臺灣博碩士論文加值系統

本論文設計區間二型(IT2)T-S(Takagi-Sugeno)模糊控制器，並應用於非隔離型直流/直流雙向轉換器。雙向轉換器電路架構同時具有升壓以及降壓功能，可節省硬體成本，更減少體積尺寸。為調變雙向轉換器輸出端電壓，於IT2 T-S模糊控制系統中加入積分器，並藉由平衡點座標轉換方式，消除IT2 T-S模糊控制系統偏壓項。在理論分析方面，首先提出定理一，推導IT2 T-S模糊調變系統之LMI穩定條件；接著提出定理二，推導同時考慮模式不確定性，以及滿足H∞性能指標之強健IT2 T-S模糊調變系統LMI穩定條件；最後，將定理一及定理二LMI穩定條件所求得之控制增益，配合IT2 T-S模糊控制策略寫入微處理器，應用於額定功率100W之雙向轉換器輸出電壓調變。實驗結果顯示，當操作環境具有負載切換、輸入電壓變動及控制訊號干擾情況下，不論升壓模式或降壓模式，IT2 T-S模糊調變系統之強健性能皆優於傳統T-S模糊調變系統及擾動法。
關鍵詞:區間二型T-S模糊控制器、雙向轉換器、模式不確定性、H infinity

In this thesis, an interval type-2 (IT2) T-S fuzzy controller is designed and applied to a non-isolated DC-DC bidirectional converter. The circuit structure possesses the function of voltage step up and step down, which leads to the reduction of the implementation cost and volume. To regulate the output voltage of the bidirectional converter, an integrator is added to the IT2 T-S fuzzy control system. By using the coordinate translation method, the bias term of the IT2 T-S fuzzy system is eliminated. In the analysis, first, the stability condition of the IT2 T-S fuzzy regulation system is derived and presented in the form of LMI in Theorem 1. Then the LMI form stability condition of the robust IT2 T-S fuzzy regulation system that takes model uncertainty into condieration and satisfies the H∞ performance is discussed in Theorem 2. Finally, the control gains obtained by solving the stability condition of Theorem 1 and Theorem 2 are programmed into the microprocessor with the IT2 T-S fuzzy control strategy, and applied to a 100W bidirectional converter. From the experimental results, under the operation environments such as load variation, input voltage variation and external signal disturbance, the robust performance of the IT2 T-S fuzzy regulation system is better than that of T-S fuzzy regulation system and perturbation method.
Keywords: Interval type-2 T-S fuzzy controller, Bidirectional converter, Model uncertainty, H infinity

目錄
中文摘要 i
Abstract ii
目錄 iv
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 論文大綱 4
第二章 系統架構與操作原理 5
2-1 系統架構 5
2-2 操作原理 6
2-2-1 電路架構 6
2-2-2 升壓模式 7
2-2-3 降壓模式 10
2-3 擴增狀態空間模型 12
第三章 控制器原理與設計 16
3-1 區間二型T-S模糊控制系統 16
3-2 T-S模糊控制系統 24
3-3 強健區間二型T-S模糊控制系統 26
3-4 強健T-S模糊控制系統 37
3-5 擾動法 42
第四章 周邊電路介紹 43
4-1 雙向轉換器電路架構 43
4-2 周邊硬體電路 43
4-2-1 電壓回授電路 43
4-2-2 電流回授電路 45
4-2-3 開關驅動電路 46
4-2-4 輔助電源 47
第五章 軟體規劃 48
5-1 微處理器介紹 48
5-2 程式流程架構 49
5-2-1 主程式流程圖 49
5-2-2 A/D中斷副程式流程圖 50
5-2-3 升壓模式T-S模糊控制副程式流程圖 51
5-2-4 降壓模式T-S模糊控制副程式流程圖 52
5-2-5 升壓模式IT2 T-S模糊控制副程式流程圖 53
5-2-6 降壓模式IT2 T-S模糊控制副程式流程圖 54
5-2-7 升壓模式擾動法流程圖 55
5-2-8 降壓模式擾動法流程圖 56
5-2-9 保護副程式流程圖 57
第六章 實作與量測 58
6-1 實驗環境與實體電路 58
6-2 電氣規格與元件規格 59
6-3 升壓模式實測 60
6-3-1 升壓模式基本穩定實測 60
6-3-2 升壓模式負載切換實測 67
6-3-3 升壓模式輸入電壓變化實測 70
6-3-4 升壓模式擾動訊號實測 72
6-4 降壓模式實測 75
6-4-1 降壓模式基本穩定實測 75
6-4-2 降壓模式負載切換實測 81
6-4-3 降壓模式輸入電壓變化實測 84
6-4-4 降壓模式擾動訊號實測 87
第七章 結論與未來研究方向 90
7-1 結論 90
7-2 未來研究方向 90
參考文獻 91

