1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI

Học viên: DƢƠNG VŨ NHẬT ĐỒNG
Lớp: K11 - TĐH
Ngƣời HD khoa học: PGS.TS
NGUYỄN HỮU CÔNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học
PGS. TS
NGUYỄN HỮU CÔNG

Học viên

Tác giả
Dương Vũ Nhật Đồng
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
LỜI CẢM ƠN
Nội dung Trang

Lờ i cam đoan
Lờ i cả m ơn
Mục lục
Danh mụ c cá c bả ng
Danh mụ c cá c hì nh vẽ, đồ thị
Mở đầu 1
Chƣơng I: Năng lƣợng mặt trời và một số úng dụng thực tế 5
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời 5
1.2. Đặc điểm của năng lƣợng mặt trời trên bề mặt quả đất 6
1.3. Các thnh phần của bức xạ mặt trời 7
1.4. Hiệu ứng nh kính v bộ thu phẳng 8
1.4.1. Hiệu ứng nh kính 8
1.4.2.Bộ thu năng lƣợng mặt trời phẳng 9
1.5. Một số ứng dụng năng lƣợng mặt trời 10
1.5.1. Sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT 10
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên 11
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu cƣỡng bức 13
1.5.2. Sấy bằng NLMT 15
1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lƣu tự nhiên 16
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lƣu cƣỡng bức 17
1.5.3. Chƣng lọc nƣớc bằng NLMT 19
1.5.4. Bếp mặt trời 20
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiều hiệu ứng nh kính 20
1.5.4.2 Bếp mặt trời hội tụ 21
1.5.5. Sƣởi ấm nh cửa, chuồng trại 22
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.4.4. Chọn thiết bị hợp thnh 65
3.4.5.Chọn nguyên lý giải mờ 65
3.4.6. Tối ƣu 65
3.5. Bộ điều khiển mờ lai PID 66
3.5.1. Giới thiệu chung 66
3.5.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 67.
3.6. Kết luận 70
Chƣơng VI: Xây dựng thuật toán điều khiển gƣơng mặt trời 71
4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống 71
4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời 71
4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống gƣơng mặt trời 71
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 76
4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID 76
4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động 77
4.3. So sánh chất lƣợng khi dùng bộ điều khiển PID v Mờ 84
4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ v PID sau khi thiết kế 84
4.3.2. So sánh chất lƣợng của các bộ điều khiển khi thay đổi giá trị đặt 86
4.3.3. So sánh chất lƣợng của bộ điều khiển PID v Mờ
khi có nhiễu phụ tải 87
4.3.4. Khi thay đổi các thông số động cơ. 89
4.3.4.1. Khi thay đổi giá trị điện cảm L 89
4.3.4.2. Khi thay đổi trị số của mô men quán tính J 91
4.3.5. Kết luận chƣơng 4 93
Kết luận, kiến nghị và hƣớng nghiên cứu tiếp 95
1. Kết luận 95

Quy tắc xác định bộ điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng
52
4.1
Các trạng thái khác nhau của gƣơng mặt trời
73
4.2
Các luật điều khiển hợp thnh
82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình
Tên gọi
Trang
1.1
Phổ bức xạ mặt trời
6
1.2
Sự chuyển động xung quanh mặt trời v xung quanh trục riêng
của quả đất
7
1.3
Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nh kính
8

1.4
Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nƣớc nóng
11
1.5

1.13
Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nh kính
20
1.14
Bếp NLMT hội tụ
22
1.15
Hệ thống sƣởi ấm nh cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT
23
1.16
Hệ thống sƣởi NLMT sử dụng nƣớc lm chất thu v tải nhiệt
24
1.17
Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
25
1.18
Sơ đồ cấu tạo PMT Si
26
1.19
Một mô đun PMT hon thiện (nhìn từ mặt trên
26
1.20
Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới
28
1.21
Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
29
2.1
Hệ thống thu năng lƣợng mặt trời dùng máng phản xạ cong
33

khiển PID
68
3.7
Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ
69
4.1
Mô hình cấu trúc của hệ thống gƣơng mặt trời
71
4.2
Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời
72
4.3
Đặc trƣng của động cơ một chiều
73
4.4
Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID
76
4.5
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID
77
4.6
Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động
77
4.7
Định nghĩa các biến vo ra của bộ điều khiển mờ
78
4.8
Định nghĩa các tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ
80
4.9

