Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển pid và mờ để điều khiển hệ thống pin mặt trời

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Họ và tên học viên: Vũ Đức Nhật

Ngày tháng năm sinh: Ngày 26 tháng 4 năm 1969

Nơi sinh: Thái Thuỵ - Thái Bình

Nơi công tác: Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật Thái Bình

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Chuyên ngành: Tự động hóa

Khóa học: K12 - TĐH

Ngày giao đề tài: 08/01/2011

Ngày hoàn thành: 30/8/2011

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ

ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công

Đại học Thái Nguyên

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

PGS.TS. Nguyễn Hữu Công

HỌC VIÊN

Vũ Đức Nhật

DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả

trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công

trình nào khác.

Tác giả luận văn

Vũ Đức Nhật

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tâm và nghiêm khắc

của PGS.TS. Nguyễn Hữu Công. Lời đầu tiên, tác giả xin chân thành cảm ơn

Thầy đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành

luận văn này, cũng như việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt

thời gian làm luận văn.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện tử và Khoa Điện

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình chỉ bảo trong

suốt khóa học vừa qua.

Xin cảm ơn các thành viên trong gia đình, những người luôn dành cho

tác giả những tình cảm nồng ấm và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc

sống. Luận văn cũng là món quà tinh thần mà tác giả trân trọng gửi tặng đến

các thành viên trong gia đình.

Cuối cùng xin gửi đến những người thân yêu, các bạn, các anh chị, các

đồng nghiệp… đã góp ý giúp đỡ về tinh thần cũng như về kinh nghiệm, kiến

thức một lời biết ơn sâu sắc nhất.

TÁC GIẢ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Nội dung Trang

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mụ c các bảng

Danh mụ c các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU .....................................................................................................8

CHƢƠNG 1. NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

THỰC TẾ..................................................................................................12

1.1. Nguồn năng lượng mặt trời...................................................................... 12

1.2. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất........................... 13

1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời......................................................... 14

1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng ......................................................... 14

1.4.1. Hiệu ứng nhà kính................................................................................. 14

1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng ........................................................ 16

1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời ..................................................... 17

1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT.......................................................... 17

1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên.................................. 18

1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức .............................. 20

1.5.2. Sấy bằng NLMT.................................................................................... 21

1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên ............................................................ 22

1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức ........................................................ 23

1.5.3. Chưng lọc nước bằng NLMT................................................................ 25

1.5.4. Bếp mặt trời........................................................................................... 26

1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính.................................................. 26

1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ ............................................................................. 27

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại................................................................ 28

1.5.6. Pin mặt trời............................................................................................ 30

1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động......................................................... 30

1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT................................................................. 33

1.6. Kết luận. ................................................................................................... 36

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI..38

2.1. Vai trò của hệ thống pin mặt trời ............................................................ 38

2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng dùng pin mặt trời ........................... 39

2.2.1. Nguyên lý làm việc của pin mặt trời..................................................... 39

2.2.2. Hệ thống điều khiển pin mặt trời .......................................................... 44

2.2.2.1. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng PID số ................................... 45

2.2.2.2. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller................... 47

2.3. Kết luận ................................................................................................... 48

CHƢƠNG 3. GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ

ĐIỀU KHIỂN MỜ (FLC) ........................................................................49

3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế PID ........................................... 49

3.1.1 Phương pháp 1........................................................................................ 49

3.1.2. Phương pháp 2....................................................................................... 52

3.2. Giới thiệu về Logic mờ và bộ điều khiển mờ .......................................... 60

3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản ...................................................................... 61

3.2.1.1. Mờ hoá ............................................................................................... 62

3.2.1.2. Sử dụng luật hợp thành ...................................................................... 63

3.2.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ.............................................. 64

3.2.1.4. Giải mờ............................................................................................... 64

3.3. Nguyên lý điều khiển mờ......................................................................... 65

3.4. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ ..................................................... 68

3.4.1. Định nghĩa các biến vào/ra.................................................................... 69

3.4.2.Xác định tập mờ ..................................................................................... 69

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.4.3. Xây dựng các luật điều khiển................................................................ 70

3.4.4. Chọn thiết bị hợp thành......................................................................... 71

3.4.5.Chọn nguyên lý giải mờ......................................................................... 71

3.4.6. Tối ưu .................................................................................................... 71

3.5. Bộ điều khiển mờ lai PID......................................................................... 72

3.5.1. Giới thiệu chung.................................................................................... 72

3.5.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID......... 73

3.6. Kết luận .................................................................................................... 75

CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI 77

4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống .................................................. 77

4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời........................................... 77

4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời.......................................... 77

4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển.................................................................... 82

4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID ................................................................... 82

4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động ........................................................... 83

4.3. So sánh chất lượng khi dùng bộ điều khiển PID và Mờ .......................... 91

4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID sau khi thiết kế ....... 91

4.3.2. So sánh chất lượng các bộ điều khiển mờ với các dạng hàm liên thuộc

khác nhau......................................................................................................... 92

4.3.2.1. Hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra dạng tam giác .............................. 92

4.3.2.2. Hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra dạng hình thang........................... 94

4.3.3. Kết luận chương 4 ................................................................................. 97

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢƠNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 99

