp điều khiển hiện có như điều khiển tuyến tính, điều khiển mờ, điều khiển trượt. Nghiên cứu sâu về đại số gia tử và ứng dụng trong thiết kế bộ điều khiển.

• Phương pháp thực nghiệm: thiết kế bộ điều khiển đại số gia tử cho bộ biến đổi Buck-Boots với các biến đầu vào là sai lệch điều khiển và tốc độ biến thiên sai lệch, đầu ra là tín hiệu điều khiển. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink với các thông số thực tế: điện áp đầu vào Vin trong khoảng [15, 20] V, tần số chuyển mạch 30 kHz, tải 20 Ω. Mã nguồn bộ điều khiển được phát triển dưới dạng block S-Function.

• Phương pháp phân tích: áp dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu các tham số mờ của đại số gia tử, bao gồm độ đo tính mờ của phần tử sinh và gia tử. Cỡ mẫu quần thể GA được lựa chọn phù hợp để đảm bảo hội tụ, với các bước lai tạo, đột biến và chọn lọc được thực hiện tuần tự theo quy trình chuẩn.

• Timeline nghiên cứu:

  • Giai đoạn 1: Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình (3 tháng).
  • Giai đoạn 2: Thiết kế bộ điều khiển và lập trình mô phỏng (4 tháng).
  • Giai đoạn 3: Tối ưu hóa tham số bằng GA và phân tích kết quả (3 tháng).
  • Giai đoạn 4: Viết báo cáo và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công bộ điều khiển đại số gia tử cho bộ biến đổi Buck-Boots:
   Bộ điều khiển sử dụng hai biến đầu vào (sai lệch e và tốc độ biến thiên sai lệch ce) với năm giá trị ngôn ngữ {VN, LN, ZE, LP, VP} và đầu ra điều khiển u trong cùng tập giá trị. Hệ luật điều khiển được xây dựng dưới dạng bảng LRBS với 25 luật, đảm bảo tính phi tuyến và đơn điệu.

2. Mô phỏng trên Matlab Simulink cho thấy bộ điều khiển HAC ổn định điện áp đầu ra V0 trong phạm vi dao động ±5% so với giá trị tham chiếu Vref khi điện áp đầu vào Vin thay đổi từ 15 đến 20 V.
   So với bộ điều khiển PI truyền thống, HAC giảm sai số tích phân tuyệt đối (IAE) khoảng 15%, đồng thời cải thiện thời gian đáp ứng nhanh hơn 10%.

3. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển bằng thuật toán di truyền (GA) nâng cao hiệu suất điều khiển:
   Sau 100 thế hệ, GA tìm được bộ tham số mờ tối ưu giúp giảm IAE xuống còn khoảng 0.02, giảm 20% so với tham số ban đầu. Tần số chuyển mạch 30 kHz được giữ nguyên để đảm bảo hiệu suất và giảm tổn thất chuyển mạch.

4. Phương pháp nội suy ISDMd đảm bảo tính đơn điệu và độ chính xác cao trong quá trình suy luận xấp xỉ:
   Phương pháp này giúp bộ điều khiển HAC hoạt động hiệu quả trong thời gian thực với độ trễ thấp, phù hợp với yêu cầu điều khiển nhanh của bộ biến đổi DC-DC.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và tối ưu hóa cho thấy bộ điều khiển đại số gia tử có khả năng xử lý tốt tính phi tuyến và biến đổi nhanh của bộ biến đổi DC-DC. Việc sử dụng đại số gia tử giúp mô hình hóa chính xác các giá trị ngôn ngữ mờ, từ đó cải thiện chất lượng điều khiển so với các phương pháp truyền thống như PI hay điều khiển mờ thông thường.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, bộ điều khiển HAC kết hợp với thuật toán GA cho thấy ưu thế vượt trội về độ ổn định và khả năng thích nghi với biến đổi điện áp đầu vào. Việc áp dụng phương pháp nội suy ISDMd cũng góp phần giảm thiểu sai số và tăng tính đơn điệu trong quá trình điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng điện áp đầu ra theo thời gian, so sánh sai số tích phân tuyệt đối (IAE) giữa các phương pháp điều khiển, và bảng tổng hợp các tham số tối ưu trước và sau khi áp dụng GA. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển đại số gia tử trong các hệ thống DC-DC thực tế:
   Đề xuất áp dụng bộ điều khiển HAC cho các bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống năng lượng tái tạo và thiết bị điện tử công suất nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp thuật toán tối ưu hóa GA:
   Xây dựng công cụ mô phỏng tích hợp để tự động tối ưu tham số bộ điều khiển đại số gia tử, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và nâng cao độ chính xác. Thời gian thực hiện: 4-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu phần mềm và kỹ thuật điều khiển.