圖目錄
圖1.1 台灣再生能源累積設置容量 1
圖2.1 雙向轉換器升壓模式電力潮流 5
圖2.2 雙向轉換器降壓模式電力潮流 5
圖2.3 理想升壓轉換器 6
圖2.4 理想降壓轉換器 6
圖2.5 非理想雙向轉換器 7
圖2.6 升壓模式M1截止M2導通 7
圖2.7 升壓模式M1截止M2截止 8
圖2.8 降壓模式M1導通M2截止 10
圖2.9 降壓模式M1截止M2截止 10
圖3.1 IT2 T-S模糊歸屬函數 17
圖3.2 T-S模糊歸屬函數 25
圖4.1 電路架構圖 43
圖4.2 第一級電壓回授電路 44
圖4.3 第二級電壓回授電路 44
圖4.4 霍爾元件及腳位設定 45
圖4.5 精密全波整流電路 46
圖4.6 開關驅動電路 46
圖4.7 輔助電源電路 47
圖5.1 控制板實體電路 48
圖5.2 主程式流程圖 49
圖5.3 A/D中斷副程式流程圖 50
圖5.4 升壓模式T-S模糊控制副程式流程圖 51
圖5.5 降壓模式T-S模糊控制副程式流程圖 52
圖5.6 升壓模式IT2 T-S模糊控制副程式流程圖 53
圖5.7 降壓模式IT2 T-S模糊控制副程式流程圖 54
圖5.8 升壓模式擾動法流程圖 55
圖5.9 降壓模式擾動法流程圖 56
圖5.10 保護副程式流程圖 57
圖6.1 實驗操作環境 58
圖6.2 實體電路 59
圖6.3 升壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載25Ω基本穩定實測 62
圖6.4 升壓模式T-S模糊控制系統負載25Ω基本穩定實測 63
圖6.5 升壓模式擾動法負載25Ω基本穩定實測 63
圖6.6 升壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載12.5Ω基本穩定實測 64
圖6.7 升壓模式T-S模糊控制系統負載12.5Ω基本穩定實測 64
圖6.8 升壓模式擾動法負載12.5Ω基本穩定實測 64
圖6.9 升壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載6.25Ω基本穩定實測 65
圖6.10 升壓模式T-S模糊控制系統負載6.25Ω基本穩定實測 65
圖6.11 升壓模式擾動法負載6.25Ω基本穩定實測 66
圖6.12 升壓模式強健IT2 T-S模糊控制系統負載切換實測 68
圖6.13 升壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載切換實測 68
圖6.14 升壓模式強健T-S模糊控制系統負載切換實測 69
圖6.15 升壓模式T-S模糊控制系統負載切換實測 69
圖6.16 升壓模式擾動法負載切換實測 69
圖6.17 升壓模式強健IT2 T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 70
圖6.18 升壓模式IT2 T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 71
圖6.19 升壓模式強健T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 71
圖6.20 升壓模式T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 71
圖6.21 升壓模式擾動法輸入電壓變化實測 72
圖6.22 升壓模式強健IT2 T-S模糊控制系統擾動訊號實測 73
圖6.23 升壓模式IT2 T-S模糊控制系統擾動訊號實測 73
圖6.24 升壓模式強健T-S模糊控制系統擾動訊號實測 73
圖6.25 升壓模式T-S模糊控制系統擾動訊號實測 74
圖6.26 升壓模式擾動法擾動訊號實測 74
圖6.27 降壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載10Ω基本穩定實測 77
圖6.28 降壓模式T-S模糊控制系統負載10Ω基本穩定實測 77
圖6.29 降壓模式擾動法負載10Ω基本穩定實測 77
圖6.30 降壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載5Ω基本穩定實測 78
圖6.31 降壓模式T-S模糊控制系統負載5Ω基本穩定實測 78
圖6.32 降壓模式擾動法負載5Ω基本穩定實測 79
圖6.33 降壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載2.5Ω基本穩定實測 79
圖6.34 降壓模式T-S模糊控制系統負載2.5Ω基本穩定實測 80
圖6.35 降壓模式擾動法負載2.5Ω基本穩定實測 80
圖6.36 降壓模式強健IT2 T-S模糊控制系統負載切換實測 82
圖6.37 降壓模式IT2 T-S模糊控制系統負載切換實測 83
圖6.38 降壓模式強健T-S模糊控制系統負載切換實測 83
圖6.39 降壓模式T-S模糊控制系統負載切換實測 83
圖6.40 降壓模式擾動法負載切換實測 84
圖6.41 降壓模式強健IT2 T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 85
圖6.42 降壓模式IT2 T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 85
圖6.43 降壓模式強健T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 85
圖6.44 降壓模式T-S模糊控制系統輸入電壓變化實測 86
圖6.45 降壓模式擾動法輸入電壓變化實測 86
圖6.46 降壓模式強健IT2 T-S模糊控制系統擾動訊號實測 87
圖6.47 降壓模式IT2 T-S模糊控制系統擾動訊號實測 87
圖6.48 降壓模式強健T-S模糊控制系統擾動訊號實測 88
圖6.49 降壓模式T-S模糊控制系統擾動訊號實測 88
圖6.50 降壓模式擾動法擾動訊號實測 88

表目錄
表5.1 微處理器功能 48
表6.1 電氣規格 59
表6.2 元件規格 60
表6.3 升壓模式負載25Ω基本穩定實測 63
表6.4 升壓模式負載12.5Ω基本穩定實測 65
表6.5 升壓模式負載6.25Ω基本穩定實測 66
表6.6 升壓模式效率量測 66
表6.7 升壓模式負載切換實測結果 70
表6.8 升壓模式輸入電壓變化實測結果 72
表6.9 升壓模式擾動訊號實測結果 74
表6.10 降壓模式負載10Ω基本穩定實測 78
表6.11 降壓模式負載5Ω基本穩定實測 79
表6.12 降壓模式負載2.5Ω基本穩定實測 80
表6.13降壓模式效率量測 81
表6.14 降壓模式負載切換實測結果 84
表6.15 降壓模式輸入電壓變化實測結果 86
表6.16 降壓模式擾動訊號實測結果 89

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