Gerçek zamanlı değişken yük üzerinde optimizasyon
Optimization in real time variable load
Yazar: OZAN YALÇIN
Danışman: PROF. DR. BURCU ERKMEN ; DR. ALİ RIZA YILMAZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Diferansiyel gelişim algoritması = Differential evolution algorithm ; Empedans = Impedance ; Eviriciler = Inverters ; Kapı dizileri = Gate arrays ; PID = PID

Özet:
Bu çalışmada gerçek zamanlı olarak değiştirilebilen yükler üzerinde güç tüketimini azaltmak için PID kontrol denetleyicisinin parametrelerinde optimizasyon gerçekleştirilmektedir. Parametrelerin seçiminde basit, hızlı ve güvenilir sonuçlar veren diferensiyel gelişim algoritması kullanılmıştır. Diferensiyel gelişim algoritması  gömülü bir şekilde Alan Programlanabilir Kapı Dizileri (FPGA)  kullanarak gerçeklenmiştir. FPGA'lar sahip oldukları paralel işlem yeteneği ile yüksek işlem gücü ve hız gerektiren uygulamalarda mikrodenetleyicilere göre daha başarılıdır. Optimizasyon algortimalarının getirdiği işlem yükü ve hesaplamaları hızlı bir şekilde yapabilme yeteneğinden dolayı eş zamanlı optimizasyon ve kontrol için  oldukça uygundur.   Gerçek zamanlı bir sistem olabilmesi için bilgisayar ile donanım arasında seri iletişim hattı kurulmuştur ve döngü içinde çalışmaları sağlanmıştır (Harware In The Loop).  Diferensiyel gelişim algoritmasında kullanılan maliyet fonksiyonu FPGA yerine MATLAB'da gerçekleştirilerek optimizasyon işlemi yükten bağmsız hale getirilmiştir. Böylelikle bilgisayar ile donanımdan bağımsız olarak yükü değiştirmek, adaptif bir yapı oluşturmak mümkündür. Sisteme FPGA'nın dahil edilmesiyle MATLAB'da veya mikrodenetleyicilerde gerçeklenen diferensiyel gelişim algoritmalarına kıyasla daha hızlı bir yapı sağlanırken maliyet fonksiyonunun MATLAB'da gerçeklenmesiyle de sistemin kullanım alanı arttırılmıştır.   Yük olarak sistemi denemek için  empedans kaynaklı inverter seçilmiştir ve doğrulamalar bu sistem üzerinde gerçekleştirilmiştir. İnverter devresinde istenilen çıkış ile elde edilen çıkış sinyali arasındaki fark hata olarak kabul edilmiş ve minimuma indirgenmesi için PID kontrol denetleyici yapısı kullanılmıştır.
Bu tez çalışmasında ilk kısımda farklı güç elektroniği devre tasarımlarında kullanılabilecek gerçek zamanlı optimizasyon tekniği önerilmiştir. Teorik analiz yapılmış ve sistemin uygunluğu ispat edilmiştir. Daha sonra  sistemin donanım üzerinde gerçeklenmesi, karşılaşılan zorluklar ve çözüm süreçleri anlatılmıştır. Son kısımda ise optimizasyon algoritması FPGA (Nexys A7) üzerinde VHDL ile kodlanmıştır ve maliyet fonksiyonu MATLAB'da gerçeklenmiştir.  FPGA–MATLAB arasındaki iletişim sağlanmış ve kompakt bir sistem elde edilmiştir.  Elde edilen deneysel sonuçlar ile sistemin başarılı bir şekilde çalıştığı ispatlanmıştır.

Abstract:
In this study, optimization of PID controller parameters is carried out to reduce power consumption on loads that can be changed in real time. Differential evolution algorithm was used in the selection of parameters, which gives simple, fast and reliable results.The differential evolution algorithm is implemented using Field Programmable Gate Arrays (FPGA). FPGAs are more successful than microcontrollers in applications requiring high processing power and speed thanks to their parallel processing capability. It is very suitable for simultaneous optimization and control due to the processing load brought by optimization algorithms and the ability to perform calculations quickly. A real-time system is obtained by establishing a serial communication line between the computer and the hardware, and it is provided to work in a loop (Harware In The Loop). The cost function used in the differential evolution algorithm is performed in MATLAB instead of FPGA, making the optimization process independent of the load. FPGA has been included in the system, thus providing a faster structure compared to differential development algorithms implemented in MATLAB or microcontrollers, and the usage area of the system has been increased by realizing the cost function in MATLAB. In order to test the system as a load, an impedance source inverter was selected and validations were carried out on this system. The difference between the desired output and the output signal obtained in the inverter circuit is accepted as an error and PID controller structure is used to minimize it.
In the first part of this thesis, a real-time optimization technique that can be used in different power electronics circuit designs is proposed. Theoretical analysis are done and it is proven that the success of the system will work. Then, the implementation of the system on the hardware, the difficulties encountered and their solutions are explained. In the last part, the optimization algorithm is coded with VHDL on FPGA (Nexys A7) and the cost function is implemented in MATLAB. Communication between FPGA and MATLAB has been ensured and a compact system has been obtained. The test results showed that the system works successfully.