Kết quả mô phỏng của khi tín hiệu đặt vo l xung vuông
86
4.18
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ v PID khi có nhiễu phụ tải
87
4.19
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ v PID khi nhiễu phụ
tải
87
4.20
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi nhiễu phụ
tải l 2 xung vuông
88
4.21
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi L =1(heri)
89
4.22
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi L =2(heri)
90
4.23
Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ v PID khi L =3(heri)
90
4.24
Kết quả mô phỏng khi J = 0,05 (Kgm
2
/s
2
)
91
4.25

đƣợc về tính điều khiển đƣợc v về mô hình động học của đối tƣợng điều
khiển chỉ đƣợc biết mơ hồ dƣới 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 v
điều khiển cho hệ thống lm việc trong môi trƣờng phức tạp, hiện nay một số
kỹ thuật mới đƣợc phát hiện v phát triển mạnh mẽ đ đem lại nhiều thnh
tựu bất ngờ trong lĩnh vực xử lý thông tin v điều khiển. Trong những năm
gần đây, nhiều công nghệ thông minh đƣợc sử dụng v phát triển mạnh trong
điều khiển công nghiệp nhƣ công nghệ nơron, công nghệ mờ, công nghệ tri
thức, giải thuật di truyền, … Những công nghệ ny phải giải quyết với một
mức độ no đó những vấn đề còn để ngỏ trong điều khiển thông minh hiện
nay, đó l hƣớng xử lý tối ƣu tri thức chuyên gia.
Tri thức chuyên gia l kết quả rút ra từ quá trình tổ chức thông tin phức
tạp, đa cấp, đa cấu trúc, đa chiều nhằm đánh giá v nhận thức đƣợc (cng
chính xác cng tốt) thế giới khách quan. Tri thức chuyên gia đƣợc thể hiện
dƣới dạng các luật mang tính kinh nghiệm, các luật ny l rất quan trọng vì
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên chúng tạo thnh các điểm chốt cho mô hình suy luận xấp xỉ để tìm ra đại
lƣợng điều khiển cho phép thoả mn (có khả năng tối ƣu) mục tiêu điều khiển
với độ chính xác no đó. Chiến lƣợc suy luận xấp xỉ cng tốt bao nhiêu, đại
lƣợng điều khiển tìm đƣợc cng thoả mn tốt bấy nhiêu mục tiêu điều khiển
đề ra. Các thuật toán điều khiển hiện nay ngy cng có mức độ thông minh
cao, tích hợp trong đó các suy luận, tính toán mềm dẻo hơn để có thể hoạt
động đƣợc trong mọi điều kiện đa dạng, phức tạp hoặc với độ bất định cao,
tính phi tuyến lớn của đối tƣợng điều khiển.
Logic mờ đ đem lại cho công nghệ điều khiển truyền thống một cách
nhìn mới, nó cho phép điều khiển đƣợc khá hiệu quả các đối tƣợng không rõ

