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 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.vni
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.
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.vniii
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
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.vnv
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
4.5.4. Thiết kế tối ưu bộ điều khiển bằng Đại số gia tử sao cho J
2
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.vnvii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NLMT : Năng lượng mặt trời
BXMT : Bức xạ mặt trời
PMT : Pin mặt trời
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
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 α=β 81
Hình 4.22. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α=β 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 J
1
83
12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vnxi
Hình 4.26. Chuyển tuyến tính cho các biến UH, dUH, U 86
Hình 4.27. Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi α = 0.1, β = 0.9 87
Hình 4.28. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α = 0.1, β = 0.9 88
Hình 4.29. Đáp ứng đầu ra của hệ thống khi α = 0.4, β = 0.6 89
Hình 4.30. Sơ đồ mô phỏng và đánh giá chỉ tiêu J
2
90
Hình 4.31. Sơ đồ mô phỏng hệ thống theo chỉ tiêu tích phân γ =0.2 90
Hình 4.32. Sơ đồ mô phỏng hệ thống theo chỉ tiêu tích phân γ =1.5 91
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
14Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn2
dưới dạng các luật mang tính kinh nghiệm, các luật này là rất quan trọng vì
chúng tạo thành các điểm chốt cho mô hình suy luận xấp xỉ để tìm ra đại
lượng điều khiển cho phép thoả mãn (có khả năng tối ưu) mục tiêu điều khiển
với độ chính xác nào đó. Chiến lược suy luận xấp xỉ càng tốt bao nhiêu, đại
lượng điều khiển tìm được càng thoả mãn tốt bấy nhiêu mục tiêu điều khiển
đề ra. Các thuật toán điều khiển hiện nay ngày càng có mức độ thông minh
cao, tích hợp trong đó các suy luận, tính toán mềm dẻo hơn để có thể hoạt
động được trong mọi điều kiện đa dạng, phức tạp hoặc với độ bất định cao,
tính phi tuyến lớn của đối tượng điều khiển.
Logic mờ đã đem lại cho công nghệ điều khiển truyền thống một cách
nhìn mới, nó cho phép điều khiển được khá hiệu quả các đối tượng không rõ
ràng về mô hình trên cơ sở tri thức chuyên gia đầy cảm tính. Điều khiển mờ là
một thành công của sự kết hợp giữa logic mờ và lý thuyết điều khiển trong
quá trình đi tìm các thuật toán điều khiển thông minh. Chìa khóa của sự thành
công này là sự giải quyết tương đối thỏa đáng bài toán suy luận xấp xỉ (suy
luận mờ). Tuy vậy không phải không còn những vướng mắc. Một trong
những khó khăn của các lý thuyết suy luận xấp xỉ là độ chính xác chưa cao và
sẽ còn là bài toán mở trong tương lai.
Công nghệ tính toán mềm là sự hội tụ của công nghệ mờ và công nghệ
nơron và lập trình tiến hoá nhằm tạo ra các mặt cắt xuyên qua tổ chức thông
tối ưu được đánh giá qua chỉ tiêu tích phân sai lệch của hệ thống J
min
.
Qua quá trình nghiên cứu và ứng dụng cho thấy rằng có thể sử dụng
công cụ đại số gia tử cho nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau và một trong
những số đó là công nghệ điều khiển trên cơ sở tri thức chuyên gia.
Luận văn “Thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng Đại số gia tử”, sử dụng
phương pháp thiết kế tối ưu bộ điều khiển dùng Đại số gia tử để điều khiển hệ
thống PIN mặt trời, sao cho hiệu quả thu nhiệt là lớn nhất, tức là tối ưu về mặt
điều khiển, đồng thời có tính linh hoạt cao.
16Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn4
Phần nội dung của bản luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và một số ứng dụng thực tế
Chương 2: Tổng quan về các hệ thống pin mặt trời
Chương 3: Giới thiệu về Đại số gia tử
Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển PIN mặt trời
Do trình độ và thời gian hạn chế, em rất mong nhận được những ý kiến
góp ý của các thầy, cô giáo và các ý kiến đóng góp của đồng nghiệp.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của
PGS.TS.Nguyễn Hữu Công và sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa
Điện tử, khoa Điện - trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012
Người thực hiện
khổng lồ. Công suất bức xạ của mặt trời là 3,86.10
26
W, tương đương năng
lượng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than đá.
Tuy nhiên bề mặt quả đất chỉ nhận được 17,57.10
16
W, tương đương
năng lượng đốt cháy hết 6 triệu tấn than đá.
Năng lượng mặt trời (NLMT) rất lớn, nhưng phân bố lại mỏng, chỉ
khoảng 800-1000W/m2 nên việc khai thác khá khó khăn.
Bản chất bức xạ mặt trời (BXMT) là sóng điện từ có phổ bước sóng rất
rộng, từ hàng km đến phần tỷ µm. Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0.4
đến 0,7µm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ phổ BXMT (hình 1.1).
18Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn6
Hình 1.1. Phổ BXMT
Tuy nhiên khi BXMT xuyên qua lớp khí quyển tới bề mặt quả đất, do
các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… làm tán xạ, hấp thụ, nên phổ và
cường độ BXMT trên mặt đất bị giảm đi rất đáng kể.
Đông chí21
-
6
H
ạ chí21-3
Xuân phân
Quĩ đạo của quả đất
Tia mặt trời Tia mặt trời
Mặt trời
23,5
0
23
,5
0
Vĩ tuyến
23,5
0
Bắc
B
B
B
Đường xích đạoĐường xích đạo
Tia
γ
10
-
10
10
-
8
10
-
6
10
10
10
-
4
Tia t
ử
ngoại
Tia
nhìn
thấy
Tia
hồng
ngoại
Sóng
ngắn
Sóng vô tuy
ến
điện
λ(µ)m)
19Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn7
1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời
BXMT tới mặt đất gồm 2 thành phần được gọi là trực xạ và nhiễu xạ.
Trực xạ là thành phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát
trên mặt đất không bị thay đổi phương truyền. Nó phụ thuộc vào vị trí mặt
trời và vào thời tiết.
Nhiễu xạ là các thành phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ mọi
hướng do các tia mặt trời khi qua lớp khí quyển của quả đất bị tán xạ, nhiễu
Hình 1.3. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
Như đã nói ở trên, các tia BXMT có bước sóng λ < 0,7µm tới mặt hộp
thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này
hấp thụ năng lượng BXMT và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ
nóng lên, khi đó nó trở thành nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ
nhiệt có bước sóng λ>0,7µm, hướng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị
tấm kính ngăn lại, không ra ngoài được. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận
BXMT nên tấm hấp thụ được nung nóng dần lên và có thể đạt đến nhiệt độ
hàng trăm độ. Như vậy năng lượng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống
như một cái bẫy nhiệt - năng lượng vào được nhưng không thể ra đựơc. Đó là
nguyên lý “hiệu ứng nhà kính”. Nhiệt độ của tấm hấp thụ càng cao, phát xạ
nhiệt từ mặt hấp thụ càng lớn, cho đến khi năng lượng mà tấm hấp thụ nhận
được từ BXMT cân bằng với năng lượng mất mát cho môi trường xung quanh
thì trạng thái cân bằng nhiệt được thiết lập.
Bộ thu phẳng có cấu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nhà kính như đã
mô tả trên, nhưng tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng nhiệt khác nhau phần thu
nhiệt có thể có các dạng kết cấu khác nhau.
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
Bộ thu NLMT có thể được ứng dụng trong nhiều mục đích khác nhau
như để sản xuất nước nóng, sấy sản phẩm, chưng cất nước, v.v…Nó có thể có
nhiều hình dạng khác nhau được thiết kế cho phù hợp với mục đích sử dụng.
21Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn9
Dưới đây chúng ta chỉ nghiên cứu dạng phẳng, tức là dạng mà tấm hấp thụ là
tấm phẳng. Hình 1.3 trên cũng chính là là sơ đồ cấu tạo của một bộ thu
NLMT hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính.
10
tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ
biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT
Nước nóng rất cần thiết cho sinh hoạt trong gia đình, cơ quan và cũng
rất cần thiết cho các quá trình sản xuất trong nhà máy, các dịch vụ trong các
khách sạn, nhà hàng, bệnh viện, v.v
Về cơ bản một thiết bị sản xuất nước nóng là một bộ thu NLMT nói
trên. Trong thiết bị đun nước, người ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống
kim loại (như các ống bằng đồng hay ống nước mạ kẽm, xem hình 1.4) và sau
đó cho nước chảy qua hệ ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ được truyền qua
thành ống vào nước và làm nước nóng dần lên. Hình 1.4 là sơ đồ một bộ thu
để sản xuất nước nóng.
Hình 1.4. Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng
Ban ngày khi có nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt hơn 100
o
C. Để
nước nóng có nhiệt độ cao (thông thường khoảng 80÷85
o
C về mùa hè,
Hình 1.5. Hệ sản xuất nước nóng NLMT
sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên
24Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn12Hình 1.6. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên
gồm nhiều bộ thu nối song song
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức
Khi cần một lượng nước nóng lớn thì thì hệ thống nước nóng đối lưu tự
nhiên không thích hợp. Khi đó người ta sử dụng hệ thống dùng đối lưu cưỡng
bức. Hình 1.7 là sơ đồ hệ thống sản xuất nước nóng bằng NLMT theo nguyên
lý đối lưu cưỡng bức. Hình 1.7. Hệ sản xuất nước nóng bằng NLMT đối lưu cưỡng bức
25Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Copyright: Tài liệu đại học ©