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 Bộ Biến Đổi DC-DC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
• 1.2. Tổng quan về các bộ biến đổi bán dẫn
• 1.3. Bộ biến đổi giảm áp – buck converter
• 1.4. Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic - Quadratic buck converter
• 1.5. Bộ biến đổi đảo dấu – buck-boost converter
• 1.6. Bộ biến đổi tăng áp – boost converter
• 1.7. Các phương pháp điều khiển
• 1.8. Kết luận chương
• 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO NGUỒN DC-DC
• 2.1. Tổng quan về đại số gia tử và suy luận xấp xỉ
• 2.2. Cấu trúc đại số gia tử
• 2.3. Một số tính chất trong đại số gia tử
• 2.4. Các hàm đo trên đại số gia tử
• 2.5. Suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử. Thiết kế bộ điều khiển đại số gia tử cho bộ nguồn DC-DC
• 2.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển. Thiết kế bộ điều khiển
• 2.7. Kết luận chương
• 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU HOÁ THAM SỐ
• 3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng
• 3.2. Tối ưu hoá tham số bộ điều khiển bằng thuật toán tiến hoá
• 3.3. Thuật toán tiến hoá
• 3.4. Các tham số cần tối ưu
• 3.5. Tiêu chuẩn tối ưu
• 3.6. Kết quả mô phỏng
• 3.7. Kết luận chương
• Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC: CÁC MODUL CHÍNH CỦA CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• Mã nguồn của bộ điều khiển
• Mã nguồn của hàm tính toán giá trị định lượng ngữ nghĩa
• Mã nguồn của hàm nội suy tuyến tính 2 bước
• Mã nguồn của hàm nội suy theo trọng số khoảng cách ngữ nghĩa

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Đại Số Gia Tử Cho DC DC Converter

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện – điện tử, bộ nguồn điện đóng vai trò then chốt. Nhu cầu về bộ nguồn chất lượng cao và thông minh ngày càng tăng. Bộ biến đổi DC-DC có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều thành một điện áp một chiều khác. Các bộ biến đổi này có thể cung cấp năng lượng trực tiếp cho thiết bị hoặc là thành phần trung gian trong quá trình biến đổi năng lượng. Trong các hệ thống năng lượng tái tạo, bộ biến đổi DC-DC là không thể thiếu. Chất lượng điện áp phụ thuộc nhiều vào bộ điều khiển. Mặc dù cấu trúc mạch đơn giản, mô hình phi tuyến đòi hỏi thiết kế bộ điều khiển phù hợp. Nhiều phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu, nhưng việc tìm kiếm các phương pháp hiệu quả hơn vẫn là một yêu cầu cấp thiết. Luận văn này tập trung vào "Ứng dụng bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử cho bộ biến đổi DC-DC".

1.1. Vai Trò Của Bộ Biến Đổi DC DC Trong Điện Tử Công Suất

Bộ biến đổi DC-DC là thành phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng điện tử công suất, từ nguồn cung cấp cho thiết bị di động đến các hệ thống năng lượng tái tạo. Chúng đảm bảo điện áp đầu ra ổn định và hiệu quả, đáp ứng yêu cầu khắt khe của các thiết bị hiện đại. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến cho bộ biến đổi DC-DC là vô cùng quan trọng để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.2. Giới Thiệu Về Đại Số Gia Tử Trong Điều Khiển

Đại số gia tử là một công cụ toán học mạnh mẽ, cho phép mô hình hóa và điều khiển các hệ thống phức tạp với độ chính xác cao. Trong lĩnh vực điều khiển, đại số gia tử cung cấp một phương pháp tiếp cận mới để thiết kế các bộ điều khiển thông minh, có khả năng thích nghi với các điều kiện vận hành khác nhau. Việc ứng dụng đại số gia tử vào điều khiển bộ biến đổi DC-DC hứa hẹn mang lại những cải tiến đáng kể về hiệu suất và độ ổn định.

