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

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI 23.
TRẦN HỮU CHÂU GIANG



NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN HỆ THỐNG GƢƠNG MẶT TRỜI

Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã số :23.
Học viên : TRẦN HỮU CHÂU GIANG
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG THÁI NGUYÊN - 2010

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

iii
ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN
TRƢỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

PGS. TS
NGUYỄN HỮU CÔNG

Học viên

TRẦN HỮU CHÂU GIANG

Ban giám hiệu Khoa Sau Đại học
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trì nh ng hiên cƣ́ u củ a tôi . Các kết qu , số liệ u
nêu trong luậ n văn là trung thƣ̣ c và chƣa tƣ̀ ng đƣợ c công bố trong bấ t kỳ công trì nh

Lời cam đoan
i
Lời cm ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
vii
Danh mục các bng
viii
Danh mục các hnh vẽ, đồ thị
ix
Mở đầu
1
Chƣơng 1: Năng lƣợng mặt trời và một số ứng dụng thực tế
4
1.1. Nguồn năng lƣng mặt trời
4
1.2. Đặc điểm ca năng lƣng mặt trời trên bề mặt qu đất
5
1.3. Các thành phần ca bc xạ mặt trời
6
1.4. Hiệu ng nhà kính và bộ thu phẳng
6
1.4.1. Hiệu ng nhà kính
6
1.4.2. Bộ thu năng lƣng mặt trời phẳng
7
1.5. Một số ng dụng năng lƣng mặt trời
8

Chƣơng 2: Tổng quan về hệ thống gƣơng mặt trời
27
2.1.Giới thiệu hệ thống thu năng lƣng mặt trời dùng máng phn xạ cong
27
2.2. Một số mô hnh điều khiển gƣơng mặt trời
29
2.2.1. Mô hnh điều khiển tỷ lệ cố định
29
2.2.2. Mô hnh điều khiển PSA
31
2.2.3. Mô hnh điều khiển thông minh
33
2.3. Kết luận chƣơng 2
34
Chƣơng 3: Giới thiệu về đại số gia tử
35
3.1. Bộ điều khiển mờ cơ bn
36
3.1.1. Mờ hoá
37
3.1.2. Sử dụng luật hp thành
38
3.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ
38
3.1.4. Gii mờ
39
3.1.5. Nguyên lý điều khiển mờ
40
3.1.6. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ
42

57
4.1. Mô hình toán học ca hệ thống
57
4.1.1. Sensor cà chuẩn hóa tín hiệu
57
4.1.2. Cơ cấu chấp hành
58
4.2. Thiết kế hệ thống
60
4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển mờ
60
4.2.1.1. Định nghĩa các biến vào ra
60
4.2.1.2. Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra
61
4.2.1.3. Xây dng các luật điều khiển
64
4.2.2.4. Chọn thiết bị hp thành và nguyên lý gii mờ
65
4.2.2.5. Sơ đồ và kết qu mô phỏng
67
4.2.3. Sử dụng bộ điều khiển Đại số gia tử
68
4.2.3.1. Thiết kế bộ điều khiển Đại số gia tử có =
68

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

vi
4.2.3.2. Sử dụng bộ điều khiển Đại số gia tử với 

Cc ký hiệu:

Tổng độ đo tính mờ ca các gia tử âm

Tổng độ đo tính mờ ca các gia tử dƣơng

Giá trị định lƣng ca phần tử trung hòa
AX Đại số gia tử
AX Đại số gia tử tuyến tính đầy đ
W Phần tử trung hòa trong đại số gia tử
Cc chữ viết tắt:
NLMT Năng lƣng mặt trời
BXMT Bc xạ mặt trời
PMT Pin mặt trời
ĐLNN Định lƣng ngữ nghĩa
ĐSGT Đại số gia tử
FAM Fuzzy Associative Memory
FLC Fuzzy Logic Control
HAC Hedge Algebras-based Controller
LLXX Lập luận xấp xỉ
opHAC Optimal Parameters of Hedge Algebras-based Controller
PLC Plausible Control
SAM Semantic Associative Memory
SFC Simple Fuzzy Control

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

viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

5
1.2
S chuyển động xung quanh mặt trời và xung quanh trục riêng
ca qu đất
5
1.3
Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ng nhà kính
7
1.4
Sơ đồ một bộ thu để sn xuất nƣớc nóng
9
1.5
Hệ sn xuất nƣớc nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lƣu t
nhiên
10
1.6
Hệ thống sn xuất nƣớc nóng đối lƣu t nhiên gồm nhiều bộ thu
nối song song
10
1.7
Hệ sn xuất nƣớc nóng bằng NLMT đối lƣu cƣng bc
11
1.8
Sơ đồ buồng sấy bằng NLMT đối lƣu t nhiên
13
1.9
Hệ sấy sử dụng nguyên lý đối lƣu cƣng bc
14
1.10
Hệ sấy đối lƣu cƣng bc gián tiếp