theo mờ, phép hợp thnh, … đƣợc sử dụng trong bi toán suy luận xấp xỉ.
Đây l một điểm mạnh có lợi cho quá trình suy luận mềm dẻo.
Hiện nay, Năng lƣợng mặt trời đƣợc xem nhƣ l nguồn sạch v tái tạo
năng lƣợng cho tƣơng lai, nó cũng l nguồn năng lƣợng ít nhất gây ô nhiễm
nhất trong tất cả các nguồn năng lƣợng đƣợc biết đến.
Hầu hết năng lƣợng mặt trời hiện nay đƣợc sử dụng lm năng lƣợng
nhiệt hoặc điện. Bên cạnh đó nhờ các bộ gom nhiệt mặt trời v các bộ hiệu
ứng quang điện của chất bán dẫn đ tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.
Năng lƣợng mặt trời thu đƣợc giá trị tối ƣu khi các chùm tia chiếu tới bề
mặt thu một cách tốt nhất. Điều ny dẫn tới việc nghiên cứu sự bức xạ mặt
trời trên bề mặt trái đất v đặc biệt nghiên cứu sự thay đổi của các hệ thống
gom năng lƣợng bám theo mặt trời một cách liên tục.
Trong luận văn ny “Nghiên cứu hệ thống điều khiển gƣơng mặt trời
bằng bộ điều khiển mờ”, mục đích chính l tìm mặt trời v bám theo mặt trời
để thu năng lƣợng nhiều nhất đống thời có tính linh hoạt cao.
Phần nội dung của bản luận văn gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Năng lƣợng mặt trời v một số ứng dụng thực tế
Chƣơng 2: Tổng quan về các hệ thống gƣơng mặt trời
Chƣơng 3: Giới thiệu tóm tắt về bộ điều khiển PID v điều khiển mờ.
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chƣơng 4: Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống gƣơng mặt trời.
Do trình độ v thời gian hạn chế, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến
góp ý của các thầy giáo, cô giáo v các ý kiến đóng góp của đồng nghiệp.

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG I
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời l nguồn năng lƣợng m con ngƣời biết sử dụng từ
rất sớm, nhƣng ứng dụng NLMT vo các công nghệ sản xuất v trên quy mô
rộng thì mới chỉ thực sự vo cuối thế kỷ 18 v cũng chủ yếu ở những nƣớc
nhiều năng lƣợng mặt trời, những vùng sa mạc.
Có thể xem mặt trời l một quả cầu cách quả đất 150 triệu km. Đƣờng
kính mặt trời khoảng 1,4 triệu km, lớn hơn 109 lần đƣờng kính quả đất. Áp
suất ở phần trong mặt trời rất cao, cao hơn áp suất khí quyển ở quả đất khoảng
chục triệu lần. Nhiệt độ trên mặt trời biến đổi từ hơn 15 triệu độ ở trong lõi tới
6000 độ ở mặt ngoi của nó.
Thnh phần hóa học của mặt trời: khoảng 70-71% khí Hydro (H
2
), 27-
29% Heli (He), các nguyên tố kim loại v các nguyên tố khác chỉ chiếm 1-
3%.
Các điều kiện về áp suất, nhiệt độ v thnh phần khí quyển trên mặt trời
l điều kiện lý tƣởng cho phản ứng nhiệt hạt nhân v tạo ra nguồn năng lƣợng
khổng lồ. Công suất bức xạ của mặt trời l 3,86.10
26
W, tƣơng đƣơng năng

Ta biết, quả đất quay xung quanh mặt trời trên quĩ đạo elip, khoảng cách
từ quả đất đến mặt trời khoảng 150 triệu km. Nó quay một vòng mất 365,25
ngy (một năm). Đồng thời quả đất lại tự quay xuang quanh trục Bắc-Nam
của nó. Thời gian quay một vòng l 24 giờ (một ngy đêm). Đặc biệt, trục
quay riêng Bắc-Nam của quả đất lại tạo một góc 23,5
0
so với pháp tuyến của
mặt phẳng quĩ đạo của nó quay xung quanh mặt trời (hình 1.2). Tổng hợp của
các chuyển động đó dẫn tới kết quả l cƣờng độ BXMT biến đổi liên tục theo
thời gian (theo giờ, ngy, tháng, mùa trong năm) v cũng còn biến đổi theo vị
tuyến trên mặt đất. 10
-10
10
-8
10
-6
10
10
10
-4
10
-2
10
0


