ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ ĐỨC NHẬT
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ
MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số :
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN – 2011
1
Công trình được hoàn thành tại :
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
Phản biện 1: PGS. TS. Nguyuẽn Thanh hà
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Vỵ
Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại :
Nhà A6, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp
Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 09 giờ 30 phút, ngày 25 tháng 10 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên và
Thư viện Trường đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
2
MỞ ĐẦU
Hiện nay, Năng lượng mặt trời được xem như là nguồn sạch và tái tạo năng
lượng cho tương lai, nó cũng là nguồn năng lượng ít nhất gây ô nhiễm nhất
trong tất cả các nguồn năng lượng được biết đến.
Hầu hết năng lượng mặt trời hiện nay được sử dụng làm năng lượng nhiệt
hoặc điện. Bên cạnh đó nhờ các bộ gom nhiệt mặt trời và các bộ hiệu ứng quang
điện của chất bán dẫn đã tạo ra điện trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.
Năng lượng mặt trời thu được giá trị tối ưu khi các chùm tia chiếu tới bề

vòng là 24 giờ (một ngày 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 .
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
xạ trên các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi,… Thành phần nhiễu xạ cũng phụ
thuộc vào vị trí mặt trời và thời tiết.
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
1.4.1. Hiệu ứng nhà kính
Hình 1.3: Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
Bộ thu phẳng có hình khối hộp chữ nhật, trên cùng được đậy bằng một hay
vài lớp kính xây dựng trong suốt. Cũng có thể thay lớp kính này bằng các tấm
trong suốt khác như thuỷ tinh hữu cơ, polyester, v.v Đối với vật liệu ngoài
thủy tinh tuy có độ bền cơ học cao hơn, nhưng độ già hoá lại nhanh, do đó hệ số
truyền qua sau khoảng 5 –10 năm có thể giảm 5 ÷ 10%.
1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
1.5.1. Sản xuất nước nóng bằng NLMT
4
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
Hình 1.4: Sơ đồ một bộ thu để sản xuất nước nóng
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên

6
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính
Hình 1.13 : Sơ đồ một bếp mặt trời sử dụng hiệu ứng nhà kính
1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ
Các tia mặt trời khi gặp gương sẽ hội tụ tại tiêu điểm, nhiệt độ có thể lên
đến 200 ÷ 250
o
C. Tại tiêu điểm này người ta đặt nồi thức ăn cần nấu.
Hình 1.14: Bếp NLMT hội tụ
1.5.5. Sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại
NLMT cũng thường được sử dụng để sưởi ấm nhà cửa, chuồng trại chăn
nuôi trong mùa đông.
Hình 1.15: Hệ thống sưởi ấm nhà cửa hay chuồng trại sử dụng NLMT
Hình 1.16: Hệ thống sưởi NLMT sử dụng nước làm chất thu và tải nhiệt
1.5.6. Pin mặt trời
1.5.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
7
Hình 1.17 : Sơ đồ cấu tạo một pin mặt trời tinh thể Si
Hình 1.18 : Sơ đồ cấu tạo PMT Si
Hình1.19: Một môđun hoàn thiện
1.5.6.2. Hệ thống nguồn điện PMT
PMT được ứng dụng để sản xuất điện. Hiện nay có 2 phương pháp sử dụng
điện mặt trời. Đó là các phương pháp nguồn điện PMT nối lưới và nguồn điện
PMT độc lập.
* Nguồn điện PMT nối lưới
Hình 1.20 : Sơ đồ hệ thống điện mặt trời nối lưới
* Nguồn điện PMT độc lập
Hình 1.21 : Sơ đồ khối hệ nguồn điện mặt trời độc lập
1.6. Kết luận.
Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày

cơ của máy bơm nước, có thể sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyển đổi.
Hình 2.1: Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình.
2.2.2. Hệ thống điều khiển pin mặt trời
Hiện nay, các tấm pin mặt trời thường được lắp đặt cố định vào 1 tấm đế,
do đó hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng
tấm pin (12h trưa). Ngoài thời điểm này hiệu suất pin mặt trời sẽ giảm. Do vậy,
bài toán đặt ra là: Làm thế nào để hiệu suất pin mặt trời được tối đa.
Để nâng cao hiệu suất của pin cần có một hệ thống điều khiển để luôn xác
định được hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó mới điều khiển cho mặt
phẳng của tấm pin mặt trời hướng về phía vuông góc với ánh sáng.
9
Hình dưới đây so sánh hiệu suất của một hệ thống pin mặt trời gắn cố
định và hệ thống pin mặt trời được điều khiển
Hình 2.3: Công suất đầu ra của pin mặt trời
Trong đó:
: Hiệu suất pin mặt trời được điều khiển
: Hiệu suất pin mặt trời gắn cố định
Rõ ràng thời gian đạt hiệu suất đỉnh của pin có điều khiển được kéo dài ra.
Toàn bộ hiệu suất của pin mặt trời được tính toán, đánh giá trong vòng
24h thể hiện qua bảng dưới đây.
Bảng 2.1: So sánh hiệu suất của pin mặt trời đặt cố định và có điều khiển
2.2.2.1. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng PID số
cho đến khi nào chúng bằng nhau, lúc này dừng động cơ có thể hiểu lúc
này mặt trời đang ở giữa hai sensor.
Hình 2.4: Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển PID
2.2.2.2. Mô hình điều khiển pin mặt trời dùng Fuzzy Controller
10
Hình 2.5: Mô hình điều khiển pin mặt trời bằng bộ điều khiển mờ
Để nâng cao hiệu suất cuả hệ thống thu thập năng lượng của pin mặt trời
người ta áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển hướng

thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển mờ tĩnh.
Hình 3.2: Một bộ điều khiển mờ động
Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động,
các khâu động học cần thiết sẽ được đưa thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản. Các
khâu động đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các
giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu. Cùng với những khâu động bổ xung
này, bộ điều khiển không còn là bộ điều khiển mờ cơ bản nữa mà đơn thuần nó
được gọi là bộ điều khiển mờ.
* Khâu mờ hoá: Có nhiệm vụ biến đổi giá trị rõ đầu vào thành một miền
giá trị mờ với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã được
định nghĩa từ trước.
* Khối hợp thành: Biến đổi các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu vào
thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành.
* Khối luật mờ (suy luận mờ): Bao gồm tập các luật “NẾU … THÌ …”
dựa vào các luật mờ cơ bản, được thiết kế và viết ra cho thích hợp với từng biến
và giá trị của các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ vào/ra.
Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ, vì nó
có khả năng mô phỏng những suy đoán của con người để đạt được mục tiêu điều
khiển mong muốn nào đó.
* Khối giải mờ: Biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều
khiển đối tượng.
12
3.2.1.1. Mờ hoá
* Mờ hoá đơn trị (singleton): Từ các điểm giá trị thực x*є U, lấy các giá trị đơn
trị của tập mờ A, nghĩa là hàm thuộc có dạng:
1 Nếu x=x*
µ
A
(x) =
0 Nếu x≠x*

1
là
A
k
1
và x
m
là
A
k
m
hoặc x
m+1
là
A
k
m 1+
và và x
n
là
A
k
n
*Mệnh đề đơn trị:
y là B
k
*Mệnh đề thay đổi từ từ:
Chẳng hạn: nếu x càng nhỏ thì y càng lớn.
3.2.1.4. Giải mờ
Khi giải mờ cần chú ý:

1
1
1
+=
+
, trong đó T
1
là hằng số tích phân.
*Luật điều khiển D: u
k+1
=T
D
( e
k
+ u
k
), trong đó T
D
là hằng số vi phân.
Hình 3.4: Bộ điều khiển mờ PID
Hình vẽ trên là ví dụ đơn giản về một hệ điều khiển mờ PID. Sai lệch
giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra được đưa vào bộ điều chỉnh theo luật P và
D, sau đó được đưa vào bộ điều khiển mờ. Bộ điều chỉnh I được dùng như
một thiết bị chấp hành, đầu vào lấy sau bộ giải mờ và đầu ra được đưa tới
đối tượng.
3.4. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ
Các bước cần thiết để thiết kế và tổng hợp bộ điều khiển mờ:
*Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra.
*Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra.
*Xây dựng các luật điều khiển (các mệnh đề hợp thành).