Một mô đun PMT hoàn thiện (nhn từ mặt trên)
22
1.20
Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lƣới
24
1.21
Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
25
2.1
Gƣơng mặt trời dùng máng phn xạ cong
27
2.2
Hệ thống thu năng lƣng mặt trời dùng máng phn xạ cong
28
2.3
Mô hnh điều khiển tỷ lệ cố định
30
2.4
Mô hnh điều khiển PSA
31
2.5
Mô hnh điều khiển dùng Fuzzy Controller
34
3.1
Bộ điều khiển mờ cơ bn
36
3.2
Một bộ điều khiển mờ động
36
3.3

Xây dng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ
65
4.8
Quan sát tín hiệu vào ra ca bộ mờ
66

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

xi
4.9
Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra ca bộ điều khiển mờ
66
4.10
Sơ đồ cấu trc ca bộ điều khiển mờ động
67
4.11
Đáp ng đầu ra ca bộ Mờ động
67
4.12
Hàm liên thuộc đầu vào Ch (DSGT)
68
4.13
Hàm liên thuộc đầu vào dCh (DSGT)
68
4.14
Hàm liên thuộc đầu ra U (DSGT)
68
4.15
Chuyển tuyến tính cho các biến Ch, dCh, U (DSGT)
71

4.26
Sơ đồ mô phỏng 2 bộ điều khiển Đại số gia tử
79
4.27
Đáp ng ca 2 bộ điều khiển Đại số gia tử
80
4.28
Sơ đồ mô phỏng 3 bộ điều khiển
81
4.29
Đáp ng ca các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt có dạng 1(t)
81
4.30
Đáp ng ca các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt dạng xung vuông
82

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

xii
4.31
Đáp ng ca các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt có dạng bậc thang
83
4.32
Sơ đồ mô phỏng 3 bộ điều khiển khi có nhiễu phụ ti
84
4.33
Đáp ng ca các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt có dạng 1(t)và có
nhiễu phụ ti
84
4.34

công nghệ tri thc, gii thuật di truyền, … Những công nghệ này phi gii quyết với
một mc độ nào đó những vấn đề còn để ngỏ trong điều khiển thông minh hiện nay,
đó là hƣớng xử lý tối ƣu tri thc chuyên gia.
Tri thc chuyên gia là kết qu rt ra từ quá trnh tổ chc thông tin phc tạp,
đa cấp, đa cấu trc, đa chiều nhằm đánh giá và nhận thc đƣc (càng chính xác
càng tốt) thế giới khách quan. Tri thc chuyên gia đƣc thể hiện dƣới dạng các luật
mang tính kinh nghiệm, các luật này là rất quan trọng v chng tạo thành các điểm
chốt cho mô hnh suy luận xấp xỉ để tm ra đại lƣng điều khiển cho phép tho mãn
(có kh năng tối ƣu) mục tiêu điều khiển với độ chính xác nào đó. Chiến lƣc suy
luận xấp xỉ càng tốt bao nhiêu, đại lƣng điều khiển tm đƣc càng tho mãn tốt bấy
nhiêu mục tiêu điều khiển đề ra. Các thuật toán điều khiển hiện nay ngày càng có
mc độ thông minh cao, tích hp trong đó các suy luận, tính toán mềm dẻo hơn để

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

2
có thể hoạt động đƣc trong mọi điều kiện đa dạng, phc tạp hoặc với độ bất định
cao, tính phi tuyến lớn ca đối tƣng điều khiển.
Logic mờ đã đem lại cho công nghệ điều khiển truyền thống một cách nhn
mới, nó cho phép điều khiển đƣc khá hiệu qu các đối tƣng không rõ ràng về mô
hnh trên cơ sở tri thc chuyên gia đầy cm tính. Điều khiển mờ là một thành công
ca s kết hp giữa logic mờ và lý thuyết điều khiển trong quá trnh đi tm các thuật
toán điều khiển thông minh. Cha khóa ca s thành công này là s gii quyết tƣơng
đối thỏa đáng bài toán suy luận xấp xỉ (suy luận mờ). Tuy vậy không phi không
còn những vƣớng mắc. Một trong những khó khăn ca các lý thuyết suy luận xấp xỉ
là độ chính xác chƣa cao và sẽ còn là bài toán mở trong tƣơng lai.
Công nghệ tính toán mềm là s hội tụ ca công nghệ mờ và công nghệ nơron
và lập trnh tiến hoá nhằm tạo ra các mặt cắt xuyên qua tổ chc thông tin phc tạp
nói trên, tăng cƣờng kh năng xử lý chính xác những tri thc trc giác ca các
chuyên gia [3].