()
m)
Tia

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1.2: Sự chuyển động xung quanh mặt trời và
xung quanh trục riêng của quả đất

1.3. Các thnh phần của bức xạ mặt trời
BXMT tới mặt đất gồm 2 thnh phần đƣợc gọi l trực xạ v nhiễu xạ.
Trực xạ l thnh phần tia mặt trời đi thẳng từ mặt trời tới điểm quan sát
trên mặt đất không bị thay đổi phƣơng truyền. Nó phụ thuộc vo vị trí mặt
trời v vo thời tiết.
Nhiễu xạ l các thnh phần gồm các tia sáng đến điểm quan sát từ mọi

23,5
0
Vĩ tuyến

23,5
0
Bắc

Vĩ tuyến
23,5
0
Nam
Trục quay riêng

của quả đất

Pháp tuyến quĩ đạo

quả đất
N
N
N
N
N
N
N
N
B
B
B

Líp vá c¸ch nhiÖt
TÊm hÊp thô
Tia s¸ng mÆt trêi
1
2
3
4Hình 1.3: Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính

Nhƣ đ nói ở trên, các tia BXMT có bƣớc sóng  < 0,7m tới mặt hộp
thu, đi qua tấm kính phủ phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm ny
9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hấp thụ năng lƣợng BXMT v chuyển hoá thnh nhiệt lm cho tấm hấp thụ
nóng lên, khi đó nó trở thnh nguồn phát xạ thứ cấp phát ra các tia bức xạ
nhiệt có bƣớc sóng 0,7m, hƣớng về mọi phía. Các tia đi lên phía trên bị
tấm kính ngăn lại, không ra ngoi đƣợc. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận
BXMT nên tấm hấp thụ đƣợc nung nóng dần lên v có thể đạt đến nhiệt độ
hng trăm độ. Nhƣ vậy năng lƣợng nhiệt mặt trời bị "giam" trong hộp, giống
nhƣ một cái bẫy nhiệt - năng lƣợng vo đƣợc nhƣng không thể ra đựơc. Đó l
nguyên lý “hiệu ứng nh kính”. Nhiệt độ của tấm hấp thụ cng cao, phát xạ
nhiệt từ mặt hấp thụ cng lớn, cho đến khi năng lƣợng m tấm hấp thụ nhận
đƣợc từ BXMT cân bằng với năng lƣợng mất mát cho môi trƣờng xung quanh
thì trạng thái cân bằng nhiệt đƣợc thiết lập.
Bộ thu phẳng có cấu tạo dựa trên nguyên lý hiệu ứng nh kính nhƣ đ mô

