Thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng đại số gia tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ TỐI ƯU

BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐẠI SỐ GIA TỬ

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Học viên: LÊ VĂN TÙNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN 2012

1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ TỐI ƯU

BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐẠI SỐ GIA TỬ

BAN

GIÁM HIỆU

KHOA

SAU ĐẠI HỌC

GIÁO VIÊN

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG

HỌC VIÊN

LÊ VĂN TÙNG

THÁI NGUYÊN, 2012

2Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

i

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

Lê Văn Tùng

3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ii

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 tạo điều kiện

giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài.

Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám

hiệu, Khoa Sau Đại học Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này.

Tác giả luận văn

Lê Văn Tùng

4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................... ii

MỤC LỤC .............................................................................................iii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... vii

DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................... viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ ................................................ ix

MỞ ĐẦU................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1. NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

THỰC TẾ ..................................................................................................... 5

1.1. Nguồn năng lượng mặt trời................................................................ 5

1.2. Đặc điểm của năng lượng mặt trời trên bề mặt quả đất ....................... 6

1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời ................................................... 7

1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng.................................................... 7

1.4.1. Hiệu ứng nhà kính.......................................................................... 7

1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng................................................... 8

1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời................................................ 9

1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT .................................................. 10

1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên............................ 10

1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức ........................ 12

1.5.2. Sấy bằng NLMT .......................................................................... 13

1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên .................................................... 14

1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức................................................. 15

1.5.3. Chưng lọc nước bằng NLMT........................................................ 17

1.5.4. Bếp mặt trời................................................................................. 18

1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính .......................................... 18

1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ .................................................................... 19

5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iv

1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại ....................................................... 20

1.5.6. Pin mặt trời.................................................................................. 21

1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ................................................. 22

1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT......................................................... 24

1.6. Kết luận.......................................................................................... 27

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI. 29

2.1. Vai trò của hệ thống pin mặt trời ..................................................... 29

2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng dùng pin mặt trời ...................... 30

2.2.1. Nguyên lý làm việc của pin mặt trời ............................................. 30

2.2.2. Hệ thống điều khiển pin mặt trời................................................... 34

2.2.3. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller ................ 35

2.3. Kết luận.......................................................................................... 36

CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ ĐẠI SỐ GIA TỬ................................ 37

3.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản................................................................. 38

3.1.1. Mờ hoá ........................................................................................ 39

3.1.2. Sử dụng luật hợp thành................................................................. 40

3.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ.......................................... 40

3.1.4. Giải mờ........................................................................................ 41

3.1.5. Nguyên lý điều khiển mờ.............................................................. 42

3.1.6. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ .......................................... 45

3.1.6.1. Định nghĩa các biến vào/ra ........................................................ 45

3.1.6.2. Xác định tập mờ ........................................................................ 45

3.1.6.3. Xây dựng các luật điều khiển..................................................... 47

3.1.6.4. Chọn thiết bị hợp thành ............................................................. 47

3.1.6.5. Chọn nguyên lý giải mờ............................................................. 47

3.1.6.6. Tối ưu ....................................................................................... 48

3.2. Đại số gia tử .................................................................................. 48

3.2.3. Đại số gia tử tuyến tính đầy đủ ..................................................... 55

6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

v

3.3. Điều khiển sử dụng đại số gia tử ....................................................... 58

3.4. Kết luận chương 3........................................................................... 60

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI..61

4.1.Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động ..................................... 61

4.1.1. Đặc tính quá độ của hệ thống ĐKTĐ ............................................ 61

4.1.2. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ĐKTĐ ................................. 61

4.1.2.1. Chất lượng động........................................................................ 61

4.1.2.2. Chất lượng tĩnh ......................................................................... 62

4.1.2.3. Chất lượng ở quá trình quá độ.................................................... 63

4.1.2.4. Chất lượng hỗn hợp................................................................... 65

4.2. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống........................................... 66

4.2.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời .................................... 66

4.2.2. Mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời .................................. 67

4.3. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ ................... 70

4.3.1. Định nghĩa các biến vào ra ........................................................... 70

4.3.2. Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra .............. 71

4.3.3. Xây dựng các luật điều khiển........................................................ 74

4.3.4. Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ ............................... 74

4.3.5. Sơ đồ và kết quả mô phỏng........................................................... 76

4.4. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển Đại số gia tử..... 76

4.4.1. Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có a=b.................................. 76

4.4.2. So sánh chất lượng hệ thống khi dùng BĐK mờ và ĐSGT (a=b)... 82

4.5. Thiết kế tối ưu cho bộ điều khiển bằng đại số gia tử......................... 83

4.5.1. Yêu cầu thiết kế tối ưu ................................................................. 83

4.5.2. Thiết kế tối ưu bộ điều khiển bằng Đại số gia tử sao cho J1 min..... 83

4.5.3. Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có a¹b.................................. 84