3. Nâng cao tần số chuyển mạch và áp dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm:
   Khuyến nghị nghiên cứu thêm về kỹ thuật chuyển mạch mềm (ZVS, ZCS) để giảm tổn thất chuyển mạch khi tăng tần số, từ đó giảm kích thước linh kiện và tăng mật độ công suất. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu và nhà sản xuất linh kiện.

4. Mở rộng ứng dụng bộ điều khiển đại số gia tử cho các loại bộ biến đổi khác:
   Đề xuất nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển HAC cho các bộ biến đổi Boost, Buck-Boost và các hệ thống phức tạp hơn nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng mở rộng. Thời gian thực hiện: 8-10 tháng, chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử công suất:
   Luận văn cung cấp kiến thức sâu về mô hình hóa và điều khiển bộ biến đổi DC-DC bằng đại số gia tử, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu mới.

2. Kỹ sư thiết kế bộ nguồn và hệ thống điện tử công suất:
   Tham khảo để áp dụng bộ điều khiển HAC và thuật toán tối ưu GA trong thiết kế bộ nguồn có hiệu suất cao và ổn định.

3. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật điện tử:
   Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển luận văn liên quan đến điều khiển mờ và đại số gia tử.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử và năng lượng tái tạo:
   Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và hiệu suất bộ biến đổi DC-DC trong các ứng dụng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển đại số gia tử là gì và có ưu điểm gì so với điều khiển truyền thống?
   Bộ điều khiển đại số gia tử sử dụng cấu trúc đại số để mô phỏng ngôn ngữ mờ và suy luận xấp xỉ, giúp xử lý tốt các hệ thống phi tuyến và không chính xác. Ưu điểm là khả năng điều khiển linh hoạt, giảm sai số và thích nghi tốt với biến đổi hệ thống.

2. Tại sao chọn thuật toán di truyền (GA) để tối ưu tham số bộ điều khiển?
   GA là phương pháp tối ưu ngẫu nhiên dựa trên tiến hóa sinh học, hiệu quả trong việc tìm kiếm cực trị toàn cục trong không gian tham số phức tạp, phù hợp với bài toán tối ưu tham số mờ có nhiều biến và không tuyến tính.

3. Phương pháp nội suy ISDMd có vai trò gì trong bộ điều khiển?
   ISDMd là phương pháp nội suy dựa trên trọng số khoảng cách ngữ nghĩa, đảm bảo tính đơn điệu và độ chính xác cao khi nội suy các giá trị ngôn ngữ trong hệ luật, giúp bộ điều khiển hoạt động ổn định và nhanh chóng.

4. Bộ biến đổi Buck-Boots được ứng dụng trong những trường hợp nào?
   Buck-Boots là bộ biến đổi DC-DC có khả năng tăng hoặc giảm điện áp đầu ra, phù hợp cho các hệ thống yêu cầu điều chỉnh điện áp linh hoạt như nguồn điện cho thiết bị di động, hệ thống năng lượng tái tạo và thiết bị công nghiệp.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả có thể được áp dụng bằng cách tích hợp bộ điều khiển đại số gia tử vào phần cứng điều khiển bộ biến đổi DC-DC, kết hợp với thuật toán tối ưu hóa tham số để đạt hiệu suất tối ưu, đồng thời thử nghiệm và hiệu chỉnh trên hệ thống thực tế.

Kết luận

• Đã thiết kế và mô phỏng thành công bộ điều khiển đại số gia tử cho bộ biến đổi DC-DC Buck-Boots với hiệu suất và độ ổn định vượt trội so với phương pháp truyền thống.
• Áp dụng thuật toán di truyền tối ưu hóa tham số mờ giúp giảm sai số tích phân tuyệt đối (IAE) khoảng 20%, nâng cao chất lượng điều khiển.
• Phương pháp nội suy ISDMd đảm bảo tính đơn điệu và độ chính xác trong suy luận xấp xỉ, phù hợp với yêu cầu điều khiển thời gian thực.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới cho các bộ điều khiển phi tuyến trong kỹ thuật điện tử công suất, đặc biệt trong các ứng dụng năng lượng tái tạo.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm trên phần cứng, mở rộng ứng dụng cho các loại bộ biến đổi khác và nghiên cứu kỹ thuật chuyển mạch mềm để nâng cao hiệu suất.

Khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên tiếp tục phát triển và ứng dụng bộ điều khiển đại số gia tử kết hợp thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu quả hệ thống điện tử công suất.