Nếu cách nhiệt tốt thì trong những ngy nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có
thể đạt đến 100 115
0
C hoặc cao hơn.
Tuỳ mục đích sử dụng m ngƣời ta thiết kế bộ thu có thêm các thnh
phần phụ khác v tấm hấp thụ có hình dạng khác nhau nhƣ chúng ta sẽ trình
by trong các phần sau.
Hiệu suất của các bộ thu thông thƣờng trong khoảng 35 45%.
1.5. Một số ứng dụng năng lƣợng mặt trời
Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lƣợng thế giới năm 1968 v 1973,
NLMT cng đƣợc đặc biệt quan tâm. Các nƣớc công nghiệp phát triển đ đi
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 nƣớc nóng bằng NLMT
Nƣớc nóng rất cần thiết cho sinh hoạt trong gia đình, cơ quan v cũng rất
cần thiết cho các quá trình sản xuất trong nh máy, các dịch vụ trong các
khách sạn, nh hng, bệnh viện, v.v
11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Về cơ bản một thiết bị sản xuất nƣớc nóng l một bộ thu NLMT nói trên.
Trong thiết bị đun nƣớc, ngƣời ta hàn vào tấm hấp thụ một hệ thống ống kim
loại (nhƣ các ống bằng đồng hay ống nƣớc mạ kẽm, xem hình 1.4) v sau đó
cho nƣớc chảy qua hệ ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ đƣợc truyền qua thnh
ống vo nƣớc v lm nƣớc nóng dần lên. Hình 1.4 l sơ đồ một bộ thu để sản
xuất nƣớc nóng.
N-íc nãng ra
N-íc l¹nh vµo
TÊm kÝnh
Líp vá c¸ch nhiÖt
TÊm hÊp thô
1
2
3
Tia s¸ng mÆt trêi
èng dÉn n-íc kim lo¹i
4
5
(a)
(b)
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hon theo chiều mũi tên chỉ ra trên hình 1.5. Kết quả l dòng nƣớc sẽ tự chảy
qua bộ thu nhiều lần v do đó nƣớc trong bình chứa (có lớp cách nhiệt tốt
xung quanh) sẽ đạt đƣợc nhiệt độ cao.
Khi lấy nƣớc nóng trong bình chứa để sử dụng, nƣớc trong bình vơi đi v
nƣớc lạnh tự động chảy bổ sung thêm vo.
Muốn có lƣợng nƣớc nóng nhiều hơn ngƣời ta có thể sử dụng nhiều bộ
thu ghép song song nhƣ hình 1.6. Thông thƣờng mỗi bộ thu có kích thƣớc 1 x
2 x 0,2 m để việc chế tạo, vận chuyển v lắp đặt dễ dng thuận lợi.
Ƣu điểm của hệ thống đun nƣớc dùng đối lƣu tự nhiên l việc chế tạo lắp
đặt bộ thu đơn giản, rẻ tiền. Tuy nhiên hệ thống ny có nhƣợc điểm l năng
suất sản xuất nƣớc nóng thấp. Vì vậy cấu hình sản xuất nƣớc nóng dùng đối
3
1
1
1
2
4
5
Nƣớc nóng
Nƣớc lạnh
Bộ thu
Bình chứa đƣợc bảo ôn
ống điều ho áp suất
1
2
3
ống lấy nƣớc nóng có van
ống bổ sung nƣớc lạnh có van
4
5Hình 1.6: Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên gồm nhiều bộ thu
nối song song

1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu cƣỡng bức
Khi cần một lƣợng nƣớc nóng lớn thì thì hệ thống nƣớc nóng đối lƣu tự
nhiên không thích hợp. Khi đó ngƣời ta sử dụng hệ thống dùng đối lƣu cƣỡng
bức. Hình 1.7 l sơ đồ hệ thống sản xuất nƣớc nóng bằng NLMT theo nguyên

6Hỡnh 1.7: H sn xut nc núng bng NLMT i lu cng bc

H thng i lu cng bc ch khỏc h i lu t nhiờn l cú thờm mt
mỏy bm (3). Nc b bm cng bc chy qua b thu m khụng phi tun
hon t nhiờn nh h thng i lu t nhiờn. Vỡ vy hiu sut v nng sut
ca loi thit b ny cao hn. Hiu sut thu nhit ca h thng ph thuc vo
tc nc chy qua b thu. iu khin quỏ trỡnh cng bc ny thụng
thng ngi ta lp thờm mt thit b in t (4), nú t ng theo dừi hiu s
nhit T = T
1
T
2
. Cn c trờn hiu s nhit T m thit b iu khin
in t s cho bm lm vic hay ngng bm.
Trong trng hp phi s dng nc núng cho sn xut hay cỏc dch v
yờu cu nc núng liờn tc ngi ta cũn lp thờm b phn un nc bng
in hay khớ t (gas) d phũng (6) cho nhng thi gian khụng cú nng nh
ch ra trờn hỡnh 1.7.

Trích đoạn Sấy bằng NLMT Hệ thống sấy đối lƣu cƣỡng bức Chƣng lọc nƣớc bằng NLMT Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động Kiến nghị và hƣớng nghiờn cứu tiếp theo

---