Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 1 Chuyên ngành Tự động hóa
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Phản biện 1 : GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Phản biện 2 : PGS.TS. Lại Khắc Lãi
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng
cao học số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 14 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái
Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2 Chuyên ngành Tự động hóa
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
mặt thu một cách tốt nhất. Điều này dẫn tới việc nghiên cứu sự bức xạ mặt
trời trên bề mặt trái đất và đặc biệt nghiên cứu sự thay đổi của các hệ thống
gom năng lượng bám theo mặt trời một cách liên tục.
Trong luận văn này “Nghiên cứu hệ thống điều khiển gương mặt trời
bằng bộ điều khiển mờ”, mục đích chính là tìm mặt trời và bám theo mặt trời
để thu năng lượng nhiều nhất đống thời có tính linh hoạt cao.
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 gương mặt trời

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
ngày (một năm). Đồng thời quả đất lại tự quay xuang quanh trục Bắc-Nam
của nó. Thời gian quay một 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 (hình 1.2). Tổng hợp của
các chuyển động đó dẫn tới kết quả là cường 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.
1.3. Các thành phần của bức xạ mặt trời
1.4. Hiệu ứng nhà kính và bộ thu phẳng
1.4.1. Hiệu ứng nhà kính
1.4.2. Bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
1.5. Một số ứng dụng năng lượng mặt trời
Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973,
NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã 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 nước nóng bằng NLMT
1.5.1.1. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu tự nhiên
1.5.1.2. Hệ thống sản xuất nước nóng đối lưu cưỡng bức
1.5.2. Sấy bằng NLMT
1.5.2.1. Hệ thống sấy đối lưu tự nhiên
1.5.2.2. Hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức
1.5.3. Chưng lọc nước bằng NLMT
1.5.4. Bếp mặt trời
1.5.4.1. Bếp mặt trời kiểu hiệu ứng nhà kính
1.5.4.2. Bếp mặt trời hội tụ

* Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lượng mặt trời dùng
để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao thì các bộ thu phẳng đặt
cố định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh
chưa phù hợp với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ. Các bộ thu có gương
parabolic hay máng parabolic trụ phản xạ bình thường thì thu được nhiệt độ
cao nhưng vấn đề định vị hướng hứng nắng theo phương mặt trời rất phức tạp
nên việc vận hành còn nhiều khó khăn.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 5 Chuyên ngành Tự động hóa
2.2. Giới thiệu hệ thống thu năng lượng mặt trời dùng máng phản xạ cong
Hình 2.2: Hệ thống thu năng lượng mặt trời sử dụng các máng parabol cong
2.3. Một số mô hình điều khiển gương mặt trời
2.3.1. Mô hình điều khiển tỷ lệ cố định
2.3.2. Mô hình điều khiển PSA
2.3.3. Mô hình điều khiển thông minh
2.4. Kết luận
Hầu hết các hệ thống điều khiển gương mặt trời là hệ hở. Trong mô
hình điều khiển tỷ lệ cố định, biến tốc độ lập trình để xoay máng phản xạ với
một tốc độ không đổi dựa trên sự chuyển động của mặt trời. Trong mô hình
điều khiển PSA, thuật toán được xác định bằng các phương trình toán học
dựa trên vị trí của mặt trời. Trong cả hai mô hình trên, phản hồi vị trí được
dùng như một tham số mẫu, thực tế không nhất thiết phải cần có trong bài
toán điều khiển. Tuy nhiên trong mô hình điều khiển thông minh, bộ dò vị trí ,
tốc độ gió và nhiệt độ chất lỏng truyên nhiệt là cần thiết cho việc xác định vị
trí của các máng phản xạ.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 6 Chuyên ngành Tự động hóa
CHƯƠNG III
GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN
MỜ (FLC)

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.
3.2.1.1. Mờ hoá
3.2.1.2. Sử dụng luật hợp thành
3.2.1.3. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ
3.21.4. Giải mờ
3.3. Nguyên lý điều khiển mờ
Hình 3.3: Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ
Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế gồm các thành phần:
*Giao diện đầu vào: Bao gồm khâu fuzzy hóa và các thành phần phụ trợ thêm
để thực hiện các bài toán động như tích phân, vi phân, …
*Thiết bị hợp thành: Bản chất của thành phần này là sự triển khai luật hợp
thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay như trong một số các
tài liệu khác còn gọi là luật quyết định.
*Giao diện đầu ra (khâu chấp hành): gồm khâu giải mờ và các khâu giao
diện trực tiếp với đối tượng.
3.4. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 8 Chuyên ngành Tự động hóa
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).
*Chọn thiết bị hợp thành (max-MIN hay sum-MIN).
*Chọn nguyên lý giải mờ.
*Tối ưu hóa hệ thống.
3.4.1. Định nghĩa các biến vào/ra

điển dựa trên hàm truyền của đối tượng. Đồng thời cũng cho chúng ta một cái
nhìn tổng quan về cấu trúc của một bộ điều khiển mờ cơ bản, nhiệm vụ của
mỗi thành phần trong hệ thống. Trên cơ sơ nguyên lý điều khiển mờ, chương
này 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 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.
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 10 Chuyên ngành Tự động hóa
CHƯƠNG IV
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN GƯƠNG MẶT TRỜI
4.1. Mô hình cấu trúc toán học của hệ thống
4.1.1 Mô hình cấu trúc của hệ thống gương mặt trời
Hình 4.1: Mô hình cấu trúc của hệ thống gương mặt trời
4.1.2 Mô hình toán học của hệ thống gương mặt trời
*Sensor và chuẫn hóa tín hiệu
Bộ phát hiện ánh sáng mặt trời bao gồm hai cảm biến ánh sáng, như
LDR diode quang hay tranzitor quang, được lắp đặt trên các tấm gương mặt
trời và được đặt trong một lớp vỏ bọc. Hai cảm biến ánh sáng được ngăn cách
với nhau bởi các lớp bề mặt như trên hình 4.2
Hình 4.2: Cấu trúc bộ phát hiện ánh sáng mặt trời