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

Mặc dù cấu trúc mạch của bộ biến đổi nguồn khá đơn giản, mô hình của nó có tính phi tuyến, gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển phù hợp. Các phương pháp điều khiển truyền thống như điều khiển PID có thể không đạt hiệu quả cao trong các điều kiện vận hành thay đổi. Việc tìm kiếm các phương pháp điều khiển mới, có khả năng thích nghi và tối ưu hóa hiệu suất, là một thách thức lớn. Theo tài liệu gốc, "Việc nghiên cứu tìm kiếm các phương pháp mới hiệu quả hơn luôn là đòi hỏi của quá trình phát triển".

2.1. Tính Phi Tuyến Của Mô Hình Bộ Biến Đổi DC DC

Một trong những thách thức lớn nhất trong điều khiển bộ biến đổi DC-DC là tính phi tuyến của mô hình. Điều này có nghĩa là mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra không phải là tuyến tính, gây khó khăn cho việc thiết kế các bộ điều khiển dựa trên các phương pháp tuyến tính truyền thống. Các phương pháp điều khiển phi tuyến, như điều khiển đại số gia tử, có thể là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này.

2.2. Yêu Cầu Về Độ Ổn Định Và Đáp Ứng Nhanh

Bộ biến đổi DC-DC cần đảm bảo độ ổn định cao và đáp ứng nhanh với các thay đổi của tải và điện áp đầu vào. Điều này đòi hỏi bộ điều khiển phải có khả năng điều chỉnh nhanh chóng và chính xác, duy trì điện áp đầu ra ổn định trong mọi điều kiện vận hành. Các phương pháp điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu có thể giúp đáp ứng các yêu cầu khắt khe này.

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

Đại số gia tử cung cấp một phương pháp tiếp cận mới để thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC. Phương pháp này cho phép mô hình hóa các quy tắc điều khiển một cách tự nhiên và linh hoạt, đồng thời có khả năng xử lý các thông tin không chắc chắn và mơ hồ. Bộ điều khiển đại số gia tử có thể được tối ưu hóa bằng các thuật toán tiến hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Theo tài liệu, luận văn tập trung vào "Thiết kế thành công bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử và mô phỏng sự làm việc của".

3.1. Xây Dựng Mô Hình Điều Khiển Dựa Trên Đại Số Gia Tử

Việc xây dựng mô hình điều khiển dựa trên đại số gia tử bao gồm việc xác định các biến ngôn ngữ, các hàm thuộc và các quy tắc điều khiển. Các biến ngôn ngữ đại diện cho các trạng thái của hệ thống, các hàm thuộc định nghĩa mức độ thuộc về của mỗi trạng thái, và các quy tắc điều khiển mô tả cách bộ điều khiển phản ứng với các trạng thái khác nhau. Mô hình này có thể được tinh chỉnh và tối ưu hóa để đạt được hiệu suất mong muốn.

3.2. Thuật Toán Suy Luận Xấp Xỉ Trong Đại Số Gia Tử

Thuật toán suy luận xấp xỉ là một phần quan trọng của bộ điều khiển đại số gia tử. Thuật toán này cho phép bộ điều khiển đưa ra các quyết định dựa trên các thông tin không đầy đủ hoặc không chính xác. Bằng cách sử dụng các quy tắc suy luận, bộ điều khiển có thể ước lượng trạng thái của hệ thống và đưa ra các hành động điều khiển phù hợp. Các phương pháp nội suy khác nhau có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác của thuật toán suy luận.

IV. Tối Ưu Hóa Tham Số Bộ Điều Khiển Đại Số Gia Tử Bằng GA

Để đạt được hiệu suất tối ưu, các tham số của bộ điều khiển đại số gia tử cần được tối ưu hóa. Thuật toán tiến hóa (GA) là một công cụ mạnh mẽ để giải quyết bài toán này. GA tìm kiếm các giá trị tham số tốt nhất bằng cách mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên. Quá trình này bao gồm việc tạo ra các quần thể các giải pháp tiềm năng, đánh giá chất lượng của mỗi giải pháp và chọn lọc các giải pháp tốt nhất để tạo ra thế hệ tiếp theo. Theo tài liệu, "Áp dụng thuật toán tiến hoá để tối ưu các tham số mờ của bộ điều khiển".