1. Kết luận ....................................................................................................... 99

2. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo................................................... 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................100

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NLMT Năng lượng mặt trời

BXMT Bức xạ mặt trời

PMT Pin mặt trời

FLC Fuzzy Logic Controler (Bộ điều khiển mờ)

BĐK Bộ điều khiển

BDD Bộ biến đổi điện

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Tên gọi Trang

2.1 So sánh hiệu suất của pin mặt trời đặt cố định và có điều khiển 45

3.1 Bảng tổng kết các tiêu chuẩn phẳng 55

3.2 Quy tắc xác định bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng 59

4.1 Các trạng thái khác nhau của pin mặt trời 79

4.2 Các luật điều khiển hợp thành 87

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình Tên gọi Trang

1.1 Phổ bức xạ mặt trời 13

1.2 Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng

của quả đất 13

1.3 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính 15

1.4 Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng 17

1.5 Hệ sản xuất nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lưu tự

nhiên 19

1.6 Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên gồm nhiều bộ thu

nối song song 19

1.7 Hệ sản xuất nước nóng bằng NLMT đối lưu cưỡng bức 20

1.8 Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lưu tự nhiên 23

1.9 Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lưu cưỡng bức 24

1.10 Hệ sấy đối lưu cưỡng bức gián tiếp 24

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.11 Sơ đồ hệ thống chưng cất nước bằng NLMT 25

1.12 Một thiết kế thông dụng của hệ lọc nước bằng NLMT 25

1.13 Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính 26

1.14 Bếp NLMT hội tụ 28

1.15 Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT 29

1.16 Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt 30

1.17 Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si 31

1.18 Sơ đồ cấu tạo PMT Si 32

1.19 Một mô đun PMT hoàn thiện (nhìn từ mặt trên) 32

1.20 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới 34

1.21 Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập 35

2.1 Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình. 39

22

Các bước chuyển đổi chi tiết và cơ chế mất mát trong tế bào

năng lượng mặt trời. Các ký hiệu trong dấu ( ) thể hiện số lượng

cho phép cho cơ chế mất mát cụ thể trong ECD

41

2.3 Công suất đầu ra của pin mặt trời 44

2.4 Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển PID 46

2.5 Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển mờ 47

2.6 Mô hình thực của bộ điều khiển 48

3.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 61

3.2 Một bộ điều khiển mờ động 61

3.3 Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ 65

3.4 Bộ điều khiển mờ PID 68

3.5 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai 72

3.6 Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều

khiển PID 73

3.7 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ 75

4.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời 77

4.2 Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời 78

4.3 Đặc trưng của động cơ một chiều 79

4.4 Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID 82

4.5 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID 83

4.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động 83

4.7 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 84

4.8 Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ 86

4.9 Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ 86

4.10 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 87

4.11 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 88

4.12 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ 89

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

4.13 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 89

3.14 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ động 90

4.15 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế 91

4.16 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi tín hiệu vào

là hàm 1(t) 91

4.17 Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ 92

4.18 Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ 93

4.19 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 93

4.20 Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ 94

4.21 Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ 94

4.22 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 95

4.23 Các bộ điều khiển mờ và PID 95

4.24 Hàm đáp ứng đầu ra với các bộ điều khiển mờ tương ứng với các

dạng hàm liên thuộc khác nhau 96

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

8

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật, công nghệ

thông tin góp phần cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá.

Trong công nghiệp, điều khiển quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then

chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một

trong những vấn đề quan trọng trong điều khiển là việc tự động điều chỉnh độ

ổn định và sai số là ít nhất trong khoảng thời gian điều khiển là ngắn nhất,

trong đó phải kể đến các hệ thống điều khiển mờ đang được sử dụng rất rộng

rãi hiện nay.

Trong quá trình điều khiển trên thực tế, người ta luôn mong muốn có một

thuật toán điều khiển đơn giản, dễ thể hiện về mặt công nghệ và có độ chính

xác càng cao càng tốt. Đây là những yêu cầu khó thực hiện khi thông tin có

được về tính điều khiển được và về mô hình động học của đối tượng điều

khiển chỉ được biết mơ hồ dưới dạng tri thức chuyên gia theo kiểu các luật

IF–THEN. Để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình xử lý thông tin và

điều khiển cho hệ thống làm việc trong môi trường phức tạp, hiện nay một số

kỹ thuật mới được phát hiện và phát triển mạnh mẽ đã đem lại nhiều thành

tựu bất ngờ trong lĩnh vực xử lý thông tin và điều khiển. Trong những năm

gần đây, nhiều công nghệ thông minh được sử dụng và phát triển mạnh trong

điều khiển công nghiệp như công nghệ nơron, công nghệ mờ, công nghệ tri

thức, giải thuật di truyền, … Những công nghệ này phải giải quyết với một

mức độ nào đó những vấn đề còn để ngỏ trong điều khiển thông minh hiện

nay, đó là hướng xử lý tối ưu tri thức chuyên gia.

Tri thức chuyên gia là kết quả rút ra từ quá trình tổ chức thông tin phức

tạp, đa cấp, đa cấu trúc, đa chiều nhằm đánh giá và nhận thức được (càng

chính xác càng tốt) thế giới khách quan. Tri thức chuyên gia được thể hiện

dưới dạng các luật mang tính kinh nghiệm, các luật này là rất quan trọng vì