do vậy độ chính xác ca suy luận xấp xỉ không bị nh hƣởng bởi các khái niệm này.
Một vấn đề đặt ra là liệu có thể đƣa lý thuyết đại số gia tử với tính ƣu việt về
suy luận xấp xỉ so với các lý thuyết khác vào bài toán điều khiển và liệu sẽ có đƣc
s thành công nhƣ các lý thuyết khác đã có hay không?
Luận văn này cho thấy rằng có thể sử dụng công cụ đại số gia tử cho nhiều
lĩnh vc công nghệ khác nhau và một trong những số đó là công nghệ điều khiển
trên cơ sở tri thc chuyên gia.
Phần nội dung ca bn luận văn gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Năng lƣng mặt trời và một số ng dụng thc tế
Chƣơng 2: Tổng quan về hệ thống gƣơng mặt trời
Chƣơng 3: Giới thiệu về Đại số gia tử
Chƣơng 4: Thiết kế bộ điều khiển gƣơng mặt trời theo phƣơng pháp đại số
gia tử
Do trnh độ và thời gian hạn chế, em rất mong nhận đƣc những ý kiến góp ý
ca các thầy giáo, cô giáo và các ý kiến đóng góp ca đồng nghiệp.
Đặc biệt, em xin chân thành cm ơn s hƣớng dẫn tận tnh ca PGS.TS.
Nguyễn Hữu Công và s gip đ ca các thầy cô giáo trong khoa Điện tử , khoa
Điện - trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và các bạ n bè đồng
nghiệp.

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

4
CHƢƠNG I
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lƣng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lƣng mà con ngƣời biết sử
dụng từ rất sớm, nhƣng ng dụng NLMT vào các công nghệ sn xuất và trên quy
mô rộng th mới chỉ thc s vào cuối thế kỷ 18 và cũng ch yếu ở những nƣớc
nhiều năng lƣng mặt trời, những vùng sa mạc.

Tuy nhiên khi BXMT xuyên qua lớp khí quyển tới bề mặt qu đất, do các
phân tử khí, hơi nƣớc, các hạt bụi,… làm tán xạ, hấp thụ, nên phổ và cƣờng độ
BXMT trên mặt đất bị gim đi rất đáng kể.
1.2. Đặc điểm của năng lƣợng mặt trời trên bề mặt quả đất
Ta biết, qu đất quay xung quanh mặt trời trên quĩ đạo elip, khong cách từ
qu đất đến mặt trời khong 150 triệu km. Nó quay một vòng mất 365,25 ngày (một
năm). Đồng thời qu đất lại t quay xuang quanh trục Bắc-Nam ca nó. Thời gian
quay một vòng là 24 giờ (một ngày đêm). Đặc biệt, trục quay riêng Bắc-Nam ca
qu đất lại tạo một góc 23,5
0
so với pháp tuyến ca mặt phẳng quĩ đạo ca nó quay
xung quanh mặt trời (hnh 1.2). Tổng hp ca các chuyển động đó dẫn tới kết qu là
cƣờng độ BXMT biến đổi liên tục theo thời gian (theo giờ, ngày, tháng, mùa trong
năm) và cũng còn biến đổi theo vị tuyến trên mặt đất.

10
-10
10
-8
10
-6

Tia
hồng
ngoại
Sóng
ngắn
Sóng vô tuyến
điện ()
m)
Tia

Hình 1.1- Phổ BXMT

21-9
Thu phân

21-12
Đông chí

21-6
Hạ chí

21-3
Xuân phân

Quĩ đạo của quả đất

Tia mặt trời

N
N
B
B
B
B
Đƣờng xích đạo

Đƣờng xích đạo
Hình 1.2- Sự chuyển động xung quanh mặt trời và
xung quanh trục riêng của quả đất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
1.3. Cc thành phần của bức xạ mặt trời
BXMT tới mặt đất gồm 2 thành phần đƣc gọi là trc xạ và nhiễu xạ.
Trc xạ là thành 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 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 hƣớng
do các tia mặt trời khi qua lớp khí quyển ca qu đất bị tán xạ, nhiễu xạ trên các
phân tử khí, hơi nƣớc, các hạt bụi,… Thành phần nhiễu xạ cũng phụ thuộc vào vị trí
mặt trời và thời tiết.
Tổng ca các thành phần trc xạ và nhiễu xạ gọi là Tổng xạ.
Các đại lƣng trc xạ, nhiễu xạ hay tổng xạ đƣc đo trong c ngày và theo
đơn vị MJ/ m2.ngày hay kW/ m2.ngày.
Thông thƣờng ở các Trạm khí tƣng thuỷ văn ngƣời ta đo trc xạ, nhiễu xạ và
tổng xạ trên mặt nằm ngang. Trong khi đó các bộ thu NLMT lại có bề mặt đặt

Hình 1.3. Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
Nhƣ đã nói ở trên, các tia BXMT có bƣớc sóng  < 0,7m tới mặt hộp thu, đi
qua tấm kính ph phía trên (1), tới bề mặt tấm hấp thụ (3). Tấm này hấp thụ năng
lƣng BXMT và chuyển hoá thành nhiệt làm cho tấm hấp thụ nóng lên, khi đó nó
trở thành nguồn phát xạ th cấp phát ra các tia bc 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 ngoài
đƣc. Nhờ vậy, hộp thu liên tục nhận BXMT nên tấm hấp thụ đƣc nung nóng dần
lên và có thể đạt đến nhiệt độ hàng trăm độ. Nhƣ vậy năng lƣng nhiệt mặt trời bị
"giam" trong hộp, giống nhƣ một cái bẫy nhiệt - năng lƣng vào đƣc nhƣng không
thể ra đơc. Đó là nguyên lý “hiệu ng nhà kính”. Nhiệt độ ca tấm hấp thụ càng
cao, phát xạ nhiệt từ mặt hấp thụ càng lớn, cho đến khi năng lƣng mà tấm hấp thụ
nhận đƣc từ BXMT cân bằng với năng lƣng mất mát cho môi trƣờng xung quanh
th trạng thái cân bằng nhiệt đƣc thiết lập.
Bộ thu phẳng có cấu tạo da trên nguyên lý hiệu ng nhà kính nhƣ đã mô t
trên, nhƣng 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 lƣợng mặt trời phẳng
Bộ thu năng lƣng mặt trời có thể đƣc ng dụng trong nhiều mục đích khác
nhau nhƣ để sn xuất nƣớc nóng, sấy sn phẩm, chƣng cất nƣớc, v.v… Nó có thể
có nhiều hnh dạng khác nhau đƣc thiết kế cho phù hp với mục đích sử dụng.
Dƣới đây chng ta chỉ nghiên cu dạng phẳng, tc là dạng mà tấm hấp thụ là tấm
phẳng. Hnh 1.3 trên cũng chính là là sơ đồ cấu tạo ca một bộ thu NLMT hoạt
động theo nguyên lý hiệu ng nhà kính.

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

8
Bộ thu phẳng có hnh khối hộp chữ nhật, trên cùng đƣc đậy bằng một hay
vài lớp kính xây dng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm trong
suốt khác nhƣ thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v Đối với vật liệu ngoài thuỷ tinh tuy


9
Về cơ bn một thiết bị sn xuất nƣớc nóng là 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 hnh 1.4) và sau đó cho nƣớc
chy qua hệ ống đó. Nhiệt từ tấm hấp thụ sẽ đƣc truyền qua thành ống vào nƣớc và
làm nƣớc nóng dần lên. Hnh 1.4 là sơ đồ một bộ thu để sn xuất nƣớc nóng.

Ban ngày khi có nắng, nhiệt độ tấm hấp thụ có thể đạt hơn 100
o
C. Để nƣớc
nóng có nhiệt độ cao (thông thƣờng khong 8085
o
C về mùa hè, 3545
o
C về mùa
đông) ngƣời ta cho nƣớc chy qua bộ thu nhiều lần theo các chu trnh đối lƣu t
nhiên hay đối lƣu cƣng bc.
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nƣớc nóng đối lƣu tự nhiên
Hnh 1.5 là sơ đồ một hệ thống sn xuất nƣớc nóng dùng nguyên lý đối lƣu
t nhiên. Nƣớc lạnh khi qua bộ thu nhiệt mặt trời sẽ nóng lên, khối lƣng riêng
gim nên chy lên phía trên. Phía dƣới áp các ống áp suất nƣớc bị gim nên nƣớc
lạnh lại chy vào. C nhƣ thế nƣớc sẽ t động chuyển động tuần hoàn theo chiều
mũi tên chỉ ra trên hnh 1.5. Kết qu là dòng nƣớc sẽ t chy qua bộ thu nhiều lần
và do đó nƣớc trong bnh cha (có lớp cách nhiệt tốt xung quanh) sẽ đạt đƣc nhiệt
độ cao.
Khi lấy nƣớc nóng trong bnh cha để sử dụng, nƣớc trong bnh vơi đi và
nƣớc lạnh t động chy bổ sung thêm vào.
4
1

Hiệu suất bộ thu NLMT theo nguyên lý đối lƣu t nhiên chỉ đạt 3540%.
Tia sáng mặt trời
Bộ thu
1
2
3
4
1
2
3
3
4
Nƣớc nóng
sử dụng
Nƣớc lạnh
bổ sung
van
Vòng tuần hoàn đối lƣu t nhiên ca nƣớc
Đƣờng dẫn nƣớc
Thùng cha

Hình 1.5- Hệ sản xuất nước nóng NLMT sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên
3
1
1
1
2
4
5
Nƣớc nóng