4.1. Xác Định Các Tham Số Cần Tối Ưu Của HAC

Các tham số cần tối ưu của bộ điều khiển đại số gia tử (HAC) bao gồm các tham số của hàm thuộc, các trọng số của quy tắc điều khiển và các hệ số khuếch đại. Việc lựa chọn các tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bộ điều khiển. Bằng cách sử dụng GA, chúng ta có thể tìm kiếm các giá trị tham số tối ưu, giúp HAC hoạt động hiệu quả nhất.

4.2. Tiêu Chuẩn Đánh Giá Hiệu Suất Tối Ưu

Để đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển trong quá trình tối ưu hóa, chúng ta cần xác định một tiêu chuẩn đánh giá phù hợp. Tiêu chuẩn này có thể dựa trên các chỉ số như thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh và sai số xác lập. Bằng cách sử dụng một tiêu chuẩn đánh giá rõ ràng, chúng ta có thể đảm bảo rằng GA tìm kiếm các giải pháp đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất của hệ thống.

V. Kết Quả Mô Phỏng Ứng Dụng Đại Số Gia Tử Cho DC DC

Mô phỏng là một bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển đại số gia tử. Bằng cách xây dựng mô hình mô phỏng của bộ biến đổi DC-DC và bộ điều khiển trong môi trường Matlab-Simulink, chúng ta có thể kiểm tra khả năng hoạt động của bộ điều khiển trong các điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển đại số gia tử có thể đạt được hiệu suất cao và độ ổn định tốt. Theo tài liệu, "Nghiên cứu mô phỏng bộ biến đổi nguồn DC-DC với bộ điều khiển đại số gia tử trên môi trường Matlab-simulink".

5.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Trên Matlab Simulink

Việc xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink cho phép chúng ta kiểm tra và đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển đại số gia tử trong môi trường ảo. Mô hình này bao gồm các thành phần của bộ biến đổi DC-DC, bộ điều khiển và các khối chức năng khác. Bằng cách thay đổi các thông số và điều kiện vận hành, chúng ta có thể phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

5.2. Phân Tích Đáp Ứng Của Hệ Thống Điều Khiển

Phân tích đáp ứng của hệ thống điều khiển là một bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển đại số gia tử. Chúng ta có thể phân tích các chỉ số như thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh và sai số xác lập để đánh giá khả năng hoạt động của bộ điều khiển trong các điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả phân tích này có thể được sử dụng để tinh chỉnh và tối ưu hóa bộ điều khiển.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Ứng Dụng Đại Số Gia Tử

Luận văn đã trình bày một phương pháp tiếp cận mới để điều khiển bộ biến đổi DC-DC dựa trên đại số gia tử. Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ điều khiển đại số gia tử có thể đạt được hiệu suất cao và độ ổn định tốt. Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại bộ biến đổi DC-DC khác và các hệ thống điều khiển phức tạp hơn. Theo tài liệu, "Nội dung phần kết luận đánh giá những công việc đã thực hiện được của luận văn trên cơ sở các nhiệm vụ đề tài đặt ra".

6.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Điều Khiển Đại Số Gia Tử

Phương pháp điều khiển dựa trên đại số gia tử có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Nó cho phép mô hình hóa các quy tắc điều khiển một cách tự nhiên và linh hoạt, đồng thời có khả năng xử lý các thông tin không chắc chắn và mơ hồ. Bộ điều khiển đại số gia tử có thể được tối ưu hóa bằng các thuật toán tiến hóa để đạt được hiệu suất cao nhất.

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

Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại bộ biến đổi DC-DC khác và các hệ thống điều khiển phức tạp hơn. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm việc phát triển các thuật toán tối ưu hóa hiệu quả hơn, tích hợp bộ điều khiển đại số gia tử với các phương pháp điều khiển khác và ứng dụng đại số gia tử trong các hệ thống năng lượng tái tạo.