0
Gương chuyển từ: Tây sang Đông
C
H
= V
0
Gương đã định hướng tốt
Bảng 4.1: Các trạng thái khác nhau của gương mặt trời
* Động cơ quay gương
Hình 4.3: Đặc trưng của động cơ một chiều
Phương trình vi phân mô hình hóa động cơ điện 1 chiều là:
2
2
( ) ( )
( )
d t d t
J B Ki t
dt dt
θ θ
 
 
+ =
 ÷
 ÷
 
 
(1)
( ) ( )
( ) ( )
di t d t

T
A b
K
BR K LB RJ
LJ
LJ LJ
c
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
= =
 ÷
 ÷
 ÷
+ +
 ÷
 ÷
− −
 
 ÷
 
=
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 bằng phương pháp tối ưu đối xứng
Đối tượng điều khiển:

i
T = = =

Hằng số thời gian tích phân.
T
d
=8T
b
= 8*0.1 = 0.8 Hằng số thời gian vi phân.
T
n
= T
1
= 1
Bằng tính toán ta xác định được các hệ số của bộ điều khiển PID như
sau:
( ) ( )
1 1 0.8
( )
0.0254
c
s s
G s
s
+ +
=
Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID như sau:
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 13 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng của bộ điều khiển PID

Không ZE
Dương ít PS
Dương vừa PM
Dương nhiều PB
Với những ký hiệu như trên thì miền xác định ngôn ngữ của các biến vào
là:
CH ∈ {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 15 Chuyên ngành Tự động hóa
dCH ∈ {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
Vì bộ điều khiển mờ được thiết kế theo mô hình mờ của Sugeno bậc "0"
nên biến ra của nó có dạng các hằng số như sau:
U∈{-0.8572, -0.5715, -0.2858, 0, 0.2858, 0.5715, 0.8572}
Tương ứng là: U ∈ {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
- Xác định kiểu hàm liên thuộc: tất cả các hàm liên thuộc của hai biến
vào có dạng gauss.
Hình 4.8: Định nghĩa các tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 16 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.9: Định nghĩa các tập mờ cho biến dCH của bộ điều khiển mờ
Hình 4.10: Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ
- Rời rạc hoá tập mờ.
Độ phân giải của các dải trị phụ thuộc được chọn trước hoặc là cho các
nhóm điều khiển mờ loại dấu phẩy động (các số dj biểu diễn dưới dạng dấu
phẩy động có độ chính xác đơn) hoặc nguyên ngắn (giá trị phụ thuộc là các số
nguyên có độ phụ thuộc là các số có độ dài 2 byte hoặc theo byte). Phương
pháp rời rạc hóa sẽ là yếu tố quyết định độ chính xác và tốc độ bộ điều khiển.
* Xây dựng các luật điều khiển:
Theo kinh nghiệm thiết kế, các luật điều khiển được xây dựng theo bảng
sau, tổng cộng có 49 luật điều khiển:

tiến hành mô phỏng bằng công cụ Simulink của Matlab.
* Kết quả mô phỏng
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 19 Chuyên ngành Tự động hóa
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
Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế
* Kết quả mô phỏng
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 20 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.16: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi tín hiệu vào
là hàm 1(t)
Nhận xét:
- Ta thấy cả hai bộ điều khiển đều có ưu điểm là triệt tiêu được sai lệch tĩnh
- Đặc tính quá độ: hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID có thời gian đáp ứng
nhanh hơn bộ điều khiển mờ; cả hai hệ thống đều không có độ quá điều
chỉnh.
4.3.2. So sánh chất lượng của các bộ điều khiển khi thay đổi giá trị đặt
* Kết quả mô phỏng
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 21 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng của khi tín hiệu đặt vào là xung vuông
Nhận xét:
- Khi thay đổi giá trị đặt thì chất lượng của các bộ điều khiển là khác nhau.
- Với bộ điều khiển PID luôn bám theo giá trị đặt, không tồn tại sai lệch tĩnh,
thời gian tác để hệ thống bám theo tín hiệu đặt khoảng 5s.
-Với bộ điều khiển mờ động thì vẫn bám theo được tín hiệu đặt, nhưng thời
gian để hệ xác lập chậm hơn (sau 10s mới xác lập)

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 23 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =1(henri)
Kết quả mô phỏng khi L = 2 (henri)
Hình 4.22: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =2(henri)
Kết quả mô phỏng khi L = 3 (henri)
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 24 Chuyên ngành Tự động hóa
Hình 4.23: Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =3(henri)
Nhận xét:
- Khi thay đổi giá trị điện cảm của động cơ thì bộ điều khiển mờ tốt hơn bộ
điều khiển PID.
4.3.4.2. Khi thay đổi trị số của mô men quán tính J
Kết quả mô phỏng khi J = 0,05 (Kgm
2
/s
2
)
Hình 4.24: Kết quả mô phỏng khi J = 0,05 (Kgm
2
/s
2
)
* Kết quả mô phỏng khi J = 0,1 (Kgm
2
/s
2
)
Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Dương Vũ Nhật Đồng
Tóm tắt Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 25 Chuyên ngành Tự động hóa