3.4.6. Tối ưu
Bước tiếp theo là tối ưu hóa hệ thống theo các chỉ tiêu khác nhau.
Chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này chủ yếu được thực hiện
thông qua việc điều chỉnh lại các hàm thuộc và bổ sung thêm các luật điều
khiển hoặc sửa lại các luật điều khiển đã có. Và nên thực hiện việc chỉnh
định trên một hệ kín.
3.5. Bộ điều khiển mờ lai PID.
3.5.1. Giới thiệu chung.
Hệ mờ lai (Fuzzy- hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó
thiết bị điều khiển bao gồm 2 thành phần:
- Phần thiết bị điều khiển rõ (thường là bộ điều khiển kinh điển PID)
- Phần thiết bị điều khiển mờ.
15
Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phát huy được ưu điểm của cả bộ điều
khiển mờ và bộ điều khiển rõ. Ta xét hệ thống điều khiển có hai cấu trúc vòng,
một trong hai vòng điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ.
Hình 3.5: Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai
3.5.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.
Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích
phân, vi phân) đã và được dùng phổ biến trong các hệ thống điều khiển công
nghiệp.
Hình 3.6: Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID
Nếu viết theo hàm thời gian thì tín hiệu ra của bộ điều khiển PID là:
( ) ( ) ( )
( )














++=
(3.7)
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, k
P
được gọi là hệ số
khuếch đại, T
I
là hằng số tích phân, T
D
là hằng số vi phân.
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số k
P
, T
I
, T
D
của bộ điều
khiển PID. Nhưng vì các hệ số này chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc
cụ thể của hệ thống, do đó khi hệ thống điều khiển có sự thay đổi ta cần phải
chỉnh định lại các hệ số này nhằm đảm bảo chất lượng điều chỉnh như mong
muốn. Thông thường việc chỉnh định các tham số này được tiến hành theo
phương pháp "thăm dò" nên không hiệu quả. Chính vì vậy, phương án thiết kế

[ ]
max
D
min
DD
k,kk ∈
(3.8)
Để có 0 ≤ k
P
, k
D
≤ 1 thì Zhao, Tomizuka và Isaka đã chuẩn hoá các
tham số đó như sau:
min
P
max
P
min
PP
P
kk
kk
k
−
−
=
;
min
D
max

cũng giới thiệu nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ. Với bộ điều khiển
mờ như vậy, nó cũng bộc lộ những ưu điểm và nhược điểm theo bản chất của
phương pháp điều khiển.
Cấu trúc của hệ thống đơn giản, luật điều khiển chính là các mệnh đề hợp
thành-tri thức chuyên gia mang tính kinh nghiệm nên có thể thực hiện bộ điều
khiển với những hệ thống mà khó hoặc không thể xây dựng được mô hình toán
học cho nó.
Theo nguyên tắc điều khiển bằng logic mờ, ta có thể có rất nhiều cách thực
hiện (cách lựa chọn) khác nhau tại các bước tính toán như chọn hàm thuộc, phép
giao, phép hợp, phép hợp thành, giải mờ, … nên cho ta nhiều kết quả khác nhau.
Chất lượng của hệ thống rất phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế và
không có một thuật toán nào có thể tối ưu hóa được quá trình thiết kế này.
17
CHƯƠNG 4
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI
4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống
4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời
Hình 4.1: Mô hình cấu trúc của hệ thống pin mặt trời
Mô hình điều khiển pin mặt trời bao gồm hai động cơ. Một động cơ điều
khiển pin quay theo phương x ( đông – tây). Một động cơ điều khiển pin mặt
trời quay theo phương y ( nam – bắc). vì hai động cơ cùng kiểu do vậy ta chỉ cần
thiết kế bộ điều khiển cho một động cơ.
4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống pin mặt trời
Hệ thống điều khiển có mục đích chính là tự động điều khiển bộ thu nhiệt
tìm và bám theo mặt trời để thu năng lượng nhiều nhất đồng thời có tính linh
hoạt cao. Thực chất là tự động điều chỉnh động cơ điện một chiều để quay bộ
thu nhiệt được đặt phía trên tấm pin theo hướng đông-tây xoay theo mặt trời
nhằm tập trung được tốt nhất nhiệt năng.
*Sensor và chuẩn hóa tín hiệu
Hình 4.2: Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời

được thêm vào để tạo sự cần thiết của nguồn cấp.
Bảng 4.1 minh họa sự thể hiện của các biến được đưa ra từ cấu trúc phát hiện
ánh sáng mặt trời.
18
U
H
> U
0
Pin chuyển từ: Đông sang Tây
U
H
< U
0
Pin chuyển từ: Tây sang Đông
U
H
= U
0
Pin đã định hướng tốt
Bảng 4.1: Các trạng thái khác nhau của pin mặt trời
* Động cơ quay pin
Một pin mặt trời được điều khiển bởi một động cơ một chiều. Trong phần
này sẽ trình bày việc thiết kế bộ điều khiển PID và mờ để điều khiển động cơ
một chiều. Kết quả của bộ điều khiển PID được so sánh với kết quả thu được từ
bộ điều khiển mờ. Động cơ một chiều được đặc trưng bởi sơ đồ nguyên lý trên
hình 4.3
Hình 4.3: Đặc trưng của động cơ một chiều
Phương trình vi phân mô hình hóa động cơ điện 1 chiều là:

2

/s
2
: Momen quán tính
B = 0.1 Nms : Momen ma sát
K = 0.01 Nm/Amp : Lực điện động
R = 1 Ω : Điện trở mạch phần ứng
L = 0.5 H : Điện cảm phần ứng
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển
4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID
Ta có hàm truyền của đối tượng có dạng:
Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
Đối tượng điều khiển:
( ) ( )
0.099
( )
0.1 1 0.4994 1
G s
s s s
=
+ +
Vì đối tượng có một khâu tích phân và có một hằng số thời gian lớn. Do vậy ta
thiết kế bộ điều khiển PID có dạng:
( )
2
1
( )
d
c
i
T s

G s
s
+
=
Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID như sau:
Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID
* Kết quả mô phỏng:
Hình 4.5: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển PID
4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động
* Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển mờ động
Hình Hình.4.6: Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ động
* Định nghĩa các biến vào ra:
Bộ điều khiển mờ gồm có hai đầu vào và một đầu ra.
- Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào bộ điều khiển, đại lượng này được ký
hiệu là UH.
- Đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất, đại lượng này được ký
hiệu là dUH.
- Đầu ra của bộ điều khiển mờ là giá trị điện áp một chiều, đại lượng này
được ký hiệu là U.
Hình 4.7: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ
20
* Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra:
- Xác định miền giá trị vật lý cho các biến vào ra:
Điện áp vào UH được chọn trong miền giá trị [-1,+1] volt;
Đạo hàm dUH có miền giá trị nằm trong khoảng [-1,+1] volt;
Điện áp một chiều U nằm trong khoảng [-1,+1]volt.
- Xác định số lượng tập mờ cần thiết: về nguyên tắc, số lượng tập mờ cho
mỗi biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Nếu số lượng ít hơn 3 thì
ít có ý nghĩa vì không thực hiện được việc lấy vi phân; Nếu lớn hơn 10 thì con
người khó có khả năng bao quát hết các trường hợp xảy ra.

NB NB NB NB NB NS PS PB
NM NB NB NM NM ZE PS PB
NS NB NB NS NS ZE PM PB
ZE NB NB NS ZE PS PB PB
PS NB NM ZE PS PS PB PB
PM NB NS ZE PM PM PB PB
PB NB NS PS PB PB PB PB
Bảng 4.2: Các luật điều khiển hợp thành
Hình 4.11: Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ
* Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ
Triển khai luật hợp thành và tổng hợp các giá trị mờ. Thiết bị hợp thành ta
chọn theo nguyên tắc Prod – Probor.
Các tập mờ sau khi triển khai qua nhiều thiết bị hợp thành sẽ đưa về các giá
trị thực theo cách thức giải mờ, cách thức này có ảnh hưởng không nhỏ đến
trạng thái làm việc cũng như độ phức tạp của hệ thống. Chọn giải mờ theo
phương pháp Wtaver.
22
Hình 4.12: Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ
Hình 4.13: Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab
để xây dựng bộ điều khiển mờ theo những thiết kế trên. Công cụ Toolbox Fuzzy
Logic cho phép người sử dụng thiết kế bộ điều khiển mờ nhanh chóng, chính
xác và cho phép kết xuất kết quả ra vùng Workspace để tiến hành mô phỏng
bằng công cụ Simulink của Matlab.
• Kết quả mô phỏng
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ động
4.3. So sánh chất lượng khi dùng bộ điều khiển PID và Mờ
4.3.1. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID sau khi thiết kế
* Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ
23