4.5.3.1. Khi a = 0.1, b = 0.9................................................................... 84

4.5.3.2. Lập bảng thống kê giá trị khi thay đổi a và b của bộ điều khiển.. 88

7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vi

4.5.4. Thiết kế tối ưu bộ điều khiển bằng Đại số gia tử sao cho J2 min..... 89

4.6. Kết luận chương 4........................................................................... 92

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO93

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 94

PHỤ LỤC............................................................................................. 97

8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NLMT : Năng lượng mặt trời

BXMT : Bức xạ mặt trời

PMT : Pin mặt trời

FLC : Fuzzy Logic Controller (Bộ điều khiển mờ)

BĐK : Bộ điều khiển

BDD : Bộ biến đổi điện

9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. So sánh hiệu suất của pin mặt trời đặt cố định và có điều khiển ... 35

Bảng 4.1. Các trạng thái khác nhau của pin mặt trời..................................... 68

Bảng 4.2. Các luật điều khiển hợp thành ...................................................... 74

Bảng 4.3. Bảng SAM ................................................................................... 79

Bảng 4.4. Bảng thực hiện phép Product khi a=b.......................................... 80

Bảng 4.5. Bảng SAM ................................................................................... 86

Bảng 4.7. Giá trị tiêu chuẩn tích phân J....................................................... 88

Bảng 4.8. Giá trị tiêu chuẩn tích phân J theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi

γ =0.2 ........................................................................................................... 90

Bảng 4.9. Giá trị tiêu chuẩn tích phân J theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi

γ =1.5 ........................................................................................................... 91

10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Phổ BXMT ..................................................................................... 6

Hình 1.2. Sự chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng của quả..... 6

Hình 1.3. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính ............... 8

Hình 1.4. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng ..................................... 10

Hình 1.5. Hệ sản xuất nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên .... 11

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

song song ..................................................................................................... 12

Hình 1.7. Hệ sản xuất nước nóng bằng NLMT đối lưu cưỡng bức ............... 12

Hình 1.8. Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lưu tự nhiên ............................ 15

Hình 1.9. Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lưu cưỡng bức .............................. 16

Hình 1.10. Hệ sấy đối lưu cưỡng bức gián tiếp............................................ 16

Hình 1.11. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước bằng NLMT ............................. 17

Hình 1.12. Một thiết kế thông dụng của hệ lọc nước bằng NLMT............... 17

Hình 1.13. Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính .................... 18

Hình 1.14. Bếp NLMT hội tụ ...................................................................... 19

Hình 1.15. Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT....... 20

Hình 1.16. Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt.... 21

Hình 1.17. Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si .................................. 22

Hình 1.18 . Sơ đồ cấu tạo PMT Si ................................................................ 23

Hình 1.19. Một mô đun PMT hoàn thiện...................................................... 23

Hình 1.20. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới......................................... 25

Hình 1.21. Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập................................. 26

Hình 2.1. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình .................. 30

Hình 2.2. 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...................................................................... 31

Hình 2.3. Công suất đầu ra của pin mặt trời.................................................. 34

Hình 2.4. Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển mờ............... 35

Hình 2.5. Mô hình thực của bộ điều khiển................................................... 36

11Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

x

Hình 3.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản .............................................................. 38

Hình 3.2. Một bộ điều khiển mờ động.......................................................... 38

Hình 3.3. Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ..................................... 42

Hình 3.4. Bộ điều khiển mờ PID ................................................................. 44

Hình 3.5. Độ đo tính mờ............................................................................... 52

Hình 3.6. Bộ điều khiển dựa trên đại số gia tử.............................................. 59

Hình 4.1. Đặc tính quá độ của hệ thống ổn định theo thời gian..................... 61

Hình 4.2.Đặc tính quá độ y(t) với tín hiệu vào x(t)=1(t) ............................... 62

Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn đặc tính L  ....................................................... 65

Hình 4.4. Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời................................... 66

Hình 4.5. Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời........................................ 67

Hình 4.6: Đặc trưng của động cơ một chiều ................................................. 68

Hình 4.7. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ ......................... 71

Hình 4.8. Định nghĩa các tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ.......... 72

Hình 4.9. Định nghĩa các tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ........ 73

Hình 4.10. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ............ 73

Hình 4.11. Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển ......................... 74

Hình 4.12. Quan sát tín hiệu vào ra của bộ ĐK mờ....................................... 75

Hình 4.13. Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ........ 75

Hình 4.14. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tự động ............................. 76

Hình 4.15. Đáp ứng đầu ra của hệ thống....................................................... 76

Hình 4.16. Hàm liên thuộc đầu vào UH........................................................ 76

Hình 4.17. Hàm liên thuộc đầu vào dUH...................................................... 77

Hình 4.18. Hàm liên thuộc đầu ra U ............................................................. 77

Hình 4.19. Chuyển tuyến tính cho các biến UH, dUH, U ............................. 80

Hình 4.20. Đường cong ngữ nghĩa trung bình .............................................. 81

Hình 4.21. Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng BĐK Đại số gia tử a=b............ 81

Hình 4.22. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi a=b......................................... 81

Hình 4.23. Sơ đồ mô phỏng 2 bộ điều khiển................................................. 82

Hình 4.24. Đáp ứng của hệ thống ................................................................. 82

Hình 4.25. Sơ đồ mô phỏng và đánh giá chỉ tiêu J1....................................... 83

12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn